Sicherheit und Netze (Teil 3)

In dem Fach Sicherheit und Netze werden Schutzziele und Schutzmechanismen für die Kommunikation in Netzen behandelt. Im dritten Teil der Zusammenfassung wird erklärt, wie man die Echtheit von Dokumenten nachweist und wie digitale Signaturen funktionieren.

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Integrität und Authentizität von Dokumenten

Durch Öffnen von Programmen oder Dokumenten, die aus „unsicheren“ Quellen stammen, kann beträchtlicher Schaden entstehen. Schadsoftware kann Programme zum Ausspähen von Passwörtern, Trojanische Pferde oder Backdoors auf einem Computer installieren, oder ganz einfach Daten beschädigen oder löschen. Lassen sich Dokumente unbemerkt manipulieren können zum Beispiel Überweisungen von unberechtigten Personen durchgeführt werden.

Grundlagen

Wofür braucht man diese Schutzziele?

Vertraulichkeit, Integrität und Authentizität sind eng verknüpft
Manipulation von verschlüsselten Daten → Verletzung der Integrität (Leslies Attacke)
Ausgeben als Absender → Verletzung der Authentizität
Die verwendeten Verfahren müssen auch nach vielen Jahren noch überprüfbar sein

Worin unterscheiden sich Fingerprint, Message Digest, Hash und MDC?

Es sind synonyme Begriffe für das gleiche Verfahren
Sie werden immer mittels kryptographischer Hashfunktionen umgesetzt

Kryptografische Hashfunktionen

Was sind Hashfunktionen?

Sie bilden Texte beliebige Länge auf Texte einer vorgegebene Länge ab
Sie komprimieren und vermischen den Inhalt eines Dokuments
Aus den Hashes kann das ursprüngliche Dokument nicht mehr zurück gerechnet werden
Mit unterschiedlichen Dokumenten dürfen keine gleichen Hashes erzeugt werden können

Welche Eigenschaften müssen Hashfunktionen erfüllen?

Abbildung fester Länge – h:{0, 1}^m → {0, 1}ⁿ mit m > n
Einwegfunktion – Es darf nicht möglich sein aus h(m) ein passendes m zu finden
Kollisionsfrei – Es darf kein Paar m und m‘ geben, dass h(m) = h(m‘) ergibt (mit m‘ ≠ m)

Beispiele für Hashfunktionen und deren Länge

MD5 – 128 Bit
SHA-1 – 160 Bit
RIPE-MD-160 – 160 Bit

Merkle-Damgard-Schema

Was ist das Merkle-Damgard-Schema?

Eine Umsetzung von iterativen Hashverfahren
Die Hashfunktion wird blockweise angewandt statt n Zeichen zu akzeptieren
Wegen den Blöcken wird auch hier Padding benötigt (Blöcke nummeriert von 1 bis t)
Die Kompressionsfunktionen sind modifizierte Blockchiffren wie AES
Zu Beginn wird ein Initialisierungsvektor bzw. Start-Hash H₀ benötigt
Das Ergebnis von h(m) ist H_t

Was ist der Message Integrity Check (MIC)?

Beispiel für eine iterative Hashfunktion nach Merkle-Damgard
Wird zur Sicherung der Integrität bei WPA2 genutzt
Setzt deshalb auch AES als Blockchiffre ein mit 128 Bit
Wird auch AES CBC-MAC (CBC Message Authentication Code) genannt
Die höchsten 64 Bit des letzten Ergebnisses ergeben den MIC

Integrität mittels Modification Detection Code (MDC)

Wie funktioniert der MDC?

Aus dem Dokument wird ein einmaliger Message Digest erzeugt
Funktioniert ohne geheimen Schlüssel
Der Digest wird über einen sicheren Kanal verschickt
Das Dokument wird über einen unsicheren Kanal verschickt
Der Empfänger erstellt den Digest zu dem Dokument und vergleicht diesen

Warum wird der Digest nicht mit der Nachricht verschickt?

Digest und Dokument werden über einen unsicheren Kanal verschickt
Angreifer fängt die Nachricht ab
Der Angreifer ersetzt das Dokument durch eine Fälschung
Der Digest für das falsche Dokument ersetzt den eigentlichen Digest
Er leitet beides weiter zum Empfänger
Der Empfänger besitzt nun ein Dokument mit gültigem Digest

Authentizität mittels Message Authentication Code (MAC)

Was ist der MAC?

Message Digest in den ein Geheimnis integriert wird
Im Gegensatz zum MDC ist das Geheimnis nur Absender und Empfänger bekannt
Der MAC stellt also gleichzeitig Integrität und Authentizität sicher
Im Gegensatz zum MDC kann der MAC über den unsicheren Kanal übermittelt werden

Welche MAC-Verfahren gibt es?

Beim Präfix-MAC kommt der Schlüssel vor das Dokument
Beim Postfix-MAC kommt der Schlüssel ans Ende des Dokuments
Präfix und Postfix können kombiniert werden
Nested MAC (HMAC)

Was ist der Nested MAC?

Schlüssel und Dokument werden zusammen gefügt
Der Schlüssel wird mit dem intermediären Digest verbunden
Daraus wird der endgültigen Digest erzeugt

Was ist der Nested MAC?

Das Dokument wird in Blöcke der Größe b unterteilt
Dem geheimen Schlüssel wird mit führenden 0-Bits auf Länge b gebracht
Das Ergebnis von Schritt 2 wird per XOR mit der Konstanten ipad verknüpft
Der resultierende Block wird der Nachricht vorangestellt
Das Ergebnis von Schritt 4 wird gehasht, um einen n-bit Digest zu bilden (intermediate HMAC)
Der intermediäre HMAC wird mit führenden 0-Bits auf Länge b gebracht
Die Schritte 2 und 3 werden mit der Konstante opad wiederholt
Das Ergebnis von Schritt 7 wird vor den Block aus Schritt 6 gesetzt
Das Ergebnis von Schritt 8 wird gehasht um den endgültigen HMAC der Länge n zu erhalten

Digitale Signatur

Eine digitale Signatur, auch digitales Signaturverfahren, ist ein asymmetrisches Kryptosystem, bei dem ein Sender mit Hilfe eines geheimen Signaturschlüssels zu einer digitalen Nachricht einen Wert berechnet, der ebenfalls digitale Signatur genannt wird. Dieser Wert ermöglicht es jedem, mit Hilfe des öffentlichen Verifikationsschlüssels die nichtabstreitbare Urheberschaft und Integrität der Nachricht zu prüfen. Um eine mit einem Signaturschlüssel erstellte Signatur einer Person zuordnen zu können, muss der zugehörige Verifikationsschlüssel dieser Person zweifelsfrei zugeordnet sein.

Einsatz von digitalen Signaturen

Wofür braucht man Signaturen?

Sender und Empfänger authentisieren sich gegenseitig, damit niemand Schaden erleidet
Signaturen leisten also Integrität, Authentizität und Unwiderrufbarkeit

Worin unterscheiden sich also digitale Signaturen von MACs?

Der verwendete Schlüssel beim Signieren ist der private Schlüssel
Der Empfänger braucht nur den öffentlichen Schlüssel zum Prüfen der Signatur

Unterschiede zu konventionellen Signaturen

Was ist der Unterschied zwischen konventioneller und digitaler Signatur?

	Konventionell	Digital
Ziel	Unwiderrufbarkeit
Form	Unterschrift oder Siegel	Digitale Signatur
Einbettung	Einheit von Dokument und Signatur	Getrennte eigene Datenstrukturen
Manipulierte Kopie	Schwer	Einfach
Unterscheidbarkeit	Einfach	Schwer
Informationsgehalt	Persönliche Handschrift	Geheimes Kennwort und Dokumentendaten
Beziehung	1:n (lose verbunden)	1:1 (untrennbar verbunden)
Verifizierung	Vergleich mit hinterlegter Unterschrift	Wird im folgenden erläutert

Signatur- und Verifikationsprozess

Wie ist der Ablauf des digitalen Signierens und Verifizierens?

Mehrere kennen das Geheimnis → Kein öffentlicher Einsatz
Nur einer kennt das Geheimnis → Öffentlicher Einsatz
Der Empfänger muss den Signaturalgorithmus kennen

Wer erstellt Signaturen?

Signaturen durch zentrale Autorität

Welche Voraussetzungen gibt es?

Einsatz von symmetrischer Verschlüsselung
Gruppe besteht aus den Mitgliedern Alice, Bob und Big Brother
Jedes Mitglied wählt einen symmetrischen Schlüssel K_M
Alle Schlüssel werden sicher bei Big Brother abgeliefert
Big Brother ist vertrauenswürdig
Big Brother kennt die Schlüssel aller Teilnehmer
Niemand kennt den Schlüssel von Big Brother

Wie läuft es ab?

Alice will signierte Nachricht K_A(B, R_A, t, P) an Bob schicken
Big Brother entpackt diese Nachricht bei Empfang
Big Brother erzeugt eine Signatur K_BB(A, t, P)
Big Brother schickt die Nachricht K_B(A, R_A, t, P, K_BB(A, t, P)) an Bob
Bob entpackt die Nachricht und vertraut dem Inhalt
Bei Bedarf beweist Big Brother die Signatur vor Gericht

Welche Probleme gibt es?

Big Brother kann alle Nachrichten lesen
Big Brother könnte sich als jeder Teilnehmer ausgeben

Einfache Urheber-Signaturen

Welche Voraussetzungen gibt es?

Einsatz von asymmetrischen Verschlüsselungen wie RSA
Das gesamte Dokument wird dabei signiert (bzw. verschlüsselt)
Bedingung D(E(P)) = P = E(D(P))

Wie funktioniert es?

Alice wendet ihren privaten Schlüssel an
Alice wendet Bobs öffentlichen Schlüssel an
Alice sendet die Nachricht ab
Bob wendet seinen privaten Schlüssel an
Bob wendet Alices öffentlichen Schlüssel an
Bob erhält P (Nachweis, dass er der Empfänger und Alice der Absender ist)

Welche Probleme kann es geben?

Privater Schlüssel ist (angeblich) bekannt geworden
Schlüssel werden periodisch gewechselt (Alte Signaturen ungültig)
Asymmetrisches Verschlüsseln des kompletten Dokuments ist ineffizient

Effiziente Urheber-Signaturen