Cloudflare testaa suuria kvanttiturvallisia DNS-allekirjoituksia

Kun selain etsii verkkosivuston osoitetta, kyselyketju muuntaa nimen numeeriseksi IP-osoitteeksi, johon tietoliikenne voidaan reitittää. Vastaukset voidaan allekirjoittaa, jolloin käyttäjän laite pystyy tarkistamaan, ettei tietoja ole muutettu matkalla. Cloudflare otti 10. syyskuuta julkisessa 1.1.1.1-nimipalvelussaan käyttöön uuden allekirjoitustyypin tarkistuksen. Menetelmä on suunniteltu kestämään tulevien kvanttitietokoneiden hyökkäykset, ja testiverkkotunnuksen tarkistus toimii jo. Yhden onnistuneen DNS-haun ja kvanttiturvallisen internetin välissä on silti joukko ongelmia, joita Cloudflare ei pysty ratkaisemaan yksin.

Vahasinetti kasvaa

DNSSEC-järjestelmää käyttävän verkkotunnuksen DNS-tietueisiin liitetään kryptografiset allekirjoitukset. Nimipalvelu seuraa niitä luotettujen avainten muodostamaa ketjua pitkin ja varmistaa, että tietue on peräisin oikealta DNS-hallinnoijalta eikä sitä ole muutettu. Allekirjoitus muistuttaa postikortin vahasinettiä: lähettäjä voidaan todentaa, mutta viesti säilyy kaikkien luettavana. DNSSEC ei salaa DNS-kyselyä eikä suojaa varsinaista verkkoyhteyttä.

Nykyiset allekirjoitukset perustuvat perinteiseen kryptografiaan, jonka riittävän tehokas kvanttitietokone voisi teoriassa murtaa. ML-DSA-44 käyttää matemaattisia rakenteita, joita kvanttitietokoneiden ei odoteta pystyvän ratkaisemaan. Yhdysvaltain standardointivirasto NIST vahvisti menetelmän elokuussa 2024 standardina FIPS 204, ja IANA on antanut sille DNSSEC-rekisterissä algoritminumeron 18. Cloudflaren uudistus tarkoittaa, että 1.1.1.1 osaa tunnistaa ja tarkistaa algoritmin, jos verkkotunnus julkaisee siihen tarvittavat tietueet (Cloudflare).

1.1.1.1:n käyttäjien ei tarvitse tehdä mitään. Perinteisiä algoritmeja käyttävien verkkotunnusten tarkistus jatkuu ennallaan. Nimipalvelu osaa nyt yhden allekirjoitusmenetelmän lisää.

Liian suuri yhteen pakettiin

Tekninen ongelma on allekirjoitusten koko. ML-DSA-44-allekirjoitus vie 2 420 tavua ja julkinen avain lisäksi 1 312 tavua (NIST FIPS 204, IETF-luonnos). DNS suunniteltiin alun perin pienille vastauksille, jotka mahtuvat yhteen verkkopakettiin. Jo yksi kvanttiturvallinen allekirjoitus ylittää käytännössä tämän koon.

Liian suuri vastaus joudutaan hakemaan uudelleen TCP-yhteydellä, jota selaimet käyttävät myös verkkosivujen siirtämiseen. TCP kuljettaa suuret tietomäärät luotettavasti, mutta ylimääräinen yhteyskierros lisää viivettä. Cloudflaren julkaisemassa kokeessa osoitteen valid.mldsa44.dnstest.dev haku valmistui näin 20,7 millisekunnissa (Cloudflare). Koe osoittaa tekniikan toimivan, mutta kyse on yhdestä hausta yhdessä paikassa. Tuloksesta ei voi päätellä suorituskykyä Cloudflaren maailmanlaajuisessa verkossa, eikä yhtiö julkaissut viivejakaumia, virheosuuksia tai kaistankulutusta.

Ylempi luottamusketju käyttää yhä perinteistä salausta

DNSSEC:n luottamusketju alkaa juurialueen avaimesta, kulkee ylätason verkkotunnusten, kuten .comin, .den ja .fr:n, kautta ja päättyy yksittäiseen verkkotunnukseen. DNS-juuri ja ketjun ylemmät tasot käyttävät edelleen perinteisiä allekirjoitusalgoritmeja. Myös Cloudflare ilmoittaa omien auktoritatiivisten DNS-alueidensa allekirjoittamisen ja ML-DSA-tietueiden välittämisen verkkotunnusrekistereihin vasta tuleviksi kehitysvaiheiksi (Cloudflare).

Luottamusketjun turvallisuus määräytyy sen heikoimman lenkin mukaan. Jos kvanttihyökkääjä pystyisi väärentämään ketjun ylemmällä tasolla käytetyn perinteisen allekirjoituksen, liikenne voitaisiin ohjata väärään osoitteeseen ennen alempana olevan kvanttiturvallisen tarkistuksen alkamista.

Cloudflare torjuu osan riskistä estämällä suojauksen huomaamattoman heikentämisen. Jos ylempi DNS-alue ilmoittaa ML-DSA:n pakolliseksi, 1.1.1.1 hylkää vastauksen, joka on vahvistettu vain vanhemmalla kryptografialla. Uutta suojausta ei siten voi poistaa ketjun alemmilta tasoilta käyttäjän huomaamatta (Cloudflare). Sääntö suojaa kuitenkin vain sitä osaa ketjusta, jossa kvanttiturvallinen allekirjoittaminen on jo käytössä.

ML-DSA:n sovittaminen DNSSEC-tietuemuotoihin perustuu yhä IETF-työryhmän käsiteltävänä olevaan luonnokseen. Käytännön toteutustavasta neuvotellaan edelleen.

Allekirjoitetut DNS-tietueet ovat julkisia, toisin kuin salatun verkkoliikenteen sisältö. Niihin ei siksi liity riskiä, jossa hyökkääjä kerää tietoja nyt ja purkaa salauksen myöhemmin kvanttitietokoneella. Uhka syntyy vasta, jos allekirjoitus pystytään tulevaisuudessa väärentämään reaaliajassa. DNS:n uudistaminen edellyttää silti juuripalvelinten ylläpitäjien, verkkotunnusrekisterien, välittäjien, auktoritatiivisten nimipalvelinten, resolver-ohjelmistojen ja verkkolaitteiden yhteistyötä. Osa laitteista voi hylätä suuret paketit tai estää TCP-yhteydet. Varhainen käyttöönotto antaa aikaa löytää tällaiset ongelmat ennen kuin kvanttitietokoneet tekevät niistä turvallisuusriskejä.

Cloudflaren käyttöönotto voi toimia käytännön testialustana ja paljastaa, missä TCP-varamenettely epäonnistuu tai verkkolaitteet pudottavat liian suuret vastaukset. Yhtiö on osoittanut, että tuotantokäytössä oleva julkinen nimipalvelu pystyy tarkistamaan ML-DSA-allekirjoitetun DNS-vastauksen siirryttyään TCP-yhteyteen. Vielä ei tiedetä, kuinka luotettavasti tai nopeasti ratkaisu toimii tavanomaisia käyttöoloja vastaavalla kuormituksella.