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Protocollo TCN

Descrizione del protocollo

Chiavi di autenticazione e verifica

Chiave temporanea di contatto

Numeri temporanei di contatto

Report

Implementazione del protocollo per la JMV

Al fine di utilizzare il protocollo precedentemente descritto all'interno dell'applicazione Android, ne è stato sviluppato un'implementazione per la Java Virtual Machine. La gestione della coppia di chiavi derivate dalla curva ellittica Ed25519 è stata affidata alla libreria ed25519-elisabeth @CryptographycafeEd25519elisabeth2020. Le chiavi private e pubbliche prodotte sono state wrappate rispettivamente nelle classi ReportAuthorizationKey e ReportVerificationKey. Questa scelta non solo ha permesso di utilizzare nomi dal maggiore significato rispetto al dominio applicativo, ma anche di nascondere l'implementazione della curva Ed25519 in modo da disaccoppiare l'interfaccia della libreria crittografica da quella utilizzata per il protocollo TCN.

Come illustrato nella @sec:tck, a partire dalla chiave di autorizzazione è possibile ricavare la TemporaryContactKey iniziale¹. Ciò può essere fatto traverso la funzione baseTemporaryContactKey(), la cui implementazione è riportata nel @lst:tck-0. Invece, partendo da una chiave di contatto generica, è possibile ricavare la successiva chiave di contatto attraverso il metodo nextTemporaryContactKey() riportato nel listato @lst:next-tck.

fun baseTemporaryContactKey(): TemporaryContactKey {
  val hmac = MessageDigest.getInstance("SHA-256").apply {
    update(Const.H_TCK_DOMAIN_SEPARATOR)
    update(key.toByteArray())
}

  return TemporaryContactKey.createFromByteArray(
    hmac.digest(),
    0
  )
}

fun nextTemporaryContactKey(
  rvk: ReportVerificationKey
): TemporaryContactKey {
  val hmac = MessageDigest.getInstance("SHA-256").apply {
    update(Const.H_TCK_DOMAIN_SEPARATOR)
    update(rvk.toByteArray())
    update(key)
  }

  return TemporaryContactKey(
    hmac.digest(),
    index.inc()
  )
}

Sempre a partire dalla tck è possibile ricavare il numero di contatto temporaneo (tcn) e da esso l'UUID utilizzato all'interno dei beacon bluetooth. Questa operazione può essere eseguita mediante la funzione deriveTemporaryContactNumber() la cui implementazione è stata riportata nel @lst:derive-tcn.

fun deriveTemporaryContactNumber(): TemporaryContactNumber {
  val hmac = MessageDigest.getInstance("SHA-256").apply {
    update(Const.H_TCN_DOMAIN_SEPARATOR)
    update(index.toLeByteArray())
    update(key)
  }

  return TemporaryContactNumber(
    hmac.digest().sliceArray(0 until 16),
    index
  )
}

Un'altra componente fondamentale dell'implementazione del protocollo TCN è la classe Report, infatti tramite essa è possibile generare il report firmato che poi sarà inviato al server. Inoltre questa classe mette a disposizione una serie di funzioni di utilità come generateContactNumbers() e toReportData() che facilitano l'estrazione delle informazioni contenute all'interno del report. Infine la classe report fornisce anche un metodo statico, readReportDataFromByteArray(), attraverso il quale altre componenti applicative sono in grado di recuperare le informazioni di un report contenute all'interno di un array di bytes. L'implementazione di questo metodo è riportata nel listato @lst:read-report.

fun readReportDataFromByteArray(bytes: ByteArray): ReportData {
  val buffer = ByteBuffer.wrap(bytes).apply {
    order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN)
  }

  val rvk = ReportVerificationKey
    .createFromByteArray(buffer.read(32))
  val tckBytes = buffer.read(32)
  val from = buffer.short
  val until = buffer.short
  val memoType = buffer.get()
  val memoData = String(buffer.read(buffer.get().toInt()))

  return ReportData(
    rvk,
    TemporaryContactKey
      .createFromByteArray(tckBytes, from.dec()),
    from,
    until,
    memoData
  )
}

Applicazione

L'applicazione permette di tracciare i contatti degli utenti attraverso l'impiego del Bluetooth Low Energy (BLE). In particolare lo smartphone di ogni utente si comporta sia da trasmittente di beacon bluetooth che da ricevente. In questo modo quando due utenti entrano nel raggio di azione del bluetooth il contatto verrà memorizzato sui rispettivi dispositivi.

L'applicazione prevede differenti modalità di funzionamento, ognuna delle quali garantisce un diverso livello di privacy. Nella modalità di funzionamento A ogni qual volta si verifica un contatto l'applicazione si occupa di notificare immediatamente l'evento al server in modo tale che esso possa essere aggiunto al database remoto. Questa modalità è quella meno privacy friendly in quanto la comunicazione avviene in real-time e all'interno del messaggio scambiato viene riportato sia l'UUID dell'utente sia quello della persona incontrata.

La modalità B prevede lo scambio delle stesse informazioni previste per la modalità precedente, ma solo se richiesto dalle autorità sanitarie. In questo modo non solo si evita che i dati siano catturati dal server in real-time, ma si espongono le informazioni dell'utente solo quando queste sono strettamente necessarie. Sia in questa modalità, che nella precedente si è scelto di non ruotare gli UUID identificativi degli utenti in modo da facilitare la generazione del grafo sul server. Questa soluzione può mettere a repentaglio la privacy degli utenti ed essere sfruttata da avversari per ottenere informazioni sulle abitudini degli utilizzatori².

L'ultima modalità, la C, è quella che tutela maggiormente la privacy degli utilizzatori attraverso due accorgimenti:

• Rotazione degli UUID
• Matching locale

La generazione degli UUID avviene attraverso una derivazione deterministica come visto nella @sec:tcn-protocol, in modo tale da avere lo stesso livello di privacy di una soluzione randomica, ma con una migliore scalabilità. Mentre il matching locale permette di condividere il minor numero di informazioni possibili e solo quando questo è strettamente necessario. Infatti in questa modalità l'applicazione carica le informazioni sul server solo in seguito alla richiesta delle autorità sanitarie. Inoltre a differenza delle prime due modalità è previsto l'upload unicamente degli UUID che il dispositivo ha assunto nel tempo, in questo modo il server non è in grado di conoscere o ricavare i contatti avuti dall'utente.

Bluetooth

L'interazione tra l'hardware bluetooth del dispositivo e l'applicazione è stata gestita attraverso l'impiego della libreria Android Beacon Library @AndroidBeaconLibrary che permette di gestire più facilmente le operazioni con beacon bluetooth. Inoltre per rendere l'applicazione più funzionale, e quindi garantirne il funzionamento anche in background o a schermo spento è stato utilizzato un foreground service @ServicesOverview, che consente di mantenere in primo piano le operazioni di trasmissione e scansione anche quando l'applicazione non lo è. Data la natura variegata di Android, le diverse implementazioni del sistema operativo adoperate dai vari produttori non si comportano sempre nello stesso modo, motivo per il quale alcuni dispositivi tenderanno a terminare, o mettere in pausa ugualmente l'applicazione³. Potendo opera unicamente nello spazio utente non è stato possibile superare questi limiti.

Trasmissione

Il dispositivo dell'utente deve eseguire il broadcast di un beacon bluetooth contenete l'UUID identificativo. Questa operazione è stata svolta attraverso la classe BeaconTransmitter messa a disposizione dalla Android Beacon Library. Inoltre per la modalità di funzionamento C è stato necessario prevedere un meccanismo di rotazione delle chiavi. Questa rotazione viene settata attraverso la funzione rotateTCN() che sfrutta un Handler per programmare la rotazione dell'UUID.

private fun rotateTCN() {
  val advertiseHandler = Handler()
  val changeTCN: Runnable = object : Runnable {
    override fun run() {
      tcnManager.nextTcn()
      startAdvertising()
      advertiseHandler.postDelayed(
        this,
        TCNManager.ELAPSE_BETWEEN_NEW_TCN
      )
    }
  }

  advertiseHandler.postDelayed(
    changeTCN,
    TCNManager.ELAPSE_BETWEEN_NEW_TCN
  )
}

La scelta della frequenza di advertising è stata dettata dai vincoli tracciati dall'API di Android @AdvertiseSettings. Infatti la libreria permette di trasmettere un beacon con una frequenza di 1 Hz, 3 Hz o 10 Hz. Fortunatamente questi vincoli non si sono rilevati troppo limitanti infatti la frequenza di un Hertz, quindi un beacon trasmetto ogni secondo, permette di avere una buona trasmissione e di risparmiare batteria. Inoltre in fase di scanning evita che siano registrate più interazioni nello stesso ciclo.

Sempre attraverso l'API di Android è stata settata la potenza di trasmissione del beacon. Anche in questo caso la scelta era limitata a poche alternative:

• HIGH
• MEDIUM
• LOW
• ULTRA_LOW

Com'è possibile dedurre anche dai nomi dei vari livelli, l'API non fornisce nessuna stima quantitativa⁴, ma solo delle indicazioni qualitative delle intensità del segnale trasmesso. L'individuazione del livello più adatto è stata svolta per via sperimentale utilizzando cinque dispositivi differenti. I due livelli più alti sono stati immediatamente scartati in quanto permettevano di rilevare i beacon a distanze elevate cosa che avrebbe minato la bontà dell'applicazione. Con il livello ULTRA_LOW si è notato che venivano rilevate unicamente le interazioni inferiori al metro in contesti free space. Poiché l'organizzazione mondiale della sanità raccomanda una distanza di almeno un metro @AdvicePublicCOVID19 questo livello di trasmissione non consente di rilevare contatti potenzialmente a rischio. Per questo motivo si è scelto di utilizzare il livello LOW che permette di rilevare contatti fino a circa due metri.

Scansione

Stima della distanza

UI

Memorizzazione

Rete

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1. La chiave temporanea iniziale viene ricavata a partire dalla sola rak e da essa non è generato nessun numero temporaneo di contatto. ↩︎

2. Per esempio una catena di negozi attraverso l'impiego di uno scanner bluetooth potrebbe ricostruire la fedeltà degli utenti, conoscere i settori del negozio preferiti ecc. ↩︎

3. Molti produttori Android per aumentare la durata della batteria dei propri dispositivi tendono a stoppare e ridurre le funzionalità delle applicazioni. Maggiori dettagli possono essere trovati al seguente link \url{https://dontkillmyapp.com}. ↩︎

4. D'altronde, data la natura non omogenea dei vari dispositivi Android, una stima quantitativa sarebbe stata impossibile da ottenere. ↩︎