Kryptographie Einführung und Anwendungsbeispiele

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1 HRPI-Tagung Koblenz, September 28, 2009 Kryptographie Einführung und Anwendungsbeispiele H. Hundacker, Prof. R. Grimm Universität Koblenz-Landau

2 Die Professur Prof. Dr. Rüdiger Grimm IT-Sicherheit Inkl. Kryptologie, Biometrie, etc. Digital-Rights-Management Datenschutz Digitale Kommunikation Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

3 Gliederung Grundbegriffe Symmetrische Verschlüsselung Asymmetrische Verschlüsselung Anwendungen der Verschlüsselung Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

4 Beispiel: Cäsar Algorithmus Geheimtextalphabet: Klartextalphabet: DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ VHOEVW ZHQQ HLQH ORHVXQJ OHLFKW CX YHUVWHKHQ LVW, SELBST WENN EINE LOESUNG LEICHT ZU VERSTEHEN IST, VR LVW VLH GRFK QLFKW LPPHU OHLFKW CX ILQGHQ SO IST SIE DOCH NICHT IMMER LEICHT ZU FINDEN Grün: Blau: Geheimtext = Chiffrat = Kryptogramm Klartext = Nachricht Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

5 Historie Sparta: vertausche Reihenfolge der Buchstaben Cäsar ("verschiebe jeden Buchstaben um 3 Positionen nach rechts") 1917: Vernam, später: One-Time-Pad 1970/1977: DEA/DES : Nachfolger AES 1976: Diffie, Hellman: Asymmetrie, Komplexität und Zahlentheorie 1976: Diffie-Hellman Schlüsselaustausch (Diskreter Logarithmus) 1978: RSA, erstes nutzbares asym. Verschlüsselungsverfahren 1985: ElGamal: Diskreter Logarithmus... Schnorr-Tricks, Elliptische Kurven Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

6 Was ist Verschlüsselung? Definition: Verschlüsselung ist ein mathematischer Algorithmus, welcher Sprachelemente (Wörter, Buchstaben, Zeichen, Bits) auf andere Sprachelemente abbildet (und dabei verwirrt), und ein Parameter ( Schlüssel ), welcher den spezifischen Gebrauch des Algorithmus bestimmt. Beispiel Cäsar Algorithmus Algorithmus: Verschiebe die Buchstaben um X Stellen Schlüssel: X=3 (Schlüssel = C) Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

7 Kerckhoffs Prinzip (1883) Die Sicherheit eines Verschlüsselungsverfahrens basiert auf der Geheimhaltung des Schlüssels, nicht auf der Geheimhaltung des Verfahrens. Gegenteil: Security by Obscurity Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

8 Was ist Kryptologie? (Grundbegriffe) Kryptogramm: Verschlüsselter Text Kryptographie: Erzeugung und Umgang mit Kryptogrammen Kryptoanalyse: Das Brechen von Codes und Algorithmen Kryptologie = Kryptographie + Kryptoanalyse Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

9 Verbergen und Identifizieren Kryptologie handelt von (a) Verbergen von Text vor unautorisierten Personen (b) Beweis von Identität und Authentizität Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

10 Kryptologie - Übersicht Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

11 Kryptoanalyse Statistiken Häufige Texte ( Sehr geehrter Herr ) Man-in-the-Middle Wörterbuch-Attacke, Brute-force-Attacke Seitenkanäle (z.b. Rechenlast, Strahlung) Beispiel Cäsar: Statistisches Auftreten von Buchstaben e ist der häufigste Buchstabe im deutschen Sprachgebrauch ( n der zweit-häufigste) Häufigster Buchstabe im Kryptogramm ist vermutlich ein e Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

12 Sicherheitsziele Originalität Gewissheit über Herkunft Integrität Gewissheit über Unversehrtheit Authentizität Originalität + Integrität Vertraulichkeit Gewissheit, dass nur Vertrauenspersonen mithören können Verbindlichkeit Gewissheit über Einhaltung eines Versprechens Sicherheitsziele im weiteren Sinne: Privatheit, Benutzerfreundlichkeit, Nicht-Abstreitbarkeit Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

13 Symmetrische Verschlüsselung Alle Partner nutzen denselben Schlüssel Problem Vertraulichkeit der Partner Verbindlichkeit Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

14 Symmetrische Verschlüsselung und Authentifizierung Von: Sabine An: Erwin verschlüsseln Von: Sabine An: Erwin Aq6/rx+Hlf JskLL9Ocj H4Zs2 Transfer Kryptogramm Von: Sabine An: Erwin Aq6/rx+Hlf JskLL9Ocj H4Zs2 Klartext des Dokumentes entschlüsseln Von: Sabine An: Erwin Klartext des Dokumentes Transfer Geheimer Schlüssel Geheimer Schlüssel Sabine Geheimer Schlüssel Erwin Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

15 Beispiele - sym. Verschlüsselungsverfahren Cäsar One-Time-Pad Verwendung eines sehr langen Schlüssels ein Mal DES (Data Encryption Standard) USA,1976, 56 bit, (Triple-DES: 168 bit formal, real 112 bit) IDEA (International Data Encryption Algorithm) Zürich, 1990, 128 bit AES (Advanced Encryption Standard) USA, 2000, 256 bit (128, 192), auch bekannt als Rijndal RC2, RC4, RC5, (Rivest Cipher) Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

16 Asymmetrische Verschlüsselung Jeder Teilnehmer hat ein Schlüsselpaar Geheimen Schlüssel (Private Key) Öffentlichen Schlüssel (Public Key) Es ist schwierig, den geheimen Schlüssel vom öffentlichen Schlüssel abzuleiten. Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

17 Asymmetrische Verschlüsselung An: Erwin An: Erwin s6shzu 76TtgHg f6/8pq4 Transfer Kryptogramm An: Erwin s6shzu 76TtgHg f6/8pq4 Klartext des Dokuments verschlüsseln entschlüsseln An: Erwin Klartext des Dokuments PubKey Erwin PrivKey Erwin Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

18 Digitale Signatur Von: Sabine Text des Dokumentes Text des Dokumentes signieren Von: Sabine Signatur Transfer Von: Sabine Signatur "authentisch" verifizieren Text des Dokumentes PrivKey Sabine PubKey Sabine Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

19 Beispiele - asym. Verschlüsselungsverfahren RSA (Rivest, Shamir, Adleman) 1977 Primfaktorzerlegung ElGamal 1985 Diskreter Logarithmus Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

20 PKI (Public-Key Infrastrukturen) Zertifikat: Bindung von Person, Name und Schlüsselpaar X.509 Hierarchische Zertifizierungsstruktur RA (Registration Authority) CA (Certification Authority) Signierung des Zertifikats von einer zentralen Stelle PGP-Web-of-Trust (PGP: Pretty Good Privacy) Gegenseitige Signierung der öffentlichen Schlüssel Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

21 Diffie-Hellman Schlüsselaustausch Zwei Partner kommunizieren offen Sie tauschen vor aller Ohren Zahlen aus Am Ende haben sie ein gemeinsames Geheimnis (gemeinsamer Session-Key) Mit dem Session-Key können sie Nachrichten verschlüsselt austauschen (Allerdings: Keine Authentizität der Partner) Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

22 Diffie-Hellman Protokoll Alice Bob A:= g a (mod p) p g A B:= g b (mod p) B k AB B a A b k BA (mod p) Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

23 Leicht und schwer rechnen Nach rechts: schnell rechnen Zahlenstrahl Mathematische Probleme: Diskreter Logarithmus Elliptische Kurven Primfaktorzerlegung Nach links: langsam rechnen Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

24 Anwendungen der Kryptologie Verschlüsselte / signierte s Internet-Verschlüsselung (SSL-Beispiel) WLAN-Verschlüsselung (Beispiel) Pay-TV (Beispiel) Weitere Anwendungen: Elektronisches Türschloss Kontaktloses Flugticket Mobilfunk (GSM) Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

25 PGP und S/MIME Verschlüsselung und Signieren von s Hybride Verschlüsselungssysteme PGP / GPG Nutzt Web-of-Trust S/MIME Nutzt hierarchische PKI Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

26 Hauptanwendung Web-Sicherung Verschlüsselung von Web-Kommunikation Authentifizierung des Servers Optional Authentifizierung des Client Browsers HTTPS: HTTP über SSL/TLS Symbolisiert durch Vorhängeschloss Wichtig: Überprüfen des Zertifikats Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

27 SSL Ziele der Verschlüsselung Sicherer Transportkanal zwischen Anwendungsinstanzen z.b. Web-Server Web-Browser Vertraulichkeit der Daten Verschlüsselung der Kommunikationsdaten Authentizität der Kommunikationspartner Signatur mit Zertifikat bei Einrichtung einer Session Originalität und Integrität der Daten Signatur bzw. Keyed Hash der Kommunikationsdaten Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

28 Handshake Protokoll Zertifikatsanforderg. SSL- CLIENT Random1 Random3 Zertifikat Verify Klartext Klartext verschlüsselt mit Server-PK Klartext Random2 Zertifikat SessionId SSL- SER- VER Keygen 4 Keygen Finished 5 symmetrisch verschlüsselt Finished DATA 6 symmetrisch verschlüsselt DATA Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

29 (W)LAN Anwendungsbereich Nutzung gemeinsamer Ressourcen (Daten, Drucker, etc) Vernetzung von Arbeitsplätzen Klassisch: Koaxialkabel, Twisted-Pair-Kabel (CAT5) Nutzung gemeinsamer Ressourcen (Daten, Drucker) WLAN: günstiger + mobil Internet an öffentlichen Plätzen (Hot-spots) Beispiel, WLAN im Infrastruktur-Modus: Luft Mobiler Nutzer Access Point / Router Netzwerk Internet Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

30 WLAN Ziel der Verschlüsselung Authentizität Nur autorisierte Nutzer haben Zugriff Vertraulichkeit Informationen sind nur autorisierten Personen zugänglich Integrität Daten können nicht manipuliert werden Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

31 WLAN Verwendete Algorithmen WEP (Wired Equivalent Privacy) RC4 (für Authentifikation und Verschlüsselung) 64 oder 128 bit Schlüssellänge (-24Bit IV) WPA (Wireless Fidelity Protected Access) RC4 TKIP (Temporary Key Integrity Protocol) WPA2 AES (Advanced Encryption Standard, Rjindal) CBC-MAC (CBC=Cipherblock Chaining MAC=Message Authentication Code) Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

32 Pay-TV Anwendungsbereich Pay-TV Pay-per-View Broadcast-TV für zahlende Kunden Verschlüsseltes Signal empfangen alle, aber nur wer entschlüsseln kann, sieht und hört z.b. Premiere, Arena, Kabel Digital Home Video-on-Demand Individuelles Download Verschlüsselte Übertragung Nach Zahlungseingang: Übertragung des Entschlüsselungsschlüssels Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

33 Pay-TV Ziel der Verschlüsselung Verschlüsselte Übertragung Zahlende Kunden erhalten Entschlüsselungsschlüssel Smartcards und Set-Top-Boxen Smartcard enthält individuellen Kundenschlüssel Mehrfach verkettete kryptographische Schlüssel im Fernsehdatenstrom Mit Smartcard können Schlüsselinformationen ausgelesen werden Zeitliche und Programm-/Produkt-bezogene Begrenzung Gruppenschlüssel Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

34 Pay-TV Verwendete Algorithmen DVB-CI Digital Video Broadcast Common Interface CSA Common Scrambling Algorithm CAS Conditional Access System CSA ist ein spezielles CAS aufgrund Schlüsselinhabe zeitlich und Programm-/Produkt-bezogen definierter Zugriff auf Datenstrom Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

35 Pay-TV Ablaufschema (1) Audio/Video MPEG2 Transportstrom verschlüsseln Multiplex als EMM einbetten Verschlüsselter Service Key mit verschlüsseln Service Key als ECM einbetten Verschlüsseltes Control Word 3 mit 5 Control Word verschlüsseln MPEG2 Transportstrom mit verschlüsselten Nutzdaten mit Datenbank der Kundenschlüssel (User Keys) EMM: Entitlement Management Message ECM: Entitlement Control Message Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

36 Pay-TV Ablaufschema (2) MPEG2 Transportstrom mit verschlüsselten Nutzdaten entschlüsseln 5 ent- Deschlüsseln MPEG2 Transportstrom unverschlüsselte Nutzdaten multi- plex Audio/Video EMM herausfiltern Verschlüsselter Service Key mit ECM herausfiltern Service Key mit Verschlüsseltes Control Word 4 entschlüsseln Control Word mit Smartcard( User Key) EMM: Entitlement Management Message ECM: Entitlement Control Message Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

37 Literaturhinweise Schneier, Bruce (2003): Beyond Fear: Thinking Sensibly about Security in an Uncertain World. Copernicus Books. Schneier, Bruce (2000): Secrets and Lies. John Wiley & Sons. Schneier, Bruce (1996): Applied Cryptography. Protocols, Algorithms, and Source Code in C. 2nd ed, Wiley & Sons, Chichester, 758 p. Klaus Schmeh (2009): Kryptografie Verfahren, Protokolle, Infrastrukturen", 4. Auflage, dpunkt Verlag, Heidelberg, 862 Seiten. Eckert, Claudia (aktuelle Version): IT-Sicherheit. Konzepte, Verfahren, Protokolle. Studienausgabe. Oldenbourg Verlag, München, Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

38 Literaturhinweise (Anwendungen) Allgemein zu Verschlüsselung: Grimm, Hundacker, Meletiadou (2007): Anwendungsbeispiele für Kryptographie. Arbeitsberichte aus dem FB Informatik, Nr. 2/2007, Universität Koblenz-Landau, ISSN , Schneier, Bruce (1996): Applied Cryptography. 2nd ed, Wiley & Sons, Chichester E-Schlüssel: ekey biometric systems GmbH - Produktübersicht: [ ] Autoschlüssel : [ ] Wolfgang Rankl, Wofgang Effing (2002): Handbuch der Chipkarten. Aufbau - Funktionsweise - Einsatz von Smart Cards. Hanser Fachbuchverlag, GSM: B. Walke: Mobilfunknetze und Ihre Protokolle. Band 1, Teubner Verlag, 2000 Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik: GSM-Mobilfunk Gefährdungen und Sicherheitsmaßnahmen / Referat III. Bonn, [ ] PayTV: Ralf-Philipp Weinmann and Kai Wirt. Analysis of the dvb common scrambling algorithm. In Proceedings of the 8th IFIP TC-6 TC-11 Conference on Communications and Multimedia Security (CMS 2004). Springer LNCS. Ulrich Reimers. DVB, The Family of International Standards for Digital Video Broadcasting. Springer, 2nd Ed., WLAN: Detken, Kai-Oliver (2006): WLAN-Sicherheit von WEP bis CCMP, in DACH Security 2006, Syssec, 2006, The Cable Guy Mai 2005, Überblick zu Wi-Fi Protected Access 2 (WPA2) Veröffentlicht: 06. Mai 2005, datenbank/articles/ mspx [ ] The Cable Guy November 2004, Datenverschlüsselung und -integrität mit WPA, Veröffentlicht: 01. Nov 2004, datenbank/articles/ mspx, Stand: [ ] Rech, Jörg (2006): Wireless LANs WLAN-Technologie und praktische Umsetzung im Detail, Heise-Verlag, Hannover, Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kryptographie, Hundacker, Grimm, / 40

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