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Vue d’ensemble du chiffrement, des signatures numériques et des algorithmes de hachage dans .NET

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Cet article offre une vue d’ensemble des méthodes et pratiques de chiffrement prises en charge par .NET, notamment les manifestes ClickOnce.

Présentation du chiffrement

Les réseaux publics, tels qu'Internet, n'offrent aucun moyen de sécuriser les communications entre les entités. Les communications qui transitent par ces réseaux sont susceptibles d'être lues voire modifiées par des tiers non autorisés. Le chiffrement permet de prévenir la consultation des données, offre des moyens de détecter si les données ont été modifiées et fournit un mode de communication sécurisé via des canaux qui autrement ne sont pas sécurisés. Par exemple, les données peuvent être chiffrées à l'aide d'un algorithme de chiffrement, transmises dans un état chiffré et par la suite déchiffrées par le destinataire prévu. Si un tiers intercepte les données chiffrées, il lui sera difficile de les déchiffrer.

Dans .NET, les classes de l’espace de noms System.Security.Cryptography gèrent automatiquement de nombreux détails liés au chiffrement. Certaines sont des wrappers pour les implémentations de système d’exploitation, d’autres sont purement des implémentations managées. Vous n'avez pas besoin d'être un expert en chiffrement pour utiliser ces classes. Quand vous créez une instance de l'une des classes d'algorithme de chiffrement, les clés sont générées automatiquement pour une plus grande facilité d'utilisation, et les propriétés par défaut sont aussi sûres et sécurisées que possible.

Primitives de chiffrement

Dans un cas classique où le chiffrement est utilisé, la communication entre deux parties (Alice et Jean) se fait via un canal non sécurisé. Alice et Jean veulent s'assurer que leurs communications restent incompréhensibles pour quiconque les écouterait. De plus, comme Alice et Jean sont distants l'un de l'autre, Alice doit s'assurer que les informations qu'elle reçoit de Jean n'ont pas été modifiées par quiconque durant la transmission. Par ailleurs, elle doit s'assurer que les informations viennent bien de Jean et non d'une personne qui aurait emprunté son identité.

Le chiffrement vise à atteindre les objectifs suivants :

  • Confidentialité : pour empêcher la lecture de l'identité ou des données d'un utilisateur.

  • Intégrité des données : pour empêcher la modification des données.

  • Authentification : pour s'assurer que les données viennent bien d'un tiers donné.

  • Non-répudiation : pour empêcher un tiers donné de nier qu'il a envoyé un message.

Pour atteindre ces objectifs, vous pouvez utiliser une combinaison d'algorithmes et de pratiques appelés primitives de chiffrement pour créer un modèle de chiffrement. Le tableau suivant répertorie les primitives de chiffrement et leurs fonctions.

Primitive de chiffrement Utilisation
Chiffrement à clé secrète (chiffrement symétrique) Transforme les données pour empêcher des tiers de les lire. Ce type de chiffrement fait appel à une clé partagée, secrète et unique pour chiffrer et déchiffrer des données.
Chiffrement à clé publique (chiffrement asymétrique) Transforme les données pour empêcher des tiers de les lire. Ce type de chiffrement fait appel à une paire de clés publique/privée pour chiffrer et déchiffrer les données.
Signature chiffrée Permet de vérifier que les données viennent bien d'un tiers déterminé en créant une signature numérique qui lui est propre. Ce processus utilise aussi des fonctions de hachage.
Hachages de chiffrement Mappe les données de n'importe quelle longueur à une séquence d'octets de longueur fixe. Les hachages sont statistiquement uniques ; deux séquences de deux octets n'auront jamais la même valeur de hachage.

Chiffrement à clé secrète

Les algorithmes de chiffrement à clé secrète font appel à une clé secrète unique pour chiffrer et déchiffrer les données. Vous devez sécuriser la clé pour empêcher des agents non autorisés d'y accéder, car n'importe quel tiers qui aurait la clé en sa possession pourrait s'en servir pour déchiffrer vos données ou chiffrer les siennes en prétendant qu'elles viennent de vous.

Le chiffrement à clé secrète est aussi appelé chiffrement symétrique, car la même clé est utilisée pour le chiffrement et déchiffrement. Les algorithmes de chiffrement à clé secrète sont très rapides (par rapport aux algorithmes à clé publique) et se prêtent bien aux transformations de chiffrement sur les flux de données importants. Les algorithmes de chiffrement asymétrique tels que RSA sont limités mathématiquement quant à la quantité de données qu'ils peuvent chiffrer. En général, les algorithmes de chiffrement symétrique n'ont pas ces problèmes.

Un type d'algorithme à clé secrète appelé chiffrement par blocs est utilisé pour chiffrer un bloc de données à la fois. Les chiffrements par blocs tels que Data Encryption Standard (DES), TripleDES et Advanced Encryption Standard (AES) transforment par chiffrement un bloc d'entrée de n octets en un bloc d'octets chiffrés de sortie. Si vous voulez chiffrer ou déchiffrer une séquence d'octets, vous devez le faire bloc par bloc. Sachant que la valeur n est faible (8 octets pour DES et TripleDES ; 16 octets [par défaut], 24 octets ou 32 octets pour AES), les valeurs de données supérieures à n doivent être chiffrées un bloc à la fois. Les valeurs de données inférieures à n doivent être étendues à n afin d'être traitées.

Il existe une forme simple de chiffrement par blocs, qui est appelée « mode ECB » (Electronic Codebook, livre de codes électronique). Le mode ECB n'est pas considéré comme sécurisé, car il n'utilise pas de vecteur d'initialisation pour initialiser le premier bloc de texte en clair. Pour une clé secrète donnée k, un simple chiffrement par blocs qui n'utilise pas de vecteur d'initialisation chiffrera-t-il un même bloc d'entrée de texte en clair en bloc de sortie de texte chiffré équivalent. Par conséquent, si vous avez des blocs en double dans votre flux de texte en clair d'entrée, vous aurez des blocs en double dans votre flux de texte chiffré de sortie. La présence de ces blocs de sortie en double alerteront les utilisateurs non autorisés sur la faiblesse du chiffrement utilisé, sur les algorithmes qui ont pu être utilisés et sur les modes d'attaque possibles. Le mode de chiffrement ECB est donc assez vulnérable à l'analyse et, en fin de compte, à la découverte de clés.

Les classes de chiffrement par blocs fournies dans la bibliothèque de classes de base utilisent un mode de chaînage par défaut appelé CBC (Cipher-Block Chaining, chaînage de blocs de chiffrement), mais vous pouvez éventuellement modifier ce mode par défaut.

Le chiffrement CBC surpasse les problèmes liés au chiffrement ECB en utilisant un vecteur d'initialisation pour chiffrer le premier bloc de texte en clair. Avant d'être chiffré, chaque bloc de texte en clair suivant fait l'objet d'une opération OR exclusive au niveau du bit (XOR) avec le bloc de texte chiffré précédent. Chaque bloc de texte chiffré dépend donc de tous les blocs précédents. Avec ce système, les en-têtes de message courants qu'un utilisateur non autorisé pourrait connaître ne peuvent pas être utilisés pour reconstituer une clé.

Une façon de compromettre des données chiffrées avec un chiffrement CBC est d'effectuer une recherche exhaustive de chaque clé possible. Selon la taille de la clé utilisée pour effectuer le chiffrement, ce type de recherche peut être extrêmement fastidieux, sinon impossible, même en utilisant les ordinateurs les plus rapides. Les clés de grande taille sont plus difficiles à déchiffrer. Même si, en théorie, le chiffrement n'empêche pas un adversaire de récupérer les données chiffrées, il rend la tâche bien plus difficile. S'il faut trois mois pour effectuer une recherche exhaustive en vue de récupérer des données qui ne seront valables que quelques jours, cette méthode de recherche ne revêt aucun intérêt.

L'inconvénient du chiffrement à clé secrète est qu'il suppose que les deux parties se sont mises d'accord sur une clé et un vecteur d'initialisation et qu'elles se sont communiqué leurs valeurs. Le vecteur d'initialisation n'est pas considéré comme un secret et peut être transmis en texte en clair avec le message. Cependant, la clé doit être tenue secrète des utilisateurs non autorisés. Du fait de ces problèmes, le chiffrement à clé secrète est souvent employé conjointement avec le chiffrement à clé publique pour communiquer de manière confidentielle les valeurs de la clé et du vecteur d'initialisation.

Si l'on considère qu'Alice et Jean sont deux parties qui désirent communiquer sur un canal non sécurisé, ils peuvent utiliser le chiffrement à clé secrète comme suit : Alice et Jean conviennent ensemble d'utiliser un certain algorithme (AES, par exemple) avec une clé et un vecteur d'initialisation déterminés. Alice compose un message et crée un flux réseau (peut-être un canal nommé ou un e-mail réseau) sur lequel le message sera envoyé. Ensuite, elle chiffre le texte à l'aide de la clé et du vecteur d'initialisation, puis envoie le message chiffré et le vecteur d'initialisation à Jean via l'intranet. Jean reçoit le texte chiffré et le déchiffre à l'aide du vecteur d'initialisation et de la clé convenue précédemment. Si la transmission est interceptée, l’intercepteur ne peut pas récupérer le message d’origine, car il ne connaît pas la clé. Dans ce scénario, seule la clé doit rester secrète. Dans un scénario réel, Alice ou Jean génère une clé secrète et utilise un chiffrement (asymétrique) à clé publique pour transférer la clé (symétrique) secrète à l'autre partie. Pour plus d'informations sur le chiffrement à clé publique, consultez la section suivante.

.NET fournit les classes suivantes, qui implémentent des algorithmes de chiffrement à clé secrète :

  • Aes

  • HMACSHA256, HMACSHA384 et HMACSHA512. (Techniquement, il s’agit d’algorithmes à clé secrète, car ils représentent des codes d’authentification de message calculés à l’aide d’une fonction de hachage de chiffrement combinée à une clé secrète. Consultez Valeurs de hachage plus loin dans cet article.)

Chiffrement à clé publique

Le chiffrement à clé publique fait appel à une clé privée qui doit être tenue secrète des utilisateurs non autorisés et à une clé publique qui peut être divulguée à n'importe qui. La clé publique et la clé privée sont liées mathématiquement ; les données chiffrées avec la clé publique ne peuvent être déchiffrées qu'avec la clé privée, tandis que les données signées avec la clé privée ne peuvent être vérifiées qu'avec la clé publique. La clé publique peut être divulguée à n'importe qui ; elle sert à chiffrer les données à envoyer au détenteur de la clé privée. Les algorithmes de chiffrement à clé publique sont aussi appelés algorithmes asymétriques, car ils font appel à une clé pour chiffrer les données et à une autre clé pour les déchiffrer. Il existe une règle de base en matière de chiffrement qui interdit la réutilisation d'une clé. Par ailleurs, les deux clés doivent être uniques pour chaque session de communication. Or, dans la pratique, les clés asymétriques ont généralement une longue durée de vie.

Les deux parties (Alice et Jean) peuvent utiliser le chiffrement à clé publique comme suit : dans un premier temps, Alice génère une paire de clés publique/privée. Si Jean veut envoyer un message chiffré à Alice, il lui réclame sa clé publique. Alice envoie sa clé publique à Jean via un réseau non sécurisé et Jean utilise cette clé pour chiffrer un message. Jean envoie le message chiffré à Alice, qui le déchiffre à l'aide de sa clé privée. Si Jean a reçu la clé d'Alice via un canal non sécurisé, tel qu'un réseau public, il est exposé à une « attaque de l'intercepteur ». Par conséquent, Jean doit vérifier auprès d'Alice que la copie dont il dispose de sa clé publique est correcte.

Pendant la transmission de la clé publique d'Alice, le risque existe qu'un agent non autorisé intercepte la clé. De plus, ce même agent pourrait intercepter le message chiffré de Jean. En revanche, l'agent ne peut pas déchiffrer le message avec la clé publique. Le message ne peut être déchiffré qu'avec la clé privée d'Alice, qui n'a pas été transmise. Alice n'utilise pas sa clé privée pour chiffrer un message de réponse à Jean, car quiconque en possession de la clé publique pourrait déchiffrer le message. Si Alice souhaite envoyer une réponse à Bob, elle réclame à Jean sa clé publique et chiffre son message à l'aide de cette clé publique. Jean déchiffre ensuite le message à l'aide de sa clé privée associée.

Dans ce scénario, Alice et Jean utilisent le chiffrement à clé publique (asymétrique) pour transférer une clé secrète (symétrique) et utilisent le chiffrement à clé secrète pour le reste de leur session.

La liste suivante propose une comparaison entre les algorithmes de chiffrement à clé publique et à clé secrète :

  • Les algorithmes de chiffrement à clé publique utilisent une taille de mémoire tampon fixe, tandis que les algorithmes de chiffrement à clé secrète utilisent une mémoire tampon de longueur variable.

  • Les algorithmes à clé publique ne peuvent pas être utilisés pour chaîner ensemble des données sous forme de flux à la manière des algorithmes à clé secrète, car seules de petites quantités de données peuvent être chiffrées. Par conséquent, les opérations asymétriques n'utilisent pas le même modèle de diffusion en continu que les opérations symétriques.

  • Le chiffrement à clé publique dispose d'un plus grand espace de clés (plage de valeurs possibles pour la clé) que le chiffrement à clé secrète. Par conséquent, le chiffrement à clé publique est moins vulnérable aux attaques exhaustives qui essaient toutes les clés possibles.

  • Les clés publiques sont faciles à distribuer dans la mesure où elles n'ont pas besoin d'être sécurisées, à condition qu'il existe un moyen de vérifier l'identité de l'expéditeur.

  • Certains algorithmes à clé publique (tels que RSA et DSA, mais pas Diffie-Hellman) permettent de créer des signatures numériques pour vérifier l'identité de l'expéditeur des données.

  • Les algorithmes à clé publique sont très plus lents par rapport aux algorithmes à clé secrète et ne sont pas conçus pour chiffrer de grandes quantités de données. Les algorithmes à clé publique ne sont utiles que pour le transfert de très petites quantités de données. En règle générale, le chiffrement à clé publique est utilisé pour chiffrer la clé et le vecteur d'initialisation destiné à être utilisé par un algorithme à clé secrète. Une fois la clé et le vecteur d'initialisation transférés, le chiffrement à clé secrète est utilisé pour le reste de la session.

.NET fournit les classes suivantes, qui implémentent des algorithmes à clé publique :

RSA permet le chiffrement et la signature, mais DSA ne peut être utilisé que pour la signature. DSA n’est pas aussi sécurisé que RSA et nous recommandons donc RSA. Diffie-Hellman ne peut être utilisé que pour la génération de clé. En général, les algorithmes à clé publique sont plus limités dans leurs utilisations que les algorithmes à clé privée.

Signatures numériques

Les algorithmes à clé publique peuvent aussi être utilisés pour créer des signatures numériques. Les signatures numériques permettent d'authentifier l'identité d'un expéditeur (si vous jugez que sa clé publique est fiable) et d'assurer l'intégrité des données. En utilisant la clé publique générée par Alice, le destinataire des données d'Alice peut vérifier que c'est bien elle qui les a envoyées en comparant la signature numérique aux données et à la clé publique d'Alice.

Pour utiliser le chiffrement à clé publique pour signer numériquement un message, Alice applique d'abord un algorithme de hachage au message pour créer une synthèse du message. La synthèse du message est une représentation compacte et unique des données. Alice chiffre ensuite la synthèse du message à l'aide de sa clé privée pour créer sa signature personnelle. À réception du message et de la signature, Jean déchiffre la signature à l'aide de la clé publique d'Alice pour récupérer la synthèse du message et hache ce dernier en utilisant le même algorithme de hachage que celui utilisé par Alice. Si la synthèse du message calculé par Jean correspond exactement à la synthèse du message reçue d'Alice, Jean est assuré que le message provient de la détentrice de la clé privée et que les données n'ont pas été modifiées. Si Jean est convaincu qu'Alice est la détentrice de la clé privée, il sait que le message vient d'Alice.

Notes

Une signature peut être vérifiée par n'importe qui, car la clé publique de l'expéditeur est connue de tous et est généralement incluse dans le format de signature numérique. Cette méthode ne préserve pas le caractère confidentiel du message ; pour être secret, le message doit aussi être chiffré.

.NET fournit les classes suivantes, qui implémentent des algorithmes à signature numérique :

Valeurs de hachage

Les algorithmes de hachage mappent les valeurs binaires de longueur arbitraire à des valeurs binaires de longueur fixe de plus petite taille appelées valeurs de hachage. Une valeur de hachage est une représentation numérique d'un élément de données. Si vous hachez un paragraphe de texte en clair et que vous modifiez ne serait-ce qu'une lettre du paragraphe, un hachage ultérieur générera une valeur différente. Si le hachage est renforcé sur le plan du chiffrement, sa valeur changera considérablement. Par exemple, si un seul bit est modifié dans un message, une fonction de hachage renforcé peut générer une sortie différente de 50 %. Diverses valeurs d'entrée peuvent être hachées dans une même valeur de sortie. En revanche, d'un point de vue informatique, il n'est pas possible que le hachage de deux entrées distinctes donne une même valeur.

Les deux parties que constituent Alice et Jean peuvent utiliser une fonction de hachage pour garantir l'intégrité des messages. Pour cela, ils doivent choisir un algorithme de hachage pour signer leurs messages. Alice écrit un message et crée ensuite un hachage de ce message à l'aide de l'algorithme sélectionné. Ils doivent ensuite appliquer l'une des méthodes suivantes :

  • Alice envoie le message de texte en clair et le message haché (signature numérique) à Jean. Jean reçoit et hache le message et compare sa valeur de hachage à celle qu'il a reçue d'Alice. Si les valeurs de hachage sont identiques, cela signifie que le message n'a pas été modifié. Si les valeurs ne sont pas identiques, le message a été modifié après avoir été rédigé par Alice.

    Malheureusement, cette méthode ne permet pas d'établir l'authenticité de l'expéditeur. N'importe qui peut emprunter l'identité d'Alice et envoyer un message à Jean. L'usurpateur peut utiliser le même algorithme de hachage pour signer son message et tout ce que Jean pourra constater, c'est que le message présente la même signature. Il s'agit d'une forme d'attaque de l'intercepteur. Pour plus d’informations, consultez Exemple de communication sécurisée CNG (Cryptography Next Generation).

  • Alice envoie le message de texte en clair à Jean via un canal public non sécurisé. Elle envoie le message haché à Jean via un canal privé sécurisé. Jean reçoit le message de texte en clair, le hache et compare le hachage à celui échangé en privé. Si les hachages correspondent, Jean peut en déduire deux choses :

    • le message n'a pas été modifié ;

    • l'expéditeur du message (Alice) est authentique.

    Pour que ce système fonctionne, Alice doit cacher sa valeur de hachage d'origine à tous les tiers, à l'exception de Jean.

  • Alice envoie le message de texte en clair à Jean via un canal public non sécurisé et place le message haché sur son site web accessible publiquement.

    Cette méthode évite toute falsification du message en empêchant quiconque de modifier la valeur de hachage. Même si le message et son hachage peuvent être lus par n'importe qui, la valeur de hachage ne peut être modifiée que par Alice. Une personne malveillante qui chercherait à emprunter l'identité d'Alice doit avoir accès au site web d'Alice.

Aucune des méthodes précédentes n'empêchera quiconque de lire les messages d'Alice, car ils sont transmis sous forme de texte en clair. Pour bénéficier d'une sécurité complète, les signatures numériques (signature des messages) et le chiffrement s'avèrent nécessaires.

.NET fournit les classes suivantes, qui implémentent des algorithmes de hachage :

.NET fournit également MD5 et SHA1. Cependant, il a également été observé que les algorithmes MD5 et SHA-1 manquaient de fiabilité. Aussi, SHA-2 est désormais l’algorithme recommandé. SHA-2 inclut SHA256, SHA384 et SHA512.

génération de nombres aléatoires

La génération de nombres aléatoires est un élément indispensable de nombreuses opérations de chiffrement. Par exemple, les clés de chiffrement doivent être aussi aléatoires que possible de sorte qu'il soit impossible de les reproduire. Les générateurs de nombres aléatoires de chiffrement doivent générer des sorties qu'il est impossible de prédire du point de vue informatique avec une probabilité de plus de 50 %. Par conséquent, toute méthode de prédiction du bit de sortie suivant ne doit pas pas se montrer plus performante que le hasard. Les classes dans .NET utilisent des générateurs de nombres aléatoires pour générer des clés de chiffrement.

La classe RandomNumberGenerator est une implémentation d'un algorithme de génération de nombres aléatoires.

Manifestes ClickOnce

Les classes de chiffrement suivantes vous permettent d’obtenir et de vérifier les informations sur les signatures de manifeste des applications déployées à l’aide de la technologie ClickOnce :

De plus, les classes suivantes fournissent des informations de signature spécifiques :

Classes CNG (Cryptography Next Generation)

Les classes CNG fournissent un wrapper managé autour des fonctions CNG natives. (CNG remplace CryptoAPI.) Le nom de ces classes inclut « Cng ». Au cœur des classes du wrapper CNG se trouve la classe de conteneur de clés CngKey , qui s'approprie le stockage et l'utilisation des clés CNG. Cette classe vous permet de stocker une paire de clés ou une clé publique en toute sécurité et d'y faire référence en utilisant un nom de chaîne simple. La classe de signature ECDsaCng à courbe elliptique et la classe de chiffrement ECDiffieHellmanCng peuvent utiliser des objets CngKey .

La classe CngKey sert à diverses autres opérations, notamment à ouvrir, créer, supprimer et exporter des clés. Elle permet aussi d'accéder au handle de clé sous-jacent à utiliser quand il s'agit d'appeler des fonctions natives directement.

Par ailleurs, .NET inclut diverses classes CNG de prise en charge, notamment les suivantes :

  • CngProvider dispose d'un fournisseur de stockage de clés.

  • CngAlgorithm dispose d'un algorithme CNG.

  • CngProperty dispose de propriétés de clé fréquemment utilisées.

Voir aussi