Baby Monitor Timmyలో సురక్షిత జతచేయడం: ECDH మరియు SAS వివరణ

Baby Monitor Timmy ఆడియో, వీడియోను పంపే ముందు, రెండు పరికరాలు ఒకదానిని ఒకటి గుర్తించి పరస్పరం నమ్మాలి. ఈ జతచేయడం దశ మొత్తం ప్రక్రియలో అత్యంత కీలకమైనది. Timmy ఎలా జతచేస్తుందో, దాని వెనుక ఉన్న క్రిప్టోగ్రఫీ ఏమిటో, అలాగే దగ్గరలోని దాడి చేసే వ్యక్తి తెలియకుండా కనెక్షన్‌ను ఎందుకు స్వాధీనం చేసుకోలేడో ఇక్కడ వివరిస్తాను.

సమస్య: నా పరికరం ఎవరితో మాట్లాడుతోందో దానికి ఎలా తెలుస్తుంది?

రెండు పరికరాలు మొదటిసారి కనెక్ట్ అయినప్పుడు ప్రధాన ప్రశ్న ఇదే: పరికరం A నిజంగా పరికరం Bతోనే మాట్లాడుతోందా, లేక మధ్యలో ఎవరైనా ఉన్నారా? క్రిప్టోగ్రఫీలో దీనిని మ్యాన్-ఇన్-ది-మిడిల్ దాడి (MITM) అంటారు.

Timmy దీన్ని Elliptic Curve Diffie-Hellman (ECDH) కీ మార్పిడి ను Firebase ద్వారా ఉపయోగించి, వినియోగదారు చేసే దృశ్య ధృవీకరణతో కలిపి పరిష్కరిస్తుంది..

కింది రేఖాచిత్రం పూర్తి జతచేయు ప్రవాహాన్ని ఒక చూపులో చూపిస్తుంది:

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

పూర్తి జతచేయు ప్రోటోకాల్ క్రమం — సవరించగల మూలం: docs/diagrams/pairing-sequence.mmd

దశ 1: ప్రతి పరికరం ఒక కీ జతను రూపొందిస్తుంది

జతచేయు స్క్రీన్ తెరిచినప్పుడు, ప్రతి పరికరం ఒక తాత్కాలిక ECDH కీ జతను P-256 కర్వ్ (secp256r1)పై రూపొందిస్తుంది:

ఒక ప్రైవేట్ కీ — పరికరంలోనే ఉంటుంది
ఒక పబ్లిక్ కీ — Firebase ద్వారా మార్పిడి అవుతుంది

కీలు క్రిప్టోగ్రఫీకి సురక్షితమైన యాదృచ్ఛిక సంఖ్య జనరేటర్‌తో (Random.secure()) రూపొందించబడతాయి; అవి ఈ ఒక్క జతచేయు ప్రయత్నానికే చెల్లుబాటు అవుతాయి. ప్రతి కొత్త ప్రయత్నానికి కొత్త కీలు రూపొందుతాయి.

దశ 2: Firebase ద్వారా పబ్లిక్ కీల మార్పిడి

రెండు పరికరాలు ఒకదానిని ఒకటి కనుగొనేందుకు, Timmy ఒక 4-అక్షరాల కోడ్‌ను కలిసే చోటుగా ఉపయోగిస్తుంది. ఈ కోడ్‌ను Nearby Connections (Bluetooth Low Energy) ద్వారా స్వయంచాలకంగా కనుగొనవచ్చు లేదా చేతితో నమోదు చేయవచ్చు. దీనికి ఎటువంటి క్రిప్టోగ్రాఫిక్ విలువ లేదు; ఇది రెండు పరికరాలు ఒకే Firebase Firestore డాక్యుమెంట్‌ను కనుగొనేలా మాత్రమే చేస్తుంది.

రెండు పరికరాలకూ కోడ్ తెలిసిన తర్వాత, ప్రతి ఒక్కటి తన పబ్లిక్ ECDH కీని ఒక ఉమ్మడి Firestore డాక్యుమెంట్‌లోరాస్తుంది. తర్వాత ప్రతి పరికరం ఆ డాక్యుమెంట్ నుంచి మరొక పరికరం పబ్లిక్ కీని చదువుతుంది.

ముఖ్యంగా గుర్తుంచుకోవాల్సింది: కేవలం పబ్లిక్ కీ మాత్రమే పంపబడుతుంది. ప్రైవేట్ కీ ఎప్పుడూ పరికరం వెలుపలికి వెళ్లదు. Firebase ట్రాఫిక్‌ను గమనించే ఎవరైనా పబ్లిక్ కీలను చూస్తారు, కానీ వాటి నుంచి ఉమ్మడి రహస్యాన్ని లెక్కించలేరు . ఇది Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem (ECDLP) యొక్క క్లిష్టతపై ఆధారపడుతుంది.

దశ 3: ఉమ్మడి రహస్యాన్ని లెక్కించడం

రెండు పరికరాలు ఒకదాని పబ్లిక్ కీని మరొకటి కనుగొన్న తర్వాత, అవి స్వతంత్రంగా అదే ఉమ్మడి రహస్యాన్ని:

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

లెక్కిస్తాయి. ఎలిప్టిక్ కర్వ్‌ల గణితం వల్ల, ప్రతి పరికరానికి తన ప్రైవేట్ కీ, మరొకదాని పబ్లిక్ కీ మాత్రమే తెలిసినా ఈ రెండు లెక్కింపుల ఫలితం ఒకటే వస్తుంది.

దశ 4: ధృవీకరణ సంఖ్య (SAS)

ఉమ్మడి రహస్యం నుంచి ఒక Short Authentication String (SAS) ఉత్పన్నమవుతుంది — రెండు పరికరాల్లో చూపించే రెండు అంకెల సంఖ్య:

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

రెండు పరికరాలూ ఒకే సంఖ్యను చూపిస్తాయి — ఉదాహరణకు, 42. వినియోగదారు రెండు స్క్రీన్‌లలోని సంఖ్యలు సరిపోతున్నాయా అని చూసి, తర్వాత ప్రతి పరికరంలో విడివిడిగా నిర్ధారిస్తారు.

దాడి చేసే వ్యక్తి దీన్ని ఎందుకు నకిలీ చేయలేడు

మ్యాన్-ఇన్-ది-మిడిల్ దాడి చేసే వ్యక్తి Firebaseలో కీ మార్పిడిని అడ్డుకోవాలి. అంటే, అతను ఇలా చేయాలి:

Firestore డాక్యుమెంట్‌లోని అసలు పబ్లిక్ కీల స్థానంలో తన సొంత కీలను పెట్టడం
ప్రతి పరికరంతో వేర్వేరు ఉమ్మడి రహస్యాలను ఏర్పరచడం

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 అసమతుల్యత ద్వారా మ్యాన్-ఇన్-ది-మిడిల్ గుర్తింపు — సవరించగల మూలం: docs/diagrams/mitm-detection.mmd

ఈ సందర్భంలో, దాడి చేసే వ్యక్తి పరికరం Aతో ఒక ఉమ్మడి రహస్యాన్ని S_A మరియు పరికరం Bతో వేరొక ఉమ్మడి రహస్యాన్ని S_B లెక్కిస్తాడు. ఎందుకంటే S_A ≠ S_B, పరికరాలు వేర్వేరు ధృవీకరణ సంఖ్యలను.

లెక్కిస్తాయి. దాడి చేసే వ్యక్తి సంఖ్యలు సరిపోలేలా చేయలేడు, ఎందుకంటే:

పరికరాల ప్రైవేట్ కీలు వారికి తెలియవు
SHA-256ని తిరగదీయలేరు
యాదృచ్ఛికంగా సరిపోలే అవకాశం కేవలం 100లో 1

స్క్రీన్‌లలో వేర్వేరు సంఖ్యలు కనిపిస్తే, వినియోగదారు జతచేయడాన్ని రద్దు చేస్తారు. ఆ దశలో దాడి బయటపడిపోతుంది.

దశ 5: జతచేయడం పూర్తి చేయడం

వినియోగదారు రెండు పరికరాల్లో ధృవీకరణను నిర్ధారించిన తర్వాతే జతచేయడం పూర్తవుతుంది:

ఒక 64-అక్షరాల జతచేయు కీ (256 బిట్లు) ఉమ్మడి రహస్యం నుంచి ఉత్పన్నమవుతుంది: SHA-256("pair:" + sharedSecret) → pairingKey
డాక్యుమెంట్ కీని ఇలా ఉత్పన్నం చేస్తారు SHA-256("doc:" + pairingKey) మరియు అది Firestore డాక్యుమెంట్ కీగా పనిచేస్తుంది
ఎన్‌క్రిప్షన్ కీని ఇలా ఉత్పన్నం చేస్తారు SHA-256("enc:" + pairingKey) మరియు అది ఎన్‌క్రిప్ట్ చేసిన సిగ్నలింగ్ కోసం AES-256-GCM కీని అందిస్తుంది
రెండు పరికరాలు ఒకే జతచేయు కీని నిల్వ చేసి, మోడ్ ఎంపికకు వెళ్తాయి

ఈ దశ నుంచి, తదుపరి అన్ని కనెక్షన్ ప్రయత్నాలు (Firestore సిగ్నలింగ్, WebRTC సెటప్) ఉమ్మడి AES-256-GCM కీతో ఎన్‌క్రిప్ట్ అవుతాయి. జతచేయు కీని ఎప్పుడూ బ్యాకెండ్‌కు పంపరు; దాని SHA-256 హ్యాష్‌ను మాత్రమే డాక్యుమెంట్ గుర్తింపుదారుగా ఉపయోగిస్తారు.

సిస్టమ్ నిర్మాణం

కింది రేఖాచిత్రం జతచేయడం, కమ్యూనికేషన్‌లో పాల్గొనే భాగాలను చూపిస్తుంది:

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

సిస్టమ్ నిర్మాణం అవలోకనం — సవరించగల మూలం: docs/diagrams/pairing-architecture.mmd

కమ్యూనికేషన్ మార్గాల వివరాలు:

WebRTC పీర్-టు-పీర్ (మందమైన గీత): ఆడియో, వీడియో, DataChannel నేరుగా పరికరాల మధ్య ప్రవహిస్తాయి — DTLS-SRTPతో ఎన్‌క్రిప్ట్ అవుతాయి. ఏ సర్వర్‌కూ ఈ డేటా కనిపించదు.
Firebase Firestore (దృఢ గీత): జతచేయు డేటా (ECDH కీలు), సిగ్నలింగ్ (SDP/ICE) Firestore ద్వారా వెళ్తాయి — AES-256-GCMతో ఎండ్-టు-ఎండ్ ఎన్‌క్రిప్ట్ అవుతాయి. Firebase ఈ డేటాను డీక్రిప్ట్ చేయలేడు.
STUN సర్వర్: నేరుగా పీర్-టు-పీర్ కనెక్షన్ ఏర్పడేందుకు, రెండు పరికరాలూ తమ పబ్లిక్ IP చిరునామాను కనుగొంటాయి.
TURN రిలే: నేరుగా కనెక్షన్ సాధ్యం కాకపోతే (ఉదా., మొబైల్ డేటాలో), ఎంచుకున్న స్థానిక లేదా Cloudflare TURN సర్వర్ ఎన్‌క్రిప్ట్ చేసిన మీడియాను రిలే చేస్తుంది. తక్కువ కాలం చెల్లే క్రెడెన్షియల్స్ (24h)ను Firebase Cloud Functions ద్వారా తీసుకుంటారు.
Bluetooth LE (చుక్కల గీత): Nearby Connections దగ్గరలోని పరికరాలను స్వయంచాలకంగా కనుగొంటుంది — కలిసే కోడ్ మాత్రమే పంపబడుతుంది, కీ మెటీరియల్ పంపబడదు.

ప్రత్యామ్నాయం: కోడ్‌ను చేతితో నమోదు చేయడం

Bluetooth అందుబాటులో లేకపోతే (ఉదా., పాత పరికరాల్లో), 4-అక్షరాల కోడ్‌ను చేతితో కూడా టైప్ చేయవచ్చు. చేతితో నమోదు చేయడంలో అదే ECDH కీ మార్పిడి, అదే SAS ధృవీకరణను స్వయంచాలక జతచేయడం మాదిరిగానే ఉపయోగిస్తారు. తేడా ఒక్కటే: BLE ద్వారా కనుగొనబడటానికి బదులుగా, వినియోగదారు కోడ్‌ను చదివి టైప్ చేస్తారు.

రెండు సందర్భాల్లోనూ ECDH కీ మార్పిడి Firebase ద్వారా జరుగుతుంది కాబట్టి, భద్రత ఒకేలా ఉంటుంది. 4-అక్షరాల కోడ్ కలిసే చోటు మాత్రమే; అసలు ఎన్‌క్రిప్షన్ ECDH నుంచి ఉత్పన్నమయ్యే 256-బిట్ కీపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

సారాంశం

భద్రతా విధానం	దీనినుంచి రక్షిస్తుంది
ECDH కీ మార్పిడి (P-256)	కీ మార్పిడి ట్రాఫిక్‌ను వినడం
తాత్కాలిక కీ జతలు	ఫార్వర్డ్ సీక్రెసీ — గత జతచేయడాలు సురక్షితంగానే ఉంటాయి
దృశ్య ధృవీకరణ సంఖ్య (SAS)	కీ మార్పిడి సమయంలో మ్యాన్-ఇన్-ది-మిడిల్ (MITM)
డాక్యుమెంట్ కీగా SHA-256 హ్యాష్	Firestore నుంచి కోడ్‌ను వెలికితీయడం
AES-256-GCM ఎన్‌క్రిప్షన్	సిగ్నలింగ్ డేటాను వినడం
రెండు వైపుల నిర్ధారణ	వినియోగదారుకు తెలియకుండా ఒకే వైపు జతచేయడం
DTLS-SRTP (WebRTC)	ఆడియో/వీడియోను వినడం

ఈ రక్షణ పొరలు కలిసి పనిచేస్తాయి: ECDH కీ మార్పిడిని, ధృవీకరణ సంఖ్య MITMను, AES-256-GCM సిగ్నలింగ్‌ను, WebRTC మీడియాను రక్షిస్తాయి. పరికరాలకు లేదా తల్లిదండ్రులకు తెలియకుండా దాడి చేసే వ్యక్తి ఈ గొలుసును అనేక చోట్ల ఛేదించాల్సి ఉంటుంది.

మరిన్ని వ్యాసాలు

← బ్లాగ్‌కు తిరిగి