HMAC
Eine Möglichkeit, Replay-Angriffe zu verhindern, besteht darin, einen Zeitstempel in die Nachricht aufzunehmen und zu überprüfen, ob er sich in einem angemessenen Bereich der aktuellen Zeit befindet. Wenn Sie z. B. HMAC verwenden, um eine Anforderung bei einem Webserver zu authentifizieren, können Sie der Anforderung einen Zeitstempelparameter hinzufügen und ihn mit der Uhr des Servers vergleichen. Wenn der Zeitstempel zu alt oder zu weit in der Zukunft liegt, können Sie die Anforderung als ungültig ablehnen. Auf diese Weise kann ein Angreifer eine alte oder zukünftige Nachricht nicht wiederverwenden, ohne die genaue Uhrzeit des Servers zu kennen.
Timestamps are a common and reliable to way to prevent replays but there are several important traps to watch for. Firstly, the timestamp should be included in the input to the HMAC along with the message, otherwise an attacker could arbitrarily set a timestamp on an intercepted message. This approach also relies on closely synchronized clocks between the sender and receiver. Network Time Protocol (NTP) should be used but even then, a "buffer" range of acceptable time stamps is often needed to manage clock skew. Making this range too wide can give an attacker the opportunity to intercept and replay a message within a short time window. Finally, if an attacker can influence the clock on either device, this technique fails entirely.
An effective method to prevent replay attack is to use a challenge-response mechanism. The sender includes a challenge in each message, and the receiver must respond with the correct response based on that challenge. The challenge can be a unique value or a nonce generated by the sender for each message. The receiver verifies the response using the HMAC and the shared secret key. Since the challenge is different for each message, even if an attacker intercepts and tries to replay a previous message, they won't have the correct response for the current challenge. This approach adds an extra layer of security by ensuring that each message requires a dynamic response, making it more challenging for attackers to replay messages successfully.
use Idempotency key in one of the data field of incoming request body, and check if same idempotent key has been received in last 24 hours and if it is then that input is getting replayed
Timestamps ensure each request is bound to a specific moment in time. By validating if a request is within an acceptable window, replay attempts are invalidated. However, make sure your system clocks are synchronized to avoid false rejections. Tools like NTP are essential here.
Eine weitere Möglichkeit, Replay-Angriffe zu verhindern, ist die Verwendung von Nonces, bei denen es sich um zufällige oder eindeutige Zahlen handelt, die für jede Nachricht generiert und nie wiederholt werden. Wenn Sie z. B. HMAC verwenden, um eine Antwort an einen Client zu authentifizieren, können Sie einen Nonce-Parameter in die Antwort aufnehmen und in einer Datenbank oder einem Cache speichern. Der Client kann dann überprüfen, ob die Nonce mit der in der Datenbank oder im Cache übereinstimmt und ob sie noch nicht verwendet wurde. Auf diese Weise kann ein Angreifer eine vorherige oder doppelte Nachricht nicht wiederverwenden, ohne die Nonce zu kennen.
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Randomly generated nonces (a "number used once") are a good way to prevent replay attacks so long as the receiver keeps a track of all nonces used so far and discards any messages containing a repeated nonce. A Cryptographic Secure Pseudo Random Number Generator CSPRNG must be used to generate the values and the nonce size must be large enough that the probability of a repeated value is negligible. The chance of a repeated value is approximately the square root of all possible nonce values so ensure the expected number of messages is much less than that!
Nonces add uniqueness to each request, preventing reuse. When combined with HMAC, they ensure the same message can't be replayed. For instance, a nonce in an API call can expire after use, adding another layer of protection.
Eine dritte Möglichkeit, Replay-Angriffe zu verhindern, besteht darin, Sequenznummern zu verwenden, bei denen es sich um inkrementelle oder dekrementelle Nummern handelt, die jeder Nachricht zugewiesen werden und einer logischen Reihenfolge folgen. Wenn Sie z. B. HMAC verwenden, um eine Kommunikation zwischen zwei Parteien zu authentifizieren, können Sie in jede Nachricht einen Parameter für die Sequenznummer einfügen und die erwartete Sequenznummer für die nächste Nachricht nachverfolgen. Der Empfänger kann dann überprüfen, ob die Sequenznummer mit der erwarteten übereinstimmt und nicht in der falschen Reihenfolge ist. Auf diese Weise kann ein Angreifer Nachrichten nicht wiederverwenden oder neu anordnen, ohne die Sequenznummer zu kennen.
When using a sequence number for replay prevention it is crucial that the number never repeat (i.e. a nonce). A counter that increments for every message is a good strategy but will result in repeated values if it overflows (e.g. ~4 billion unique nonces for a 32-bit counter) so choose a large enough number range. The sequence number should be included as an input to the HMAC tag so that it is cryptographically "locked" to each message. This makes forgery practically impossible. Finally, messages that arrive out of order can cause issues and clients may simply decide to discard messages or keep a small set of recent messages that it may still consider valid. The signal protocol provides a good case study in how to approach this.
Sequence numbers ensure requests are processed in the correct order. This approach works best for persistent connections, where tracking state is feasible. It’s particularly useful in financial systems where order integrity is critical.
Eine vierte Möglichkeit, Replay-Angriffe zu verhindern, ist die Verwendung von Verschlüsselung, bei der Daten mithilfe eines geheimen Schlüssels in eine unlesbare Form umgewandelt werden. Wenn Sie z. B. HMAC verwenden, um eine Datenübertragung zwischen zwei Geräten zu authentifizieren, können Sie die Daten mit einem symmetrischen oder asymmetrischen Schlüssel verschlüsseln, bevor Sie den HMAC anwenden. Der Empfänger kann dann die Daten mit dem gleichen oder dem entsprechenden Schlüssel entschlüsseln und den HMAC verifizieren. Auf diese Weise kann ein Angreifer die Daten nicht lesen oder ändern, ohne den Schlüssel zu kennen.
HMAC ist ein leistungsstarkes Tool zur Authentifizierung, aber es reicht nicht aus, um Replay-Angriffe zu verhindern. Durch die Verwendung von Zeitstempeln, Nonces, Sequenznummern oder Verschlüsselung können Sie eine zusätzliche Sicherheitsebene hinzufügen und sicherstellen, dass Ihre Nachrichten aktuell, eindeutig und in Ordnung sind.
Encryption doesn't prevent replay attacks! An attacker could intercept an encrypted HMAC value and send that to the receiver in the same way that they could with an unencrypted HMAC. The encryption provides secrecy but not replay prevention. A better strategy is to use a nonce (counter and secure random number generator) or a timestamp.
While HMAC ensures integrity, pairing it with encryption protects the payload from being intercepted and replayed. Tools like TLS add this protection layer, ensuring end-to-end security.
Verifying of an HMAC should always use a "constant-time" equality check. Standard string comparison will short-circuit as soon as a character differs and this can lead to timing attacks. Instead, an HMAC should always be verified using the verify function available in your favourite cryptography library.
Combine these methods for robust security. For example, using nonces with timestamps strengthens protection against clock drift issues. Regularly review your implementation to adapt to evolving threats. Prevention isn’t just about tools; it’s about strategic integration.