Key derivation functions and their GPU implementations

Mgr. Ondrej Mosnáček

Bachelor's thesis

Abstract:

Funkcie pre odvodenie kľúča (angl. key derivation functions) sú kľúčovým prvkom mnohých kryptografických aplikácií. Funkcie pre odvodenie kľúča založené na hesle (angl. password-based key derivation functions) sú špeciálne navrhnuté na odvodzovanie kryptografických kľúčov zo zdrojov s nízkou entropiou (napr. hesiel či heslových fráz) a tak, aby odolali útokom hrubou silou a slovníkovým útokom. Avšak najrozšírenejší štandard pre odvodzovanie kľúčov na základe hesla, PBKDF2, tak, ako je implementovaný vo väčšine aplikácií, je veľmi náchylný na útoky pomocou grafických procesorov (angl. Graphics Processing Unit, GPU). Vďaka svojej vysoko paralelnej architektúre sú GPU ideálne na vykonávanie grafických výpočtov. Po čase sa ukázalo, že GPU je taktiež možné využiť v širokom množstve iných praktických aplikácií (vrátane kryptografie). V tejto práci analyzujeme, ako dizajn PBKDF2 umožňuje efektívne útoky pomocou GPU a uvádzame možné alternatívy, ktoré riešia tento problém. Ďalej uvádzame a analyzujeme výsledky výkonnostných meraní PBKDF2 spustených na súčasných bežných procesoroch a GPU. Nakoniec uvádzame ukážkový program, ktorý využíva GPU hardvér na vykonanie útoku hrubou silou alebo slovníkového útoku na diskovú oblasť zašifrovanú podľa štandardu LUKS.

Abstract:

Key derivation functions are a key element of many cryptographic applications. Password-based key derivation functions are designed specifically to derive cryptographic keys from low-entropy sources (such as passwords or passphrases) and to counter brute-force and dictionary attacks. However, the most widely adopted standard for password-based key derivation, PBKDF2, as implemented in most applications, is highly susceptible to attacks using Graphics Processing Units (GPUs). Due to their highly parallel architecture, GPUs are ideal for performing graphic calculations. In time, it became apparent that GPUs can be also used for wide range of other practical applications (including cryptography). In this work, we analyze how the design of PBKDF2 allows efficient attacks using GPUs and discuss possible alternatives that address this problem. Next, we present and analyze results of PBKDF2 benchmarks run on current CPU and GPU hardware. Finally, we present our demonstration program which utilizes the GPU hardware to perform a brute-force or dictionary attack on a LUKS encrypted partition.

Keywords

key derivation function, PBKDF2, GPU, OpenCL, CUDA, password hashing, password cracking, disk encryption, LUKS, funkcie pre odvodenie kľúča, šifrovanie hesiel, prelamovanie hesiel, šifrovanie diskov

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 5. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2015
• Supervisor: Ing. Milan Brož
• Reader: prof. RNDr. Václav Matyáš, M.Sc.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Bachelor programme / field:
Informatics / Computer Systems and Data Processing