Abstract

Firewalls sind essentieller Bestandteil jeder Netzwerkinfrastruktur. Sie überwachen anhand eines definierten Regelwerks den passierenden Datenfluss und schützen vor unerwünschten Netzwerkzugriffen. Unternehmen ergänzen bei Bedarf dedizierte Sicherheitslösungen, um neuen Anforderungen gerecht zu werden und die Sicherheit des eigenen Netzwerks zu steigern. Ein moderner Ansatz ist der Einsatz einer Next-Generation Firewall (NGFW), die mehrere Lösungen in einem einzigen System konsolidiert und somit den Aufwand für die Konfiguration der Netzwerksicherheit reduziert.

Eine einfachere Konfiguration des Netzwerks wird ebenfalls mit dem Software-Defined Networking angestrebt. Die Forderungen nach mehr Flexibilität, höheren Bandbreiten und reaktivem Verhalten lassen sich mit den heutigen Netzwerklösungen nur schwer realisieren. Die klassische Netzwerkarchitektur ist hochgradig unflexibel, da die Netzwerkkomponenten, trotz zahlreicher Standardisierungen zur Netzwerkkommunikation, keine etablierten Standards zur vereinheitlichten und vereinfachten Konfiguration aufweisen können. Proprietäre Protokolle, Schnittstellen und Befehle erschweren die Inbetriebnahme und Wartung von Netzwerkinfrastrukturen. Firewalls sind ebenfalls Teil dieses Problems. Sie gehören zu den Middleboxes, die strategisch im Netzwerk platziert werden, um auf einem einfachen Weg zusätzliche Funktionen zu implementieren. Ihr Einsatz führt jedoch zur gesteigerten Komplexität des Netzwerks. Das Ziel der SDN-Architektur ist es deshalb den Bedarf an Middleboxes künftig zu reduzieren.

Die ausführliche Behandlung der Themen SDN und Firewalls soll klären, ob letztere in der neuen Architektur noch eine Existenzberechtigung haben oder ob sich ihre Funktionalitäten vollständig durch den zentralen Controller und seine programmierbaren Netzwerkapplikationen abbilden lassen. Diese Arbeit beschreibt dafür den Aufbau der klassischen Netzwerkarchitektur als Wissensgrundlage und grenzt diese im weiteren Verlauf von der SDN-Architektur ab. Der Bedarf von Schutzmechanismen im SDN wird anhand von neun potenziellen Angriffsvektoren und deren Auswirkungen diskutiert.

Diese Arbeit präsentiert abschließend drei Modelle, die demonstrieren, wie sich Firewalls in der neuen Architektur positionieren und realisieren lassen. Anhand aktueller Projekte, wie SciPass und FlowGuard, wird ersichtlich, dass der Einsatz von Firewalls auch im SDN nicht wegzudenken ist.

Note

Auf die Ausarbeitung und das Kolloquium habe ich jeweils die Note 1.0 bekommen.

Der Beitrag Bestandene Bachelorarbeit erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Entwicklungsumgebung

Mein primäres Betriebssystem beim Verfassen meiner Bachelorarbeit ist Kubuntu 14.10 Plasma 4 (Link). Dieses System wird als virtuelle Maschine auf meinem Windows 8.1-Notebook betrieben und ist dadurch portabel und flexibel skalierbar. Der Grund hierfür liegt in meinem Bestreben meine Windows-Installationen von individuellen Konfigurationen und Installationen zu befreien, um bei Neuinstallationen meinen Aufwand zu reduzieren und eine konsistente Arbeitsplattform zu haben.

Meine LaTeX-Installation basiert auf der Distribution TeX Live (Link) und dem Bearbeitungsprogramm TeXstudio (Link) in den jeweils aktuellen Versionen. Ihre Installation erfolgt über den integrierten Paketmanager apt und dem Ubuntu Software Center. Die Installation erfolgt ohne Anpassungen, lediglich die deutsche Lokalisierung muss auf meinem englischen System manuell gesetzt werden.

Vorlage

Meine Vorlage basiert auf den Dateien, die im Wiki des Fachbereichs verknüpft sind. Deren aktuellste Fassung ist auf GitHub zu finden (Link) und wurde zuletzt im April 2014 aktualisiert. Ich habe versucht diese Fassung noch näher an die Vorgaben der Hochschule zu bringen und sie nach meinen eigenen Vorstellungen und Arbeitsmethoden modifiziert. Ich habe die Dateien und Verzeichnisse als .zip-Archiv gepackt und hier bereitgestellt.

[Download]

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7. Semester

Praxisprojekt 3

Im Rahmen des dritten Praxisprojekts habe ich verschiedene Next-Generation Firewalls auf ihren Funktionsumfang und die implementierten Schutzmechanismen überprüft. Dank meines Partnerbetriebs konnte ich in diesem Zug viele verschiedene Lösungen untersuchen. Die gesammelten Informationen und Projektergebnisse haben eine gute Wissensgrundlage für die anschließende Bachelorthesis gebildet. Es ist ratsam in diesem Projekt bereits mit LaTeX zu arbeiten und sich eine gute Vorlage zu erstellen, da während der Bachelorthesis nur bedingt die notwendige Zeit vorhanden ist.

Bachelorthesis

Meine Thesis behandelt die Relevanz und Funktionsweise von Firewalls im Software-Defined Networking. Auf meine Ausarbeitung und meinen Vortrag habe ich jeweils die Bestnote erhalten. Das Abstract habe ich bereits in der betroffenen Kategorie bereitgestellt und somit die Mitschriften für das siebte Semester komplettiert.

Frühere Semester

4. bis 6. Semester

Kürzlich habe ich das Abstract der zweiten Praxisphase und die fehlenden Abschlussberichte ergänzt. Im Verlauf der nächsten Wochen werde ich noch passende Titelbilder in den fehlenden Kategorien einfügen, um rückwirkend ein einheitliches Design zu etablieren. Die Inhalte dieser Semester sind jedoch komplettiert. Einige Beiträge sind jedoch nur im registrierten Bereich sichtbar.

1. bis 3. Semester

Diese Notizen existieren lediglich in einer exportierten SQL-Datenbank und warten darauf, dass ich sie extrahiere, korrigiere und in Joomla einfüge. Diesen Aufwand werde ich mir nach aktuellem Stand der Dinge nicht mehr machen. Die Einführung einer neuen Prüfungsordnung an der Hochschule Darmstadt hat diese Beiträge für neue Studenten ohnehin so gut wie obsolet gemacht. Für das erste Praxisprojekt habe ich mein Abstract zumindest eingefügt.

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Belegungen

Neben der Praxisphase 2, habe ich zwei Wahlpflichtfächer als Seminare und IT-Recht aus dem 6. Semester absolviert. Die Wahlpflichtfächer sind Gesprächs- und Verhandlungsführung und Präsentationstechnik bei Dr. Roberto Lalli. Unabhängig von der Note, kann ich diese nur weiterempfehlen, denn hier lernt man etwas brauchbares fürs Leben!

Leistungsnachweise

Seminare

Bei den beiden Seminaren von Dr. Roberto Lalli haben die stetige Anwesenheit, die mündliche Mitarbeit und die vorgestellten Präsentationen zu jeweils einer gemeinsamen Note für die gesamte Klasse geführt. Meine Präsentation hat den Einsatz eines CMS als öffentliche Wissensdatenbank thematisiert.

IT-Recht

Die Klausur in IT-Recht war ziemlich knifflig, da hier nicht nur vorhandenes Fachwissen abgefragt wurde, aber auch Fragen wie in einem „Idiotentest“ vorkamen. Als Beispiel:

„Sind diese vier Antworten richtig?“ → Dabei gibt es nur drei Antworten → Die Antwort lautet also ganz klar Nein. Mein Lernaufwand steht in meinen Augen in keinem guten Verhältnis zur Note.

Praxisphase 2

Die Ausarbeitung der Dokumentation für die zweite Praxisphase war wohl die größte Herausforderung in diesem Semester. Ohne die Hilfe meines Teampartners Nils und einiger Kollegen hätte ich es wohl in der kurzen Zeit nicht so gut hinbekommen. Vielen Dank nochmal!

Mitschriften

Ich konnte dieses Semester die Mitschriften relativ zeitnah abschließen, lediglich die Notizen zur IT-Recht Zusammenfassung stehen noch offen, aber das ist für mich ein eher optionales Ziel. In den kommenden Tagen werde ich noch ein kurzes Abstract zu meiner Hausarbeit der 2. Praxisphase veröffentlichen.

Ziele

Mein Ziel, die Mitschriften aus den ersten drei Semestern zu migrieren, ist leider gescheitert. Bisher habe ich lediglich die Bilder auf diese Seite portieren können. Ich muss die Mitschriften alle händisch exportieren und anschließend deren HTML-Code optimieren.

Künftig werde ich alle Beiträge mit einem Intro-Text als Zusammenfassung der Vorlesung versehen. Ob ich zusätzlich noch eine Intro-Grafik einführe, halte ich jedoch eher für unwahrscheinlich. Einige Beiträge habe ich rückwirkend nochmals überarbeitet.

Der Beitrag Abschlussbericht für das 5. Semester erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Belegungen

Da mir noch Creditpoints für die Wahlpflichtfächer gefehlt haben, habe ich dieses Semester noch Sicherheit und Netze sowie Routing belegt. Als zweites SuK-Fach habe ich Interkulturelle Psychologie belegt. Eigentlich wollte ich ein einfacheres SuK belegen, aber ich hatte mich von meiner Teampartnerin breitschlagen lassen, die dann kurz vor der gemeinsamen Präsentation abgesprungen ist.

Leistungsnachweise

Informatik und Gesellschaft

Dieses Fach wird von verschiedenen Professoren unterrichtet, aber dafür immer im Doppelpack. Unsere Gruppe wurde von den Professoren Andelfinger und Schmidt unterrichtet. Es soll den Zusammenhang von Informatik und Gesellschaft sowie der Bestimmung der positiven und negativen gesellschaftlichen Auswirkungen des Einsatzes von Informationstechnik vermitteln. Dafür präsentieren Gruppen ein Thema ihrer Wahl und fertigen ein Protokoll an, das als Prüfungsvorleistung angesehen wird. Für 2,5 Creditpoints scheint mir der Aufwand für dieses Fach etwas zu hoch auszufallen, aber dafür ist die Benotung am Ende sehr fair.

Interkulturelle Psychologie

Zu diesem Fach kann man nicht viel sagen. Die individuelle Note wurden anhand einer Präsentation festgemacht, die eine komplette Unterrichtseinheit füllen sollte. Die meisten Präsentationen waren jedoch vorgelesene Vorträge und haben auch entsprechend mittelmäßige bis schlechte Noten bekommen.

Routing

Dieses Fach ist das absolute Highlight dieses Semesters. Unter Professor Gärtner haben wir wahnsinnig viel gelernt und tolle Praktika absolviert. Die Unterrichtseinheiten waren genau richtig abgestimmt und haben das Lernen für die Klausur ziemlich einfach gemacht, das meiste war nämlich hängen geblieben. Zu der Klausur selbst kann ich nicht viel sagen, da ich mit hohem Fieber teilgenommen habe. Ich habe bis zur letzten Minute geschrieben und kann mich an nichts mehr erinnern. Dafür bin ich aber ziemlich zufrieden mit meiner Note.

Sicherheit und Netze

Neben Routing das wohl spannendste Fach mit einem überdimensionierten Themenbereich. Professor Wollenweber war so gnädig auf einige Foliensätze zu verzichten, damit man den ganzen Stoff überhaupt in der vorgesehenen Zeit lernen konnte. Die Vorlesung beginnt immer spät und geht zugleich noch 3 Stunden lang (18:00 bis 21:00 Uhr), was eine konstante Aufmerksamkeit offen gesagt erschwert. Die Klausur war umfangreich, aber fair. Für jeden Studenten, der sich für Sicherheit in Netzwerken interessiert, ist dieses Fach absolut empfehlenswert.

Verteilte Systeme

VS war für mich das wohl anstrengendste Fach im gesamten Semester. Die Praktika hatten es ganz klar in sich und ich habe ziemlich viel Zeit investieren müssen, um halbwegs gut funktionierende Lösungen abzuliefern. Die Klausur war in meinen Augen schwer, aber absolut fair und angemessen. Würde mir Programmieren mehr liegen, hätte ich vermutlich auch eine bessere Note bekommen. Wäre es kein Pflichtfach, hätte ich gerne darauf verzichtet. Ein Lob an dieser Stelle für Professor Burchard, der sich viel Mühe mit diesem Fach gibt.

Mitschriften

Ich habe dieses Semester konsequent und vollständig meine täglichen Mitschriften angefertigt. Die Zusammenfassungen für Sicherheit und Netze sowie Verteilte Systeme habe ich ebenfalls hochgeladen und in einen geschützten Bereich geschoben, um keine Copyright-Verstöße zu riskieren. Für Routing existiert eine Workd-Dokument mit meiner Zusammenfassung. Die saubere Konvertierung würde in meinen Augen zu viel Zeit in Anspruch nehmen.

Ziele

Ich strebe an die Abstracts meiner vorherigen Praxisprojekt endlich mal anzupassen und hier hochzuladen. Bisher hat mir dafür die Zeit und Lust gefehlt.

Der Beitrag Abschlussbericht für das 6. Semester erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Abstract

Firewalls sind essenzieller Bestandteil jeder IT-Infrastruktur. Sie überwachen anhand eines definierten Regelwerks den passierenden Datenverkehr und schützen vor unerwünschten Netzwerkzugriffen. Unternehmen ergänzen bei Bedarf dedizierte Sicherheitslösungen, um neuen Anforderungen gerecht zu werden und die Sicherheit des eigenen Netzwerks zu steigern. Ein alternativer Ansatz ist der Einsatz einer Next-Generation Firewall (NGFW), die mehrere Lösungen in einem einzigen System vereint.

Die vielseitigen Definitionen des NGFW-Funktionsumfangs und die vagen Abgrenzungen zum Unified Threat Management (UTM) führen dabei schnell zu Verwirrungen. Die Resultate dieses Projekts sollen künftige Auswahlprozesse beschleunigen und Entscheidungen für alle Beteiligten transparenter gestalten. Eine eigene Definition über die Merkmale einer NGFW, basierend auf den gesammelten Informationen aus Beratungsunternehmen, Fachzeitschriften und von Systemingenieuren, ermöglicht die klare Abgrenzung zu anderen Technologien. Fünf gut am Markt platzierte Anbieter und ihre Produkte werden für die Evaluation ausgewählt. Im Folgenden werden die NGFWs von Barracuda Networks, Check Point Software Technologies, Fortinet, Palo Alto Networks und Sophos in den Kategorien Bedienbarkeit sowie Anwendungs-, Benutzer- und Angriffserkennung getestet.

Die Tests zeigen, dass die Produkte in vielen Punkten, vor allem der Benutzererkennung, ähnlich gut abschneiden. Es gibt jedoch klare Unterschiede in der Bedienbarkeit und der Erkennung von Angriffen. Es wird klar, dass es zwischen Vermarktung und Realität eine spürbare Diskrepanz gibt. Die Kür eines Siegers wird im Rahmen des Projekts nicht vorgenommen. Jede NGFW hat gewisse Vor- und Nachteile, die je nach Kundenumgebung eine individuelle Auswahl mit sich ziehen. Diese qualitativen Merkmale sollen mit dieser Arbeit konkret hervorgehoben werden. Egal, für welches Produkt man sich schlussendlich entscheidet, der Zeitpunkt für einen Umstieg auf eine NGFW ist gekommen und bringt Unternehmen echte Mehrwerte.

Note

Auf die Ausarbeitung und das Kolloquium habe ich jeweils die Note 1.0 bekommen.

Der Beitrag Abschluss des dritten Praxisprojekts erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Sichere Electronic Mail

Architektur eines E-Mail Systems

Welche Risiken gibt es?

• Viele Transit-Systeme zwischen Sender und Empfänger
• Unverschlüsselte Nachrichten können gelesen werden

Welche Schutzziele sind betroffen?

• Vertraulichkeit – Ende-zu-Ende-Verschlüsselung
• Integrität – Digitale Signaturen und MAC
• Authentizität – Digitale Signaturen
• Unwiderrufbarkeit – Digitale Signaturen

Wie sieht die Infrastruktur aus?

• User Agent (UA)
• Message transfer agent (MTA)
• Message access agent (MAA)

Wie sind E-Mails aufgebaut?

• Header, Leerzeile und Body in 7-Bit ASCII-Format
• MIME als notwendige Erweiterung
• Keine Verfahren für Schutzziele (brauchte man nicht)

Multipurpose Internet Mail Extension (MIME)

Was bringt MIME?

• Nicht-ASCII-Daten in ASCII transformieren
• Binäre Attachments (PDF-Dateien übertragen)
• Mehrfache Bodies (Mehrere Bilder anzuhängen)
• Unterstützung von nicht-ASCII-Zeichen
• Stellt keine Sicherheitsdienste zur Verfügung

Wie sieht der MIME-Header aus?

• Typen und Subtypen (HTML, JPG, etc.)
• Formate (7 Bit, 8 Bit, etc.)
• Eindeutige Kennzeichnung der Nachricht

Pretty Good Privacy (PGP)

Welches Konzept liegt PGP zu Grunde?

• Vertraulichkeit durch Verschlüsselung mit Sitzungsschlüssel
• Sender erzeugt diesen Sitzungsschlüssel
• PGP nutzt nur bestehende Krypto-Algorithmen (ausreichend getestet)
• Präprozessor liefert signierten Chiffretext in base64-Darstellung
• Ergebnis wird als Mime-kompatibler E-Mail-Anhang versandt

Welche Verfahren nutzt PGP?

• Vertraulichkeit mit International Data Encryption Algorithm (IDEA)
• Datenintegrität mit MD5
• Sitzungsschlüssel mit RSA
• Authentisierung durch digitale Signatur
• Kompression der Daten

Was sind Schlüsselringe?

• Jeder Sender besitzt einen öffentlichen Ring für die öffentlichen Schlüssel alle Empfänger
• Jeder Sender besitzt einen privaten Ring für ihre privaten und öffentlichen Schlüsselpaare
• Der Sender kann seine Schlüssel beliebig wechseln
• Der Sender kann pro Gruppe ein eigenes Schlüsselpaar bestimmen

Worin unterscheiden sich X.509 und PGP?

Wie funktioniert PGP?

• Jeder kennt den öffentlichen Schlüssel des anderen
• PGP wendet die Hash-Funktion MD5 auf die Nachricht P an
• PGP verschlüsselt das Ergebnis mit dem privaten RSA-Schlüssel D_A
• Der verschlüsselte Hash und die ursprüngliche Nachricht werden komprimiert
• Dokument ist verschlüsselt und signiert
• Der Empfänger führt zur Entschlüsselung alle Schritte umgekehrt aus

Welchen Nachteil hat PGP?

• Kompromittierte Schlüssel sind schwierig zurückzurufen, da eine Infrastruktur ähnlich einer PKI nicht existiert

PGP-Zertifikate und Web of Trust

Was ist das Web of Trust?

Secure / Multipurpose Internet Mail Extension (S/MIME)

Welche Vorteile bieten PKIs in geschlossenen Gruppen?

• Standardisiertes Sicherheitsprotokoll
• Konzept zum Senden und Empfangen geschützter Daten im MIME-Format
• Leistet Authentikation, Nachrichtenintegrität, Unwiderrufbarkeit und Vertraulichkeit
• Erweitert die Content Types um mehrere Sicherheitsdienste

Welche Content Types bietet S/MIME?

• Signed-Data Content Type – Sichert die Integrität der Daten
• Enveloped-Data Content Type – Daten vertraulich übertragen

Angriffe in der Anwendungsschicht

Vielfalt der Angriffe auf die IT-Infrastruktur

Welche Schutzziele sind betroffen?

• Vertraulichkeit – Spionage
• Integrität – Manipulation von Daten
• Verfügbarkeit – Immer verfügbare Daten und Dienste
• Authentisierung – Unberechtigter Zugriff

Welche Probleme gibt es?

• Ein geteiltes Medium für Teilnehmer
• Unverschlüsselte verbindungslose Kommunikation
• Keine Paketüberwachung
• Heterogene Systeme
• Fehlende Authentikationsmechanismen
• Abhängigkeit von Routing und Namensdiensten

Domain Name Systems (DNS)

Was ist DNS?

• Umsetzung von IP-Adresse und URL
• Hierarchische Struktur
• Autoritative DNS-Server enthalten Originaldaten
• Nicht-autoritative DNS-Server enthalten Kopien (Schwachstelle)
• Clients fragen meist bei Nicht-autoritativen Servern an

Wie sieht das Nachrichtenformat aus?

• Gleicher Aufbau für Query und Reply
• Identifizierung über Flags und ID

Missbrauch des DNS für eine Man-in-the-Middle-Attack

Was ist das prinzipielle Verfahren?

• Trudy platziert ihre IP-Adresse bei Bobs DNS-Eintrag
• Alle Anfragen von Alice landen deshalb bei Trudy
• Trudy leitet nach dem Auslesen bzw. Manipulieren die Daten zu Bob weiter

Wie muss sich der Angreifer vorbereiten?

• Trudy richtet sich eine eigene Domain ein
• Trudy benötigt eigene DNS-Server und Webserver
• Alices DNS-Server hat keinen Eintrag (mehr) für Bobs-Adresse
• Trudy kennt die öffentliche IP-Adresse von Alices DNS-Server
• Trudy muss schnell sein

Wie funktioniert es?

1. Um die Sequenznummer zu erfahren, fragt sie einen eigenen DNS-Eintrag an
2. Aus ihrem DNS-Server entnimmt sie dann den ungefähr aktuellen Wert
3. Trudy fragt nach dem DNS-Eintrag für Bobs Homepage
4. Alices DNS-Server fragt beim Top-level Server an
5. Trudy blockiert (flooded) den Top-level Server
6. Trudy liefert die falsche Adresse zu Alices DNS-Server
7. Da UDP genutzt wird, erkennt dieser nicht den Angriff
8. Die verzögerte Antwort des Top-level Servers wird verworfen

Welche Schwachstellen werden dabei ausgenutzt?

• Keine Authentisierung über die Absender-IP-Adresse möglich
• Umleitung durch ARP-Spoofing oder Manipulation der Routing-Information
• Daten können unterwegs manipuliert werden
• An nicht-autoritative Server können gefälschte Informationen gesandt werden

DNS um Sicherheitsdienste erweitern (DNSSEC)

Was ist DNSSEC?

• Schutz vor cache poisoning
• DNSSEC wird von allen Root-Servern benutzt
• Authentisierung durch digitale Signatur der Resource Records
• Eigene Zertifikate für jeden DNS-Server wären zu teuer
• Autonome Vertrauenshierarchie mit selbstsignierten Schlüsseln
• Records werden zu RRsets gruppiert und signiert

Welche Dienste stellt DNSSEC bereit?

• Nachweis der Herkunft der Daten (Datenursprungsauthentifizierung)
• Sicherung der Datenintegrität
• Beweis nicht-existierender Namen

Welche Schlüssel gibt es?

• Key Signing Keys (KSK) für die Zonen – Mehr Sicherheit durch Länge
• Zone Signing Keys (ZSK) für Resource Records – Weniger Ressourcen
• ZSK werden nach einem Zeitintervall ersetzt
• ZSK werden durch jeweiligen KSK signiert
• KSK werden vom höheren KSK signiert

Der Beitrag Sicherheit und Netze (Teil 5) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Verteilen kryptografischer Schlüssel

Ein Schlüsselaustauschprotokoll wird in der Kryptografie verwendet, um zwei oder mehreren Kommunikationspartnern einen gemeinsamen, geheimen Schlüssel zugänglich zu machen. Dies kann geschehen, indem jemand einen Schlüssel an alle beteiligten Partner überträgt oder indem während der Durchführung des Protokolls ein neuer Schlüssel erzeugt wird.

Anforderungen an Verteilkonzepte hängen vom Schlüsseltyp ab

Welche Ziele werden verfolgt?

• Authentisierung und Schlüsselverteilung

Welche Schlüsseltypen gibt es?

Verteilung durch ein Key Distribution Center (KDC)

Wie funktioniert ein KDC?

• Vertrauenswürdiger Dritter wie die zentrale Autorität bei Signaturen
• Der KDC authentisiert Teilnehmer und verteilt Sitzungsschlüssel
• Jeder Teilnehmer vereinbart genau einen gemeinsamen symmetrischen Schlüssel mit dem KDC
• Durch die geheimen Schlüssel authentisieren sich die Teilnehmer beim KDC

Wie ist der grundlegende Ablauf?

• Alice schickt eine Anfrage zum KDC um den temporären Sitzungsschlüssel Alice-Bob zu bekommen
• Das KDC informiert Bob über die Anfrage
• Falls Bob zustimmt, wird der Session Key für beide erzeugt
• Ein sicheres Protokoll wird benutzt, um Alice und Bob den Schlüssel vertraulich zu übersenden

Wie sind Hierarchien aus KDCs aufgebaut?

• Lokale, nationale und internationale KDCs
• Anfragen werden an die lokale KDC gestellt
• Die KDCs „routen“ dann die Anfragen zum lokalen KDC des Empfängers weiter

Einfaches KDC-Protokoll

Welche Eigenschaften besitzt ein KDC-Protokoll?

• Implizite Authentisierung durch Kenntnisse der geheimen Schlüssel
• Anfällig für Replay-Angriffe, wenn keine Zeitstempel oder Nonces genutzt werden
• Nachrichten werden bei abgelaufenem Gültigkeitszeitraum verworfen
• Nonces werden zur temporären Identifizierung genutzt

Wie funktioniert ein einfaches KDC-Protokoll?

• Alice wählt einen Sitzungsschlüssel für Bob, verschlüsselt die Nachricht und informiert das KDC
• Der KDC entschlüsselt die Nachricht, entnimmt Bobs Identität und den Key K_S
• Der KDC schickt eine verschlüsselte Nachricht mit Alices Identität und dem Sitzungsschlüssel zu Bob

Wie greift man das einfache KDC-Protokoll an?

• Angreifer speichert Nachricht 3 und wiederholt diese zu einem späteren Zeitpunkt
• Angreifer muss dafür den Sitzungsschlüssel geknackt haben
• Funktioniert nur wenn der Sitzungsschlüssel unbegrenzt gültig ist
• Durch den Sitzungsschlüssel ist er automatisch authentisiert
• Mehr unter Replay-Angriffe

Needham-Schroeder Protokoll

Wie funktioniert es?

1. Alice kontaktiert unverschlüsselt den KDC (Bob und die Nonce: R_A)
2. KDC sendet das Ticket und die Daten verschlüsselt zurück zu Alice
3. Alice sendet das verschlüsselte Ticket und eine verschlüsselte zweite Nonce R_A2 an Bob
4. Bob berechnet R_A2-1 und verschlüsselt diesen mit dem Sitzungsschlüssel (Beweis des Besitzes von K_S)
5. Alice beweist nun ihrerseits den Besitz von K_S indem sie R_B-1 verschlüsselt sendet

Wie greift man das Needham-Schroeder Protokoll an?

• Replay-Angriffe werden durch Nonces und Challenge-Response-Verfahren abgewehrt
• Wenn ein Angreifer den Sitzungsschlüssel knackt, kann er Nachricht 3 wiederholen und sich als Alice ausgeben
• Mehr unter Replay-Angriffe

Kerberos

Wie ist Kerberos aufgebaut?

• Kerberos verwendet eine Variante des Needham-Schroeder-Protokolls
• Gewährt sicheren Zugriff auf Ressourcen im Netz
• Gute Synchronisation der Uhren wird vorausgesetzt
• Ticket-Granting-Server können Tickets füreinander ausstellen
• Authentication Server (AS) – Verifiziert Benutzer beim Login (wie ein KDC)
• Ticket-Granting Server (TGS) – Vergibt Identifikationstickets (User ist TGS authentisiert)
• Dienstleister – Verrichtet die von Alice gewünschte Arbeit
• Authentisierte Anwender fangen bei Schritt 3 wieder an
• Gewährte Rechte werden von den Dienstleistern bestimmt

Wie funktioniert es?

1. Alice gibt ihren Namen im Klartext an einer öffentlichen Workstation ein
2. AS liefert Session Key und Ticket TGS, beides mit KA verschlüsselt
3. Alice fragt Ticket für Bob an (t verhindert Replay-Angriffe)
4. TGS liefert den Sitzungsschlüssel Alice-Bob für Beide
5. Alice sendet den K_B()-Teil an Bob, um die Sitzung zu starten (t verhindert Replay-Angriffe)
6. Der Zeitstempel t+1 beweist, dass sie nun mit Bob redet

Verteilung ohne zentrale Instanz

Wie funktioniert es?

• Austausch symmetrischer Schlüssel über asymmetrisches Verfahren
• Verteilte Algorithmen wie Diffie-Hellman und SSL

Geheime Schlüssel vereinbaren nach Diffie-Hellman

Wie funktioniert Diffie-Hellman?

Wie greift man Diffie-Hellman an?

• Schlüssel knacken, wenn zu kleine a und b gewählt werden
• Man-in-the-middle, wenn die Nachrichten nicht signiert werden

Verteilung öffentlicher Schlüssel mittels Trusted Center

Was ist das Trusted Center?

• Öffentliche Schlüssel brauchen vertrauenswürdige Quellen und sichere Zustellung
• Das Trusted Center ist eine vertrauenswürdige öffentliche Stelle
• Verteilt öffentliche Schlüssel und die Namen der Besitzer
• Bei einer Registrierung wird Identität des Besitzers geprüft
• Das Trusted Center funktioniert wie eine CA
• Es ist ein single-point-of-failure und Flaschenhals

Certification authority (CA)

Was ist eine Zertifizierungsstelle?

• CAs sind hierarchisch aufgebaut
• Sie stellt Zertifikate aus
• In einem Zertifikat stehen die Identität und der öffentliche Schlüssel
• Das Zertifikat wird mit der Signatur der CA signiert
• Mehr unter Public Key Infrastructure

Public-Key-Infrastruktur (PKI)

Mit Public-Key-Infrastruktur bezeichnet man in der Kryptologie ein System, das digitale Zertifikate ausstellen, verteilen und prüfen kann. Die innerhalb einer PKI ausgestellten Zertifikate werden zur Absicherung rechnergestützter Kommunikation verwendet.

Zertifikate

Was sind Zertifikate?

• Werden nach Standard X.509 erzeugt
• Die digitale Signatur wird aus dem Hash des Zertifikats erzeugt
• Verbinden öffentlichen Schlüssel und die digitale Signatur
• Enthalten nützliche Benutzerattribute
• Enthalten Verweis auf eine Certificate Revocation List
• Gespeichert in den Dateiformaten DER und PEM

Wofür braucht man Zertifikate?

• Bereitstellung des öffentlichen Schlüssels
• Altersnachweis des Besitzers
• Einräumen von Rechten nach Authentisierung
• Nachweis des privaten Schlüssels über Challenge-Response

Was sind Schlüsselspeicher?

• Gemeinsame Ablage von Zertifikat und privatem Schlüssel
• Werden mit eigenem Passwort geschützt
• Ermöglicht den Transfer zu anderen Systemen
• Werden im PKCS#12-Format gespeichert

Welche Formate für Zertifikate gibt es?

• Distinguished Encoding Rules (DER) – Binäres Format für Zertifikate
• Privacy Enhanced Mail (PEM ) – Base64 verschlüsseltes Format für Zertifikate
• PKCS#7 – Basis für S/MIME zum Signieren und / oder Verschlüsseln von Nachrichten
• PKCS#8 – Format für verschlüsselte oder unverschlüsselte private Schlüssel
• PKCS#10 – Format der Nachrichten um die Zertifizierung eines Schlüsselpaares anzufordern (Certification Request Standard)
• PKCS#12 – Dateiformat, um private Schlüssel mit dem zugehörigen Zertifikat passwortgeschützt zu speichern (Personal Information Exchange Syntax Standard)

Aufbau einer Public Key Infrastructure

Welche Aufgaben hat eine PKI?

• Ausgabe, Erneuerung und Rückruf von Zertifikaten
• Stamm- und Benutzerzertifikat erstellen
• Schlüsselspeicherung und -aktualisierung
• Bereitstellung von Diensten für Protokolle
• Unterstützung von Zugangskontrollen
• Komponenten organisieren
• Standards für Dokumente und Protokolle definieren
• Benutzerzertifikate installieren und Anwendungen konfigurieren

Welche Komponenten hat eine PKI?

• Benutzer
• Zertifizierungsstellen (Certification Agency / Authority)
• Zertifikate
• (Öffentliche) Verzeichnissen

Wie funktioniert die Hierarchie?

• Die am höchsten stehende (Root-)CA zertifiziert untergeordnete CAs
• Sub-CAs, auch Regional Authorities (RA), überdecken eine geographische Region
• Sub-CAs stellen X.509 Zertifikate an Organisationen und Personen aus
• Die Root-CA stellt sich ein selbst signiertes, selbst ausgestelltes Zertifikat (mit privaten Schlüssel) aus
• Dieses Zertifikat ist der Trust Anchor (Vertrauensanker)
• Eine CA stellt einer Sub-CA das Zertifikat aus
• Dafür übermittelt die Sub-CA ihren öffentlichen Schlüssel in einem Certificate Request

Verifikation von Zertifikaten und Zertifizierungsstellen

Variante 1

• Alice benötigt Bobs öffentlichen Schlüssel
• Bob stellt das von CA5 signierte Zertifikat bereit
• Alice kennt CA5 nicht und benötigt deren Legitimierung
• CA5 stellt das von RA2 signierte Zertifikat bereit
• Alice prüft Bobs Zertifikat mit dem öffentlichen Schlüssel von CA5
• Alice kennt RA2 nicht und benötigt deren Legitimierung
• RA2 stellt das von Root-CA signierte Zertifikat bereit
• Alice prüft das Zertifikat von CA5 mit dem öffentlichen Schlüssel von RA2
• Alice vertraut der Root-CA und prüft das Zertifikat von RA2 deren öffentlichen Schlüssel
• Jetzt kann Alice sicher sein, dass sie über Bobs öffentlichen Schlüssel verfügt

Variante 2

• Bob stellt die Zertifikate von CA5 und RA2 und sich bereit
• Alice arbeitet sich von der Root-CA bis zu Bobs Zertifikat herunter

Verwalten von Zertifikaten in Anwendungen

Wie werden Zertifikate verwaltet?

• Zertifikate von Benutzern und von Zertifizierungsstellen werden in Anwendungen getrennt verwaltet
• Stammzertifikate werden bei der Installation als vertrauenswürdig gekennzeichnet
• Mit Stammzertifikaten werden die Integrität und Authentizität von Benutzerzertifikaten überprüft
• Liegt ein Stammzertifikat im Speicher vor, werden empfangene Benutzerzertifikat automatisch verifiziert
• Zur Überprüfung von Benutzerzertifikaten muss die Zertifikatskette bis zum Root-Zertifikat vorhanden sein

Angriffsszenarien

Szenario: Gefälschtes Zertifikat

• Trudy manipuliert Bobs Homepage und ersetzt das Zertifikat
• Alice holt sich das Zertifikat
• Beim Validieren sieht sie, dass Bobs Name nicht im Zertifikat enthalten ist

Szenario: Gefälschter Schlüssel

• Trudy manipuliert Bobs Homepage und ersetzt den öffentlichen Schlüssel
• Alice holt sich das Zertifikat
• Alice hasht das Zertifikat
• Der Hash passt nicht zur Signatur

Rückruf ungültiger Zertifikate

Wieso sollte man Zertifikate zurückrufen?

• Missbräuchliche Nutzung durch Benutzer oder Aussteller
• Privater Schlüssel wurde öffentlich
• Private Schlüssel der Zertifizierungsstelle wurde bekannt

Wie ruft man Zertifikate zurück?

• Im Zertifikat ist eine Certificate Revocation List (CRL) angegeben
• Die CRL enthält die Nummern aller widerrufenen Zertifikate
• In der CRL stehen nur Zertifikate, die noch nicht abgelaufen sind
• Um den Abruf der Liste muss sich jeder Benutzer selbst kümmern

Cross-Zertifikate

Was sind Cross-Zertifikate?

• Zwischen allen Root-CAs gibt es eine durch Zertifikate formalisierte Vertrauensbeziehung
• Jede Root-CA besitzt ihre eigene hierarchische Struktur
• Zertifikate zwischen den Root-CAs sind sogenannte Cross-Zertifikate
• Man braucht also n*(n-1) Zertifikate (Hier 12 Stück)

PKI für eine geschlossene Benutzergruppe

Welche Vorteile bieten PKIs in geschlossenen Gruppen?

• Eine eigene Root-CA, die Zertifikate erstellt und signiert
• In das Zertifikat der CA wird der Verwendungszweck „CA“ eingetragen
• Durch ein installiertes Stammzertifikat werden alle davon ausgestellten Benutzerzertifikate vertrauenswürdig
• Ansonsten ist es eine ganz normale PKI

Der Beitrag Sicherheit und Netze (Teil 4) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

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?

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

Was ist der Nested MAC?

1. Das Dokument wird in Blöcke der Größe b unterteilt
2. Dem geheimen Schlüssel wird mit führenden 0-Bits auf Länge b gebracht
3. Das Ergebnis von Schritt 2 wird per XOR mit der Konstanten ipad verknüpft
4. Der resultierende Block wird der Nachricht vorangestellt
5. Das Ergebnis von Schritt 4 wird gehasht, um einen n-bit Digest zu bilden (intermediate HMAC)
6. Der intermediäre HMAC wird mit führenden 0-Bits auf Länge b gebracht
7. Die Schritte 2 und 3 werden mit der Konstante opad wiederholt
8. Das Ergebnis von Schritt 7 wird vor den Block aus Schritt 6 gesetzt
9. 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?

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?

1. Alice will signierte Nachricht K_A(B, R_A, t, P) an Bob schicken
2. Big Brother entpackt diese Nachricht bei Empfang
3. Big Brother erzeugt eine Signatur K_BB(A, t, P)
4. Big Brother schickt die Nachricht K_B(A, R_A, t, P, K_BB(A, t, P)) an Bob
5. Bob entpackt die Nachricht und vertraut dem Inhalt
6. 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?

1. Alice wendet ihren privaten Schlüssel an
2. Alice wendet Bobs öffentlichen Schlüssel an
3. Alice sendet die Nachricht ab
4. Bob wendet seinen privaten Schlüssel an
5. Bob wendet Alices öffentlichen Schlüssel an
6. 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

Wie funktioniert es?

1. Aus dem Dokument wird ein Message Digest erzeugt (Hashfunktion)
2. Statt des Dokuments wird der Digest mit dem privaten Schlüssel signiert
3. Alice schickt P und D_A(MD(P)) zu Bob
4. Bob entpackt MD(P) mittels E_A(MD(P))
5. Bob berechnet aus MD(P) und vergleicht diesen

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Chiffren

Als Geheimtext (auch Chiffrat, Chiffre, Chiffretext, Ciphertext, Kryptogramm, Kryptotext oder Schlüsseltext) wird in der Kryptographie der Text genannt, der durch Verschlüsselung mit Hilfe eines kryptographischen Verfahrens und unter Verwendung eines Schlüssels derart verändert wurde, dass es nicht mehr möglich ist, dessen Inhalt zu verstehen.

Kryptoanalyse

Wofür ist die Kryptoanalyse gut?

• Entschlüsseln geheimer Nachrichten
• Verwundbarkeit eines bestehenden Kryptosystems aufzuzeigen

Grundlagen

Wofür stehen diese Namen?

• Alice – Sender
• Bob – Empfänger
• Eve – Eavesdropper bzw. Zuhörer
• Trudy – Intruder bzw. Eindringling

Welche Regeln gelten für Chiffren?

• Das Alphabet ist der gesamte zur Verfügung stehende Zeichenvorrat
• Der Klartext wird mit kleinen Buchstaben dargestellt (a-z)
• Der Geheimtext wird mit großen Buchstaben dargestellt (A-Z)
• Buchstaben werden auch als Zahlen dargestellt (0-25 oder 1-26)

Welche Notationen gibt es?

• Klartext P (plaintext)
• Verschlüsselungsalgorithmus E (encryption)
• Entschlüsselungsalgorithmus D (decryption)
• Geheimer Schlüssel k (secret key)
• Geheimtext C (ciphertext)
• X – Xs Identität
• R_X – Zufallswert von X
• K_X – Schlüssel von X
• Zeitstempel t (timestamp)

Wie sind Chiffren aufgebaut?

• Eine Kombination aus Substitutions- und Transpositionschiffren

Garantieren Chiffren die Integrität von Daten?

• Nein, ein Angreifer kann auch ohne den Schlüssel Bytes ersetzen und mit zufälligen Daten füllen
• Das Nachrichtenformat ist dem Angreifer womöglich bekannt
• Diese neuen Nachrichten müssen aber keinen Sinn ergeben (Artikel-Menge = ABC)
• Er kennt zwar nicht den Inhalt, aber kann dennoch Schaden verursachen

Kerckhoffs Prinzip

Welche Anforderungen gelten an Algorithmen?

• Algorithmen, deren Stärke nur von deren Geheimhaltung abhängt, sind mangelhaft
• Algorithmen sollten deshalb öffentlich sein
• Die Widerstandsfähigkeit muss allein von dem geheimen Schlüssel abhängen
• Das Erraten des Schlüssels darf in keinem vernünftigen Zeitraum möglich sein
• Die Länge des Schlüssels muss ein wesentlicher Faktor sein (exponentielles Wachstum pro Bit)

Transpositionschiffren

Was sind Transpositionschiffren?

• Verschlüsselungsverfahren bei dem die Position der Symbole im Klartext vertauscht wird
• MAX transponiert zu folgenden Geheimtexten → MAX, MXA, XAM, XMA, AMX und AXM
• Sender und Empfänger einigen sich auf eine Blockgröße und Padding-Verfahren
• Zeilenweise Einlesen und spaltenweise Auslesen (oder umgekehrt)

Wie funktionieren Transpositionschiffren ohne Schlüssel?

• wie geht es dir nils → WDIIERGNEIHLTSEASB

Wie funktionieren Transpositionschiffren mit Schlüssel?

• Die Länge und Zeichen des Schlüssels entsprechen den Spalten im Block
• hallo denise → DXLSANHEILOE mit dem Schlüssel 6|4|2|1|3|5

Substitutionschiffren

Was sind Substitutionschiffren?

• Verschlüsselungsverfahren bei dem Symbole des Klartexts durch andere Symbole ersetzt werden
• Sie verwenden mono- oder polyalphabetische Chiffren

Monoalphabetischen Chiffren

Was sind monoalphabetischen Chiffren?

• Einfache Substitutionschiffren mit statischer Zuordnung
• Verwundbar gegen statistische Angriffe (Wegen dem Monoalphabetismus)
• Verwundbar gegen ciphertext-only Attacken (Wegen dem kleinen Schlüsselraum)
• Additive Chiffren
• Multiplikative Chiffren
• Affine Chiffren

Was sind additive Chiffren?

• Die Caesar-Chiffre ist ein typischer Vertreter
• Zeichen verschieben sich um einen konstanten Wert (A → B, … , Z → A)
• Bei n Zeichen im Alphabet gibt es n Schlüssel (Aber nur n-1 sinnvolle Geheimtexte)
• Bei 26 Zeichen im Alphabet gibt es 26 Schlüssel
• Sobald ein Zeichen entschlüsselt wurde, ist die Chiffre gebrochen
• C = (P + k) mod n
• P = (C – k) mod n

Was sind multiplikative Chiffren?

• Die Zeichen des Alphabets werden durch Zahlen ersetzt
• Symbole des Klartexts P werden mit dem Schlüssel multipliziert
• Die Anzahl der Schlüssel ist geringer als bei additiven Chiffren
• Bei 26 Zeichen gibt es 12 Schlüssel (nur teilerfremde Zahlen zum Alphabet)
• Sobald ein Zeichen entschlüsselt wurden, ist die Chiffre gebrochen
• C = (P * k) mod n
• P = (C * k) mod n

Was sind affine Chiffren?

• Kombination aus additiven und multiplikativen Chiffren
• Man Benötigt zwei Schlüssel
• Es gibt bei 26 Zeichen 312 Schlüsselkombinationen (= 12 * 26)
• Sobald zwei Zeichen entschlüsselt wurden, ist die Chiffre gebrochen
• C = (P * k₁ + k₂) mod n
• P = (C * k₁ + k₂) mod n

Polyalphabetische Chiffren

Was sind polyalphabetische Chiffren?

• Komplexere Substitutionschiffre zur Abwehr von statistischen Angriffen mit flexiblen Zuordnungen
• Der Schlüssel wird durch einen Schlüsselstrom ersetzt
• Dadurch hängt die Substitution von den Positionen des Klartexts und des Schlüsselstroms ab
• C_i = (P_i + K_i) mod n
• P_i = (C_i – K_i) mod n

Was ist die Autokey Cipher?

• Eine einfache polyalphabetische Chiffre
• Ein zufälliges Startsymbol und der Klartext bilden den Schlüsselstrom
• C_i = (P_i + P_i+1) mod n
• P_i = (C_i – K_i+1) mod n

Symmetrische Verschlüsselung

Was ist symmetrische Verschlüsselung?

• Sender und Empfänger verwenden den gleichen Schlüssel
• Der Schlüssel muss über einen sicheren Kanal ausgetauscht werden
• Ent- und Verschlüsselung sind mathematische Funktionen
• Jede Funktion verwendet einen Text und Schlüssel als Parameter
• Es gilt P=D_K(E_K(P))

Wie lang muss der symmetrische Schlüssel sein?

• 64 Bit
• 128 Bit

Wie läuft die symmetrische Verschlüsselung ab?

1. Schlüsselaustausch über einen sicheren Kanal
2. Verschlüsseln: C=E_K(P)
3. Kommunikation über einen unsicheren Kanal
4. Entschlüsseln: P=D_K(C)

Betriebsmodus

Ein Betriebsmodus oder eine Betriebsart ist ein Verfahren, das beschreibt, wie mit einer Blockchiffre Nachrichten verschlüsselt werden. Erst die Kombination von Blockchiffre und Betriebsmodus erlaubt es, Nachrichten zu verschlüsseln, die länger sind als die Blocklänge. Üblicherweise wird dazu die Nachricht in mehrere Blöcke aufgeteilt und durch Padding auf eine passende Länge gebracht. Ein Initialisierungsvektor (IV) kann das Verfahren zusätzlich unabhängig vom verwendeten Schlüssel randomisieren.

Grundlagen

Was sind Blockchiffren?

• Deterministisches Verschlüsselungsverfahren
• Ein Klartext fester Länge wird auf ein Chiffrat fester Länge abgebildet
• Die genaue Transformation wird dabei durch einen Schlüssel bestimmt
• Die Verarbeitung der Eingabe erfolgt in mehreren gleich aufgebauten Runden

Was sind die Nachteile von Blockchiffren?

• Symmetrische Schlüssel erfordern einen sicheren Kanal zum Austausch
• Alle Blockchiffren stellen monoalphabetische Verschlüsselungen her
• Blöcke mit gleichem Klartext liefern jeweils den gleichen verschlüsselten Text (Mustererkennung)

Was sind die Ziele von Betriebsmodi?

• Verschlüsselung von Texten, die länger als 1 Block sind
• Blockchiffren als Stromchiffren für Echtzeitanwendung verwenden
• Wahlfreie Entschlüsselung von Ciphertexten
• Erzeugung polyalphabetischer Chiffren mittels verketteter Blöcke (und IV)
• Verkettete Blöcke sollen veränderte Datenblöcke beim Entschlüsseln unbrauchbar machen

Vergleich der Betriebsmodi

Wo liegen die Unterschiede?

Electronic Code Book Mode (ECB)

Wie funktioniert der ECB?

• Der Aufbau gleicht der normalen Blockchiffre
• Ein Text wird einfach in Blockgröße unterteilt und eingespeist
• Jeder Block wird mit dem gleichen Schlüssel verschlüsselt

Wie greift man den ECB an?

• Er ist monoalphabetisch (siehe Chiffrierung)
• Ein Angreifer kann die Reihenfolge chiffrierter Blöcke unbemerkt verändern
• Einfügen neuer Blöcke einfügen und Vertauschung möglich (Leslies Attacke)

Cipher Block Chaining Mode (CBC)

Wie funktioniert der CBC?

• Die Verkettung von Blöcken erzeugt eine polyalphabetische Chiffre
• Gleiche Klartextblöcke liefern verschiedene Geheimtextblöcke
• Der erste Klartextblock wird mit einem IV über XOR verknüpft
• Die folgenden Blöcke werden mit den vorherigen Chiffraten verknüpft
• Der IV unterliegt nicht der Geheimhaltung (Versenden über unsicheren Kanal)
• Ein Fehler im IV beeinflusst alle Blöcke, aber beeinträchtigt nur den ersten Klartextblock
• Ein Fehler im CT beeinflusst den Klartext und ein Bit im nächsten Block

Cipher Feedback Mode (CFB)

Wie funktioniert der CFB?

• Der IV wird in ein Schieberegister eingelesen
• Das Schieberegister wird mit k verschlüsselt
• Der verschlüsselte Strom wird mit dem Klartext über XOR verknüpft
• Das linke Byte der Chiffre wird rechts in das Register geschoben
• Jedes Byte der verschlüsselten Nachricht ist von allen Vorgängern abhängig (Keine Muster erkennbar)
• Ein Bitfehler betrifft so viele Bits, wie das Schieberegister umfasst
• Bitfehler korrigieren sich also nach dem Verlassen aus dem Schieberegister

Output Feedback Mode (OFB)

Wie funktioniert der OFB?

• Der IV wird in ein Schieberegister eingelesen
• Das Schieberegister wird mit k verschlüsselt
• Das linke Byte des verschlüsselten Stroms wird rechts in das Register geschoben
• Dadurch lässt sich eine willkürlich lange Sequenz von Schlüsseln erzeugen
• Der Schlüsselstrom hat hier also eine Funktion wie beim One-time-pad
• Der Schlüsselstrom kann komplett im Voraus berechnet werden (Performance)
• OFB ist gleichzeitig weniger anfällig für Übertragungsfehler wie der CFB

Wie greift man den OFB an?

• Mit einem Keystream Reuse Angriff

Counter Mode (CTR)

Wie funktioniert der CTR?

• Der CTR erlaubt wahlfreien Zugriff auf verschlüsselte Blöcke
• Der Schlüsselstrom kann wie beim OFB im Voraus berechnet werden (Performance)
• Der Initialisierungsvektor wird mit einer konstanten Größe addiert und verschlüsselt
• Der Schlüsselstrom wird mittels XOR mit dem Klartext verknüpft

Wie greift man den CTR an?

• Mit einem Keystream Reuse Angriff

Was ist der AES Counter Mode?

• Betriebsmodus in WPA2 (WLAN)
• Verwendet AES als Blockchiffre mit 128 Bit

Der Beitrag Sicherheit und Netze (Teil 2) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.