IT-Sicherheit: Konzepte - Verfahren - Protokolle

1029 Pages·2013·6.123 MB·German

by  Claudia Eckert

IT-Sicherheit
Konzepte – Verfahren – Protokolle
von
Prof. Dr. Claudia Eckert
8., aktualisierte und korrigierte Auflage
Oldenbourg Verlag München
Prof. Dr. Claudia Eckert ist seit 2009 Inhaberin des Lehrstuhls für Sicherheit in der
Informatik an der TU München. Gleichzeitig ist sie Direktorin der Fraunhofer Ein-
richtung für Angewandte und Integrierte Sicherheit (AISEC) mit Sitz in Garching bei
München. Als Mitglied verschiedener nationaler und internationaler wissenschaftlicher
Gremien berät Frau Prof. Eckert Unternehmen, Wirtschaftsverbände sowie die öffentli-
che Hand in allen Fragen der IT-Sicherheit.
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Lektorat: Johannes Breimeier
Herstellung: Tina Bonertz
Einbandgestaltung: hauser lacour
Gesamtherstellung: Kösel, Krugzell
Dieses Papier ist alterungsbeständig nach DIN/ISO 9706.
ISBN 978-3-486-72138-6
eISBN 978-3-486-73587-1
Vorwort
Informationstechnologie (IT) ist heute in nahezu allen Bereichen von zen-
traler Bedeutung: Gesundheit, Mobilita¨t, Bildung, Unterhaltung, Produk-
tion, Logistik, aber auch Handel, Finanzen, und o¨ffentliche Verwaltung.
IT ist eine Schlu¨sseltechnologie, die neue Anwendungen und auch neue
Gescha¨ftsmodelle ermo¨glicht. Durch die zunehmende Einbettung von IT in
Alltagsgegensta¨nde und durch die zunehmende Dienste-Orientierung ent-
steht das Internet der Dinge und der Dienste. Der IT-Sicherheit kommt bei
dieserEntwicklungeineSchlu¨sselrollezu.Lo¨sungenderIT-Sicherheithaben
zum eine Wegbereiter-Funktion, da neue Anwendungen ha¨ufig nur einge-
setzt und akzeptiert werden, wenn die Sicherheit der Daten gewa¨hrleistet
wird. Zum anderen hat die IT-Sicherheit natu¨rlich die bekannte Schutz-
funktion. Gezielt und korrekt eingesetzte Maßnahmen der IT-Sicherheit
reduzierendieRisikenwirtschaftlicherScha¨den,diezumBeispieldurcheine
unautorisierte Weitergabe von Daten oder durch kriminelle Aktivita¨ten wie
Wirtschaftsspionage entstehen ko¨nnen. Maßnahmen der IT-Sicherheit sind
aber auch notwendig, um vor Scha¨den an Leib und Leben zu schu¨tzen, die
zumBeispiel durch manipulierte Gesundheitsdaten oder durch manipulierte
Fahrzeugsensorik entstehen ko¨nnen.
Ergebnisse von Sicherheitsanalysen und die immer ha¨ufiger auftretenden
Angriffe auf vernetzte IT-Systeme verdeutlichen die großen Sicherheitspro-
blemederheuteimEinsatzbefindlichenSysteme.ZudenHauptursachenfu¨r
Sicherheitsprobleme geho¨ren konzeptuelle Ma¨ngel, Implementierungsfeh-
ler,FehlerbeiderSystemadministration sowieBenutzungsfehler, dieha¨ufig
aufUnkenntnis undUnachtsamkeit zuru¨ckzufu¨hren sind.
Das vorliegende Buch hat zum Ziel, fundierte Kenntnisse u¨ber wirksame
Maßnahmen zuvermitteln, dieerforderlich sind, umdievielfa¨ltigen Sicher-
heitsbedrohungen abzuwehren, denen heutige und zuku¨nftige IT-Systeme
ausgesetztsind.DieQualita¨teinessicherenIT-Systemsha¨ngtwesentlichda-
von ab, dass seine Konstruktion methodisch und systematisch erfolgt. Das
Buch fu¨hrt die hierfu¨r notwendigen Techniken und Vorgehensweisen ein,
wie Bedrohungsanalyse, Modellierung und Bewertung. Die zur Umsetzung
derSicherheitsanforderungen beno¨tigten Mechanismen, Verfahren und Pro-
tokolle werdeneingehend erkla¨rt sowieanhand vonFallbeispielen erla¨utert.
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VI Vorwort
Im Vordergrund steht dabei, die Ursachen fu¨r Problembereiche heutiger
IT-Systeme zu verdeutlichen und die grundlegenden Sicherheitskonzepte
mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen vorzustellen. Der Leser soll ein
Versta¨ndnis fu¨r die vielschichtigen Probleme sicherer Systeme erlangen so-
wieeinbreitesundgrundlegendes WissenzuderenBehebungerwerben.
Das Buch bescha¨ftigt sich mit Fragestellungen der Sicherheit technischer
Systeme im Sinne des englischen Begriffs Security. Zur Gewa¨hrleistung
von Security-Eigenschaften setzt man Konzepte und Maßnahmen ein, um
Bedrohungen abzuwehren, die im Wesentlichen durch absichtliche oder
unabsichtliche Angriffe von außen auf das IT-System entstehen. Sicher-
heitsaspekte, die organisatorische Fragen betreffen, und solche, die durch
denBegriffSafetycharakterisiert werden, liegen außerhalb desbehandelten
Themenrahmens. Safety beschreibt die Funktionssicherheit eines Systems.
Zu deren Gewa¨hrleistung beno¨tigt man Konzepte und Verfahren, um Be-
drohungen abzuwehren, die im Wesentlichen durch das Fehlverhalten des
IT-Systems selber entstehen. Es handelt sich hierbei um Fragestellungen
der Fehlervermeidung und Fehlertoleranz sowie der Steigerung der Zu-
verla¨ssigkeit undVerfu¨gbarkeit vonIT-Systemen.
DasBuchrichtetsichanStudierende derInformatik, MathematikundElek-
trotechnik sowie an interessierte Leser mit Informatik-Hintergrundwissen,
die grundlegende Kenntnisse auf dem Gebiet der IT-Sicherheit erwerben
bzw. bereits vorhandene Kenntnisse vertiefen wollen. Das Buch ist fu¨r die
eigensta¨ndige Bescha¨ftigung mitdemStoffgeeignet.
VorwortzurachtenAuflage
DasGebietderIT-Sicherheit isteinem sehr dynamischen Wandelunterwor-
fen,sodasseineregelma¨ßigeAktualisierung notwendigist.Dievorliegende
Auflageentha¨lt deshalb eine korrigierte und aktualisierte U¨berarbeitung der
siebtenAuflage.
Bedanken mo¨chte ich mich ganz herzlich bei allen Lesern, die mir Hin-
weise auf Fehler und Unklarheiten zukommen ließen. Dank gebu¨hrt auch
meinemLektorHerrnJohannesBreimeiervomOldenbourg-Verlag fu¨rseine
Unterstu¨tzung.
Fu¨r Hinweise auf Fehler und fu¨r Verbesserungsvorschla¨ge bin ich jederzeit
dankbar. [email protected].
Mu¨nchen, imJanuar2013
ClaudiaEckert
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Inhaltsverzeichnis
1 Einfu¨hrung 1
1.1 Grundlegende Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Schutzziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Schwachstellen, Bedrohungen, Angriffe . . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Bedrohungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2 Angriffs-undAngreifer-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.3 Rechtliche Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4 ComputerForensik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5 Sicherheitsrichtlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.6 Sicherheitsinfrastruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2 SpezielleBedrohungen 45
2.1 Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2 Buffer-Overflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.1 Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.2 Angriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.3 Gegenmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3 Computerviren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.2 Viren-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.3 Gegenmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4 Wu¨rmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5 Trojanisches Pferd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5.2 Gegenmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.6 Bot-NetzeundSpam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.6.1 Bot-Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.6.2 Spam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.7 MobilerCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.7.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.7.2 Sicherheitsbedrohungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.7.3 Gegenmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.7.4 MobileApps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
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VIII Inhaltsverzeichnis
3 Internet-(Un)Sicherheit 95
3.1 Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2 Internet-Protokollfamilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.1 ISO/OSI-Referenzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.2 DasTCP/IP-Referenzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.3 DasInternet-Protokoll IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2.4 DasTransmission ControlProtokoll TCP . . . . . . . . . . 111
3.2.5 DasUserDatagramProtocolUDP . . . . . . . . . . . . . . 114
3.2.6 DHCPundNAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.3 Sicherheitsprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.3.1 Sicherheitsprobleme vonIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.3.2 Sicherheitsprobleme vonICMP . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.3.3 Sicherheitsprobleme vonARP . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.3.4 Sicherheitsprobleme vonUDPundTCP . . . . . . . . . . . 131
3.4 Sicherheitsprobleme vonNetzdiensten . . . . . . . . . . . . 135
3.4.1 DomainNameService(DNS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.4.2 NetworkFileSystem(NFS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.4.3 NetworkInformation System(NIS) . . . . . . . . . . . . . . 150
3.4.4 WeitereDienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.5 Web-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.5.1 WorldWideWeb(WWW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.5.2 Sicherheitsprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.5.3 OWASPTop-TenSicherheitsprobleme . . . . . . . . . . . . 172
3.6 Analysetools undSystemha¨rtung . . . . . . . . . . . . . . . 181
4 SecurityEngineering 189
4.1 Entwicklungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.1.1 AllgemeineKonstruktionsprinzipien . . . . . . . . . . . . . 190
4.1.2 Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.1.3 BSI-Sicherheitsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
4.2 Strukturanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
4.3 Schutzbedarfsermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
4.3.1 Schadensszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
4.3.2 Schutzbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
4.4 Bedrohungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.4.1 Bedrohungsmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.4.2 Bedrohungsbaum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
4.5 Risikoanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.5.1 Attributierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.5.2 Penetrationstests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
4.6 Sicherheitsarchitektur undBetrieb . . . . . . . . . . . . . . . 218
4.6.1 Sicherheitsstrategie undSicherheitsmodell . . . . . . . . . . 218
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Inhaltsverzeichnis IX
4.6.2 Systemarchitektur undValidierung . . . . . . . . . . . . . . 219
4.6.3 Aufrechterhaltung imlaufenden Betrieb . . . . . . . . . . . 219
4.7 Sicherheitsgrundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4.8 Realisierung derGrundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . 224
4.9 SecurityDevelopmentLifecycle(SDL) . . . . . . . . . . . . 226
4.9.1 DieEntwicklungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.9.2 Bedrohungs- undRisikoanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5 Bewertungskriterien 233
5.1 TCSEC-Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.1.1 Sicherheitsstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.1.2 KritikamOrangeBook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.2 IT-Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.2.1 Mechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.2.2 Funktionsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
5.2.3 Qualita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
5.3 ITSEC-Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.3.1 Evaluationsstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
5.3.2 Qualita¨tundBewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
5.4 CommonCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
5.4.1 U¨berblicku¨berdieCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
5.4.2 CC-Funktionsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
5.4.3 Schutzprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
5.4.4 Vertrauenswu¨rdigkeitsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
5.5 Zertifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
6 Sicherheitsmodelle 261
6.1 Modell-Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.1.1 ObjekteundSubjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
6.1.2 Zugriffsrechte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
6.1.3 Zugriffsbeschra¨nkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
6.1.4 Sicherheitsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
6.2 Zugriffskontrollmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.2.1 Zugriffsmatrix-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.2.2 Rollenbasierte Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
6.2.3 Chinese-WallModell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
6.2.4 Bell-LaPadulaModell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
6.3 Informationsflussmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
6.3.1 Verbands-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
6.4 FazitundAusblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
7 KryptografischeVerfahren 301
7.1 Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
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X Inhaltsverzeichnis
7.2 Steganografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
7.2.1 Linguistische Steganografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
7.2.2 Technische Steganografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.3 Grundlagen kryptografischer Verfahren . . . . . . . . . . . . 307
7.3.1 Kryptografische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
7.3.2 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
7.4 Informationstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
7.4.1 Stochastische undkryptografische Kana¨le. . . . . . . . . . . 315
7.4.2 EntropieundRedundanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
7.4.3 Sicherheit kryptografischer Systeme. . . . . . . . . . . . . . 318
7.5 SymmetrischeVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
7.5.1 PermutationundSubstitution . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
7.5.2 Block-undStromchiffren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
7.5.3 Betriebsmodi vonBlockchiffren . . . . . . . . . . . . . . . . 330
7.5.4 DataEncryptionStandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
7.5.5 AES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
7.6 Asymmetrische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
7.6.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
7.6.2 DasRSA-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
7.7 Kryptoanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
7.7.1 Klassenkryptografischer Angriffe . . . . . . . . . . . . . . . 368
7.7.2 Substitutionschiffren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
7.7.3 Differentielle Kryptoanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
7.7.4 LineareKryptoanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
7.8 Kryptoregulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
7.8.1 Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
7.8.2 Internationale Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
7.8.3 Kryptopolitik inDeutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
8 HashfunktionenundelektronischeSignaturen 381
8.1 Hashfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
8.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
8.1.2 Blockchiffren-basierte Hashfunktionen . . . . . . . . . . . . 388
8.1.3 Dedizierte Hashfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
8.1.4 MessageAuthentication Code . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
8.2 Elektronische Signaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
8.2.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
8.2.2 Erstellung elektronischer Signaturen . . . . . . . . . . . . . 400
8.2.3 DigitalerSignaturstandard (DSS) . . . . . . . . . . . . . . . 404
8.2.4 Signaturgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
8.2.5 FazitundAusblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
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