Sicherheit und Kryptographie im Internet: Theorie und Praxis

525 Pages·2020·25.542 MB·German

by  Jörg Schwenk

Jörg Schwenk
Sicherheit und
Kryptographie
im Internet
Theorie und Praxis
5. Auflage
Sicherheit und Kryptographie im Internet
Jörg Schwenk
Sicherheit und Krypto-
graphie im Internet
Theorie und Praxis
5., erweiterte und aktualisierte Auflage
Jörg Schwenk
Lehrstuhl für Netz- und Datensicherheit
Ruhr-Universität Bochum
Bochum, Deutschland
ISBN 978-3-658-29259-1 ISBN 978-3-658-29260-7 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-29260-7
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Für meine Eltern,
ohne die dieses Buch nie geschrieben worden
wӓre.
Vorwort
In den sechs Jahren seit Erscheinen der 4. Auflage dieses Buches haben zahlreiche
Untersuchungen unser Wissen um die Sicherheit kryptographischer Systeme im Inter-
net erheblich erweitert. Zudem wurden, nicht zuletzt auch als Reaktion auf erfolgreiche
Angriffe, neue Protokolle und Techniken zur Sicherheit im Internet standardisiert – als
Beispiel sei hier nur TLS 1.3 genannt, ein völliges Neudesign des wichtigsten aller
Sicherheitsprotokolle. Für die hier vorliegende 5. Auflage wurde das Buch daher grund-
legend überarbeitet und erweitert; es ist um knapp 200 Seiten gewachsen.
Kap. 1 gibt einen kurzen Überblick über die Technologien, die das Internet aus-
machen. Vertieft werden Themen wie IP, TCP und HTTP/HTML am Beginn der Kapitel,
die sich mit den zugehörigen Sicherheitstechnologien beschäftigen.
Den Grundlagen der Kryptographie dagegen sind gleich drei einführende Kapitel
gewidmet, die sich den Sicherheitszielen Vertraulichkeit (Kap. 2), Integrität/Authentizi-
tät (Kap. 3) und kryptographischen Protokollen (Kap. 4) widmen. Der Schwerpunkt der
Darstellung liegt dabei nicht, wie in den meisten Lehrbüchern zur Kryptographie, auf
dem inneren Aufbau oder den mathematischen Grundlagen der einzelnen Algorithmen,
sondern in ihren Anwendungsszenarien. Ein Beispiel soll dies erläutern: Bei praktischen
Angriffen wird nicht die interne Struktur des Verschlüsselungsalgorithmus AES, die
Gegenstand vieler Lehrbücher ist, genutzt, sondern der Blockchiffrenmodus, in dem
AES als „Black Box“ verwendet wird. Daher liegt der Schwerpunkt der Darstellung
bei Blockchiffren auf diesen Modi. Sonderthemen wie Passwörter – die hier erstmals
zusammen mit den wichtigsten Angriffen wie Rainbow Tables vorgestellt werden –
und Zertifikate wurden in Kap. 4 zu kryptographischen Protokollen mit aufgenommen.
In diesem Kapitel werden auch die Bausteine vorgestellt, aus denen sich komplexe
Protokolle wie TLS, SSH und IPsec IKE zusammensetzen.
In Kap. 5 bis 7 werden wichtige Sicherheitstechnologien vorgestellt, die auf der Netz-
zugangsebene angesiedelt sind. Die grӧßte Erweiterung hat hier Kap. 6 zu WLANs
erfahren, da zusammen mit dem KRACK-Angriff die Standards WPA2 und WPA3
beschrieben werden.
Kap. 8 zu IPsec wurde völlig neu strukturiert; die äußerst komplexen Schlüsselver-
einbarungsprotokolle IKEvl und IKEv2 werden genauer beschrieben, zusammen mit
VII
VIII Vorwort
aktuellen Angriffen auf diese Protokolle. Das Kapitel zu IP Multicast ist entfallen, da die
dort vorgestellten Ansätze in der Praxis keine Relevanz mehr haben.
Aufgrund der Fülle neuen Wissens wurde das alte Kapitel zu TLS in vier neue Kapitel
aufgeteilt. Kap. 9 führt in TCP, UDP und HTTP ein und stellt HTTP- Sicherheits-
mechanismen vor, die unabhängig von TLS sind. Kap. 10 beschreibt das immer weiter
anwachsende TLS-Ökosystem auf der Basis von TLS 1.2, der heute wichtigsten TLS-
Version. Kap. 11 fasst die Besonderheiten der anderen Versionen von TLS zusammen
– dazu gehört auch eine Einführung in die neueste Version TLS 1.3. In Kap. 12 wird
schließlich, auf gut 50 Seiten ein Überblick über die Angriffe auf die verschiedenen
TLS-Versionen gegeben, gegliedert nach den jeweiligen Angriffszielen.
Das Secure SHell-Protokoll (Kap. 13) und das Kerberos-Protokoll (Kap. 14)
werden erstmals in dieser Auflage beschrieben. Kap. 15 widmet sich, nur geringfügig
aktualisiert, dem ewigen Thema DNSSEC.
Mit Kap. 16 und 17 betreten wir die Welt der kryptographischen Datenformate: PGP-
Implementierungen bauen auf OpenPGP auf, S/MIME-Implementierungen auf MIME
und CMS. Beide Kapitel wurden grundlegend überarbeitet. Dass die Komplexität dieser
Datenformate nicht unproblematisch ist, wird im neuen Kap. 18 gezeigt, in dem die unter
dem Schlagwort EFAIL bekannt gewordenen Angriffe zusammengefasst werden. Das
ebenfalls neue Kap. 19 rundet die Darstellung der E-Mail-Welt mit POP3 und IMAP und
den Anti-Spam-Technologien DKIM, SPF und DMARC ab.
Angriffe auf Webanwendungen sind trotz des Einsatzes von TLS möglich. Kap. 20
gibt daher eine kurze Einführung in dieses Thema und stellt moderne Single-Sign-
On-Protokolle vor. Die Vorstellung zweier weiterer, universell einsetzbarer krypto-
graphischer Datenformate, XML Signature/Encryption und JSON Signature/Encryption,
erfolgt in Kap. 21. Eine Diskussion aktueller Herausforderungen schließt das Buch ab.
Danksagung Ich mӧchte an dieser Stelle allen danken, die mir dabei halfen, die vielen
Themen detailliert darstellen zu können. Ohne die Forschungsarbeit am Lehrstuhl Netz-
und Datensicherheit, und die damit einhergehenden intensiven Diskussionen zu ver-
wandten Arbeiten und technischen Details von RFCs und Softwareimplementierungen,
wären viele Kapitel deutlich kürzer und fachlich weniger tiefgehend ausgefallen. Vor
Drucklegung hatte ich das Privileg, die einzelnen Kapitel echten Spezialisten auf dem
jeweiligen Gebiet vorlegen zu können.
Für die aktuelle Auflage gilt mein Dank daher, in alphabetischer Reihenfolge:
Marcus Brinkmann, Dr. Dennis Felsch, Matthias Gierlings, Martin Grothe, Dr. Mario
Heiderich, Matthias Horst, Prof. Dr. Tibor Jager, Sebastian Lauer, Dr. Christian Mainka,
Robert Merget, Dr. Vladislav Mladenov, Jens Müller, Dr. Marcus Niemietz, Dominik
Noss, Damian Poddebniak, Paul Rӧsler, Prof. Dr. Sebastian Schinzel, Prof. Dr. Juraj
Somorovsky, Prof. Dr. Douglas Stebila, Tobias Wich und Petra Winkel. Die Grundlagen
Vorwort IX
für dieses Buch wurden natürlich schon früher gelegt, und daher gilt dieser Dank
naturlich auch allen früheren Lehrstuhlmitarbeitern.
Nicht zuletzt danke ich meiner Frau Beate, die mir bei der Endredaktion half und
wertvolle Überarbeitungsvorschläge machte, und meinen Kindern, die mir die Zeit
gaben, an diesem Buch zu arbeiten.
Bochum Jörg Schwenk
im Mӓrz 2020
Inhaltsverzeichnis
1 Das Internet .................................................... 1
1.1 TCP/IP-Schichtenmodell .................................... 1
1.1.1 Netzzugangsschicht ................................ 3
1.1.2 IP-Schicht ........................................ 4
1.1.3 Transportschicht ................................... 5
1.1.4 Anwendungsschicht ................................ 6
1.2 Bedrohungen im Internet .................................... 7
1.2.1 Passive Angriffe ................................... 7
1.2.2 Aktive Angriffe ................................... 7
1.3 Kryptographie im Internet ................................... 10
2 Kryptographie: Vertraulichkeit .................................... 13
2.1 Notation ................................................. 14
2.2 Symmetrische Verschlüsselung ............................... 14
2.2.1 Blockchiffren ..................................... 16
2.2.2 Stromchiffren ..................................... 19
2.3 Asymmetrische Verschlüsselung .............................. 21
2.4 RSA-Verschlüsselung ...................................... 22
2.4.1 Textbook RSA .................................... 22
2.4.2 PKCS#1 ......................................... 23
2.4.3 OAEP ........................................... 24
2.5 Diffie-Hellman-Schlüsselvereinbarung ......................... 25
2.5.1 Diffie-Hellman-Protokoll ............................ 26
2.5.2 Komplexitätsannahmen ............................. 27
2.6 ElGamal-Verschlüsselung ................................... 31
2.6.1 ElGamal-Verschlüsselung ........................... 32
2.6.2 Key Encapsulation Mechanism (KEM) ................. 33
2.7 Hybride Verschlüsselung von Nachrichten ...................... 33
2.8 Sicherheitsziel Vertraulichkeit ................................ 34
XI
XII Inhaltsverzeichnis
3 Kryptographie: Integrität und Authentizität ......................... 39
3.1 Hashfunktionen ........................................... 39
3.1.1 Hashfunktionen in der Praxis ......................... 40
3.1.2 Sicherheit von Hashfunktionen ....................... 41
3.2 Message Authentication Codes und Pseudozufallsfunktionen ....... 44
3.3 Authenticated Encryption ................................... 47
3.4 Digitale Signaturen ........................................ 47
3.4.1 RSA-Signatur ..................................... 49
3.4.2 ElGamal-Signatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.3 DSS und DSA .................................... 51
3.5 Sicherheitsziel Integrität .................................... 52
3.6 Sicherheitsziel Vertraulichkeit und Integrität ..................... 53
4 Kryptographische Protokolle ...................................... 55
4.1 Passwörter ............................................... 55
4.1.1 Username/Password-Protokoll ........................ 55
4.1.2 Wörterbuchangriffe ................................ 57
4.1.3 Rainbow Tables ................................... 59
4.2 Authentifikationsprotokolle .................................. 61
4.2.1 One-Time-Password-Protokoll (OTP) .................. 61
4.2.2 Challenge-and-Response-Protokoll .................... 63
4.2.3 Certificate/Verify-Protokoll .......................... 63
4.2.4 Beidseitige Authentifikation .......................... 64
4.3 Schlüsselvereinbarung ...................................... 65
4.3.1 Public-Key-Schlüsselvereinbarung .................... 65
4.3.2 Symmetrische Schlüsselvereinbarung .................. 65
4.4 Authentische Schlüsselvereinbarung ........................... 66
4.5 Angriffe und Sicherheitsmodelle .............................. 67
4.5.1 Sicherheitsmodelle für Protokolle ..................... 67
4.5.2 Generische Angriffe auf Protokolle .................... 68
4.6 Zertifikate ................................................ 69
4.6.1 X.509 ........................................... 69
4.6.2 Public-Key-Infrastruktur (PKI) ....................... 71
4.6.3 Gültigkeit von Zertifikaten ........................... 73
4.6.4 Angriffe auf Zertifikate ............................. 74
5 Point-to-Point-Sicherheit ......................................... 77
5.1 Point-to-Point-Protokoll ..................................... 78
5.2 PPP-Authentifizierung ...................................... 79
5.3 Authentication, Authorization und Accounting (AAA) ............. 79
5.3.1 RADIUS ......................................... 80
5.3.2 Diameter und TACACS+ ............................ 81