Baby Monitor Timmy मा सुरक्षित पेयरिङ: ECDH र SAS बुझौं

Baby Monitor Timmy ले अडियो र भिडियो पठाउनुअघि, दुई उपकरणले एकअर्कालाई भेट्न र विश्वास गर्नुपर्छ। यो पेयरिङ चरण सम्पूर्ण प्रक्रियाकै सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण क्षण हो। यहाँ Timmy ले कसरी पेयर गर्छ, यसको पछाडि कुन क्रिप्टोग्राफी छ, र नजिकैको आक्रमणकारीले थाहा नदिई किन कनेक्सन नियन्त्रणमा लिन सक्दैन भन्ने व्याख्या गरिएको छ।

समस्या: मेरो उपकरणले कससँग कुरा गरिरहेको छ भनेर कसरी थाहा पाउँछ?

दुई उपकरण पहिलो पटक जडान हुँदा मुख्य प्रश्न हुन्छ: के उपकरण A ले साँच्चै उपकरण B सँग कुरा गरिरहेको छ, कि बीचमा कोही छ? क्रिप्टोग्राफीमा यसलाई म्यान-इन-द-मिडल आक्रमण (MITM) भनिन्छ।

Timmy ले यो समस्या समाधान गर्न Elliptic Curve Diffie-Hellman (ECDH) कुञ्जी आदानप्रदान Firebase मार्फत प्रयोग गर्छ र यसलाई प्रयोगकर्ताले गर्ने दृश्य प्रमाणीकरणसँग संयोजन गर्छ।.

तलको चित्रले एकै नजरमा सम्पूर्ण पेयरिङ प्रक्रिया देखाउँछ:

sequenceDiagram
    autonumber
    participant A as 📱 Device A
    participant F as ☁️ Firebase
    participant B as 📱 Device B

    Note over A,B: Phase 1 — Discovery

    A->>A: Generate ECDH key pair (P-256)
    B->>B: Generate ECDH key pair (P-256)

    alt Auto-Pairing (Nearby BLE)
        A-->>B: BLE broadcast: SBM:XKQM
        B-->>A: BLE broadcast: SBM:R7NP
        Note over A,B: Lower code wins → determines creator/joiner
    else Manual Pairing
        A->>A: Display 4-char code
        Note right of A: User reads code
        B->>B: User enters code
    end

    Note over A,B: Phase 2 — ECDH Key Exchange

    A->>F: Write public key (PubA) to meeting doc
    B->>F: Write public key (PubB) to meeting doc
    F-->>B: Read PubA
    F-->>A: Read PubB

    Note over A,B: Phase 3 — Shared Secret

    A->>A: sharedSecret = ECDH(privA, PubB)
    B->>B: sharedSecret = ECDH(privB, PubA)
    Note over A,B: Both compute identical 32-byte secret

    A->>A: SAS = SHA-256("sas:" + sort(PubA,PubB) + secret) → 2-digit number
    B->>B: SAS = SHA-256("sas:" + sort(PubA,PubB) + secret) → 2-digit number

    Note over A,B: Phase 4 — Visual Verification

    A->>A: Display SAS: 42
    B->>B: Display SAS: 42
    Note over A,B: 👤 User compares numbers on both screens

    A->>A: User confirms ✓
    B->>B: User confirms ✓

    Note over A,B: Phase 5 — Key Derivation

    A->>A: pairingKey = SHA-256("pair:" + secret)
    B->>B: pairingKey = SHA-256("pair:" + secret)
    A->>A: docKey = SHA-256("doc:" + pairingKey)
    A->>A: encKey = SHA-256("enc:" + pairingKey)

    Note over A,B: ✅ Paired — all future signaling encrypted with AES-256-GCM

पूर्ण पेयरिङ प्रोटोकल क्रम — सम्पादनयोग्य स्रोत: docs/diagrams/pairing-sequence.mmd

चरण 1: प्रत्येक उपकरणले कुञ्जी जोडी बनाउँछ

पेयरिङ स्क्रिन खोल्दा, प्रत्येक उपकरणले अस्थायी ECDH कुञ्जी जोडी P-256 कर्भ (secp256r1) मा बनाउँछ:

एउटा निजी कुञ्जी — उपकरणमै मात्र रहन्छ
एउटा सार्वजनिक कुञ्जी — Firebase मार्फत आदानप्रदान हुन्छ

कुञ्जीहरू क्रिप्टोग्राफिक रूपमा सुरक्षित र्‍यान्डम नम्बर जेनेरेटर (Random.secure()) प्रयोग गरेर बनाइन्छन् र यी यस एकल पेयरिङ प्रयासका लागि मात्र मान्य. प्रत्येक नयाँ प्रयासका लागि नयाँ कुञ्जीहरू बनाइन्छन्।

चरण 2: Firebase मार्फत सार्वजनिक कुञ्जी आदानप्रदान

दुई उपकरणले एकअर्कालाई भेट्न सकून् भनेर Timmy ले 4-अक्षरको कोड लाई भेट्ने बिन्दुका रूपमा प्रयोग गर्छ। यो कोड Nearby Connections (Bluetooth Low Energy) मार्फत स्वचालित रूपमा पत्ता लगाउन वा हातैले प्रविष्ट गर्न सकिन्छ। यसको कुनै क्रिप्टोग्राफिक महत्त्व छैन; यसले केवल दुवै उपकरणलाई एउटै Firebase Firestore कागजात भेट्न मद्दत गर्छ।

दुवै उपकरणलाई कोड थाहा भएपछि, प्रत्येकले आफ्नो सार्वजनिक ECDH कुञ्जी साझा Firestore कागजातमा लेख्छ। त्यसपछि प्रत्येक उपकरणले त्यही कागजातबाट अर्को उपकरणको सार्वजनिक कुञ्जी पढ्छ।

मुख्य कुरा: केवल सार्वजनिक कुञ्जी पठाइन्छ। निजी कुञ्जी कहिल्यै उपकरणबाट बाहिर जाँदैन। Firebase को ट्राफिक हेर्नेले सार्वजनिक कुञ्जीहरू देख्न सक्छ, तर तिनबाट साझा गोप्य मान निकाल्न सक्दैन । यो Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem (ECDLP) को कठिनाइमा आधारित छ।

चरण 3: साझा गोप्य मान गणना

दुवै उपकरणले एकअर्काको सार्वजनिक कुञ्जी पत्ता लगाएपछि, तिनले स्वतन्त्र रूपमा उही साझा गोप्य मान:

sharedSecret = ECDH(myPrivateKey, remotePublicKey)
             → 32 bytes (identical on both devices)

गणना गर्छन्। एलिप्टिक कर्भको गणितले दुवै गणनाको नतिजा उही हुने सुनिश्चित गर्छ, यद्यपि प्रत्येक उपकरणलाई आफ्नै निजी कुञ्जी र अर्कोको सार्वजनिक कुञ्जी मात्र थाहा हुन्छ।

चरण 4: प्रमाणीकरण नम्बर (SAS)

साझा गोप्य मानबाट Short Authentication String (SAS) बनाइन्छ — दुवै उपकरणमा देखाइने दुई-अङ्कको नम्बर:

hash   = SHA-256("sas:" + sort(pubkeyA, pubkeyB) + sharedSecret)
number = (hash[0] × 256 + hash[1]) mod 100   → 00 to 99

दुवै उपकरणमा उही नम्बर देखिन्छ — उदाहरणका लागि, 42. प्रयोगकर्ताले दुवै स्क्रिनका नम्बर मिल्छन् कि मिल्दैनन् भनेर हेरेर तुलना गर्छन्, अनि प्रत्येक उपकरणमा अलग-अलग पुष्टि गर्छन्।

आक्रमणकारीले यसलाई किन नक्कल गर्न सक्दैन

म्यान-इन-द-मिडल आक्रमणकारीले Firebase मा हुने कुञ्जी आदानप्रदान बीचमै रोक्नुपर्छ। विशेष रूपमा, उसले:

Firestore कागजातमा राखिएका वास्तविक सार्वजनिक कुञ्जीहरू आफ्नै कुञ्जीले बदल्नुपर्छ
प्रत्येक उपकरणसँग अलग-अलग साझा गोप्य मान स्थापित गर्नुपर्छ

sequenceDiagram
    autonumber
    participant A as 📱 Device A
    participant M as 🕵️ Attacker (MITM)
    participant B as 📱 Device B

    Note over A,B: Attacker intercepts the Firebase key exchange

    A->>A: Generate key pair (privA, PubA)
    B->>B: Generate key pair (privB, PubB)
    M->>M: Generate TWO key pairs (privM1, PubM1) + (privM2, PubM2)

    A->>M: Write PubA to Firebase
    M->>M: Replace PubA with PubM1
    M->>B: B reads PubM1 (thinks it is PubA)

    B->>M: Write PubB to Firebase
    M->>M: Replace PubB with PubM2
    M->>A: A reads PubM2 (thinks it is PubB)

    Note over A,B: Each device computes a DIFFERENT shared secret

    A->>A: secret_A = ECDH(privA, PubM2)
    M->>M: secret_A = ECDH(privM2, PubA)
    M->>M: secret_B = ECDH(privM1, PubB)
    B->>B: secret_B = ECDH(privB, PubM1)

    Note over A,M: secret_A ≠ secret_B

    A->>A: SAS_A = SHA-256("sas:" + sort(PubA,PubM2) + secret_A) → 73
    B->>B: SAS_B = SHA-256("sas:" + sort(PubM1,PubB) + secret_B) → 18

    rect rgb(255, 230, 230)
        Note over A,B: ❌ User sees DIFFERENT numbers!
        A->>A: Display: 73
        B->>B: Display: 18
        Note over A,B: 👤 User notices mismatch → cancels pairing
    end

    Note over A,B: 🛡️ Attack detected — MITM cannot force SAS match (P = 1/100)

SAS नमिलेबाट म्यान-इन-द-मिडल पत्ता लगाउने प्रक्रिया — सम्पादनयोग्य स्रोत: docs/diagrams/mitm-detection.mmd

यस अवस्थामा, आक्रमणकारीले उपकरण A सँग एउटा साझा गोप्य मान S_A र उपकरण B सँग फरक साझा गोप्य मान S_B गणना गर्छ। किनकि S_A ≠ S_B, उपकरणहरूले फरक प्रमाणीकरण नम्बरहरू.

गणना गर्छन्। आक्रमणकारीले नम्बरहरू मिलाउन सक्दैन, किनकि:

उसलाई उपकरणका निजी कुञ्जीहरू थाहा हुँदैनन्
SHA-256 उल्ट्याउन सकिँदैन
संयोगवश नम्बर मिल्ने सम्भावना केवल 100 मा 1

मात्र हो। प्रयोगकर्ताले स्क्रिनमा फरक नम्बरहरू देख्छन् र पेयरिङ रद्द गर्छन्। त्यही बेला आक्रमण देखिने हुन्छ।

चरण 5: पेयरिङ पूरा गर्ने

प्रयोगकर्ताले दुवै उपकरणमा प्रमाणीकरण पुष्टि गरेपछि मात्र पेयरिङ पूरा हुन्छ:

एउटा 64-अक्षरको पेयरिङ कुञ्जी (256 बिट) साझा गोप्य मानबाट निकालिन्छ: SHA-256("pair:" + sharedSecret) → pairingKey
कागजात कुञ्जी यसरी निकालिन्छ SHA-256("doc:" + pairingKey) र यसले Firestore कागजात कुञ्जीको काम गर्छ
इन्क्रिप्सन कुञ्जी यसरी निकालिन्छ SHA-256("enc:" + pairingKey) र इन्क्रिप्टेड सिग्नलिङका लागि AES-256-GCM कुञ्जी उपलब्ध गराउँछ
दुवै उपकरणले उही पेयरिङ कुञ्जी भण्डारण गर्छन् र मोड छनोटमा जान्छन्

यसपछि हुने सबै कनेक्सन प्रयासहरू (Firestore सिग्नलिङ, WebRTC सेटअप) साझा AES-256-GCM कुञ्जीले इन्क्रिप्ट गरिन्छन्। पेयरिङ कुञ्जी कहिल्यै ब्याकएन्डमा पठाइँदैन; कागजात पहिचानकर्ताका रूपमा यसको SHA-256 ह्यास मात्र प्रयोग हुन्छ।

प्रणाली संरचना

तलको चित्रले पेयरिङ र सञ्चारमा संलग्न कम्पोनेन्टहरू देखाउँछ:

flowchart TB
    BABY["📱 Baby Phone
Baby Mode"]
    PARENT["📱 Parent Phone
Parent Mode"]

    BABY <==>|"🔒 WebRTC Peer-to-Peer · DTLS-SRTP
Audio · Video · DataChannel"| PARENT
    BABY -.-|"🔵 Bluetooth LE · Nearby
Auto-Discovery"| PARENT

    subgraph FIREBASE["☁️ Firebase (Google Cloud)"]
        direction LR
        AUTH["🪪 Anonymous
Authentication"]
        FS["📄 Firestore
Pairing + Signaling"]
        CF["⚡ Cloud Functions
getTurnCredentials"]
    end

    BABY <-->|"🔐 AES-256-GCM encrypted
SDP · ICE · ECDH keys"| FS
    FS <-->|"🔐 AES-256-GCM encrypted
SDP · ICE · ECDH keys"| PARENT

    BABY -.->|Token| AUTH
    PARENT -.->|Token| AUTH

    STUN["📡 STUN server
stun.cloudflare.com:3478"]
    TURN["🔄 TURN relay
local or Cloudflare"]

    BABY & PARENT -->|Short-lived credentials| CF
    CF -->|local first, Cloudflare fallback| TURN

    BABY & PARENT -.->|NAT Traversal| STUN

    BABY -.->|"Relay Fallback"| TURN
    TURN -.->|"Relay Fallback"| PARENT

    style BABY fill:#FBF6F0,stroke:#B5734A,stroke-width:2px
    style PARENT fill:#FBF6F0,stroke:#B5734A,stroke-width:2px
    style FIREBASE fill:#fff5f5,stroke:#E9B44C,stroke-width:2px
    style AUTH fill:#E9B44C,stroke:#2B2D42
    style FS fill:#E9B44C,stroke:#2B2D42
    style CF fill:#E9B44C,stroke:#2B2D42
    style STUN fill:#F6E3D2,stroke:#B5734A
    style TURN fill:#7BC47F,stroke:#2B2D42

प्रणाली संरचनाको अवलोकन — सम्पादनयोग्य स्रोत: docs/diagrams/pairing-architecture.mmd

सञ्चार मार्गहरू विस्तृतमा:

WebRTC पियर-टु-पियर (बाक्लो रेखा): अडियो, भिडियो र DataChannel उपकरणहरूबीच सिधै बग्छन् — DTLS-SRTP ले इन्क्रिप्ट गरिएका। कुनै सर्भरले यो डेटा देख्दैन।
Firebase Firestore (ठोस रेखा): पेयरिङ डेटा (ECDH कुञ्जीहरू) र सिग्नलिङ (SDP/ICE) Firestore मार्फत जान्छन् — AES-256-GCM ले एन्ड-टु-एन्ड इन्क्रिप्ट गरिएका। Firebase ले डेटा डिक्रिप्ट गर्न सक्दैन।
STUN सर्भर: दुवै उपकरणले आफ्नो सार्वजनिक IP ठेगाना पत्ता लगाउँछन्, जसले सिधा पियर-टु-पियर कनेक्सन बनाउन सकिन्छ।
TURN रिले: सिधा कनेक्सन सम्भव नभएमा (जस्तै मोबाइल डेटामा), छनोट गरिएको स्थानीय वा Cloudflare TURN सर्भरले इन्क्रिप्टेड मिडिया रिले गर्छ। छोटो अवधिका प्रमाणहरू (24 घण्टा) Firebase Cloud Functions मार्फत प्राप्त हुन्छन्।
Bluetooth LE (थोप्लेदार रेखा): Nearby Connections ले नजिकका उपकरणहरू स्वचालित रूपमा पत्ता लगाउँछ — भेट्ने कोड मात्र पठाइन्छ, कुनै कुञ्जी सामग्री होइन।

वैकल्पिक उपाय: हातैले कोड प्रविष्टि

Bluetooth उपलब्ध नभएमा (जस्तै पुराना उपकरणमा), 4-अक्षरको कोड हातैले पनि टाइप गर्न सकिन्छ। हातैले प्रविष्ट गर्दा पनि उही ECDH कुञ्जी आदानप्रदान र उही SAS प्रमाणीकरण प्रयोग हुन्छ, जुन स्वचालित पेयरिङमा हुन्छ। फरक यति मात्र हो कि BLE मार्फत पत्ता लगाउनुको सट्टा प्रयोगकर्ताले कोड पढेर टाइप गर्छन्।

दुवै अवस्थामा ECDH कुञ्जी आदानप्रदान Firebase मार्फत हुने भएकाले, सुरक्षा एकै किसिमकोहुन्छ। 4-अक्षरको कोड केवल भेट्ने बिन्दु हो; वास्तविक इन्क्रिप्सन ECDH बाट निकालिएको 256-बिट कुञ्जीमा आधारित हुन्छ।

सारांश

सुरक्षा संयन्त्र	यसबाट सुरक्षा हुन्छ
ECDH कुञ्जी आदानप्रदान (P-256)	कुञ्जी आदानप्रदान ट्राफिक सुन्ने प्रयास
अस्थायी कुञ्जी जोडीहरू	फरवार्ड सिक्रेसि — अघिल्ला पेयरिङहरू सुरक्षित रहन्छन्
दृश्य प्रमाणीकरण नम्बर (SAS)	कुञ्जी आदानप्रदानका बेला हुने म्यान-इन-द-मिडल (MITM)
कागजात कुञ्जीका रूपमा SHA-256 ह्यास	Firestore बाट कोड निकाल्ने प्रयास
AES-256-GCM इन्क्रिप्सन	सिग्नलिङ डेटा सुन्ने प्रयास
दुवै पक्षको पुष्टि	प्रयोगकर्तालाई थाहा नदिई एकतर्फी पेयरिङ
DTLS-SRTP (WebRTC)	अडियो/भिडियो सुन्ने प्रयास

यी तहहरू मिलेर काम गर्छन्: ECDH ले कुञ्जी आदानप्रदान सुरक्षित राख्छ, प्रमाणीकरण नम्बरले MITM बाट जोगाउँछ, AES-256-GCM ले सिग्नलिङ सुरक्षित राख्छ, र WebRTC ले मिडिया सुरक्षित राख्छ। आक्रमणकारीले उपकरण वा अभिभावकलाई थाहा नदिई यो शृंखला धेरै ठाउँमा तोड्नुपर्ने हुन्छ।

थप लेखहरू

← ब्लगमा फर्कनुहोस्