OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen

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1 OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Melanie Gallinat 1, Stefan Hausmann 2, Markus Köster 1, Stefan Heiss 2 Weidmüller Gruppe 1 Klingenbergstraße Detmold, Deutschland Hochschule Ostwestfalen-Lippe 2 init Institut für industrielle Informationstechnik Liebigstraße Lemgo Stefan Hausmann

2 Agenda OPC UA: Überblick Grundlagen Kryptographie OPC UA: Sicherheitsrichtlinien OPC UA Secure Conversation Vergleich von OPC UA Secure Conversation SSL/TLS Fazit OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 2

3 OPC UA: Überblick OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 3

4 UPC UA: Protokolloptionen OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 4

5 UA Secure Conversation Sicherheitsprokoll für den Binär-Pfad von OPC UA Authentifizierung von OPC UA Client und Server auf Basis von X.509-Zertifikate Aufbau eines sicheren Kanals (Schlüsselaustausch) auf Basis von RSA Schutz der Nutzdaten mithilfe symmetrischer Algorithmen (AES, HMAC) OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 5

6 Grundlagen Kryptographie OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 6

7 Symmetrische Verschlüsselung Algorithmen: AES OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 7

8 MAC (Message Authentication Code) Verfahren Algorithmen: HMAC OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 8

9 Asymmetrische Verschlüsselung Algorithmen: RSA OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 9

10 Signaturen Algorithmen: RSA, (EC)DSA OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 10

11 Zertifikate Problem: Wie kann Bob sicher feststellen, dass der öffentliche Schlüssel wirklich von Alice stammt? Lösung: Zertifikate OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 11

12 OPC UA: Sicherheitsrichtlinien OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 12

13 OPC UA Sicherheitsrichtlinien Sicherheitsrichtlinien (Security Policies) spezifizieren einen Satz von zu verwendenden Algorithmen und machen Vorgaben zu Schlüssellängen Sicherheitsrichtlinie Basic128RSA15 Basic256 Basic256SHA256 Sym. Signatur (MAC) HMAC SHA-1 HMAC SHA-1 HMAC SHA-256 Sym. Verschlüsselung AES-128 CBC AES-256 CBC AES-256 CBC Asym. Signatur RSA SHA-1 RSA SHA-1 RSA SHA-256 Asym. Verschlüsselung RSA 15 RSA OAEP RSA OAEP Asym. Schlüssellänge Bit Bit Bit Schlüsselableitungsverf. P_SHA-1 P_SHA-1 P_SHA-256 OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 13

14 BSI Empfehlungen (TR ) Minimale Schlüssellängen: Blockchiffre MAC RSA DH ECDH ECDSA Sicherheitsrichtlinie Basic128RSA15 Basic256 Basic256SHA256 Sym. Signatur HMAC SHA-1 HMAC SHA-1 HMAC SHA-256 Sym. Verschlüsselung AES-128 CBC AES-256 CBC AES-256 CBC Asym. Signatur RSA SHA-1 RSA SHA-1 RSA SHA-256 Asym. Verschlüsselung RSA 15 RSA OAEP RSA OAEP Asym. Schlüssellänge Bit Bit Bit Schlüsselableitungsverf. P_SHA-1 P_SHA-1 P_SHA-256 OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 14

15 BSI Empfehlungen (TR ) Die Verwendung von Triple-DES, HMAC-MD5 und HMAC-SHA1 wird nicht empfohlen Für Blockchiffren wird der Einsatz von AES-128, AES-192 und AES-256 empfohlen. Als Betriebsarten für Blockchiffren der GCM-, CBC- und CTR-Modus: Sicherheitsrichtlinie Basic128RSA15 Basic256 Basic256SHA256 Sym. Signatur HMAC SHA-1 HMAC SHA-1 HMAC SHA-256 Sym. Verschlüsselung AES-128 CBC AES-256 CBC AES-256 CBC Asym. Signatur RSA SHA-1 RSA SHA-1 RSA SHA-256 Asym. Verschlüsselung RSA 15 RSA OAEP RSA OAEP Asym. Schlüssellänge Bit Bit Bit Schlüsselableitungsverf. P_SHA-1 P_SHA-1 P_SHA-256 OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 15

16 BSI Empfehlungen (TR ) Als asymmetrische Verschlüsselungsverfahren RSA, ECIES und DLIES. Als Paddingverfahren für RSA Ver- und Entschlüsselung OAEP: Sicherheitsrichtlinie Basic128RSA15 Basic256 Basic256SHA256 Sym. Signatur HMAC SHA-1 HMAC SHA-1 HMAC SHA-256 Sym. Verschlüsselung AES-128 CBC AES-256 CBC AES-256 CBC Asym. Signatur RSA SHA-1 RSA SHA-1 RSA SHA-256 Asym. Verschlüsselung RSA 15 RSA OAEP RSA OAEP Asym. Schlüssellänge Bit Bit Bit Schlüsselableitungsverf. P_SHA-1 P_SHA-1 P_SHA-256 OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 16

17 BSI Empfehlungen (TR ) Als Hashfunktionen: SHA-224, SHA-256, SHA-512/256, SHA-384, SHA-512, SHA- 512/224 Als Message Authentication Codes: CMAC, HMAC und GMAC: Sicherheitsrichtlinie Basic128RSA15 Basic256 Basic256SHA256 Sym. Signatur HMAC SHA-1 HMAC SHA-1 HMAC SHA-256 Sym. Verschlüsselung AES-128 CBC AES-256 CBC AES-256 CBC Asym. Signatur RSA SHA-1 RSA SHA-1 RSA SHA-256 Asym. Verschlüsselung RSA 15 RSA OAEP RSA OAEP Asym. Schlüssellänge Bit Bit Bit Schlüsselableitungsverf. P_SHA-1 P_SHA-1 P_SHA-256 OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 17

18 BSI Empfehlungen (TR ) Als Signaturverfahren RSA, DSA, ECDSA, ECKDSA und ECGDSA Für einen Schlüsselaustausch basierend auf asymmetrischen Verfahren: DH und ECDH Sicherheitsrichtlinie Basic128RSA15 Basic256 Basic256SHA256 Sym. Signatur HMAC SHA-1 HMAC SHA-1 HMAC SHA-256 Sym. Verschlüsselung AES-128 CBC AES-256 CBC AES-256 CBC Asym. Signatur RSA SHA-1 RSA SHA-1 RSA SHA-256 Asym. Verschlüsselung RSA 15 RSA OAEP RSA OAEP Asym. Schlüssellänge Bit Bit Bit Schlüsselableitungsverf. P_SHA-1 P_SHA-1 P_SHA-256 OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 18

19 BSI Empfehlungen (TR ) Sicherheitsrichtlinie Basic128RSA15 Basic256 Basic256SHA256 Sym. Signatur HMAC SHA-1 HMAC SHA-1 HMAC SHA-256 Sym. Verschlüsselung AES-128 CBC AES-256 CBC AES-256 CBC Asym. Signatur RSA SHA-1 RSA SHA-1 RSA SHA-256 Asym. Verschlüsselung RSA 15 RSA OAEP RSA OAEP Asym. Schlüssellänge Bit Bit Bit Schlüsselableitungsverf. P_SHA-1 P_SHA-1 P_SHA-256 OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 19

20 OPC UA Secure Conversation OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 20

21 OPC UA Secure Conversation Verbindungsaufbau OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 21

22 OpenSecureChannel Nachrichten OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 22

23 OpenSecureChannel Nachrichten RSA-Signaturerstellung und RSA-Verschlüsselung (inklusive Signatur) Größe der Signatur entspricht der Schlüssellänge 2048 Bit = 256 Byte Maximale Daten für einen RSA-Block (2048 Bit, Verschlüsselung) PKCS1-Padding: 245 Byte OAEP-Padding: 214 Byte Für den Schutz der OpenSecureChannel Nachrichten werden mehrere private RSA-Operationen benötigt: Basic128RSA15: 3 Operationen (2x entschlüsseln, 1x signieren) Basic256 und Basic256Sha256: 4 Operationen (3x entschlüsseln, 1x signieren) OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 23

24 Vergleich von OPC UA Secure Conversation vs. SSL/TLS OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 24

25 Vergleich der benötigten asymmetrischen Operationen zwischen OPC UA und SSL/TLS RSA Entschlüsselung/Signatur ist um den Faktor langsamer als die Verschlüsselung/Verifikation Deshalb wurden nur die die benötigten Entschlüsselung/Signatur Operationen verglichen. Beispiel (Arm-Cortex A9 667 Mhz): Entschlüsselung/Signatur: 164 ms Verschlüsselung/Verfikation: 4,7 ms Kompletter OPC UA Verbindungsaufbau: 515 ms OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 25

26 Vergleich der benötigten asymmetrischen Operationen zwischen OPC UA und SSL/TLS RSA Entschlüsselung RSA Signatur Diffie- Hellmann OPC UA (Server) OPC UA (Client) SSL/TLS RSA (Server) SSL/TLS RSA (Client) SSL/TLS DH (Server) SSL/TLS DH (Client) OPC UA: Basic256/Basic256Sha256 mit 2048 Bit RSA OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 26

27 BSI: OPC UA Sicherheitsanalyse OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 27

28 Fazit Die Sicherheitsrichtlinien von OPC UA entsprechen nicht den aktuellen Empfehlungen des BSI. insbesondere die minimale RSA-Schlüssellänge von 1024 Bit in zwei Sicherheitsrichtlinien ist zu gering gewählt und sollte nicht verwendet werden. Beim Schlüsselaustausch wird die RSA-Verschlüsselung unnötig oft angewendet. Im Vergleich zu SSL/TLS vierfache Rechenlast. Insbesondere auf kleinen eingebetteten Systemen unnötige Erhöhung der benötigten Zeit für einen Verbindungsaufbau. OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 28

29 Stefan Hausmann init Institut für industrielle Informationstechnik Hochschule Ostwestfalen-Lippe Langenbruch Lemgo OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 29

30 Schlüsselableitung P_SHA1(secret, seed) = HMAC_SHA1(secret, A(1) + seed) + HMAC_SHA1(secret, A(2) + seed) + HMAC_SHA1 (secret, A(3) + seed) +... Where A(n) is defined as: A(0) = seed A(n) = HMAC_SHA1(secret, A(n-1)) + indicates that the results are appended to previous results. Key Secret Seed Length Offset ClientSigningKey ServerNonce ClientNonce SigningKeyLength 0 ClientEncryptingKey ServerNonce ClientNonce EncryptingKeyLength SigningKeyLength ClientInitializationVector ServerNonce ClientNonce EncryptingBlockSize SigningKeyLength+ EncryptingKeyLength ServerSigningKey ClientNonce ServerNonce SigningKeyLength 0 ServerEncryptingKey ClientNonce ServerNonce EncryptingKeyLength SigningKeyLength ServerInitializationVector ClientNonce ServerNonce EncryptingBlockSize SigningKeyLength+ EncryptingKeyLength OPC UA: Ein kritischer Vergleich der IT-Sicherheitsoptionen Stefan Hausmann 30

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