Encrypt on Email

什麼是 ENE？

ENE 是一個實驗性質的、設計用於郵件的、端到端End to End加密工具。
它基本上是我設想中的 OpenPGP 2.0，針對 PGP 的弱點作出了一些改進。

郵件是一個單次、無狀態的通信方案，這意味著爲它設計加密方案無法達到很多常見的安全要求。
例如經常被提到的 完美前向保密Perfect Forward Secrecy。
事實上放寬其中一個限制，我們就可以做到很多，
例如 OpenPGP 實際上有一個有狀態的前向保密方案¹。

但在這些條件下，我們可以做的事情並不多。

在早期，我們滿足於簡單的 KEMKey encapsulation mechanisms + Encrypt 加密方案，
這些方案缺失了身份認證、完整性驗證。

而在 2018 年，我們可以做得更好。

ENE 將會提供：

• 認證密鑰交換Authenticated Key Exchange
• 可否認的郵件認證Deniable authentication
• 郵件完整性Integrity
• 具有 Nonce-misuse Resistant 的加密方案
• 實驗性的 Post-quantum 密碼套件

我們需要認證？

試想一個場景，Alice 向 Bob 發送一個沒有認證的加密消息，Mallory 可以輕鬆的攔截並轉發這個消息給 Bob。
Bob 會認爲這個消息是由 Mallory 發送的。

這是由於缺乏身份認證導致的。

可能很多人會覺得加簡單的增加一個簽名會解決所有問題，但並不是。簡單的簽名方案有兩個缺點

1. 可否認性²的丟失

   • 當你使用私鑰簽名一段消息時，實際上你背負了一定的法律責任。你將無法否認那段消息出自於你的手筆。

2. Surreptitious Forwarding Attack^3,4

   • Mallory 可以將 Alice 的簽名剝離，使用自己的簽名代替。
   • 可能有人認爲 Sign-then-Encrypt 將會解決這個問題，但若加密方案達不到 CCA⁵，那它仍無法防止此攻擊。

ENE 有四種認證方案，用戶可以靈活選擇自己想要的安全性。

1. One-Pass Authenticated Key Exchange^6,7

   • 一次通信的認證密鑰交換有良好的性能，因爲它不涉及複雜的簽名算法。
   • 由於只能通信一次，我們仍無法做到完美前向保密。但我們可以做到發送者前向保密，這至少和公鑰加密一樣好。
   • one-pass ake 只提供隱式認證，
     這意味著它無法抵抗 KCIKey Compromise Impersonation攻擊⁸。
   • one-pass ake 是 ENE 中最弱的認證方案，但它仍能防禦大多數攻擊。
     你應該用它代替早期郵件加密中無認證的加密方案。

2. Signature-based Authenticated Key Exchange^9,10

   • 在密鑰交換中加入簽名可以做到顯式認證。這個增強將可以抵抗 KCI 攻擊。
   • 簽名內容不包括消息，這意味著該方案仍能保持消息的可否認性。

3. Signature Key Exchange and Message

   • 在 方案2 的基礎上，簽名內容包括明文消息。這將保證消息的不可否認性Non-Repudiation。

4. Signature Only

   • 只簽名明文消息，不作任何加密。

我們需要 AEAD？

我相信我不需要在 8102 年贅述完整性驗證的重要性。

EFAIL 就是一個未能很好處理完整性驗證導致的漏洞。

實際上 OpenPGP 有自己的完整性驗證方案 MDC¹¹，
但在大多數應用中只當作警告處理，並且存在降級攻擊¹²。
而在 ENE 中，我們可以使用更現代的 AEAD 方案，更好的保證完整性。

關於 AEAD¹³ 的研究已經有很多年，更多的安全性質被提出，例如 Nonce-misuse Resistant¹⁴。

由於郵件無狀態的特點，我們只能隨機的產生 nonce。
對於某些加密算法而言，nonce reuse 的後果是毀滅性的，例如 AES-GCM¹⁵。
雖然我們可能沒有如此大量的郵件以導致生日攻擊，
但使用一個 Nonce-misuse Resistant AEAD 將可以免疫這個問題。

我們需要 Post-quantum？

衆所周知，量子機可以打破所有當前流行的公鑰算法。
屆時，所有使用 RSA/ECC 加密的郵件都將無法保證保密性。
因此，有必要在實用的量子機出現之前進行防禦。

一般有兩種方法來對抗量子機

1. 使用預共享密鑰。
2. 使用 Post-quantum 密鑰交換¹⁶。

考慮到郵件的使用場景，預共享密鑰在很多情況下不太現實。
因而使用 Post-quantum 算法是一个有意义的选择。

ENE 是完美的嗎？

不是！

ENE 未來仍有很多工作要做。例如

• 子密鑰支持
• 完全的前向保密^17,18
• 郵件列表Mailing list加密支持
• 側信道攻擊Side-Channel attacks抗性
• 協議形式化驗證Formal verification

ENE 是一個非常年輕的工具，一切在未來必將發生變化。

爲什麼不用 ENE？

ENE 不是萬能的。它被設計用於加密郵件，不是 PGP 的完全替代品。

1. Web of Trust¹⁹

   • 我不打算討論 Web of Trust 的好壞。
   • ENE 不是信任系統，不考慮如何建立信任關係。
   • 若需要，你可以使用 PGP 簽署 ENE 公鑰。

2. 爲 git commit、壓縮包以及其他公鑰簽名

   • ENE 可以做，但在這些方面不會比 PGP 有什麼優勢。
   • 當然，你也可以使用 pbp。

3. 加密巨大的文件

   • 通常郵件文本不會太大，所以 ENE 不考慮這一點。
   • 當然，這不意味著 GPG 適合做文件加密。

4. 需要可靠的、穩定的加密方案

   • ENE 非常不穩定！隨時可能發生變化。
   • “現代 PGP” 依然是最好的選擇之一，例如 Sequoia。

---

ENE 是開源的，代碼託管在 Github。

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1. Forward Secrecy Extensions for OpenPGP
2. Deniable authentication
3. Should we sign-then-encrypt, or encrypt-then-sign?
4. Defective Sign & Encrypt in S/MIME, PKCS#7, MOSS, PEM, PGP, and XML
5. Chosen-ciphertext attack
6. One-Pass HMQV and Asymmetric Key-Wrapping
7. OAKE: a new family of implicitly authenticated diffie-hellman protocols
8. Key Compromise Impersonation attacks (KCI)
9. The SIGMA Family of Key-Exchange Protocols
10. AEAD variant of the SIGMA-I protocol
11. Modification Detection Code Packet
12. OpenPGP SEIP downgrade attack
13. Authenticated encryption
14. Nonce misuse resistance 101
15. Nonce-Disrespecting Adversaries: Practical Forgery Attacks on GCM in TLS
16. Post-quantum cryptography
17. Forward Secure Asynchronous Messaging from Puncturable Encryption
18. 0-RTT Key Exchange with Full Forward Secrecy
19. Web of trust

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