Sicherheit in Rechnernetzen: - Professur Datenschutz und ...

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A. Pfitzmann: Datensicherheit und Kryptographie; TU Dresden, WS2000/2001, 15.10.2000, 15:52 Uhr
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A. Pfitzmann: Datensicherheit und Kryptographie; TU Dresden, WS2000/2001, 15.10.2000, 15:52 Uhr
Zufallszahl
Die wichtigsten, im folgenden betrachteten kryptographischen Systeme bestehen aus 3 Algorithmen
(z.B. Schlüsselgenerierung, Verschlüsselung, Entschlüsselung in Bild 3-1), die öffentlich bekannt
sein dürfen. Zunächst werden die Funktionen der verschiedenen Systeme mit der benötigten
Schlüsselgenerierung und -verteilung dargestellt.
Schlüsselgenerierung
k
3.1.1 Kryptographische Systeme und ihre Schlüsselverteilung
k
geheimer
Schlüssel
Klartext Schlüsseltext
Klartext
VerEnt-
x schlüsse k(x) schlüsse x
lunglung
-1
= k (k(x))
Geheimer Bereich
Zunächst wird ein Überblick über symmetrische und asymmetrische Konzelationssysteme gegeben,
danach einer über symmetrische und asymmetrische Authentikationssysteme.
Allen vier Bildern ist folgender Grundaufbau unterlegt (Bild 3-1): Links und rechts befindet sich
je ein Vertrauensbereich der jeweiligen Teilnehmer25 . In der Mitte unten befindet sich der
Angriffsbereich, d.h. der Bereich, wo Angriffe mittels des kryptographischen Systems pariert
werden sollen, da sie dort nicht durch physische und/oder organisatorische Maßnahmen verhindert
oder zumindest vereitelt werden.
Bild 3-2: Symmetrisches Konzelationssystem
(≈ undurchsichtiger Kasten mit Schloß, es gibt zwei gleiche Schlüssel)
Zufallszahl
Anmerkung: Die Schreibweise k(x) ist nur eine Abkürzung, weil das k, das die Schlüsselgenerierung
generiert, i.allg. kein ganzer Algorithmus ist. Es ist nur ein Schlüssel, d.h. Parameter, der in
vorgegebene Ver- und Entschlüsselungsalgorithmen eingesetzt wird, z.B. ver und ent. (In der
Realität würden also ver und ent ein für allemal programmiert oder in Hardware implementiert.)
Der Schlüsseltext ist dann
S := ver(k, x)
und die Entschlüsselung ist
ent(k, S) = ent(k, ver(k, x)) = x.
Schlüsselgenerierung
k
geheimer
Schlüssel k
Vertrauensbereich Vertrauensbereich
Klartext Schlüsseltext
Klartext
VerEnt-
x schlüsse k(x)
schlüsse x
lunglung
-1
= k (k(x))
Das Problem beim symmetrischen Konzelationssystem ist, daß, wenn die Nachricht verschlüsselt
werden soll, um über ein unsicheres Netz gesendet zu werden, zuvor der Schlüssel k bei Sender und
Empfänger vorliegen muß.
Wenn sich Sender und Empfänger vorher getroffen haben, konnten sie k bei der Gelegenheit
austauschen.
Wenn aber einfach einer die Netzadresse des anderen (z.B. eines Dienstanbieters in einem offenen
System) aus einer Art Telefonbuch entnimmt und beide nun vertraulich kommunizieren wollen, wird
es schwierig. In der Praxis geht man dafür meist von der Existenz einer vertrauenswürdigen
„Schlüsselverteilzentrale“ Z aus. Jeder Teilnehmer A tauscht bei der Anmeldung zum offenen
System einen Schlüssel mit Z aus, etwa kAZ . Wenn nun A mit B kommunizieren will und noch
keinen Schlüssel mit B gemeinsam hat, so fragt er bei Z an. Z generiert einen Schlüssel k und schickt
ihn sowohl an A als auch an B, und zwar mit kAZ bzw. kBZ verschlüsselt. Von da an können A und
B den Schlüssel k benutzen, um in beide Richtungen Nachrichten zu schicken. Die Vertraulichkeit ist
natürlich nicht sehr groß: Außer A und B kann auch Z alle Nachrichten entschlüsseln. (Und es ist
sogar sehr wahrscheinlich, daß Z alle Nachrichten zu sehen bekommt, denn meistens ist der Betreiber
der Schlüsselzentrale gleich dem Netzbetreiber.)
Man kann dies verbessern, indem man mehrere Schlüsselverteilzentralen so einsetzt, daß sie nur
dann die Nachrichten lesen können, wenn sie alle zusammenarbeiten, siehe Bild 3-3. Wieder tauscht
jeder Teilnehmer A zu Beginn mit jeder Zentrale ζ einen Schlüssel kAζ aus. Wenn A mit B
kommunizieren will, so bittet er alle Zentralen, einen Teilschlüssel zu generieren. Diese schicken die
Teilschlüssel ki wieder vertraulich an A und B. A und B verwenden die Summe k aller ki (in einer
geeigneten Gruppe) als eigentlichen Schlüssel. Will man im Endeffekt z.B. einen 128 Bit langen
Angriffsbereich
Geheimer Bereich
Bild 3-1: Grundschema kryptographischer Systeme am Beispiel symmetrisches Konzelationssystem
3.1.1.1 Konzelationssysteme, Überblick
Die bekannteste und älteste Sorte kryptographischer Systeme ist das symmetrische Konzelationssystem,
s. Bild 3-2.
25
Dieser Vertrauensbereich muß jeweils durch andere als kryptographische Maßnahmen gesichert, insbesondere durch
physische Mittel und organisatorische Maßnahmen abgegrenzt und ggf. verteidigt werden. In ihm sollte das und nur
das vorgehen, was der jeweilige Teilnehmer autorisiert. Und den Vertrauensbereich sollte nur die Information verlassen,
deren Verlassen der jeweilige Teilnehmer autorisiert. Dies bedeutet, daß der Vertrauensbereich physisch abgeschirmt
sein muß (vgl. §2.1): Ihn darf keine auswertbare elektromagnetische Strahlung verlassen, und auch seine
Eingaben – etwa sein Energieverbrauch – darf nicht davon abhängen, was in ihm vorgeht. Wird dies nicht beachtet,
so kann der unterschiedliche Stromverbrauch einzelner Transistoren genutzt werden, um beispielsweise an geheime
Schlüssel zu kommen [Koch_98]. Vertrauensbereiche sollten von ihrer Umgebung also so weit wie möglich
entkoppelt sein. Ein Vertrauensbereich wird üblicherweise durch ein dem jeweiligen Teilnehmer (hoffentlich)
vertrauenswürdiges Benutzerendgerät realisiert, vgl. [PPSW_95, PPSW_97].