Synchronizace času a zajištění důvery

Pro zajištění důvěry v prostředí elektronických komunikací je potřeba zajistit přesný čas. Ale distribuce času sama o sobě musí mít zajištěnu důvěryhodnost zdroje, ochranu integrity před neoprávněnou změnou. Protože čas je z hlediska IT systémů extrémně důležitý.

Synchronizace času, standardizace a přesnost

Synchronizace času je nezbytně nutná jak v prostředí lokální sítě, tak pro zajištění důvěry v prostředí internetu. Bez synchronizace času je obtížné ověřit platnost certifikátů webových stránek, poštovních serverů, nebo certifikátů jednotlivých uživatelů, bez synchronizace je náročné ověřit platnost digitálních podpisů. Prostě se prakticky nespojíte, nezaplatíte si, neobjednáte si ... Bez odpovídajícího času je obtížné i ověřování uživatelů (např. Active Directory nebo Azure Active Directory), stejně jako vnitřní synchronizace databází, aplikací, nebo průmyslových protokolů. Stejně tak je v případě rozpadu času náročné až nemožné ze záznamů určit, k čemu to vlastně na síti došlo.
Protože se jedná o kritickou službu, je potřeba si povědět něco více o jejím vývoji a schopnostech. Téměř každý dnes používá NTP (Network Time Protocol), v prostředí sítí Microsoft Windows je pak možné ještě narazit na SNTP (Simple Network Time Protocol). Z hlediska bezpečnosti ani přesnosti SNTP nepatří ke špičce a sportovní terminologií řečeno, pohybuje se někde uprostřed chumlu závodníků. Proto je vhodné dát přednost podstatně robustnějšímu prostředí. Ale pokud se budeme bavit o synchronizaci času a jeho přesnosti, je v extrémních případech možné použít ještě PTP (Precision Time Protocol). Jednotlivé verze a odpovídající přesnost je možné najít v následující tabulce.

Metody ochrany synchronizace času

Při distribuci času se naráží na několik problémů současně. Jediným ulehčením je možnost nepoužívat šifrování obsahu. Jednak tuto informaci všichni znají, dále zatěžuje zdroje a prodlužuje dobu zpracování. Důležitými problémy při komunikaci jsou např. integrita časového signálu, tedy neporušenost signálu cestou. Jinými slovy, ujištění se, že s časovou značkou nikdo nemanipuloval. Dále je to ověření zdroje. Spoléhání se čistě na zdrojovou a cílovou adresu je zcela nevyhovující. Kdokoliv má přístup ke komunikaci by mohl tyto informace pozměnit a příjemce by tak mohl být posouván v čase. Ověření zdroje je obecně značný problém, pokud se jedná o prvotní komunikaci. Jako poslední se jedná o řízení, kdo všechno má k tomuto časovému zdroji přístup, tedy autentizace. Uvedené je možné na lokální síti řešit jednoduše, pouhým poskytnutím sdíleného tajemství.
Přibližně od roku 1980 se pro synchronizaci času používal hlavně příkaz daytime. Postupně byl nahrazen protokolem NTP, který byl schopen běžet ve formě procesu na pozadí. Až s postupným vývojem se do něj přidávaly další funkcionality, včetně ochrany protokolu před neoprávněnou modifikací. V minulosti se objevily snahy použít pro zajištění integrity komunikace asymetrické algoritmy, přesněji digitální podpis. Pod názvem "Autokey" byla poskytována sada algoritmů, schopných výměny klíčů a digitálního podpisu. Mimo výrazného vlivu na složitost konfigurace, přesnost synchronizace a výpočetní nároky bohužel nepřinesla nic významného. Zajímavostí byla pouze možnost využívat pro ověření certifikáty založené na standardu X.509. Dostupné algoritmy byly:
   - RSA o velikosti klíče 512b až 2048b
   - DSA o velikosti klíče 1024b
   - DH o velikosti klíče 512b až 2048b

Na základě algoritmu NTP byl vytvořen algoritmus SNTP, zjednodušená verze NTP protokolu. Používal se hlavně v sítích společnosti Microsoft. Pro synchronizaci citlivých prostředí je k dispozici protokol PTP. Novinkou poslední doby je protokol NTS, schopný domluvy na sdíleném tajemství pomocí TLS, uvedené tajemství se dále používá pro autentizaci obsahu.

Přesnost dalších zdrojů

Radiové zdroje na dlouhých, středních a krátkých vlnách. Neobsahují žádnou autentizaci signálu, jejich přesnost dosahuje až ±10 ms, zpravidla se drží v řádu vteřin. Příkladem jsou vysílače se značkou ALS162, BBC Radio 4, DCF-77, DCF39, DCF49, HGA22, MSF, WWV, WWVB, WWVH. Ověřené časové zdroje přes NTP protokol dokáží poskytovat čas s přesností ±100 ms, příkladem je poskytovaný zdroj v CERN a NIST. Globální navigační systémy mohou obsahovat autentizační kanál. Některé z nich pouze pro vojenské aplikace, jiné i pro civilní. Příkladem zdroje s autentizací civilního kanálu je Beidou. U navigačního systému Galileo by měla být autentizace použita pomocí algoritmu TESLA, Glonass a GPS pro civilní složku ověření není. Přesnost těchto kanálů by měla dosahovat až ±1 µs. Atomové hodiny mohou dosahovat přesnosti až ±10 ns, tepelně stabilizované hodiny poté ±50 ns. V České republice máme obrovskou výhodu. Jsme jednou z mála zemí, která se podílí na vytváření světového koordinovaného času UTC ve spolupráci s Mezinárodním úřadem pro váhy a míry (BIPM).

Principy provozu

Radiové zdroje:
- Zvolená frekvence zdroje dovoluje šíření za obzor, doba letu signálu je zpravidla i odrazem od atmosféry omezena do vzdálenosti zhruba 2000km. Každou minutu se přenáší informace platné pro další minutu tak, aby došlo k plné synchronizaci.
Globální navigace:
- Každý satelit vysílá svoji značku a signalizaci. Kombinace několika zdrojů dovoluje použít metodu trilaterace, která dovoluje určit přesnou polohu a čas. Pro vysvětlení, jeden satelit dokáže poskytnout na povrchu koule informaci o čase vysílače, dva satelity dokáží určit např. elipsu (průnik kulových ploch), tři určí na této dráze dva body a čtvrtý následně dovolí určit konkrétní bod a jako bonus zároveň určit přesný čas.
NTP protokol:
- Tvoří tabulku několika různých časových zdrojů, jejich vzájemného rozdílu a pomocí Marzulova diagramu hledá střed pro odpovídající čas. Díky schopnosti zpracovávat i předchozí odchylky tam postupně upřesňuje změny způsobené šířením signálu.
PTP protokol:
- Pro každý časový zdroj vyhodnocuje několik samostatných parametrů a počítá střední čas komunikace. Na základě určené priority, přesnosti a dalších údajů volí časový zdroj nejbližší přesnému času.

Doporučení

Pro ochranu časové synchronizace pomocí NTP protokolu je dnes vhodné používat odpovídající algoritmy. Tedy buď HMAC-SHA256, AES-CMAC-256, AES-256-GCM, ChaCha20/Poly1305, případně AEGIS-256. Pokud je to možné, je vhodné použít protokol NTS, který zajišťuje dostatečnou formu ověření zdroje. Pro PTP je v současností stále nutné zajistit samostatnou síť, případně vytvořit virtuální síť např. pomocí VPN sítí. Komunikace pomocí PTP by proto měla být omezena v rámci časových zdrojů, nebo pro vybrané aplikace vyžadující tuto míru přesnosti.

Závěr

Synchronizace času je pro chod jakékoliv sítě velice důležitou službou. Protože je nutné takovou službu odpovídajícím způsobem zajistit před zneužitím, je vhodné řešit její odpovídající izolaci. Rozhodnutí, zda tuto izolaci potřebujete je součástí analýzy rizik (a jejích dopadů). Vhodný zdroj času pro prostředí sítě by měl mít několik samotných vstupů, které počítají i s omezením jejich přesnosti. Tyto vstupy je nutné porovnávat a zajistit proti případné manipulaci.
Malé společnosti si mohou vystačit s prostou synchronizací proti časovým zdrojům, ale větší společnosti, případně organizace, jejich provoz přesný čas vyžaduje, potřebují odpovídající strukturu. To může znamenat tepelně stabilizované hodiny nebo přesný vnitřní zdroj času s několika korekčními vstupy. Korekční vstupy mohou používat komunikaci po internetu stejně jako radiové zdroje. Ale tyto zdroje jsou ovlivnitelné útočníky. Dále, ovlivňování komunikací je součástí radioelektronického boje. Naproti tomu, blokování signálu, včetně GNSS signálu může být použito za účelem ochrany obyvatelstva. Proto není možné zcela spoléhat na zdroj času z globálních navigačních zdrojů.

Autor článku:

Jan Dušátko

Jan Dušátko se počítačům a počítačové bezpečnosti věnuje již skoro čtvrt století. V oblasti kryptografie spolupracoval s předními odborníky např. s Vlastimilem Klímou, či Tomášem Rosou. V tuto chvíli pracuje jako bezpečnostní konzultant, jeho hlavní náplní jsou témata související s kryptografií, bezpečností, e-mailovou komunikací a linuxovými systémy.