Kryptografie/tmp

Motivation

siehe Kryptografie/Motivation

Geheime Übermittlung

Voraussetzungen

• Der Empfänger kennt den Schlüssel
• aber sonst niemand
• Ohne Kenntnis des Schlüssels
• ist es unmöglich oder sehr schwierig den Klartext herauszufinden

Schwierigkeiten

• Schlüssel muss vorher vereinbart werden
• Schlüssel muss geheim bleiben „geheimer Kanal“
• Das Kryptografiesverfahren muss sicher sein

Vorhängeschloss-Analogie

• Der Klartext ist „eingeschlossen“, und nur Alice und Bob haben den richtigen Schlüssel für das Schloss.

Kryptographisches Grundprinzip

Umwandlung eines Klartextes

• (p, plain text) in einem chiffrierten Text (c, ciphertext)
• mit Hilfe einer reversiblen kryptographischen Funktion f:

symmetrische und asymmetrische Algorithmen

• Kryptografie / Entschlüsselung
• Schlüssel als zusätzliches Argument zu Funktion f

Verschlüsseln mit symmetrischen Verfahren

Kryptografie und Entschlüsselung mit selbem Schlüssel

• DES, IDEA
• Effizient, aber Schlüsselaustauschproblem

Sender und Empfänger müssen den gleichen Schlüssel besitzen

• um miteinander Kommunizieren zu können
• Secret-Key-Verfahren
• Eignet sich gut, um große Datenmengen zu verschlüsseln
• Nachteil
• Um die Nachricht verwerten zu können, muss der Schlüssel mit übertragen werden
• was einen Schwachpunkt darstellt

Klassifizierungen

• Zeichenchiffren
• Blockchiffren
• Stromchiffren
• Zeichenchiffrierung
• Ermittelt jedes Zeichen des Geheimtextes aus dem entsprechenden Zeichen des Klartextes mit Hilfe des Schlüssels
• Cäsar-Addition
• Stromchiffrierung
• Der Klartext wird Byte-weise über eine XOR-Operation verschlüsselt
• Sie Erzeugt eine sich zyklisch verändernde Byte-Folge, die mit dem Klartext verknüpft wird
• Blockchiffrierung
• Klartext wird in Bitgruppen geteilt
• über mehrstufige Verfahren mit dem Schlüssel über gleichbleibende Operationen in Geheimtext umgewandelt
• DES

Asymmetrischer Kryptografie/public key-Kryptografie

Ver- und Entschlüsselung mit verschiedenen Schlüsseln

• “Vergleichbar mit einem Briefkasten - jeder kann etwas hinein werfen, aber nur einer kann es herausnehmen.”
• Schlüssel-Paare: Öffentlicher und privater Schlüssel
• z. B. : RSA, ElGamal, Elliptische Kurven (ECC)
• Problem
• Meist ineffizienter als symmetrische Verfahren
• deshalb häufig nur zum Austausch symmetrischer Schlüssel und für Unterschriften
• Der private Schlüssel darf aus dem öffentlichen nicht errechenbar sein
• Einwegfunktion mit Falltür
• Nur unter Kenntnis einer zusätzlichen Information effizient umkehrbar
• z. B. x = loga y mod n (RSA-Verfahren) unter Kenntnis der Primfaktoren

Asymmetrische Substitution

• Es werden 2 komplementäre Schlüssel benötigt
• 1 Key zum chiffrieren der Nachricht
• 2 Key zum dechiffrieren der Nachricht
• Einer der Schlüssel kann gefahrlos öffentlich bekannt gegeben werden (Public-Key)
• Wird mit einem Schlüssel chiffriert
• kann nur mit dem anderen Schlüssel dechiffriert werden

Vorteile von Public-Key-Verfahren

• Jeder Kommunikationspartner benötigt einen Schlüssel
• seinen Private Key
• Der zweite Schlüssel wird veröffentlicht
• Nachteil
• Hohe Komplexität der durchzuführenden Operationen
• Die Multiplikation 2 Zahlen stellt eine einfache Operation dar
• während der umgekehrte Vorgang, also die Faktorzerlegung eines Produkts, einen enormen Rechenaufwand bedeuten kann

Absicherung der asymmetrischen Substitution

• Schwäche
• keine eindeutige Zuordnung des öffentlichen Schlüssels zu seinem Besitzer
• Ein „Man-in-the-Middle“ könnte sich dazwischen schalten und die Nachrichten unbemerkt entschlüsseln
• Informationen des öffentlichen Schlüssels und seines Besitzers sollten aus vertrauenswürdiger Quelle stammen
• Möglichkeiten im Rahmen der Public Key Infrastructure (PKI)
• Schlüssel kann über ein sicher betrachtetes Medium übertragen werden
• Beispiel
• Persönliche Übergabe, Telefon, Brief, Fax
• Identität des Schlüsselinhabers Zertifizieren lassen

Trust Center

Certification Authority [CA]

• Zertifizierungsinstanz (Trust Center)
• Zur Überprüfung der Schlüsselinhaber
• Sender und Empfänger verwalten Listen von Zertifizierungsinstanzen
• Überprüfung Zusammenhang öffentlicher Schlüssel und deren Absender
• Zertifikat nach ITU-Standard X.509
• ALTERNATIVE
• Authentizität eines öffentlichen Schlüssels durch einen bekannten Kommunikationspartner bestätigen lassen
• „Web of True“ von PGP

Substitution vs. Signatur

• Algorithmen asymetrischer Kryptografieen unterscheiden sich
• ob eine Nachricht verschlüsselt oder signiet werden soll

Substitution

• Absender verschlüsselt die Nachricht mit dem öffentlichen Schlüssel des Empfängers
• so, dass er sie mit seinem privaten Schlüssel wieder im Klartext lesen kann

Signatur

• Absender erzeugt mit seinem privatem Schlüssel eine Signatur
• Empfänger kann durch Verwendung des öffentlichen Schlüssel des Absenders die Nachricht verifiziert

Tunneling

siehe Kryptografie/Tunneling

Wie baut man eine sicheren Block Cipher?

Probleme bei der Entwicklung von Kryptografiesverfahren

Vertraulichkeit	Schutz der Daten vor unberechtigter Einsichtnahme
Authentisierung	Sicherstellung der Herkunft, Verbindlichkeit
Anonymität	Schutz vor Bekanntwerden des Absenders und Empfängers
Integrität	Unveränderlichkeit von Daten und Verlässlichkeit von Programmen

Mary Stuart 1516 - 1558

Bekanntes Opfer der Kryptoanalye

Shannon‘s Principle of Confusion

Substitution Cipher

Shannon‘s Principle of Diffusion

Transposition Cipher

Schlüsselaustausch

siehe Kryptografie/Key-Exchange

Symmetrische Kryptografieverfahren

Einfachster Einsatz

• basiert auf der logischen Exklusiv-Oder-Funktion
• 2 XOR Verknüpfung eines A Zeichens mit einem B hat wieder das ursprüngliche Zeichen A zum Ergebnis
• Es entspricht also der Inversen Verknüpfung:
• (A+B)+B=A+(B+B)Assoziativgesetz=A+0Eigenschaft von XOR=AEigenschaft von XOR
• Der Sender verschlüsselt ein Zeichen A mit einem Schlüssel B per XOR und versendet das Ergebnis
• Der Empfänger verknüpft das Ergebnis erneut mit Schlüssel B und erhält dann wieder das Zeichen A

RC4

RC Rivest Cipher

• Stromverschlüsselungsverfahren
• Basiert auf XOR-Verknüpfung
• Sehr schnell und einfach
• Eignet sich gut in Software
• Der Algorythmus macht aus dem eingegebenen Schlüssel S einen langen, pseudo-zufälligen internen Schlüssel P
• Dieser wird zur Chiffrierung des Klartextes verwendet
• RC4 Speichert 258 verschiedene Zusatzinformationen
• 256 sind Permutationen von 0-255 und somit gleich verteilt

DES

Familie der Blockchiffren

• Teilt eine Nachricht in 64 Bit große Datenblöcke
• 3 bearbeitungsschritte werden benötigt, um den Klartext wieder herzustellen.
• Am weitesten verbreiteter Algorythmus, auch wenn nicht mehr ganz Zeitgemäß
• Nachfolger: 3DES
• Wird in Finanzdienstleistungen eingesetzt und führt die Kryptografie 3 mal hintereinander aus

Data Encryption Standard (DES)Sicherheit von DES

• DES
• erlaubt mit 56 Bit Schlüssellänge
• 72 Billiarden mögliche Schlüssel
• ist heute nicht mehr ausreichend
• per Brute-Force-Methode in 5 Tagen (?) geknackt

Permutation

• DES besteht aus 3 Bearbeitungsschritten
• Initiale Permutation
• Ver-/Entschlüsselung in mehreren Runden
• finale Permutation
• DES wurde in den 70er Jahren zur Implementation in Hardware entwickelt
• durch die damals noch kleinen CPU Register
• Finale Permutation = Inverse der initialen Permutation
• Nach der Durchführung der initialen und finalen Permutation, steht ein Bit wieder an ursprünglicher Stelle

Kryptografie

• DES basiert auf einer 64 Bit Kryptografie
• wovon jedoch nur 56 Bit kryptographisch relevant sind
• Jedes 8 Bit = Parity-Bit
• DES erzeugt 16 verschiedene 48 Bit lange Schlüssel
• Es werden aus 56 relevanten Bit mit einer Permutation 2 28 Bit Muster generiert (C[i-1] und D[i-1]).
• Die Teilschlüssel werden nun um 1 oder 2 Bit nach links rotiert.
• Die erzeugten Schlüssel C[i] und D[i] werden zu C[i-1] und D[i-1].
• 2 24Bit Folgen aus C[i] und D[i] werden zum Schlüssel K[n]

Kryptografie

• DES teilt den Klartext in 64 Bit Blöcke und
• splittet sie nochmal in 2 32 Bit lange Bestandteile (L[n] und R[n]).
• R[n] wird über eine Mangler-Funktion ,mittels tabellenbasierter Umrechnung auf Grundlage der Eingangsvariable R[n] und des Schlüssels K[n], vermischt.

Genügen 128 Bit?

• IDEA
• International Data Encryption Algorithm
• arbeitet mit 128 Bit Schlüssellänge, sonst ähnlich wie der DES
• 3.43669 * 1038
• knacken benötigt etwa 1012 Jahre
• Daher gilt der IDEA heute als sicher

Asymmetrische Kryptografieverfahren

Setzen auf 2 unterschiedliche Schlüssel

• Privater Schlüssel (privat key) [Dechiffriert-Algorythmisch]
• Öffentlicher Schlüssel (public key) [Chiffriert-Algorythmisch]
• Es lässt sich nicht vom public key auf den private key schließen
• Der public key kann von Dritten zur Kryptografie von Informationen genutzt werden
• die der Besitzer des private keys nur entschlüsseln kann

Bekanntester Vertreter

• RSA-Algorythmus
• Die Multiplikation 2er Zahlen stellt eine einfache Operation dar
• während der umgekehrt Vorgang eine enorme Rechenleistung bedeutet

RSA

Basiert auf folgenden 4 Schritten

• Wähle 2 große Primzahlen p und q, die geheim bleiben
• Berechne das Produkt n = p*q
• Für öffentlichen Schlüssel wähle e < n
• die teilerfremd zur Eulerschen Funktion E(n) = (p-1)*(q-1) ist
• Für privaten Schlüssel bestimme eine Zahl
• d = e^-1 mod E(n)
• Dann gilt
• e*d = 1 mod E(n)
• [d,n] ist der private Schlüssel

Algorithmus bei der Kryptografie

• Alice verschlüsselt
• ihren Klartext m gemäß c = m^e mod n und
• sendet ihn an Bob.
• In diesem Fall ist [e,n] der öffentliche Schlüssel von Bob
• Bob entschlüsselt
• den Geheimtext c mit seinem privaten Schlüssel [d,n] gemäß m = c^d mod n
• und erhält auf Grund des Zusammenhangs von d und e den Klartext m

• Der Empfänger führt bei der Entschlüsselung die gleiche Operation wie der Sender bei der Kryptografie durch
• Algorythmus zur Erzeugung und Überprüfung von Signaturen
• Alice sendet eine signierte Nachricht, indem sie s = m^d mod n erzeugt und überträgt
• [d,n] = Privater Schlüssen von Alice
• Bob entschlüsselt die Signatur gemäß m = s^e mod n und erhält auf Grund des Zusammenhangs von d und e den Klartext m
• [e,n] = öffentlicher Schlüssel von Alice

Advanced Encryption Standard

• Nachfolgestandard für DES
• 3DES mit 128 Bit gilt noch als sicher
• wegen der Dreifachverschlüsselung deutlich langsamer als AES
• AES unterstützt 128, 192 und 256 Bit lange Schlüssel
• Beispiel Hamachi
• AES mit 256 Bit Schlüssellänge
• im Modus Cipher-Block-Chaining

Advanced Encryption Standard (AES)http://www.nist.gov/aes

• DES is nearly 25 years old!
• Triple DES with a 168 bit key is the current Federal Information Processing Standard FIPS 46-3 (renewed in October 1999).
• Single DES with 56 bit key is permitted for legacy systems only.
• Evaluation of an Advanced Encryption Standard
• The National Institute of Standards and Technology (NIST,U.S. Department of Commerce) started a public contest in 1997.
• 5 final candidate algorithms. Decision by NIST in Spring 2001
• Requirements for AES
• AES shall be publicly defined.
• AES shall be a symmetric block cipher.
• AES shall be implementable in both hardware and software.
• AES shall be designed so that the key length may be increased as needed.
• AES block size n = 128 bits, key size k = 128, 192, 256 bits

AES Round 2 Finalists

• MARS(IBM)
• Modified Feistel Network - 32 Rounds
• Based on Mixed Structure DES
• RC6 (RSA)
• Feistel Network - 20 Rounds
• Based on Modified RC5
• Rijndal(Joan Daemen / Vincent Rijmen)
• Modified Substitution Permutation Network - 10 Rounds
• Based on Square
• Serpent (Ross Anderson / Eli Biham / Lars Knudsen)
• Substitution Permutation Network - 32 Rounds
• Based on Bitlice Operations
• Twofish(Bruce Schneier)
• Feistel Network - 16 Rounds
• Based on Modified Blowfish

Cipher Block Chaining (CBC)

• Um eine Frquenzanalyse zu verhindern wird eine Verkettung von Datenblöcken durchgeführt
• Dabei wird der zu verschlüsselnde Datenblock exklusiv mit dem letzten verschlüsselten Datenblock verknüpft
• Gleiche Datenblöcke werden so unterschiedlich modifiziert und unterschiedlich verschlüsselt
• Problem: Erste Datenblock
• Erzeugung eines Initialisierungs-Vekros (IV)
• Der IV wird zur Entschlüsselung benötigt
• daher wird er dem Empfänger übermittelt
• Vertraulichkeit ist nicht erforderlich
• IPsec – Protokolle übertragen den IV in jedem Datenpaket

Advanced Encryption Standard

CBC-Mode Entstehung von Mustern

• Rückschlüsse auf den Klartext
• Anders als der ECB-Mode (Electronic Code Book) verhindert der CBC-Mode (Cipher Block Chaining) bei Kryptografiesalgorithmen die Entstehung von Mustern im Chiffrat,
• Dazu lässt CBC das Ergebnis der vorherigen Blockoperation in die aktuelle einfließen (Chaining)
• Sowohl ECB als auch CBC sind für so genannte Bit-Flipping-Attacken anfällig
• Angreifer versucht im Chiffrat einzelne Bit manipulieren
• ohne Kenntnis des Schlüssels
• ohne später beim Entschlüsseln durch den Empfänger einen Fehler zu provozieren
• auch für verschlüsselte Pakete die Integrität gesichert werden, etwa mit HMAC
• Da sich so der Inhalt manipulieren lässt
• In CBC werden jeweils Blöcke von jeweils 16 Datenbytes verschlüsselt
• Das CBC-Verfahren initialisiert mit einem zufällig gewählten 128 Bit langen Initialisierungsvektor
• wird bei ESP-Paket den chiffrierten Nutzdaten vorangestellt
• Da Daten blockweise verschlüsselt werden
• muss der letzte Datenblock mit Füll-Bytes zur vollen Blocklänge aufgefüllt
• die Anzahl dieser Stopf-Bytes wird im Längen-Byte festgehalten

IDEA

Familie der Blockchiffrierung

• jedoch wendet er 128 Bit Schlüssel auf 64 Bit Datenpakete des Klartextes an
• Basiert auf einer Mischung 3 mathematischen Funktionen
• die jeweils auf 16 Bit Blöcke des Testes angewendet werden.
• Neben XOR kommt die Addition modulo 2^16 und die Multiplikation modulo 2^16+1 zum Einsatz
• Alle 3 Operationen werden zu einem recht komplizierten Netzwerk verknüpft, das 8 Runden durchlaufen wird
• Trotz komplizierter Verfahren, schneller und sicherer als DES

Hybride Kryptografiesverfahren

Vorteile aus asymmetrischen und symmetrischen Kryptografie

• Hohe Effizienz
• gesteigerte Sicherheit
• Flexibilität
• Austausch der erforderlichen Schlüssel
• erfolgt über ein asymmetrisches Verfahren
• Kryptografie größerer Datenmengen
• kommen symetrische Algorythmen zum Einsatz

Vergleich Klassisch - Modern

Sowohl die klassischen Verfahren wie Vigenère als auch die modernen Verfahren wie IDEA…

• …benötigen einen Schlüssel der beiden Parteien im Vornherein bekannt ist
• …sind symmetrisch (Entschlüsselung ist Umkehrung der Kryptografie)
• …sind in gewissen Masse anfällig auf Kryptoanalyse (z. B. Brute-Force)

Fazit

Die Geschichte der Kryptografie ist ein Wettbewerb

• zwischen Kryptografiesspezialisten und Kryptoanalysten
• Momentan liegen die Verschlüssler mit dem IDEA vorne
• da dieses Verfahren nur mit Brute-Force geknackt werden kann
• dies wegen der großen Schlüssellänge auch auf modernsten Computern noch zu lange dauert

Public Key Infrastrukturen - X.509

Public Key Infrastrukturen nach X.509

• Grundlagen für Public-Key-Verfahren
• Digitale Signaturen und Zertifikate
• Funktion und Aufgabe einer Infrastruktur für Public-Keys
• Aufbau einer PKI
• Ablauf der Zertifizierung
• Anwendungen für Zertifikate

TMP

Abstract

• Unfortunately, the computer security and cryptology communities have drifted apart over the last 25 years. Security people don’t always understand the available crypto tools, and crypto people don’t always understand the real-world problems.
• — Ross Anderson (Anderson, 2008)
• This guide arose out of the need for system administrators to have an updated, solid, well researched and thought-through guide for configuring SSL, PGP, SSH and other cryptographic tools in the post-Snowden age. Triggered by the NSA leaks in the summer of 2013, many system administrators and IT security officers saw the need to strengthen their encryption settings. This guide is specifically written for these system administrators.
• As Schneier noted in (Schneier, 2013), it seems that intelligence agencies and adversaries on the Internet are not breaking so much the mathematics of encryption per se, but rather use software and hardware weaknesses, subvert standardization processes, plant backdoors, rig random number generators and most of all exploit careless settings in server configurations and encryption systems to listen in on private communications. Worst of all, most communication on the internet is not encrypted at all by default (for SMTP, opportunistic TLS would be a solution).
• This guide can only address one aspect of securing our information systems: getting the crypto settings right to the best of the authors' current knowledge. Other attacks, as the above mentioned, require different protection schemes which are not covered in this guide. This guide is not an introduction to cryptography. For background information on cryptography and cryptoanalysis we would like to refer the reader to the references in appendix Links and Suggested Reading at the end of this document.
• The focus of this guide is merely to give current best practices for configuring complex cipher suites and related parameters in a copy & paste-able manner. The guide tries to stay as concise as is possible for such a complex topic as cryptography. Naturally, it can not be complete. There are many excellent guides (II & SYM, 2012) and best practice documents available when it comes to cryptography. However none of them focuses specifically on what an average system administrator needs for hardening his or her systems' crypto settings.
• This guide tries to fill this gap.

The guide was produced in an open source manner

every step of editing can be traced back to a specific author via our version control system.

Introduction

Audience

Sysadmins. Sysadmins. Sysadmins. They are a force-multiplier.

Related publications

• Ecrypt II [ii2011ecrypt]
• Ecrypt II (II & SYM, 2012), ENISA’s report on Algorithms, key sizes and parameters (ENISA and Vincent Rijmen, Nigel P. Smart, Bogdan warinschi, Gaven Watson, 2013) and BSI’s Technische Richtlinie TR-02102 (für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), 2018) are great publications which are more in depth than this guide. However, this guide has a different approach: it focuses on copy & paste-able settings for system administrators, effectively breaking down the complexity in the above mentioned reports to an easy to use format for the intended target audience.

How to read this guide

• This guide tries to accommodate two needs: first of all, having a handy reference on how to configure the most common services’ crypto settings and second of all, explain a bit of background on cryptography. This background is essential if the reader wants to choose his or her own cipher string settings.
• System administrators who want to copy & paste recommendations quickly without spending a lot of time on background reading on cryptography or cryptanalysis can do so, by simply searching for the corresponding section in Best Practice.
• It is important to know that in this guide the authors arrived at two recommendations: Cipher string A and Cipher string B. While the former is a hardened recommendation a latter is a weaker one but provides wider compatibility. Cipher strings A and B are described in Recommended cipher suites.
• However, for the quick copy & paste approach it is important to know that this guide assumes users are happy with Cipher string B.
• While Best Practice is intended to serve as a copy & paste reference, Theory explains the reasoning behind cipher string B. In particular Architectural overview explains how to choose individual cipher strings. We advise the reader to actually read this section and challenge our reasoning in choosing Cipher string B and to come up with a better or localized solution.

Disclaimer

• A chain is no stronger than its weakest link, and life is after all a chain.
• — William James
• Encryption works. Properly implemented strong crypto systems are one of the few things that you can rely on. Unfortunately, endpoint security is so terrifically weak that NSA can frequently find ways around it.
• — Edward Snowden answering questions live on the Guardian’s website
• This guide specifically does not address physical security, protecting software and hardware against exploits, basic IT security housekeeping, information assurance techniques, traffic analysis attacks, issues with key-roll over and key management, securing client PCs and mobile devices (theft, loss), proper Operations Security, social engineering attacks, protection against tempest (i_wikipedia_Tempest (codename)_, 2018) attack techniques, thwarting different side-channel attacks (timing–, cache timing–, differential fault analysis, differential power analysis or power monitoring attacks), downgrade attacks, jamming the encrypted channel or other similar attacks which are typically employed to circumvent strong encryption.
• The authors can not overstate the importance of these other techniques. Interested readers are advised to read about these attacks in detail since they give a lot of insight into other parts of cryptography engineering which need to be dealt with[1]) ].
• This guide does not talk much about the well-known insecurities of trusting a public-key infrastructure (PKI)[2]. Nor does this text fully explain how to run your own Certificate Authority (CA).
• Most of this zoo of information security issues are addressed in the very comprehensive book Security Engineering by Ross Anderson (Anderson, 2008).
• For some experts in cryptography this text might seem too informal. However, we strive to keep the language as non-technical as possible and fitting for our target audience: system administrators who can collectively improve the security level for all of their users.
• Security is a process, not a product.
• — Bruce Schneier
• This guide can only describe what the authors currently believe to be the best settings based on their personal experience and after intensive cross checking with literature and experts. For a complete list of people who reviewed this paper, see the <acknowledgements>. Even though multiple specialists reviewed the guide, the authors can give no guarantee whatsoever that they made the right recommendations. Keep in mind that tomorrow there might be new attacks on some ciphers and many of the recommendations in this guide might turn out to be wrong. Security is a process.
• We therefore recommend that system administrators keep up to date with recent topics in IT security and cryptography.
• In this sense, this guide is very focused on getting the cipher strings done right even though there is much more to do in order to make a system more secure. We the authors, need this document as much as the reader needs it.

Scope

In this guide, we restricted ourselves to:* Internet-facing services

• Commonly used services
• Devices which are used in business environments (this specifically excludes XBoxes, Playstations and similar consumer devices)
• OpenSSL

We explicitly excluded:* Specialized systems such as medical devices, most embedded systems, industrial control systems (ICS), etc.

• Wireless Access Points
• Smart-cards/chip cards

Methods

1. C.O.S.H.E.R - completely open source, headers, engineering and research.
2. — A. Kaplan His mail signature for many years
3. For writing this guide, we chose to collect the most well researched facts about cryptography settings and let as many trusted specialists as possible review those settings. The review process is completely open and done on a public mailing list.
4. The document is available (read-only) to the public Internet on the web page and the source code of this document is on a public git server, mirrored on GitHub.com and open for public scrutiny. However, write permissions to the document are only granted to vetted people. The list of reviewers can be found in Acknowledgements.
5. Every write operation to the document is logged via the git version control system and can thus be traced back to a specific author. We accept git pull requests on the github mirror for this paper.
6. Public peer-review and multiple eyes checking of our guide is the best strategy we can imagine at the present moment [3].
7. We invite the gentle reader to participate in this public review process. Please read the Contributing document.

Appendix

Links

1. IANA official list of Transport Layer Security (TLS) Parameters
2. Elliptic curves and their implementation (04 Dec 2010)
3. A (relatively easy to understand) primer on elliptic curve cryptography
4. Duraconf, A collection of hardened configuration files for SSL/TLSservices (Jacob Appelbaum’s github)
5. Attacks on SSL a comprehensive study of BEAST, CRIME, TIME, BREACH, LUCKY 13 & RC4 Biases
6. EFF How to deploy HTTPS correctly
7. Bruce Almighty: Schneier preaches security to Linux faithful (on not recommending to use Blowfish anymore in favor of Twofish)
8. Implement FIPS 183-3 for DSA keys (1024bit constraint)
9. Elliptic Curve Cryptography in Practice
10. Factoring as a Service
11. Black Ops of TCP/IP 2012
12. SSL and the Future of Authenticity, Moxie Marlinspike - Black Hat USA 2011
13. ENISA - Algorithms, Key Sizes and Parameters Report (Oct.’13
14. Diffie-Hellman Groups standardized in RFC3526
15. TLS Security (Survey + Lucky13 + RC4 Attack) by Kenny Paterson
16. Ensuring High-Quality Randomness in Cryptographic Key Generation
17. Wikipedia: Ciphertext Stealing
18. Wikipedia: Malleability (Cryptography)
19. Ritter’s Crypto Glossary and Dictionary of Technical Cryptography

Suggested Reading

1. This section contains suggested reading material.
2. Cryptography Engineering: Design Principles and Practical Applications, Ferguson, N. and Schneier, B. and Kohno, T. (ISBN-13: 978-0470474242)
3. Security Engineering: A Guide to Building Dependable Distributed Systems, Anderson, R.J. (ISBN-13: 978-0470068526)
4. Applied cryptography: protocols, algorithms, and source code in C, Schneier, B. (ISBN-13: 978-0471117094)
5. Guide to Elliptic Curve Cryptography, Hankerson, D. and Vanstone, S. and Menezes, A.J. (ISBN-13: 978-0387952734)
6. A Introduction To The Theory of Numbers, Godfrey Harold Hardy, E. M. Wrigh (ISBN-13: 978-0199219865)
7. Malicious Cryptography: Exposing Cryptovirology, Young A., Yung, M. (ISBN-13: 978-0764549755)

Further Research

The following is a list of services, software packages, hardware devices or protocols that we considered documenting but either did not manage to document yet or might be able to document later. We encourage input from the community.

Further Protocols

DNSSec (mention BCPs)	DANE	Tor
S/Mime (check are there any BCPs? )	TrueCrypt, LUKS, FileVault	AFS
Kerberos	NNTP	NTPs tlsdate
Moxa , APC, und co…​ ICS
rsyslog	tftp	(s)ftp(s)
haproxy

Further Protocols (Network centric)

IPv6 security
Wi-Fi, 802.1x	SIP	SRTP
Kerberos	NNTP	NTPs tlsdate
BGP / OSPF	LDAP	seclayer-tcp
RADIUS (RADSEC)	racoon	strongswan
l2tp
Ethernet to serial	DSL modems
UPnP, natPmp
HTTP Key Pinning (HTKP)
Monitoring: SNMPv3

Further Applications

Lync	Tomcat
Microsoft SQL Server	Microsoft Exchange
IBM HTTP Server

Commerical Network Equipment Vendors

Other ideas:

• SAML federated auth providers [42]
• Elastic Load Balancing (ELB)[43]

Software not covered by this guide

1. telnet: Usage of telnet for anything other than fun projects is highly discouraged
2. Puppet DB: A Proxy or a tunnel is recommended if it needs to be facing public network interfaces.[44]
3. rsync: Best use it only via SSH for an optimum of security and easiest to maintain.

Bibliography

1. Adam Langley, Ben Laurie, Emilia Kasper. (2013). Certificate Transparency. http://www.certificate-transparency.org https://datatracker.ietf.org/doc/rfc6962/ .
2. Adam Langley, et. al. (2013). Go X.509 Verification Source Code. https://code.google.com/p/go/source/browse/src/pkg/crypto/x509/verify.go#173 .
3. Anderson, R. (2008). Security engineering. Wiley.com. Retrieved from rja14/book.html http://www.cl.cam.ac.uk/ rja14/book.html
4. Bernstein, D. J., & Lange, T. (2013). Security dangers of the NIST curves (Presentation slides). Retrieved from http://cr.yp.to/talks/2013.09.16/slides-djb-20130916-a4.pdf
5. C. Evans and C. Palmer. (2013). Public Key Pinning Extension for HTTP. https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-websec-key-pinning-09 .
6. Damon Poeter. (2011). Fake Google Certificate Puts Gmail at Risk. http://www.pcmag.com/article2/0,2817,2392063,00.asp .
7. Durumeric, Z., Kasten, J., Bailey, M., & Halderman, J. A. (2013). Analysis of the HTTPS Certificate Ecosystem. In Proceedings of the 13th Internet Measurement Conference. Retrieved from https://jhalderm.com/pub/papers/https-imc13.pdf
8. Elinor Mills. (2011). Fraudulent Google certificate points to Internet attack. http://news.cnet.com/8301-27080_3-20098894-245/fraudulent-google-certificate-points-to-internet-attack/ .
9. Engblom, J. (2011). Evaluating HAVEGE Randomness (Blog: Observations from Uppsala). Retrieved from http://jakob.engbloms.se/archives/1374
10. ENISA and Vincent Rijmen, Nigel P. Smart, Bogdan warinschi, Gaven Watson. (2013). ENISA - Algorithms, Key Sizes and Parameters Report. Retrieved from http://www.enisa.europa.eu/activities/identity-and-trust/library/deliverables/algorithms-key-sizes-and-parameters-report
11. für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), B. (2018). BSI TR-02102 Kryptographische Verfahren. Retrieved from https://www.bsi.bund.de/EN/Publications/TechnicalGuidelines/tr02102/tr02102_node.html
12. H. Tschofenig and E. Lear. (2013). Evolving the Web Public Key Infrastructure. https://tools.ietf.org/html/draft-tschofenig-iab-webpki-evolution-01.txt .
13. Heninger, N., Durumeric, Z., Wustrow, E., & Halderman, J. A. (2012). Mining Your Ps and Qs: Detection of Widespread Weak Keys in Network Devices. In Proceedings of the 21st USENIX Security Symposium. Retrieved from https://factorable.net/weakkeys12.extended.pdf
14. Hoffman, P., & Schlyter, J. (2012). The DNS-Based Authentication of Named Entities (DANE) Transport Layer Security (TLS) Protocol: TLSA. IETF. Retrieved from https://www.ietf.org/rfc/rfc6698.txt
15. i_mit_Realm configuration decisions_. (2013). (Documentation). Retrieved from http://web.mit.edu/kerberos/krb5-latest/doc/admin/realm_config.html
16. i_wikipedia_Discrete logarithm_. (2013). (Wikipedia). Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Discrete_logarithm
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Weblinks

1. https://bettercrypto.org/

TMP

Verbergen von Nachrichten - Warum? - NSA

National Security Agency (NSA)

• Behörde in den USA seit 1952
• Budget wird nicht veröffentlicht
• Hat bekannterweise die stärksten Computer der Welt
• Beschäftigt die besten Mathematiker der Welt

Verbergen von Nachrichten – Echelon

• Gemeinsames Projekt von NSA
• mit Kanada, Großbritannien, Australien, Neuseeland
• Abhörstationen, um Satellitenkommunikation abzufangen
• Auch HF Radio, Mikrowellenkommunikation, Unterseekabel
• Analyse der aufgefangenen Signale
• NSA bestätigt oder leugnet Existenz nicht
• Erfasst/Dekodiert gerüchteweise E-Mail, Internet-Download und Sprache (Telefon)
• Funktioniert gerüchteweise wie Suchmaschine mit Schlüsselworten
• NSA braucht keine Gerichtsbeschlüsse, um ausländische Kommunikation abzuhören oder zu verwerten
• Verdacht, dass Echelon benutzt wird, um Unternehmensinformation auszuspionieren

Echelon

• Systematische Beobachtung internationaler elektronischer Kommunikation
• HF Radio
• Mikrowellenkommunikation
• Unterseekabel
• Satellitenkommunikation
• Analyse der aufgefangenen Signale
• Decodierung nach Typ (Sprache, E-Mail, Fax, Telex etc.)‏
• Suche nach Schlüsselwörtern (Watch List)‏
• Sprechererkennung (Spracherkennung technisch noch schwierig)‏
• Verkehrsanalyse
• Verwendungszwecke
• Militärisch, Strafverfolgung, Wirtschaftsspionage

Kryptografie

Grundlagen

Teilbereiche der Kryptografie

Kryptografie

• Durchführung und Studium Ver- und Entschlüsselung
• Daten werden mathematisch so kodiert, dass nur ausgewählte Personen die Daten decodieren können
• Dazu werden lesbare Daten (Klartext) durch einen mathematischen Algorithmus mit einem geheimen Schlüssel kodiert (Chiffretext)
• Ziel ist eine möglichst sichere Kryptografie

Kryptoanalyse

• Hier ist das Ziel eine Kryptografie zu brechen und so
• Sicherheitslücken zu entdecken

Klassische Kryptografie

• Der Klartext (K) wird mittels eines Schlüssels verschlüsselt.
• Mithilfe desselben Schlüssels kann der Geheimtext (G) wieder entschlüsselt werden.

Axiome der Kryptoanalyse

• Angreifen kennen jedes Detail des Kryptografie - Algorithmus
• Angreifen ist in Besitz des Ver-/Entschlüsselungs - Equipments
• Hardware Maschine oder Sotware-Implementierung
• Angreifer hat Zugriff auf ausreichend plaintext / ciphertext - Paare
• mit dem gleichen (unbekannten Schlüssel) erstellt
• Starke Kryptografie (Strong cipher)
• Der beste Angriff sollte eine brute force - Schlüsselsuche sein

Kerckhoffs’sche Prinzip in der moderne Kryptografie

Viele gute Gründe für das Kerckhoffs’sche Prinzip

• Es ist schwieriger
• einen Algorithmus geheim zu halten als einen Schlüssel
• einen kompromittierten Algorithmus auszutauschen, als einen kompromittierten Schlüssel
• Geheime Algorithmen
• Einige „geheimen“ Kryptografiesverfahren haben sich als schwach und unzulänglich erwiesen
• Bei „geheimen“ Kryptografiesverfahren muss mit Hintertüren gerechnet werden
• können durch Reverse-Engineering aus Software- oder Hardware-Implementierungen rekonstruiert werden
• Fehler in öffentlichen Algorithmen
• können im Allgemeinen leichter entdeckt werden wenn sich möglichst viele Fachleute damit befassen

Konsequente Anwendung des Kerckhoffs’schen Prinzips

Viele Experten können sich eine Meinung bilden

• Fülle von Expertenmeinungen
• Verfahren kann gründlich auf potenzielle Schwächen und Sicherheitslücken untersucht werden
• AES wurde in öffentlichem Ausschreibungsverfahren bestimmt
• in dem viele Experten Vorschläge für einen neuen, möglichst sicheren Chiffrieralgorithmus einreichten und untersuchten
• Schlechte Erfahrungen
• Die Erfahrung in der Kryptografie zeigt, dass sich viele von ihren Entwicklern geheim gehaltene Verfahren nach oder mit ihrer Offenlegung als schwach erwiesen haben und gebrochen wurden.
• Beispiele
• sind die GSM-Algorithmen A5/1 und A5/2, kryptographische Algorithmen der Zutrittskontrollkarten Mifare Basic und Legic prime und das Kryptografiesverfahren Magenta.
• Auf der anderen Seite ist ein geheimer kryptographischer Algorithmus nicht notwendigerweise unsicher, wie das Beispiel von RC4 zeigt.
• Anwendung
• Das Kerckhoffs’sche Prinzip findet bei den meisten heute verwendeten Kryptografiesalgorithmen wie DES, AES, RSA Anwendung.

Geheime Übermittlung

Voraussetzungen

• Der Empfänger kennt den Schlüssel
• aber sonst niemand
• Ohne Kenntnis des Schlüssels
• ist es unmöglich oder sehr schwierig den Klartext herauszufinden

Schwierigkeiten

• Schlüssel muss vorher vereinbart werden
• Schlüssel muss geheim bleiben, „geheimer Kanal“
• Das Kryptografieverfahren muss sicher sein

Vorhängeschloss-Analogie

• Der Klartext ist „eingeschlossen“, und nur Alice und Bob haben den richtigen Schlüssel für das Schloss.

Kryptographisches Grundprinzip

Umwandlung eines Klartextes

• (p, plain text) in einem chiffrierten Text (c, ciphertext)
• mithilfe einer reversiblen kryptografischen Funktion f:

symmetrische und asymmetrische Algorithmen

• Kryptografie / Entschlüsselung
• Schlüssel als zusätzliches Argument zu Funktion f

Verschlüsseln mit symmetrischen Verfahren

Kryptografie und Entschlüsselung mit selbem Schlüssel

• z. B. : DES, IDEA
• Effizient, aber Schlüsselaustauschproblem

Man-in-the-Middle

• Der Man-in-the-Middle (Mellory)
• schaltet sich zwischen eine Kommunikation
• fängt die gesendeten Datenpakete ab
• Diese kann er nun entschlüsseln, verändern, verschlüsseln und unbemerkt an den Empfänger weiterleiten
• Alice und Bob glauben direkt miteinander zu kommunizieren
• Dies ist jedoch nur möglich, wenn der Mellory die Möglichkeit hatte, an der Verteilung der öffentlich Schlüssel eine Manipulation vorzunehmen
• Wird der Schlüssel über ein zuverlässiges Medium übertragen
• ist der Diffie-Hellman-Algorythmus gegen solche Angriffe geschützt

Public Key Kryptografie

Ver- und Entschlüsselung mit verschiedenen Schlüsseln

• “Vergleichbar mit einem Briefkasten - jeder kann etwas hinein werfen, aber nur einer kann es herausnehmen.”
• Schlüssel-Paare: Öffentlicher und privater Schlüssel
• z. B. : RSA, ElGamal, Elliptische Kurven (ECC)
• Problem
• Meist ineffizienter als symmetrische Verfahren
• deshalb häufig nur zum Austausch symmetrischer Schlüssel und für Unterschriften
• Der private Schlüssel darf aus dem öffentlichen nicht errechenbar sein
• Einwegfunktion mit Falltür
• Nur unter Kenntnis einer zusätzlichen Information effizient umkehrbar
• z. B. x = loga y mod n (RSA-Verfahren) unter Kenntnis der Primfaktoren

Transposition vs. Substitution

Transposition

• jeweils 2 aufeinander folgende Buchstaben vertauschen
• wodurch sich neue Wörter ergeben
• wir auch als Scambling (Verwürfelung) bezeichnet
• Beispiel
• Netz = Enzt
• Einsatzgebiet
• drahtlose Übertragungstechniken

Substitution

• Bei der Substitution werden die Buchstaben des Klartextes im Geheimtext durch andere ersetzt
• Dabei wird jeder Buchstabe durch den ersetzt, der im Alphabet 3 Stellen weiter hinten steht.
• Cäsar-Addition
• Beispiel
• Netz = Qhzc

Symmetrische Substitution

Sender und Empfänger müssen den gleichen Schlüssel besitzen

• um miteinander Kommunizieren zu können
• Secret-Key-Verfahren
• Eignet sich gut, um große Datenmengen zu verschlüsseln
• Nachteil
• Um die Nachricht verwerten zu können, muss der Schlüssel mit übertragen werden
• was einen Schwachpunkt darstellt

Symmetrische Substitutionsverfahren

Klassifizierungen

• Zeichenchiffren
• Blockchiffren
• Stromchiffren
• Zeichenchiffrierung
• Ermittelt jedes Zeichen des Geheimtextes aus dem entsprechenden Zeichen des Klartextes mit Hilfe des Schlüssels
• Cäsar-Addition
• Stromchiffrierung
• Der Klartext wird Byte-weise über eine XOR-Operation verschlüsselt
• Sie Erzeugt eine sich zyklisch verändernde Byte-Folge, die mit dem Klartext verknüpft wird
• Blockchiffrierung
• Klartext wird in Bitgruppen geteilt
• über mehrstufige Verfahren mit dem Schlüssel über gleichbleibende Operationen in Geheimtext umgewandelt
• DES

Asymmetrische Substitution

• Es werden 2 komplementäre Schlüssel benötigt
• 1 Key zum Chiffrieren der Nachricht
• 2 Key zum Dechiffrieren der Nachricht
• Einer der Schlüssel kann gefahrlos öffentlich bekannt gegeben werden (Public-Key)
• Wird mit einem Schlüssel chiffriert
• kann nur mit dem anderen Schlüssel dechiffriert werden

Vorteile von Public-Key-Verfahren

• Jeder Kommunikationspartner benötigt einen Schlüssel
• seinen Private Key
• Der zweite Schlüssel wird veröffentlicht
• Nachteil
• Hohe Komplexität der durchzuführenden Operationen
• Die Multiplikation 2 Zahlen stellt eine einfache Operation dar
• während der umgekehrte Vorgang, also die Faktorzerlegung eines Produkts, einen enormen Rechenaufwand bedeuten kann

Absicherung der asymmetrischen Substitution

• Schwäche
• keine eindeutige Zuordnung des öffentlichen Schlüssels zu seinem Besitzer
• Ein „Man-in-the-Middle“ könnte sich dazwischenschalten und die Nachrichten unbemerkt entschlüsseln
• Informationen des öffentlichen Schlüssels und seines Besitzers sollten aus vertrauenswürdiger Quelle stammen
• Möglichkeiten im Rahmen der Public Key Infrastructure (PKI)
• Schlüssel kann über ein sicher betrachtetes Medium übertragen werden
• Beispiel
• Persönliche Übergabe, Telefon, Brief, Fax
• Identität des Schlüsselinhabers zertifizieren lassen

Trust Center

Certification Authority [CA]

• Zertifizierungsinstanz (Trust Center)
• Zur Überprüfung der Schlüsselinhaber
• Sender und Empfänger verwalten Listen von Zertifizierungsinstanzen
• Überprüfung Zusammenhang öffentlicher Schlüssel und deren Absender
• Zertifikat nach ITU-Standard X.509
• ALTERNATIVE
• Authentizität eines öffentlichen Schlüssels durch einen bekannten Kommunikationspartner bestätigen lassen
• „Web of True“ von PGP

Kryptografie

Message Authentication Code

Einweg-Hash-Funktion

Message Authentication Code (MAC)

• Dienen bei Datenbank-Anwendungen der einfachen Indizierung von Informationen.
• Dabei werden beispielsweise Kundendaten durch Bildung einer Quersumme zu einem Wert zusammengefasst, denn man Hash-Wert nennt
• Ebenfalls einsetzbar als Authentifizierung und Signatur
• Es darf nicht möglich sein
• die original Information zu rekonstruieren
• durch eine ähnliche Information denselben Hash-Wert zu bekommen
• Es werden keine Schlüssel benutzt, da sie für jeden berechenbar sein sollen

Hash-Funktion

Message Authentication Code (MAC)

• Ableitung von „to hash up“
• zerhacken, zerkleinern, durcheinander bringen
• generiert aus einer beliebig langen Zeichenkette eine zweite Zeichenfolge fixer länge.
• Anforderungen
• muss eindeutig sein
• muss einfach zu berechnen sein
• inverse Funktion muss schwierig zu berechnen sein
• muss kollisionsresistent sein
• Hashes lassen sich nicht zur Kryptografie einsetzen
• sie sind nicht reversibel

Hash-Algorithmus

• Prüfsumme
• Über einen Hash-Algorithmus lässt sich aus einem beliebig langen Datensatz eine Prüfsumme fester Länge berechnen
• Kollisionsfreiheit
• Dieser Hashwert soll möglichst einmalig sein
• Damit ist sichergestellt, dass der Datensatz nicht so manipuliert werden kann, dass der Hashwert trotzdem noch derselbe ist
• SHA-1 und MD5
• Üblicherweise kommen SHA-1 (Secure Hash Algorithm) mit 160 Bit
• MD5 (Message Digest Algorithm) mit 128 Bit zum Einsatz
• ESP mit 96 Bit
• Bei ESP wird der Hashwert von 128, respektive 160 Bit auf 96 Bit abgeschnitten
• (Keyed-)Hash Message Authentication Codes
• Zur Authentisierung von Daten
• HMAC ist eine Sonderform des MAC, bei der zusammen mit einem geheimen Schlüssel ein Hash-Wert etwa über Datenpaket gebildet wird
• Bei VPNs benutzt man in der Regel HMAC-MD5 oder HMAC-SHA-1

MD-5

Am weitesten verbreitete Message-Digest-Funktion

• Mit MD-2 und MD-4 einer der Hash-Funktionen, die stetig verbessert werden
• Nachrichten werden in 512 Bit Blöcken verarbeitet
• indem es 16 x 32 Bit Blöcke zusammenfasst
• Auch als MAC erhält man einen 128 Bit langen Block aus 32 Bit Blöcken
• Die Verarbeitung findet in mehreren Stufen statt
• Dabei dienen ein 512 langer Block und das MAC der vorangegangenen Stufe als Eingangsfolge

SHA-1

Schwäche von MD-5

• relativ schnelle Kollisionen der Hash-Werte
• SHA-1 generiert aus einer maximal 2^64 Bit langen Eingangsfolge eine 160 Bit lange Zeichenfolge
• Dabei arbeite es mit 512 bit Blöcken
• Der Algorithmus verwendet 5 Stufen mit jeweils 80 Schritten
• Ergebnisfolge ist wesentlich länger als bei MD-5
• wodurch Kollisionen unwahrscheinlicher sind
• Durchschnittliche Kollisionen:
• MD-5=2^60
• SHA-1=2^80

Digital Signature Algorythm (DSA)

• Chiffriert einen, durch eine Hash-Funktion generierten, MAC mittels eines privaten Schlüssels
• Vorgehen eines mit SHA-1 generierten MAC
• Auswahl einer Primzahl p zwischen 512 und 1024 Bit
• Berechnung des Primfaktors q der Zahl (p-1). q ist 160 Bit lang
• Berechnung einer Zahl g
• mit g = h^(p-1/q) mod p, wobei h < p und g > 1
• Auswahl einer weiteren Zahl x
• als Privater Schlüssel des Senders Alice (x < q)
• Zahl y = g^x mod p wird nun als öffentlicher Schlüssel verwendet

Substitution vs. Signatur

• Algorithmen asymmetrischer Kryptografien unterscheiden sich
• ob eine Nachricht verschlüsselt oder signiert werden soll

Substitution

• Absender verschlüsselt die Nachricht mit dem öffentlichen Schlüssel des Empfängers
• so, dass er sie mit seinem privaten Schlüssel wieder im Klartext lesen kann

Signatur

• Absender erzeugt mit seinem privaten Schlüssel eine Signatur
• Empfänger kann durch Verwendung des öffentlichen Schlüssels des Absenders die Nachricht verifiziert

Kryptografie

Tunneling

Ende-zu-Ende vs. Abschnittsweise Sicherheit

Ende-zu-Ende

• 2 Endgeräte handeln einen sicheren Kanal, bauen ihn auf und halten ihn aufrecht
• Alternativ können nur kritische Übertragungen verschlüsselt werden
• Beispiel
• Kommunikation zwischen 2 Mailservern, wenn der Client eine Nachricht verschlüsselt überträgt

Vor- und Nachteile

• Ende-zu-Ende hat eine geringe Angriffsfläche
• benötigt jedoch viel Rechenleistung und eine gute Konfiguration
• Abschnittssicherheit hat eine größere Angriffsfläche
• beschränkt jedoch hohe Sicherheitsanforderungen auf die Gateways

Tunneling

Mehrfaches Einpacken eines Pakets auf einer Transportebene

• Einsatzgebiet heute meist bei abschnittsweise Sicherheit
• IP/IP-Tunneling
• Für Transport über klassische IP-basierte Netze kann man IPv6 über IPv4 tunneln

Tunneling

Layer-2-Tunneling

• Pakete der OSI-Schicht 2
• meist PPP-frames
• werden in IP-Pakete verpackt
• So tunnelt man alle „Nicht-IP-Protokolle“

Tunneling

Layer-3-Tunnelung

• Die Pakete der Vermittlungsschicht werden in IP-Frames verpackt
• Bekanntes Verfahren dieser Art ist IPsec

Kryptografie

Wie baut man eine sicheren Block Cipher?

Probleme bei der Entwicklung von Kryptografieverfahren

Vertraulichkeit

• Schutz der Daten vor unberechtigter Einsichtnahme

Authentisierung

• Sicherstellung der Herkunft
• Verbindlichkeit

Anonymität

• Schutz vor Bekanntwerden des Absenders und Empfängers

Integrität

• Unveränderlichkeit von Daten und Verlässlichkeit von Programmen

Kryptografie

Angriffe auf Kryptografieen

Entschlüsselung

• Die Entschlüsselung ist die Umkehrung der Kryptografie (symmetrische Verfahren)
• Das heisst beim Beispiel-Caesar-Verfahren jetzt um 3 Buchstaben zurückverschieben:
• ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
• xyzabcdefghijklmnopqrstuvw
• So wird aus „KDOOR“ wieder ein „hallo“.

Moderne Verfahren

• Das heute im kommerziellen Gebrauch am häufigsten eingesetzte Verfahren heisst DES
• DES steht für „Data Encryption Standard“
• Es funktioniert im Prinzip wie ein mehrfach hintereinander angewandtes Substitutionsverfahren

Angriffe auf Kryptografieen

Chifertext-Only Angriff

• Versucht eine Kryptografie nur bei Kenntnis des chiffrierten Textes zu lösen
• Gößte Herausforderung für jeden Kryptoanalytiker

Known-plaintext-Angriff

• Der Angreifer besitzt neben dem Chiffretext auch den Klartext (oder einen Teil davon) und hat nun die Aufgabe den Schlüssel oder den Kryptografiesalgorithmus zu finden.

Chosen-Plaintext Attack

• Auch Teile des Klartextes können wertvolle Hilfe leisten
• Attacker can choose the plaintext that gets encrypted thereby potentially getting more information about the key

Adaptive Chosen-Plaintext Attack

• Attacker can choose a series of plaintexts, basing choice on the result of previous encryption
• differential cryptanalysis!

Brute Force Angriff

• Nacheinander werden alle möglichen Schlüssel durchprobiert
• Kann bei jeder Kryptografiesmethode eingesetzt werden
• Der Angreifer muss jedoch erkennen, wann der richtige Schlüssel gefunden wurde, daher werden diese Angriffe oft als Known-plaintext-Angriff durchgeführt

Dechiffrierung verschlüsselter NachrichtenBrute Force Angriff

• Die Brute-force Methode ist bei sehr großen Schlüsseln wirkungslos
• Dann muss sich der Gegner auf die Analyse des Chiffrats verlassen
• Dabei muss der Angreifer eine gewisse Vorstellung haben, um was für eine Art Ausgangstext es sich handelt
• zum Beispiel eine .exe-Datei, Word-Datei oder einen Text mit deutschem Inhalt
• Oder der Gegner spekuliert auf bestimmte Muster des Klartextes
• Word-Dateien fangen zum Beispiel immer mit dem selben Muster an
• Kryptoanalyse basiert auf der Ausnutzung
• von Spuren der Struktur oder
• des Musters des Klartextes
• Diese bestehen auch nach Kryptografie und sind im Chiffretext zu erkennen

Exhaustive Testing

Monoalphabetischen Substitution (Cäsar)

• jedem Buchstaben eines Alphabets mit 27 Buchstaben (26 + ein Satzzeichen) wird ein beliebig anderen zuordnet
• 27 Möglichkeiten für den ersten Buchstaben
• 26 Möglichkeiten für den zweiten Buchstaben
• 25 Möglichkeiten für den dritten Buchstaben
• etc.
• Das enspricht 27 * 26 * .... * 2 * 1 = 27!
• rund 1,09*10e28 Zuordnungsmöglichkeiten

Statische Analyse

• Angreifer nutzen die Schwachstellen der Kryptverfahren
• Dabei analysieren sie statisch den verschlüsselten Datenverkehr
• Im Fall der monoalphabetischen bedeutet das
• Die Häufigkeit der verschlüsselten Buchstaben bleibt gleich und kann durch einfache Häufigkeitsanalyse Rückschlüsse auf den Originaltext ziehen
• Jedoch muss deren Sprache kennen bzw. erraten
• Der Buchstabe „e“ tritt in der deutschen Sprache am häufigsten auf
• Auch Buchstabenpaare (Biagramme) treten mit unterschiedlicher Häufigkeit auf
• Durch diese Kenntnisse können monoalphabetische Codes schnell entschlüsselt werden

Known oder Chosen Plaintext

• Teilweise vorhersehbar
• Kryptografieen und Kryptografien zu knacken fällt einem Angreifer leichter, wenn er Teile des Klartextes bereits kennt.
• Die Header-Daten von IP Paketen lassen sich unschwer erraten/ermitteln und ermöglichen so Know-Plaintext-Attacken
• Diese Methode funktioniert auch bei Paketen, bei denen Teile der Informationen im Header vorhersagbar sind
• Der Angreifer hat auch die Möglichkeit, eigenen Text zu verschlüsseln.
• Ist dieser abhörbar, so können Rückschlüsse über den Verschlüssellungsalgorythmus gezogen werden

Angriffsarten

• Angreifer hat mehrere Möglichkeiten
• Informationen einer verschlüsselten Nachricht zu erhalten
• die vom Sender A („Alice“) an Empfänger B („Bob“) geschickt wird
• Am leichtesten können Nachrichten an
• Hubs
• Switches und
• Router abgehört werden

Kryptografie

Kryptologische Verfahren

Der Schlüsselaustausch

• Sicherheitsrelevant für alle bisher kennen gelernten Verfahren ist der Schlüsselaustausch
• muss zuvor über einen geheimen Kanal stattfinden
• Nicht immer hat man aber die Möglichkeit sich z. B. persönlich zu treffen
• Public-Key
• Es gibt jedoch ein Möglichkeiten, auch über einen unsicheren Kanal den Schlüsselaustausch durchzuführen
• Diese Verfahren tragen den Namen „Public-Key“
• Schlüsselaustausch ist ein Problem …
• Verschiedene Schlüssel für verschiedene Kommunikationspartner notwendig
• Diffie-Hellman Schlüsselaustausch-Verfahren
• Basiert auf Schwierigkeit, den „diskreten Logarithmus“ zu berechnen
• Gegeben sein ein Primzahl-Modulus p und eine Zahl x
• 1) Alice wählt eine zufällige, geheime Zahl a und berechnet y1=x^a mod p
• 2) Bob wählt eine zufällige, geheime Zahl b und berechnet y2=x^b mod p
• Beide senden sich ihr y1 bzw. y2 zu
• Alice berechnet s = y2^a = x^(ba) mod p
• Bob berechnet s‘ = y1^b = x^(ab) mod p = s

Diffie-Hellman-Key-Exchange

• Über das Diffie-Hellman-Key-Exchange-Verfahren (DH) lassen sich kryptographische Schlüssel sicher über unsichere Kanäle aushandeln
• Es ist selbst kein Kryptografiesverfahren und tauscht auch keine Schlüssel im eigentlichen Sinne aus
• Das von Martin Hellman und Whitfield Diffie entwickelte Verfahren beruht auf den Eigenschaften diskreter Logarithmen:
• zwar ist es einfach, eine Zahl zu potenzieren
• Es ist aber nur mit sehr großem Aufwand möglich, den diskreten Logarithmus einer Zahl zu berechnen
• Bei der Aushandlung einigen sich die VPN-Peers auf eine Primzahl p und eine Primitivwurzel g mod p
• Beide Faktoren dürfen unverschlüsselt übertragen werden
• Anschließend erzeugt jede Seite eine geheime Zufallszahl a/b und berechnet daraus den Wert Za= ga mod p beziehungsweise Zb = gb mod p
• Za und Zb werden an den Partner übertragen
• Daraus kann nun jede Seite den gemeinsamen symmetrischen Schlüssel K berechnen:
• Zba mod p = Zab mod p = K

Diffie-Hellman-Key-Exchange

• Sind die eingesetzten Zahlen hinreichend groß, ist es für einen Angreifer so gut wie unmöglich, den Key zu knacken
• Große Zahlen erfordern allerdings mehr Rechenaufwand
• Die Größe der Zahlen bestimmt die gewählte DH-Gruppe
• Die kleinste DH Gruppe 1 hat 768 Bit und die größte definierte Gruppe 18 besitzt 8192 Bit
• Empfohlen wird derzeit der Gebrauch der Gruppe 5 mit 1536 Bit

Diffie-Hellman

• Vereinbarung eines gemeinsamen symmetrischen Schlüssels über einen unsicheren Kanal.
• Basiert auf 2 Schlüsseln
• Alice und Bob sind einer große Primzahl p und ein ganzahliger Wert g (Generator) frei zugänglich
• Alice generiert eine große Zufallszahl a, berechnet eine Zahl A = g^a mod p
• Bob generiert ebenfalls eine große Zufallszahl b, berechnet eine Zahl B = g^b mod p
• und sendet B an Alice
• Alice berechnet eine Zahl K[1] = B^a mod p.
• Bob berechnet eine Zahl K[2] = A^b mod p.
• K[1] und K[2] sidn gleich.
• Es gilt K = K[2] = K[2] = g^a*b mod p
• K wird als geheimer symmetrischer Schlüssel verwendet

Symmetrische Kryptografiesverfahren

Einfachster Einsatz

• basiert auf der logischen Exklusiv-Oder-Funktion
• 2 XOR Verknüpfung eines A Zeichens mit einem B hat wieder das ursprüngliche Zeichen A zum Ergebnis
• Es entspricht also der Inversen Verknüpfung:
• (A+B)+B=A+(B+B)Assoziativgesetz=A+0Eigenschaft von XOR=AEigenschaft von XOR
• Der Sender verschlüsselt ein Zeichen A mit einem Schlüssel B per XOR und versendet das Ergebnis
• Der Empfänger verknüpft das Ergebnis erneut mit Schlüssel B und erhält dann wieder das Zeichen A

RC4

RC = Rivest Cipher

• Stromverschlüsselungsverfahren
• Basiert auf XOR-Verknüpfung
• Sehr schnell und einfach
• Eignet sich gut in Software
• Der Algorythmus macht aus dem eingegebenen Schlüssel S einen langen, pseudo-zufälligen internen Schlüssel P
• Dieser wird zur Chiffrierung des Klartextes verwendet
• RC4 Speichert 258 verschiedene Zusatzinformationen
• 256 sind Permutationen von 0-255 und somit gleich verteilt

DES

Familie der Blockchiffren

• Teilt eine Nachricht in 64 Bit große Datenblöcke
• 3 bearbeitungsschritte werden benötigt, um den Klartext wieder herzustellen.
• Am weitesten verbreiteter Algorythmus, auch wenn nicht mehr ganz Zeitgemäß
• Nachfolger: 3DES
• Wird in Finanzdienstleistungen eingesetzt und führt die Kryptografie 3 mal hintereinander aus

Data Encryption Standard (DES)Sicherheit von DES

• DES
• erlaubt mit 56 Bit Schlüssellänge
• 72 Billiarden mögliche Schlüssel
• ist heute nicht mehr ausreichend
• per Brute-Force-Methode in 5 Tagen (?) geknackt

Permutation

• DES besteht aus 3 Bearbeitungsschritten
• Initiale Permutation
• Ver-/Entschlüsselung in mehreren Runden
• finale Permutation
• DES wurde in den 70er Jahren zur Implementation in Hardware entwickelt
• durch die damals noch kleinen CPU Register
• Finale Permutation = Inverse der initialen Permutation
• Nach der Durchführung der initialen und finalen Permutation, steht ein Bit wieder an ursprünglicher Stelle

Kryptografie

• DES basiert auf einer 64 Bit Kryptografie
• wovon jedoch nur 56 Bit kryptographisch relevant sind
• Jedes 8 Bit = Parity-Bit
• DES erzeugt 16 verschiedene 48 Bit lange Schlüssel
• Es werden aus 56 relevanten Bit mit einer Permutation 2 28 Bit Muster generiert (C[i-1] und D[i-1]).
• Die Teilschlüssel werden nun um 1 oder 2 Bit nach links rotiert.
• Die erzeugten Schlüssel C[i] und D[i] werden zu C[i-1] und D[i-1].
• 2 24Bit Folgen aus C[i] und D[i] werden zum Schlüssel K[n]

Kryptografie

• DES teilt den Klartext in 64 Bit Blöcke und
• splittet sie nochmal in 2 32 Bit lange Bestandteile (L[n] und R[n]).
• R[n] wird über eine Mangler-Funktion ,mittels tabellenbasierter Umrechnung auf Grundlage der Eingangsvariable R[n] und des Schlüssels K[n], vermischt.

Genügen 128 Bit?

• IDEA
• International Data Encryption Algorithm
• arbeitet mit 128 Bit Schlüssellänge, sonst ähnlich wie der DES
• 3.43669 * 1038
• knacken benötigt etwa 1012 Jahre
• Daher gilt der IDEA heute als sicher

Asymmetrische Kryptografieverfahren

Setzen auf 2 unterschiedliche Schlüssel

• Privater Schlüssel (privat key) [Dechiffriert-Algorythmisch]
• Öffentlicher Schlüssel (public key) [Chiffriert-Algorythmisch]
• Es lässt sich nicht vom public key auf den private key schließen
• Der public key kann von Dritten zur Kryptografie von Informationen genutzt werden
• die der Besitzer des private keys nur entschlüsseln kann

Bekanntester Vertreter

• RSA-Algorythmus
• Die Multiplikation 2er Zahlen stellt eine einfache Operation dar
• während der umgekehrt Vorgang eine enorme Rechenleistung bedeutet

RSA

Basiert auf folgenden 4 Schritten

• Wähle 2 große Primzahlen p und q, die geheim bleiben
• Berechne das Produkt n = p*q
• Für öffentlichen Schlüssel wähle e < n
• die teilerfremd zur Eulerschen Funktion E(n) = (p-1)*(q-1) ist
• Für privaten Schlüssel bestimme eine Zahl
• d = e^-1 mod E(n)
• Dann gilt
• e*d = 1 mod E(n)
• [d,n] ist der private Schlüssel

RSA

Algorithmus bei der Kryptografie

• Alice verschlüsselt
• ihren Klartext m gemäß c = m^e mod n und
• sendet ihn an Bob.
• In diesem Fall ist [e,n] der öffentliche Schlüssel von Bob
• Bob entschlüsselt
• den Geheimtext c mit seinem privaten Schlüssel [d,n] gemäß m = c^d mod n
• und erhält auf Grund des Zusammenhangs von d und e den Klartext m

RSA

• Der Empfänger führt bei der Entschlüsselung die gleiche Operation wie der Sender bei der Kryptografie durch
• Algorythmus zur Erzeugung und Überprüfung von Signaturen
• Alice sendet eine signierte Nachricht, indem sie s = m^d mod n erzeugt und überträgt
• [d,n] = Privater Schlüssen von Alice
• Bob entschlüsselt die Signatur gemäß m = s^e mod n und erhält auf Grund des Zusammenhangs von d und e den Klartext m
• [e,n] = öffentlicher Schlüssel von Alice

Advanced Encryption Standard

• Nachfolgestandard für DES
• 3DES mit 128 Bit gilt noch als sicher
• wegen der Dreifachverschlüsselung deutlich langsamer als AES
• AES unterstützt 128, 192 und 256 Bit lange Schlüssel
• Beispiel Hamachi
• AES mit 256 Bit Schlüssellänge
• im Modus Cipher-Block-Chaining

Advanced Encryption Standard (AES)http://www.nist.gov/aes

• DES is nearly 25 years old!
• Triple DES with a 168 bit key is the current Federal Information Processing Standard FIPS 46-3 (renewed in October 1999).
• Single DES with 56 bit key is permitted for legacy systems only.
• Evaluation of an Advanced Encryption Standard
• The National Institute of Standards and Technology (NIST,U.S. Department of Commerce) started a public contest in 1997.
• 5 final candidate algorithms. Decision by NIST in Spring 2001
• Requirements for AES
• AES shall be publicly defined.
• AES shall be a symmetric block cipher.
• AES shall be implementable in both hardware and software.
• AES shall be designed so that the key length may be increased as needed.
• AES block size n = 128 bits, key size k = 128, 192, 256 bits

AES Round 2 Finalists

• MARS(IBM)
• Modified Feistel Network - 32 Rounds
• Based on Mixed Structure DES
• RC6 (RSA)
• Feistel Network - 20 Rounds
• Based on Modified RC5
• Rijndal(Joan Daemen / Vincent Rijmen)
• Modified Substitution Permutation Network - 10 Rounds
• Based on Square
• Serpent (Ross Anderson / Eli Biham / Lars Knudsen)
• Substitution Permutation Network - 32 Rounds
• Based on Bitlice Operations
• Twofish(Bruce Schneier)
• Feistel Network - 16 Rounds
• Based on Modified Blowfish

Cipher Block Chaining (CBC)

• Um eine Frquenzanalyse zu verhindern wird eine Verkettung von Datenblöcken durchgeführt
• Dabei wird der zu verschlüsselnde Datenblock exklusiv mit dem letzten verschlüsselten Datenblock verknüpft
• Gleiche Datenblöcke werden so unterschiedlich modifiziert und unterschiedlich verschlüsselt
• Problem: Erste Datenblock
• Erzeugung eines Initialisierungs-Vekros (IV)
• Der IV wird zur Entschlüsselung benötigt
• daher wird er dem Empfänger übermittelt
• Vertraulichkeit ist nicht erforderlich
• IPsec – Protokolle übertragen den IV in jedem Datenpaket

Advanced Encryption Standard

CBC-Mode Entstehung von Mustern

• Rückschlüsse auf den Klartext
• Anders als der ECB-Mode (Electronic Code Book) verhindert der CBC-Mode (Cipher Block Chaining) bei Kryptografiesalgorithmen die Entstehung von Mustern im Chiffrat,
• Dazu lässt CBC das Ergebnis der vorherigen Blockoperation in die aktuelle einfließen (Chaining)
• Sowohl ECB als auch CBC sind für so genannte Bit-Flipping-Attacken anfällig
• Angreifer versucht im Chiffrat einzelne Bit manipulieren
• ohne Kenntnis des Schlüssels
• ohne später beim Entschlüsseln durch den Empfänger einen Fehler zu provozieren
• auch für verschlüsselte Pakete die Integrität gesichert werden, etwa mit HMAC
• Da sich so der Inhalt manipulieren lässt
• In CBC werden jeweils Blöcke von jeweils 16 Datenbytes verschlüsselt
• Das CBC-Verfahren initialisiert mit einem zufällig gewählten 128 Bit langen Initialisierungsvektor
• wird bei ESP-Paket den chiffrierten Nutzdaten vorangestellt
• Da Daten blockweise verschlüsselt werden
• muss der letzte Datenblock mit Füll-Bytes zur vollen Blocklänge aufgefüllt
• die Anzahl dieser Stopf-Bytes wird im Längen-Byte festgehalten

IDEA

Familie der Blockchiffrierung

• jedoch wendet er 128 Bit Schlüssel auf 64 Bit Datenpakete des Klartextes an
• Basiert auf einer Mischung 3 mathematischen Funktionen
• die jeweils auf 16 Bit Blöcke des Testes angewendet werden.
• Neben XOR kommt die Addition modulo 2^16 und die Multiplikation modulo 2^16+1 zum Einsatz
• Alle 3 Operationen werden zu einem recht komplizierten Netzwerk verknüpft, das 8 Runden durchlaufen wird
• Trotz komplizierter Verfahren, schneller und sicherer als DES

Hybride Kryptografiesverfahren

Vorteile aus asymmetrischen und symmetrischen Kryptografie

• Hohe Effizienz
• gesteigerte Sicherheit
• Flexibilität
• Austausch der erforderlichen Schlüssel
• erfolgt über ein asymmetrisches Verfahren
• Kryptografie größerer Datenmengen
• kommen symetrische Algorythmen zum Einsatz

Vergleich Klassisch - Modern

Sowohl die klassischen Verfahren wie Vigenère als auch die modernen Verfahren wie IDEA…

• …benötigen einen Schlüssel der beiden Parteien im Vornherein bekannt ist
• …sind symmetrisch (Entschlüsselung ist Umkehrung der Kryptografie)
• …sind in gewissen Masse anfällig auf Kryptoanalyse (z. B. Brute-Force)

Fazit

Die Geschichte der Kryptografie ist ein Wettbewerb

• zwischen Kryptografiesspezialisten und Kryptoanalysten
• Momentan liegen die Verschlüssler mit dem IDEA vorne
• da dieses Verfahren nur mit Brute-Force geknackt werden kann
• dies wegen der großen Schlüssellänge auch auf modernsten Computern noch zu lange dauert

Kryptografie

Geschwindigkeit

Public Key Infrastrukturen

nach X.509

Public Key Infrastrukturen nach X.509

• Grundlagen für Public-Key-Verfahren
• Digitale Signaturen und Zertifikate
• Funktion und Aufgabe einer Infrastruktur für Public-Keys
• Aufbau einer PKI
• Ablauf der Zertifizierung
• Anwendungen für Zertifikate

Aufbau einer PKICA Hierarchie

X.509v3 Zertifikate

• Bindet Identität an öffentlichen Schlüssel
• X.500 DN, DNS Name, Email-Adresse, URI, IP-Adresse
• Gibt verwendete Signaturalgorithmen an
• Zusatzfelder erlauben es weitere Information zu bestätigen
• Z.B. Zugriffsrechte

Auslagerung und Verwaltung

Zertifizierungsstelle (Sub-CA) mit externer RA:

• Registrierungsstelle (z. B. extern im Institut) prüft Identität
• Signiert CSR mit RA-Schlüssel, sendet ihn zur CA
• CA stellt Zertifikat aus

Veröffentlichung

• Sofern Veröffentlichung nicht verweigert, Speicherung in Datenbank und LDAP-Verzeichnis (OpenLDAP, Active Directory)
• Windows-CA automatische Veröffentlichung in Active Directory (GAL für Mail-Kryptografie), Verteilung der CA-Zertifikate über Active Directory
• Web-Zugriff auf Zertifikat-Datenbank

Sperrung von Zertifikaten

• Benutzer meldet CA oder RA den Schlüsselverlust o.ä.
• CRR (Certificate Revocation Request) wird bearbeitet
• Sperrliste veröffentlicht, bzw. OCSP Datenbank aktualisiert

Sicherheitstechnologie

• Sicherheit in VPN
• Sicherheit in Unternehmensdatennetzen
• Sicherheitsverfahren in VPN
• Sicherheit in der Netzwerkschicht mit IP-Security
• Sicherheit auf der Transportschicht mit Transport Layer Security (TLS) und Secure Socket Layer (SSL)
• Die Grundlagen der Kryptografie
• Geschichtliches
• Datenvertraulichkeit
• Verschleierung und Kryptografie
• Die Kunst der Kryptoanalyse
• Einführung in die Kryprografie
• Kryptografiesverfahren
• Symmetrische Kryptografiesverfahren
• Der Data Encryption Standard (DES)
• Ein Überblick über DES
• Die DES-Schlüsseltransformation
• Die DES-Funktion
• Die DES-Entschlüsselung
• Die Kryptoanalyse von DES
• Triple-DES
• Die Kryptoanalyse von Triple-DES
• Cipher Block Chaining (CBC)
• Die Funktionsweise von CBC
• Advanced Encryption Standard (AES)