IT-Sicherheit Kapitel 5 Public Key Infrastructure

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1 IT-Sicherheit Kapitel 5 Public Key Infrastructure Dr. Christian Rathgeb Sommersemester

2 Einführung Problembetrachtung: Alice bezieht den Public Key von Bob aus einem öffentlichen Verzeichnis, verschlüsselt eine Nachricht und sendet sie an Bob. Woher weiß Alice, dass es sich wirklich um den öffentlichen Schlüssel von Bob handelt? Es fehlt also die Authentizität des öffentlichen Schlüssels! Mit Public-Key-Infrastruktur (PKI) bezeichnet man in der Kryptologie ein System, das digitale Zertifikate ausstellt, verteilt und prüft. 2

3 Einführung Man-in-the-Middle-Attack: 1. Alice fordert den Public Key von Bob an. 2. Bob sendet PubB an Alice. 3. Mallory fängt den Key PubB ab und schickt Alice ihren eigenen Public Key PubM. 4. Alice verschlüsselt (unwissend) eine Nachricht mit PubM und sendet diese an Bob. 5. Mallory fängt die Nachricht ab, entschlüsselt sie mit ihrem Private Key PrivM, liest sie, und schickt sie verschlüsselt mit PubB an Bob. Diese Attacke funktioniert auch, wenn die Schlüssel in einem öffentlichen Verzeichnis liegen Mallory muss dieses nur vorher manipulieren! 3

4 Public Key Zertifikate Um öffentliche Schlüssel eindeutig einer Person oder Instanz zuordnen zu können, führt man eine unabhängige Vertrauensinstanz ein, die Certification Authority (= CA), oder auch Trust Center genannt (oft auch Trent). Die CA kombiniert den öffentlichen Schlüssel PubA eines Teilnehmers A mit Identifizierungsmerkmalen DataA und signiert diese Kombination. Den entstehenden Datensatz bezeichnet man als Zertifikat: CertA = {DataA, PubA, SigA} 4

5 Public Key Zertifikate Vorgangsweise: Personalisierung: 1. Alice sendet PubA und DataA an die Certification Authority. 2. CA berechnet SigA := GENSIG(PrivCA, DataA PubA) und CertA := {DataA, PubA, SigA} und sendet CertA und PubCA an Alice. Zertifikatsüberprüfung: 1. Alice sendet CertA = {DataA, PubA, SigA} an Bob. 2. Bob berechnet und prüft VERFIYSIG(SigA, PubCA). Personalisierung geschieht in einer gesicherten Umgebung! 5

6 Public Key Zertifikate Personalisierung: Zertifikatsüberprüfung: 6

7 Public Key Zertifikate Certificate Revocation List (=CRL): Für kompromittierte private Schlüssel muss es die Möglichkeit geben, die entsprechenden Zertifikate aus dem Schlüsselverzeichnis zu entfernen. Neben dem Schlüsselverzeichnis wird daher auch eine CRL geführt, die bei der CA abgerufen werden kann. Die CRL enthält die Liste der Zertifikatsnummern der gesperrten Zertifikate und ist von der CA digital signiert. Die Teilnehmer rufen die CRL regelmäßig ab und können damit die Gültigkeit der Zertifikate anderer Teilnehmer überprüfen. 7

8 Public Key Zertifikate Verschlüsselung und Signatur: Gelingt es einen Angreifer den privaten Signaturschlüssel eines Teilnehmers (zb SigA) heraus zu finden, dann kann er sich damit als dieser Teilnehmer ausgeben. Im Falle des privaten Schlüssels für eine Entschlüsselung (zb PrivA) kann er nur die für den Teilnehmer bestimmten Daten lesen. Signaturschlüssel haben höhere Anforderungen an die Sicherheit als Schlüssel für eine Verschlüsselung. Daher sollten verschiedene Schlüssel für Verschlüsselung und Signatur verwendet werden. 8

9 Public Key Zertifikate Zeitstempeldienst: Wie kann ein Teilnehmer A feststellen, ob eine Signatur eines Teilnehmers B vor dem Rückruf des Zertifikats von B erstellt wurde? Eine CRL oder eine Datumsangabe löst dieses Problem NICHT, denn im Falle der Kompromittierung des Schlüssels kann ein Angreifer Signaturen zurückdatiert fälschen! Die Lösung ist die Einführung eines unabhängigen Zeitstempeldienstes. Im Allgemeinen übernimmt die CA diese Aufgabe. Die CA signiert das Dokument plus Signatur zusammen mit einer Zeitangabe. Das Ergebnis heißt Zeitstempel. 9

10 Public Key Zertifikate Standard Notation und Typen: Bezeichnung für das Zertifikat des Users X, ausgestellt von der Certification Authority Y: Y<<X>> Z Y X Domäne von Y Y<<Z>> Z<<Y>> Y<<X>> Reverse Certificate: Zertifikat für eine andere CA von dieser CA ausgestellt Forward Certificate: Zertifikat für diese Entität (unten) bzw. CA von einer anderen CA ausgestellt (oben) 10

11 Public Key Zertifikate X X<<Y>> Y Y<<X>> Alice Bob Alice möchte Bob s öffentlichen Schlüssel überprüfen: 1) Alice holt sich das Zertifikat von Y, erstellt von X (X<<Y>>). Alice überprüft das Zertifikat von Y mit dem öffentlichen Schlüssel von X, dem sie vertraut. Nun kann Alice dem öffentlichen Schlüssel von Y vertrauen. 2) Alice holt sich das Zertifikat von Bob, erstellt von Y (Y<<X>>). Alice überprüft das Zertifikat mit dem öffentlichen Schlüssel von Y. Insgesamt prüft Alice die Zertifikatskette: X<<Y>>Y<<Bob>> 11

12 Public Key Zertifikate Beispiel: Z Y Z<<Y>> Y<<Z>> Z<<X>> X<<Z>> X Alice Bob V X<<V>> V<<X>> W X<<W>> W<<X>> Y<<Alice>> Y<<Bob>> Carol Dave V<<Carol>> V<<Dave>> Alice prüft Carols s Zertifikat: Y<<Z>>Z<<X>>X<<V>>V<<Carol>> Carol prüft Alice s Zertifikat: V<<X>>X<<Z>>Z<<Y>>Y<<Alice>> 12

13 X.509 Zertifikat X.509 ist ein Standard für Public-Key Infrastructure. X.509 wurde erstmals 1988 veröffentlicht. (aktuelle Version: v3) (Versionen werden in verschiedenen RFCs beschrieben) In dem Standard werden Formate von Public-Key Zertifikaten, CRLs etc. spezifiziert In den folgenden Slides wird die Struktur eines X-509-v3-Zertifikats und die einzelnen Bestandteile beschrieben. 13

14 X.509 Zertifikat Versionsnummer: beschreibt das verwendete Zertifikatsformat. v1: Default-Wert; v2: Falls Aussteller-Identifikator oder Benutzer- Identifikator vorhanden; v3: Falls Erweiterungen vorhanden. Seriennummer: eindeutiger Wert, der innerhalb der ausstellenden CA dem Zertifikat eindeutig zugeordnet werden kann. Signaturalgorithmus-Identifikator: Algorithmus, der zum Signieren des Public Keys verwendet wird. Die Parameter werden auch angegeben. (Die Information ist redundant und wird im Signaturfeld erneut angegeben.) Ausstellername: X.500-Name der CA, welche das Zertifikat erstellt und signiert hat. 14

15 X.509 Zertifikat Gültigkeitsdauer: besteht aus zwei Datumsangaben zur Festlegung des Zeitintervalls, in dem das Zertifikat gültig ist. Benutzername: Name des Benutzers für den das Zertifikat ausgestellt ist. Dieser ist im Besitz des korrespondieren privaten Schlüssels. Benutzerschlüsselinformation: enthält den öffentlichen Schlüssel, die Parameter und die Information für welche Algorithmen der Schlüssel verwendet wird. Aussteller-Identifikator: Ein optionaler Bitstring zur eindeutigen Identifikation, falls der Ausstellername mehrfach verwendet wird für verschiedene Entitäten; ab Version 2. 15

16 X.509 Zertifikat Benutzer-Identifikator: Ein optionaler Bitstring zur eindeutigen Identifikation, falls der Benutzername mehrfach verwendet wird für verschiedene Entitäten; ab Version 2. Erweiterungen: für Schlüssel- und Policy-Informationen; (ab Version 3) Signaturfeld: enthält die digitale Signatur über den Hashwert der anderen Felder, erstellt mit dem privaten Schlüssel der CA. Der Signaturalgorithmus-Identifikator ist zusätzlich enthalten. 16

17 X.509 Zertifikat 17

18 X.509 Zertifikat Beispiel: 18

19 Public Key Infrastructure RFC 2822 (Internet Security Glossary) definiert eine Public Key Infrastructure (= PKI) als eine Menge von 1. Hardware, 2. Software, 3. Personen, 4. Policies und 5. Methoden, um digitale Zertifikate basierend auf asymmetrischer Kryptographie 1. zu erzeugen, 2. zu verwalten, 3. zu verteilen und 4. zurückzuziehen. 19

20 PKIX Die Internet Engineering Task Force (IETF) hat eine Working Group installiert Internet X.509 Public Key Infrastructure (= PKIX), um ein formales Modell einer PKI zu entwickeln, welches die Verwendung von Zertifikaten im Internet erlaubt. (Aktuelle Version: RFC 5280) Architektur: 20

21 PKIX End Entity: Eine generische Bezeichnung für Benutzer (Person, Hardware, Software, Server, Router, etc.), welche mit dem Zertifikat identifiziert werden soll. Certification Authority: Der Aussteller der Zertifikate sowie der CRL. Der CA können weitere administrative Aufgaben zugeordnet werden. Oft werden Aufgaben an eine oder mehrere Registration Authorities delegiert. Registration Authority: Eine optionale Komponente, welche administrative Aufgaben (z.b. End Entity Registrierung) übernimmt. CRL Issuer: Eine optionale Komponente, welche von der CA die Aufgabe der Veröffentlichung der CRLs übernimmt. 21

22 PKIX Repository: Eine generische Bezeichnung für eine Methode, Zertifikate und CRLs zu speichern und der End Entity zugänglich zu machen. Registration: Eine End Entity stellt sich bei der CA vor (direkt oder über eine RA). Typischerweise werden gemeinsame Schlüssel für eine weitere Authentifikation der End Entitiy vergeben. Initialization: Es werden auf dem Client System auf sicherem Wege die öffentlichen Schlüssel der CA installiert. Certification: Die CA stellt ein Zertifikat für die End Entity aus und gibt das Zertifikat an das Client System der End Entity zurück und sendet das Zertifikat auch an das Repository. 22

23 PKIX Key Pair Recovery: Falls die privaten Schlüssel einer End Entity verloren gehen, kann die CA die privaten Schlüssel wieder herstellen aus einem autorisierten Schlüssel-Backup. Key Pair Update: Schlüssel müssen regelmäßig ausgetauscht werden und neue Zertifikate müssen ausgestellt werden, z.b. bei Kompromittierung oder Ablauf. Revocation Request: Falls z.b. private Schlüssel kompromittiert werden, sich Benutzernamen oder die Zugehörigkeit ändert, kann die CA angewiesen werden, Zertifikate für ungültig zu erklären. Diese werden in der CRL hinterlegt. Cross Certification: Eine CA kann einer zweiten CA ein Zertifikat über einem öffentlichen Schlüssel ausstellen. Mit dem dazugehörigen privaten Schlüssel, kann die zweite CA selbst Zertifikate ausstellen. 23

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