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.

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

Der Beitrag Sicherheit und Netze (Teil 3) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

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.

Schutzziele

Zur Beantwortung der Frage, was zu schützen ist, werden in der IT-Sicherheit Schutzziele definiert. Im Wesentlichen sind dies die drei Schutzziele Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit.

Vertraulichkeit

Was ist Vertraulichkeit?

• Vertraulichkeit sorgt dafür, dass Daten nur von Berechtigen gelesen werden können

Wie wird Vertraulichkeit gewährleistet?

• Daten werden mit Hilfe von Chiffren verschlüsselt

Integrität

Was ist Integrität?

• Integrität sorgt dafür, dass Daten vollständig und unverfälscht beim Empfänger ankommen
• Zu diesen Daten zählen auch Informationen wie Autor, Erstelldatum und Änderungsdatum
• Ein Verlust der Integrität kann bedeuten, dass ein falscher Absender eingetragen wird

Wie wird Integrität gewährleistet?

• Informationen werden redundant in einer Nachricht untergebracht
• Nachrichten werden mehrmals gesendet
• Fingerprint, Message Digest und Hashwert
• Modification Detection Code (MDC)
• Message Authentication Code (MAC)
• Digitale Signaturen
• Reservierte Bereiche in Nachrichten, um Manipulationen zu entdecken

Warum garantiert Verschlüsselung keine Integrität?

• Verschlüsselte Nachrichten können trotzdem manipuliert werden
• Verschlüsselte Nachrichten können mehrmals gesendet werden (Replay-Angriff)

Authentizität

Was ist Authentizität?

• Authentizität sorgt dafür, dass Daten einem Sender zugeordnet werden können
• Es gilt Integrität → Authentizität

Wie wird Authentizität gewährleistet?

• Integrität sichert, dass die Authentisierungsinformationen unverändert sind
• Der Nachweis eines gemeinsamen oder privaten Schlüssels wird benötigt
• Message Authentication Code (MAC)
• Digitale Signaturen

Unwiderrufbarkeit

Was ist Unwiderrufbarkeit?

• Die Urheberschaft eines Dokuments kann gegenüber Dritten bewiesen werden
• Es gilt Integrität → Authentizität → Unwiderrufbarkeit

Worin unterscheiden sich Unwiderrufbarkeit und Authentizität?

• Bei Authentizität gibt es einen gemeinsamen Schlüssel
• Dadurch kann es aber zwei Urheber geben
• Deswegen wird hier mit dem privatem und öffentlichen Schlüssel gearbeitet

Angriffe

Angriffe sind unerlaubte und nichtautorisierte Aktivitäten zum Schaden von Ressourcen, Dateien und Programmen, oder wie beim Social Engineering zur unberechtigten Informationsbeschaffung. Bei den Angriffen unterscheidet man zwischen passiven und aktiven Angriffen.

Welche Angriffe gibt es?

Replay-Angriffe

Was sind Replay-Angriffe?

• Angriffsform auf die Authentizität von Daten
• Nachrichten werden abgefangen und mehrmals zugestellt
• So können Überweisungen mehrmals getätigt werden
• Duplikate können mit eindeutigen Kennungen oder Gültigkeitszeiträumen gefiltert werden

Kryptoanalytische Angriffe

Welche kryptoanalytischen Angriffe gibt es?

• Known Ciphertext (Geheimtextangriff)
• Known Plaintext (Klartextangriff)
• Chosen Plaintext (Angriff mit ausgewähltem Klartext)
• Chosen Ciphertext (Angriff mit ausgewähltem Geheimtext)

Was sind Known Ciphertext Angriffe?

• Angreifer besitzt einige Geheimtexte
• Er probiert alle Schlüssel mittels Brute-Force-Methode durch
• Dieses Szenario ist die Mindestanforderung für jede Chiffrierung

Was sind Known Plaintext Angriffe?

• Angreifer besitzt zusammengehörende Klartexte und Geheimtexte
• Mit diesen Paaren kann er versuchen den Schlüssel abzuleiten

Was sind Chosen Plaintext Angriffe?

• Angreifer besitzt Zugang zum System des Senders
• Er kann sich selbst Geheimtexte aus beliebigen Klartexten erzeugen
• Er benötigt dafür nicht selbst den Schlüssel (In der Anwendung integriert)
• Mit diesen Paaren kann er versuchen den Schlüssel abzuleiten
• Sehr gefährliches Angriffsszenario!

Was sind Chosen Ciphertext Angriffe?

• Angreifer besitzt Zugang zum System des Empfängers
• Er kann sich selbst Klartexte aus abgefangenen Geheimtexten entschlüsseln
• Er benötigt dafür keinen Schlüssel
• Mit diesen Paaren kann er versuchen den Schlüssel abzuleiten
• Sehr gefährliches Angriffsszenario!

Statistische Angriffe

Was sind statistische Angriffe?

• Effektiv gegen monoalphabetische Chiffren
• Basieren auf der Bekanntheit von Häufigkeiten von Zeichen in einer Sprache
• Der häufigste Buchstabe im Deutschen ist das „e“
• Um sie zu vermeiden wird eine polyalphabetische Chiffre benötigt

Leslies Attacke

Was ist Leslies Attacke?

• Attacke auf Electronic Code Book-Betriebsmodus
• Leslie hat Zugriff auf die verschlüsselte Datei mit Gehaltsboni
• Sie kennt den Aufbau und das Format der unverschlüsselten Datei (aber nicht den Inhalt)
• Sie kopiert den 12ten Block der verschlüsselten Datei und ersetzt damit den 4ten Block
• Um Leslies Attacke zu vereiteln wird die Verkettung von Blöcken benötigt

Keystream Reuse Attack

Was sind Keystream Reuse Attacken?

• Die gleichen Paare aus Schlüssel und Initialisierungsvektor werden mehrmals verwendet
• Dadurch erzeugen sie den gleichen Schlüsselstrom
• Wenn C₁ = P₁ XOR k und C₂ = P₂ XOR k, dann gilt C₁ XOR C₂ = P₁ XOR P₂
• Das XOR von zwei Geheimtexten eliminiert den Schlüssel
• Aus dem kombiniertes Ergebnis muss nur ein Klartext erraten werden

Man-in-the-Middle-Angriff

Was sind Man-in-the-Middle-Angriffe?

• Angreifer hat Zugriff auf eine Verbindung (Anzapfen)
• Er leitet den Nachrichtenverkehr zu sich um
• Dort späht er diese aus und/oder manipuliert diese

Der Beitrag Sicherheit und Netze (Teil 1) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

SSL/TLS

Warum liegt SSL/TLS nicht in der Verbindungsschicht?

• Weil dann für Routing-Prozesse die Pakete wieder entschlüsselt werden müssten

Warum heißt Layer 2 Sicherungsschicht?

• Weil hier eine zuverlässige Übertragung sichergestellt wird
• Wo ist der Unterschied zwischen „sicher“ und „zuverlässig“? (Klausuraufgabe)

Wo wird SSL/TLS eingeordnet?

• Weil hier eine zuverlässige Übertragung sichergestellt wird
• In der Anwendungsebene, unterhalb der Anwendung (HTTP)

Warum verwendet TLS kein UDP?

• Weil Zuverlässigkeit erfordert wird

Warum werden E-Mails nicht vollständig mit TLS verschlüsselt?

• E-Mails werden über mehrere SMTP-Server weitergeleitet
• Die Adressen von Layer 7 (E-Mail-Adresse des Empfängers) müssen lesbar sein
• Würden Server die E-Mails entschlüsseln, würde die Integrität automatisch verletzt
• Deswegen findet Verschlüsselung über SMTP statt

Übungen

Welche Nachteile weisen Blockchiffren auf?

• Statistische Angriffe können darauf angewendet werden
• Ein Betriebsmodus ist erforderlich
• Padding ist notwendig

Welche Schutzziele gelten für DNS?

• Authentizität
• Integrität

Welche Schutzziele gelten für E-Mails?

• Authentizität
• Integrität
• Vertraulichkeit

Für welchen Anwendungsfall sind Stromchiffren geeignet?

• Echtzeitanwendungen mit Anforderung an schnelle Kommunikation

Worin unterscheiden sich Stromchiffren?

• Die binäre Addition (XOR) ist immer gegeben
• Der Zeitpunkt der Addition unterscheidet sich doch

Welche Auswirkung hat die Vertauschung von Cipherblock 0 und 3?

• Die Klartextblöcke 0, 1, 3 und 4 können nicht entschlüsselt werden

Welche Auswirkung hat es, wenn der vorherige Klartext anstelle des Chiphertextes beim Verschlüsseln genutzt wird?

• Die Entropie sinkt, da der IV nur auf einen Klartext Auswirkung hat

Welche Möglichkeiten zur Parallelisierung bietet der CBC?

• Beim Entschlüsseln kann Parallelisierung angewendet werden

Welche Vorteile besitzt der Output Feedback Mode?

• Kein Padding notwendig
• Schlüsselstrom im Voraus berechenbar

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

Hinweise

• Programmieren ist nur als Pseudocode gefordert
• Man sollte die Unterschiede des Receive bei UDP und TCP kennen
• Die Folien 3-90 sind nicht klausurrelevant
• Hilfsmittel sind keine erlaubt
• Die Fragen aus dem Skript sind wichtig, aber nur die konkret beantwortbaren Fragen

Der Beitrag Verteilte Systeme (Klausurvorbereitung) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Sicherheit

Als Sicherheit bezeichnet man Eigenschaften von informationsverarbeitenden und -lagernden Systemen, die die Schutzziele Vertraulichkeit, Verfügbarkeit und Integrität sicherstellen. Informationssicherheit dient dem Schutz vor Gefahren bzw. Bedrohungen, der Vermeidung von wirtschaftlichen Schäden und der Minimierung von Risiken.

Schutzziele

Welche Schutzziele gibt es?

Welche Schutzmaßnahmen gibt es?

• Firewalls
• VPNs
• Verschlüsselung

Firewall

Was sind Firewalls?

• Können als Hard- oder Software realisiert sein (iptables, Windows Firewall, WLAN Router)
• Befindet sich als Schutzmauer zwischen sicherem Netz (LAN) und unsicherem Netz (Internet)

Wovor schützen Firewalls?

• Sie halten unerwünschter Pakete fern
• Beschränkt den Netzwerkzugriff (Absender, Empfänger, Transportprotokoll und Dienste)
• Filterung des Absender und Empfängers anhand IP-Adresse
• Filtern des Transportprotokolls nach UDP/TCP
• Filtern nach Anwendung bzw. Dienst anhand Port

Wovor schützen Firewalls nicht?

• Unerlaubtes Mitlesen von unverschlüsselten Nachrichten

Welche Firewall-Typen gibt es?

• Paketfilter
• Application Level Gateway
• Proxy
• Intrusion Prevention System (IPS)
• Intrusion Detection System (IDS)

Was sind Paketfilter-Firewalls?

• Blockieren von Paketen anhand von Regeln
• Zwei Varianten (stateful/stateless)
• Stateless = Jedes Paket wird unabhängig und stur nach den Regeln verarbeitet (einfach)
• Stateful = Stellt Zusammenhang zwischen ein- und ausgehenden Paketen her (komplex)

Was sind Nachteile der Paketfilter-Firewalls?

• Die Menge der Regeln kann schnell unübersichtlich werden
• Die korrekte Konfiguration wird durch kryptische Syntax erschwert
• Eigentlich erwünschte Kommunikation kann erschwert und verhindert werden

Was könnte ein Beispiel für eine stateful Firewall sein?

1. Die Firewall blockt alle eingehende Pakete
2. Ein Client aus dem LAN versendet ein Paket an einen Server außerhalb des LANs
3. Nun wird die Antwort (Pakete) von der Adresse des Servers durchgelassen

Welchen Vorteil hat die stateful Firewall?

• Bei der stateless Firewall müssen feste Regeln eingetragen werden, um die Kommunikation in beide Richtungen zu erlauben
• Bei der stateful Firewall werden dynamisch Einträge für angeforderte eingehende Pakete erzeugt und wieder entfernt

In welche Richtung wird Kommunikation von einer Firewall verhindert?

• Die Kommunikation wird von Außen nach Innen verhindert

Welche Anwendungen haben mit Firewalls Probleme?

• Peer-To-Peer-Anwendungen

Was sind Application Level Gateways (ALG)?

• Pakete werden nun anhand ihres Inhalts gefiltert
• Sie arbeiten dafür auf OSI-Layer 7 und kennen die Anwendungsprotokolle (z.B. HTTP)

Was sind die Vorteile von ALGs?

• Sie können unabhängig vom Port die Pakete auf ihren eigentlichen Inhalt prüfen

Was sind Proxy Server?

• Sie fangen Verbindungen nach Außen von den internen Systemen ab
• Sie öffnen stattdessen selbst mit dem Ziel eine Verbindung
• Sie schicken die Anfrage selbst an das Ziel und verhalten sich wie „Stellvertreter“
• Schlussendlich leiten sie die Antworten des Ziels an den Anfragenden weiter
• Sie speichern die Antworten als Caching-Mechanismus

Was ist ein HTTP Proxy?

1. Ein Browser (Client) will eine Website aufrufen
2. Der Client stellt die Verbindung mit dem Proxy her
3. Der Proxy wertet den HTTP Header aus, um das Ziel zu erfahren
4. Der Proxy stellt die Anfrage an den Webserver
5. Die Antwort des Webservers wird gecached und an den Client weiter geleitet

Woher weiß der Proxy welcher Webserver kontaktiert werden soll?

• Das steht im HTTP Header

Welches Probleme kann der HTTP Proxy haben?

• Er kann nicht in verschlüsselte Nachrichten hinein schauen
• Aber er muss die Nachrichten auswerten, um das Ziel zu kennen
• Der Client bedient sich deshalb der HTTP CONNECT Nachrichten

Wie läuft eine verschlüsselte Kommunikation über HTTP Proxy ab?

1. Client baut TCP-Verbindung zum Proxy auf
2. Client sendet HTTP CONNECT mit IP und Port des Zielservers an den Proxy
3. Proxy öffnet normale TCP-Verbindung zum Server (Tunnel aufgebaut)
4. Nun können beliebige Daten in beide Richtungen versendet werden

Was ist Tunneling?

• Mit Hilfe der HTTP CONNECT Nachrichten lassen sich beliebige TCP basierte Protokolle durch einen HTTP Proxy tunneln

Wie beendet der Client den Tunnel?

• Indem er die TCP-Verbindung zum Server beendet
• Der Proxy erkennt dies in den Paketen und schließt den Tunnel

Was sind Intrusion Detection Systeme (IDS)?

• System zur Erkennung von Angriffen
• Wahrnehmung wird durch Sensoren (Firewall) ermöglicht
• Mustererkennung überprüft Verhaltensmuster
• Reaktion wird bei Bedarf ausgelöst (z.B. E-Mail an Administrator)

Was sind Intrusion Prevention Systeme (IPS)?

• Intrusion-Detection-Systeme, die nicht nur Benachrichtigungen erzeugen, sondern einen entdeckten Angriff abwehren können

Virtual Private Network (VPN)

Wofür benötigt man VPNs?

• Stellen die Vertraulichkeit von Kommunikation her (kein unerlaubtes Mitlesen)
• Verschlüsselung des gesamten Datenverkehrs zwischen Endpunkten im Netzwerk
• Entfernte Systeme verhalten sich so, als ob sie sich im gleichen lokalen Netzwerk befinden

Verschlüsselung

Was ist Verschlüsselung?

• Ein Klartext wird in einen Geheimtext (Chiffrat) übersetzt
• Ein Geheimtext wird in den Klartext zurück übersetzt

Was sind die Suites der NSA?

• Suite B sind öffentlich bekannte und empfohlene Algorithmen
• Suite A sind streng geheime Algorithmen für hochsensitive Daten

Was ist symmetrische Verschlüsselung?

• Beide Seiten kennen einen gemeinsamen geheimen Schlüssel
• Die Daten werden mit dem Schlüssel ent- und verschlüsselt
• Wird bei Blockchiffren und One-Time-Pad verwendet

Was ist das One-Time-Pad?

• Zufälliger Schlüssel mit exakter Länge der Nachricht
• Schlüssel darf nicht mehrmals verwendet werden und muss geheim bleiben
• Nachricht wird mit dem Schlüssel über XOR kombiniert
• Bietet eine sehr starke Verschlüsselung
• Durch seine Nachteile aber nur selten zu gebrauchen

Was sind Nachteile vom One-Time-Pad?

• Der Schlüssel darf nicht mehrmals verwendet werden
• Die Erzeugung eines zufälligen langen Schlüssels ist kompliziert
• Bei großen Datenmengen muss auch ein ebenso großer Schlüssel ausgetauscht werden (Doppelte Datenmenge)

Was sind Blockchiffren?

• Nachrichten mit einer festen Länge werden ver- und entschlüsselt
• Längere Nachrichten werden in Blöcke segmentiert
• Bei Bedarf werden Blöcke mittels Padding aufgefüllt
• Jeder Block wird mit dem gleichen Schlüssel verschlüsselt
• Typische Implementierung ist AES (Nachfolger von DES, 3-DES)

Welches Problem tritt bei Blockchiffren auf?

• Gleiche Textblöcke erzeugen gleiche Chiffrate
• Dadurch können Angreifer Rückschlüsse auf den Klartext ziehen

Wie löst man das Problem der gleichen Chiffrate?

• Mittels eines Betriebsmodus wie dem Cipher Block Chaining

Was macht man, um den gesamten Text zu verschlüsseln?

• Auftrennung des Textes in Blöcke geeigneter Länge
• Einsatz von Betriebsmodi wie dem CBC

Was ist das Cipher Block Chaining?

• Erweitert die Blockchiffre
• Der aktuelle Klartext wird mit dem vorherigen Chiffrat über XOR verknüpft
• Dadurch werden Muster im Klartext verhindert und keine identischen Chiffrate gebildet
• Zum Entschlüsseln wird das letzte und vorletzte Chiffrat und der Schlüssel benötigt

Wie verschlüsselt man den ersten Block?

• Mit einem zufälligen Initialisierungsvektor IV

Wie entschlüsselt man das überhaupt?

• Mit den letzten zwei Chiffren
• Der IV wird nicht benötigt

Welche Auswirkung hat ein Übertragungsfehler in einem Block?

• Der betroffene Block und sein Nachfolger können nicht mehr entschlüsselt werden

Was ist asymmetrische Verschlüsselung?

• Es gibt einen öffentlichen und einen privaten Schlüssel
• Nachrichten werden mit dem öffentlichen Schlüssel verschlüsselt
• Nachrichten können nur mit dem privaten Schlüssel entschlüsselt werden
• Wird für Verschlüsselung und Signaturen genutzt
• Typische Implementierung ist RSA

Wofür wird RSA genutzt?

• Vereinbarung symmetrischer Schlüssel (Session Key)
• Signieren von Nachrichten

Was sind Signaturen?

• Verfahren um die Authentizität zu gewährleisten

Was sind Zertifikate?

• Verbindung von Name mit einer Signatur
• Selbstsigniert oder von einer vertrauenswürdigen Organisation ausgestellt

Was ist Hashing?

• Eine Einwegfunktion f(x) = y
• y ist leicht zu Berechnen
• x aus y hingegen nicht
• Dient dazu Daten beliebiger Länge auf Daten mit fester Länge abzubilden

Wo verwendet man kryptographisches Hashing?

• Erzeugung eines Fingerprints einer Nachricht
• Siehe auch Digitale Signatur

Wie funktioniert die Signatur mit RSA?

1. Verschlüsselung der Nachricht mit privatem Schlüssel
2. Empfänger entschlüsselt mit öffentlichem Schlüssel
3. Gewährleistet Integrität und Authentizität
4. Das darf auf diese Weise aber nur zwei Mal angewendet werden

Wie signiert man eine Nachricht besser?

1. Signatur der Nachricht mittels kryptographischer Hashfunktion berechnen
2. Signatur mit privatem Schlüssel verschlüsseln
3. Nachricht versenden an den Empfänger
4. Signatur mit öffentlichem Schlüssel entschlüsseln
5. Hashwert über die Nachricht bilden und mit dem in 4 erlangten Hash vergleichen

SSL/TLS

Was sind SSL und TLS?

• Protokolle zum Schlüsselaustausch und Verschlüsselung von TCP-Verbindungen
• Liegen als Schicht zwischen TCP und Application-Layer
• Häufig für verschlüsselten Verbindungen im WWW genutzt (HTTPS auf Port 443)
• Benötigen keine externe Schlüsselverwaltung
• Client und Server handeln die Algorithmen für Authentifizierung und Verschlüsselung selbst aus

Wie ist TLS aufgebaut?

• Besteht aus Record, Handshake, ChangeCipherSpec und Alert Protocol
• Der Client schlägt ein PreMaster Secret vor
• Client und Server handeln eine ciphersuite und Parameter aus
• Aus den Parametern und dem PreMaster werden auf beiden Systemen das Master Secret und alle nötigen Schlüssel erzeugt

Was ist das Handshake Protocol?

• Handelt die Sicherheitseinstellungen zwischen Client und Server aus
• Authentisiert den Server (und optional den Client)

Was ist das ChangeCipherSpec Protocol?

• Beendet das Aushandeln der Sicherheitsparameter
• Startet die verschlüsselte Kommunikation

Was ist das Alert Protocol?

• Informiert über Fehler und abnormale Zustände

Was ist das Record Protocol?

• Besitzt den verschlüsselten und nicht verschlüsselten Zustand
• Transportiert Daten anhand der ausgehandelten Sicherheitsparameter
• Mit ihm kommunizieren TCP und Anwendungen

Wie kann man SSL/TLS Verbindungen in eigenen Programmen nutzen?

• Bibliotheken bieten Funktionen, mit denen man normale Sockets mit SSL/TLS aufrüsten kann
• Die Authentifizierung und Verschlüsselung wird von der Bibliothek erledigt
• Um Senden und Empfangen von Daten kümmern sich die Entwickler (Sockets)

Beispiele für OpenSSL-Schnittstellen

• SSL_accept – Verbindung annehmen
• SSL_connect – verbinden
• SSL_read – empfangen
• SSL_write – senden
• SSL_set_fd – Socketdeskriptor setzen

Was ist Perfect Forward Secrecy?

• Wenn der private Schlüssel erspäht wird, kann jede vorherige Kommunikation (wurde aufgezeichnet) entschlüsselt werden
• Bei Perfect Forward Secrecy werden die Schlüssel zum Authentifizieren und Verschlüsseln voneinander getrennt
• Siehe auch Diffie-Hellman

Was ist das Diffie-Hellman-Verfahren?

• Zwei Teilnehmer erzeugen einen Sitzungsschlüssel (K_A = K_B)
• Die ausgetauschten Nachrichten müssen dabei stets signiert werden

Was passiert, wenn Alice und Bob ihre Nachrichten nicht signieren?

• Ein Angreifer täuscht beide Seiten mittels ARP Spoofing (Angeblicher Besitz einer IP-Adresse)
• Er handelt mittels Diffie-Hellman selbst den Schlüssel aus

Kerberos

Was ist Kerberos?

• Key Distribution Center (KDC) erzeugt Schlüssel für Sitzungen
• Kerberos erzeugt Schlüssel (tickets) mit begrenzter Lebensdauer
• Diese Schlüssel werden dann verwendet, um sich gegenüber Diensten zu authentifizieren

Warum schickt der Server B nicht K_A,B(t)?

• Der Server B will sich gegenüber dem Client A gegenüber authentisieren
• Da symmetrisch verschlüsselt wird, muss von Server B der Besitz des symmetrischen Schlüssels K_A,B nachgewiesen werden
• Indem er den inkrementierten Wert (t+1) verschlüsselt sendet kann er sich gegenüber dem Client A authentisieren

Anonymisierung mit TOR

Was ist TOR?

• Bietet Anonymität für TCP-Verbindungen
• TOR besteht aus vielen einzelnen „Onion Routern“ (OR)
• Onion Router sind kaskadiert (hintereinander geschaltet)
• Das Ziel sieht nur die Adresse des letzten Onion Routers
• Die Pakete enthalten die Header für alle Router der Kaskade ineinander verschachtelt (Auspacken wie eine Zwiebel)
• Jeder Router entfernt seinen Header und schickt nur den ausgepackten Teil weiter
• Jeder Router kennt deshalb nur den Vorgänger, sich selbst und das nächste Ziel
• Zwischen den Routern sorgt TLS für Sicherheit

Wie wird eine Kaskade aufgebaut?

• Die Quelle wählt eine Menge von Onion Routern
• Die Quelle vereinbart einen zeitlich begrenzt gültigen Schlüssel mit dem ersten Router der Kaskade (Diffie Hellman)
• Schlüssel werden über die Kaskade ausgetauscht

Würde onion routing so auch mit UDP funktionieren?

• Onion Routing funktioniert nur bedingt mit UDP
• Durch die Begrenzung der UDP-PDU auf 64 KB ist nur eine begrenzte Anzahl von Onion Routern möglich

Wie findet ein Client die benötigten Onion Router?

• Ein Namendienst auf den bekannten TOR Knoten hält Listen von Onion Routern
• Neu gestartete Router melden sich beim Namensdienst an

Welche Gefahr birgt dieses System?

• Das Einschleusen von bösartigen Onion Routern

Was bringt das Einschleusen eines bösartigen Onion Routern?

• Das Einschleusen macht nur Sinn, wenn hostile Onion Router dann Ein- und Ausgangsknoten sind
• Dadurch kann man Ein- und nach Ausgangsknoten analysieren und versuchen und Quell- und Zieldatenströme zuzuordnen
• Das ist dennoch schwer zu realisieren

Was ist eine Leaky Pipe?

• Verkehr kann an jedem Onion Router der Kaskade ans Ziel geleitet werden
• Hilft, wenn eine Quelle mehr als einen TCP Strom unterhält
• Erschwert das Zuordnen von ein- und ausgehenden Paketen

Der Beitrag Verteilte Systeme (Teil 6) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Dienste

Der Begriff Dienst beschreibt in der Informatik allgemein eine technische, autarke Einheit, die zusammenhängende Funktionalitäten zu einem Themenkomplex bündelt und über eine klar definierte Schnittstelle zur Verfügung stellt. Typische Beispiele sind hier z. B. Webservices, die Funktionalitäten für Dritte über das Inter- bzw. Intranet verfügbar machen, Netzwerkdienste, Systemdienste oder auch Telekommunikationsdienste.

Verteilte Dateisysteme

Wozu braucht man verteilte Dateisysteme?

• Summe einzelner Systeme ist größer als ein lokales System (Kapazität)
• Zugriff von unterschiedlichen Systemen möglich (Gemeinsame Verwendung)
• Unterstützung plattenloser Geräte

Welche Transparenzeigenschaften sollten sie erfüllen?

Wie integriert sich ein verteiltes Dateisystem?

Welche Zugriffsmodelle gibt es?

• Remote-Access
• Upload/Download

Was ist Remote-Access?

• Alle Zugriffe finden auf dem Server statt
• Datei wird nicht kopiert
• Vollständige Funktion im Server
• Komplexe Schnittstelle
• Ständiger Netzwerkzugriff mit kleinen Datenmengen

Was ist Upload/Download?

• Datei wird auf den Client verschoben
• Nach Ende der Nutzung wird Datei zurück auf den Server kopiert
• Teile der Funktionalität auf dem Client
• Einfache Schnittstelle
• Viel Speicherplatz auf dem Client benötigt
• Netzwerkzugriff nur beim Öffnen und Schließen

Was sind zustandslose Server?

• Alle Informationen werden mit jedem Aufruf übertragen (Weniger Speicherbedarf im Server)
• Keine Operation zum Öffnen oder Schließen von Dateien
• Leichter zu implementieren (Fehlertoleranz und Lastverteilung)
• Keine Probleme beim Absturz eines Clients (Keine Zustandsinformationen zum Löschen)

Was sind zustandsbehaftete Server?

• Weniger Kommunikationsaufwand, weil weniger Informationen benötigt werden
• Lese- und Schreibzugriffe sind effizienter (Zeiger sind schon am richtigen Platz)
• Alle Clients und verwendete Dateien sind bekannt (ermöglicht Precaching)
• Sperren sind einfach zu realisieren

Sind zustandslose oder zustandsbehaftete Server besser?

• Zustandslos ist besser, wenn der die Koppelung von Client und Server gering ist und Daten nur bedingt geschrieben werden (HTTP)
• Zustandsbehaftet ist besser, wenn viel mit Lese- und Schreiboperationen auf Dateien gearbeitet wird (FTP)

Welche Änderungs-Semantiken gibt es?

Network File System (NFS)

Was ist COMPOUND4args bei NFS v4?

• Mehrere Operationen in einem RPC-Aufruf
• Dadurch können RPCs eingespart werden

Woher kennen wir diese Art der Verarbeitung schon?

• Es wird beim Pipelining von idempotenten und unabhängigen HTTP-Anfragen genutzt

Welche Funktionen hat NFSv4?

• LOOKUP – Dateiname suchen und Handle liefern
• CREATE – Besondere Dateien erzeugen (Verzeichnisse und Links)
• OPEN – Öffnen (und erzeugen) von normalen Dateien
• CLOSE – Schließen
• READ – Datei lesen
• WRITE – Datei schreiben
• MKDIR – Verzeichnis erzeugen
• READDIR – Verzeichniseintrag lesen
• REMOVE – Datei löschen

Wie läuft ein Lesezugriff im NFS ab?

1. LOOKUP
2. OPEN
3. READ (Position-Lesezeiger, Anzahl zu lesender Bytes)
4. …
5. CLOSE

Welche Vor- und Nachteile gibt es, wenn der Client die Datenmenge bestimmt?

• Es kann zu Speicherzugriffsverletzungen kommen
• Bei einem timeout muss ggf. alles neu gesendet werden
• Deswegen bestimmt der Server die Datenmenge (Aber nicht mehr als der Client anfragt)

Was passiert, wenn ein Aufruf sehr lange dauert?

• Verbindungsabbruch (timeout)
• Client wird zu einem RPC-Server für asynchrone Benachrichtigungen (callbacks)

Ist NFS zustandslos?

• Nein, da die locking und delegation Funktionen mit Zuständen arbeiten

Implementiert NFS das Modell remote access oder upload/download?

• Es implementiert remote access

Wie wird NFS in ein lokales Dateisystem eingebunden?

• Mittels mount (Virtuelles Dateisystem)
• Als neues Laufwerk

Was passiert, wenn ein Server Dateien von einem anderen Server importiert?

• Die Weitergabe von solchen Dateien ist nicht erlaubt
• Die Unterverzeichnisse müssen ausdrücklich importiert werden

Wie werden Dateinamen aufgelöst?

• Rekursiv über mehrere Server
• Client stellt LOOKUP an Server
• Server leitet die Anfrage an nächsten Server weiter
• Server gibt einen Handle der Datei zurück
• LOOKUP liefert alle Server zurück (Wechsel bei Ausfall)

Welche Probleme gibt es beim Zugriff auf Dateien?

• Replikation (Konsistenz geht verloren)
• Sperren
• Synchronisation
• Performance

Unterstützt NFS Replikation?

• Ja, aber nur für read-only Dateisysteme
• LOOKUP liefert alle Server mit Repliken

Welche Änderungs-Semantik implementiert NFS?

• Sitzungssemantik

Was sind Dateisperren?

• Lese- und Schreibsperren durch Clients beim Aufruf (READ, WRITE, BOTH)
• Sperren einen Bereich von Byteposition plus Länge
• Verweigerungssperren (share reservations) sperren ganze Dateien
• Laufende Zugriffe können nicht gesperrt werden
• LOCK – Sperrt
• LOCKT – Testet die Sperre
• LOCKU – Aufheben

Wie erreicht man eine „at-most-once“ Semantik bei Sperren?

• Ist in NFSv4 durch Sequenz-IDs und lease-Zeiten implementiert

Wie funktioniert Caching bei NFS?

• Schreiboperationen können im Cache durchgeführt werden
• Beim Schließen werden die Änderungen synchronisiert
• Beim Öffnen wird der Cache immer neu eingelesen

Wie funktioniert die Delegierung von Dateien

Wie funktioniert Sicherheit in NFS?

• Aufsatz auf RPCSEC_GSS, Framework für unterschiedliche Sicherheitsmechanismen (wie Kerberos)

Welche Benutzer gibt es in NFS?

Andrew File System (AFS)

Welche Ziele bzw. Annahmen werden mit AFS verfolgt?

• Skalierbarkeit
• Performanz
• Dateisystem für Universitäten
• Hauptsächlich READ-Operationen
• Sequentieller Zugriff (Anfügen)
• Dateizugriff von einem User
• Kleine Dateien
• Dateizugriffe über lange Zeit verteilt (Lokalitätsprinzip)

Was ist whole file sharing?

• Dateien werden komplett (bzw. 64 KB Blöcke) übermittelt

Was ist whole file caching?

• Lokale Kopien beim Client
• Synchronisierung nach Schließen
• Kopie wird aufgehoben (Cache)

Wie ist AFS aufgebaut?

• Venus ist der Client
• Vice ist der Server
• Venus fängt Remote-Zugriffe ab
• Basiert auf Sockets und RPCs
• Verwendet UDP

Wie läuft ein Aufruf ab?

Was passiert, wenn eine Datei beim Öffnen bereits von einem anderen Prozess geöffnet wurde?

• Inkonsistenzen durch WRITE

Was ist die callback promise?

• Vice informiert alle betroffenen Clients über schreibenden Zugriff auf Datei (Überschreiben dennoch möglich)

Warum bietet AFS keine garantierte Konsistenz?

• Kleiner Overhead für mehr Performanz
• Anwendungen sollen sich darum kümmern
• Mehrfache Benutzung ohnehin selten (Annahme)

In welchen Szenarien werden Dateien häufig gemeinsam benutzt?

• Unternehmen
• Datenbanken
• Cloud-Dienste

Wie funktioniert Sicherheit in AFS?

• Kerberos-Authentifizierung
• Verschlüsselung (weil DES ist obsolet) ist dem User überlassen

Google File System (GFS)

Welche Ziele bzw. Annahmen werden von GFS verfolgt?

• Fehlertoleranz (Ausfälle sind normal)
• Skalierbarkeit
• Heterogene Systeme (HW und SW)
• Viele verteilte große Dateien
• Sequentieller Zugriff (Anfügen)
• Bandbreite wichtiger als Latenz
• Kein Caching (Größe und sequentielle Zugriffe)

Welches Verfahren benötigt so etwas?

• Map reduce

Welche Befehle beherrscht GFS zusätzlich?

• snapshot (Kopie)
• record append (Anfügen, atomar mit Nebenläufigkeit)

Wie ist GFS aufgebaut?

• Variante der Master/Slave-Architektur
• Quorom Algorithmus (QW=3, QR=1)
• 1 Master-Server
• Master verwaltet die chunk-Server (Heartbeat)
• Viele chunk-Server (hier liegen die Repliken)
• Master pollt alle Server beim Booten
• Master bestimmt einen Server als primary replica
• Primary replica verwaltet alle Schreibzugriffe für bestimmte Repliken

Was sind Chunks?

• Dateien werden in 64 MB Blöcke aufgeteilt
• 2⁶⁴ Bit Handle pro Chunk
• 3 Kopien jedes Chunks

Warum wird nicht versucht eine konsistente Sicht im Master zu halten?

• Master kennt genaue Situation der chunk-Server nicht

Wie läuft ein Schreibzugriff ab?

1. Client fragt beim Server an
2. Master liefert primary replica des chunks
3. Client schickt Update an alle Repliken
4. Client schickt Schreiboperation an primary replica
5. Primary replica koordiniert den Schreibzugriff (2PC)

Wie wird Konsistenz sichergestellt?

• Namensänderungen atomar vom Master
• Daten mittels at-least-once in unbestimmter Reihenfolge angefügt

Wann können Inkonsistenzen auftreten?

• Bei Fehlern oder Nachrichtenverlust

Was ist das Operation Log?

• Alle Operationen sind hier gelagert
• Master schreibt das Log
• Log auf externen Systemen gesichert
• Master führt nach Crash alle offenen Operationen nochmal aus at-least-once)
• Regelmäßige Checkpoints

Wie wird bei GFS repliziert?

• Replikation des operation logs und der Checkpoints auf mehrere Server
• Replikation der Daten mittels chunk replication
• Replikation des Masters mittels shadow masters (Lesezugriff auf operation log)

Namendienste

Wozu braucht man Namendienste?

• Einfache Namen anstelle von kryptischer Adressen
• Die Adresse bildet den Zugriffspunkt zu einer Entität
• Hinter einem Namen stehen Entitäten von Dateien, Objekten, Funktionen, Rechnern oder Ressourcen

Welche Funktionen bietet ein Namensdienst?

• Binden und Speichern eines Namens an Adressen (IP und MAC) oder Attribute (Username und PW)
• Auflösen und Liefern der Adressen oder Attribute (resolution)

Welche Namensdienste gibt es?

• DNS
• LDAP
• VoIP
• Dateisysteme
• Java RMI und Corba (Objekte haben Namen)
• MPI (Rechenknoten haben IDs)
• GFS (Masterknoten lokalisiert Chunks)

Welche Anforderungen werden an einen Namensdienst gestellt?

• Zuverlässigkeit (DNS)
• Nebenläufigkeitstransparenz (Parallel Lesen und Schreiben)
• Fehlertransparenz (für Zuverlässigkeit)
• Skalierbarkeit (für Geschwindigkeit)
• Sicherheit (siehe Schutzziele)
• Konsistenz (siehe Nebenläufigkeitstransparenz)

Welche Anforderungen gelten für welche Schicht?

Wie läuft iterative Namensauflösung ab?

• Zustandslose Server

Wie läuft rekursive Namensauflösung ab?

• Caching und Geschwindigkeit

Wie läuft hybride Namensauflösung ab?

• Server übernimmt iterative Auflösung anstelle des Clients

Domain Name System (DNS)

Was ist DNS?

• Hierarchischer Namensdienst
• 13 Wurzelzonen (je 1 primärer Server und mehrere synchronisierte Sekundärserver)
• Verwendet meist UDP, aber auch TCP möglich (je Port 53)
• Lokaler DNS Cache (hosts) und Resolver im Client
• Client sollte min. 2 DNS-Server kennen
• Iterative und rekursive Auflösung möglich (Client wählt aus)
• Anfragen sind bündelbar und besitzen eine TTL
• Filtern von Anfragen mittels White- und Blacklist möglich

Wie sind Nachrichten aufgebaut?

• Query und Reply-Nachrichten (identisches Format)
• Flags mit Parametern

Warum kann ein DNS-Server rekursive Aufrufe verweigern?

• Bei diesem Verfahren nimmt der DNS-Server Anfragen entgegen und bearbeitet sie stellvertretend weiter
• Angreifer können dies ausnutzen, indem sie eine große Menge an Anfragen an den Server stellen
• Dadurch wird der DNS-Dienst legitimen Anfragen gegenüber verweigert

Wie funktioniert DNS?

Was ist DNSSEC?

• Namensauflösungen werden durch Signaturen authentifiziert
• Dadurch können keine falschen Adressen untergeschoben werden

Lightweight Directory Access Protocol (LDAP)

Was ist LDAP?

• Verzeichnisdienst für beliebige Daten und Attribute
• Speicherung von Username und Passwort
• Passwort wird als Hash gespeichert

Was ist der Directory Information Tree (DIT)?

• Objekte sind eindeutige Knoten durch Relative Distinguished Name (RDN)
• Alle RDNs von Objekt bis Wurzel sind der Distinguished Name (DN)

Welche Operationen kennt LDAP?

• bind – Authentifizierung
• unbind – Beenden einer Sitzung
• search – Suche nach Einträgen
• modify – Änderung eines bestehende Eintrags
• add – Hinzufügen eines Eintrags
• delete – Löschung eines Eintrags

Der Beitrag Verteilte Systeme (Teil 5) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.