Sicherheit in Rechnernetzen: - Professur Datenschutz und ...

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IV A. Pfitzmann: Datensicherheit und Kryptographie; TU Dresden, WS2000/2001, 15.10.2000, 15:52 Uhr III A. Pfitzmann: Datensicherheit und Kryptographie; TU Dresden, WS2000/2001, 15.10.2000, 15:52 Uhr 3.4 Der s2-mod-n-Pseudozufallsbitfolgengenerator: Kryptographisch starke Konzelation ........................................................................................ 55 3.4.1 Grundlagen für Systeme mit Faktorisierungsannahme ............................. 55 3.4.1.1 Rechnen modulo n.......................................................... 58 3.4.1.2 Elementanzahl von ZZ n* und Zusammenhang mit Exponentiation .............................................................. 60 3.4.1.3 Zusammenhang zwischen ZZ n und ZZ p, ZZ q.............................. 61 3.4.1.4 Quadrate und Wurzeln allgemein ......................................... 62 3.4.1.5 Quadrate und Wurzeln mod p ............................................. 62 3.4.1.6 Quadrate und Wurzeln mod p für p ≡ 3 mod 4.......................... 64 3.4.1.7 Quadrate und Wurzeln mod n mit Kenntnis von p, q .................. 64 3.4.1.8 Quadrate und Wurzeln mod n mit Kenntnis von p, q ≡ 3 mod 4 ..... 65 3.4.1.9 Quadrate und Wurzeln mod n ohne Kenntnis von p, q ................ 65 3.4.2 Anforderungen an Pseudozufallsbitfolgengeneratoren.............................. 68 3.4.3 Der s2-mod-n-Generator................................................................ 70 3.4.4 s2-mod-n-Generator als asymmetrisches Konzelationssystem..................... 72 3.5 GMR: Ein kryptographisch starkes Signatursystem .......................................... 75 3.5.1 Grundfunktion: Kollisionsresistente Permutationenpaare .......................... 75 3.5.2 Mini-GMR für eine Nachricht aus nur einem Bit.................................... 77 3.5.3 Grundsignaturen: Große Tupel kollisionsresistenter Permutationen .............. 78 3.5.4 Gesamt-GMR: Authentisierung vieler Referenzen .................................. 79 3.5.5 Weitere Effizienzverbesserungen...................................................... 84 3.6 RSA: Das bekannteste System für asymmetrische Konzelation und digitale Signaturen.......................................................................................... 85 3.6.1 Das asymmetrische kryptographische System RSA................................. 85 3.6.2 Naiver und unsicherer Einsatz von RSA ............................................. 86 3.6.2.1 RSA als asymmetrisches Konzelationssystem .......................... 86 3.6.2.2 RSA als digitales Signatursystem......................................... 87 3.6.3 Angriffe, insbesondere multiplikative Angriffe von Davida und Moore.......... 88 3.6.3.1 RSA als digitales Signatursystem......................................... 88 3.6.3.2 RSA als asymmetrisches Konzelationssystem .......................... 89 3.6.4 Vereitelung der Angriffe................................................................ 90 3.6.4.1 RSA als asymmetrisches Konzelationssystem .......................... 91 3.6.4.2 RSA als digitales Signatursystem......................................... 92 3.6.5 Effiziente Implementierung von RSA................................................. 93 3.6.5.1 Öffentlicher Exponent mit fast nur Nullen............................... 93 3.6.5.2 Inhaber des geheimen Schlüssels rechnet modulo Faktoren........... 94 3.6.5.3 Verschlüsselungsleistung.................................................. 95 3.6.6 Sicherheit und Einsatz von RSA....................................................... 95 3.7 DES: Das bekannteste System für symmetrische Konzelation und Authentikation........ 96 3.7.1 DES im Überblick....................................................................... 96 3.7.2 Eine Iterationsrunde..................................................................... 97 3.7.3 Das Entschlüsselungsprinzip von DES ............................................... 98 3.7.4 Die Verschlüsselungsfunktion ......................................................... 99 3.7.5 Die Teilschlüsselerzeugung .......................................................... 100 3.7.6 Komplementaritätseigenschaft von DES............................................ 100 3.7.7 Verallgemeinerung von DES: G-DES............................................... 102 3.7.8 Verschlüsselungsleistung............................................................. 103 3.8 Zum praktischen Betrieb kryptographischer Systeme....................................... 104 3.8.1 Blockchiffre, Stromchiffre ........................................................... 104 3.8.2 Betriebsarten für Blockchiffren...................................................... 105 3.8.2.1 Elektronisches Codebuch (ECB) ....................................... 106 3.8.2.2 Blockchiffre mit Blockverkettung (CBC).............................. 107 3.8.2.3 Schlüsseltextrückführung (CFB) ....................................... 111 3.8.2.4 Ergebnisrückführung (OFB) ............................................ 113 3.8.2.5 Blockchiffre mit Blockverkettung über Schlüssel- und Klartext (PCBC) .................................................................... 116 3.8.2.6 Schlüsseltext- und Ergebnisrückführung (OCFB).................... 117 Inhaltsverzeichnis Vorwort .............................................................................................................................................. I ein herzliches Dankeschön an ... .................................................................................................. II Inhaltsverzeichnis............................................................................................................................ III Bilderverzeichnis............................................................................................................................ IX 1 Einführung............................................................................................................................... 1 1.1 Was sind Rechnernetze (verteilte offene Systeme)?............................................ 1 1.2 Was bedeutet Sicherheit? .......................................................................... 5 1.2.1 Was ist zu schützen? ..................................................................... 6 1.2.2 Vor wem ist zu schützen? ............................................................... 7 1.2.3 Wie und wodurch kann Sicherheit erreicht werden? ................................ 12 1.2.4 Vorausschau auf Schutzmechanismen ................................................ 12 1.2.5 Angreifermodell ......................................................................... 13 1.3 Was bedeutet Sicherheit in Rechnernetzen? .................................................... 16 1.4 Warum mehrseitige Sicherheit?.................................................................. 16 Leseempfehlungen ....................................................................................... 17 2 Sicherheit in einzelnen Rechnern und ihre Grenzen.................................................... 18 2.1 Physische Sicherheitsannahmen................................................................. 18 2.1.1 Was kann man bestenfalls erwarten?.................................................. 18 2.1.2 Gestaltung von Schutzmaßnahmen.................................................... 18 2.1.3 Ein Negativbeispiel: Chipkarten ....................................................... 20 2.1.4 Sinnvolle physische Sicherheitsannahmen ........................................... 20 2.2 Schutz isolierter Rechner vor unautorisiertem Zugriff und Computer-Viren............... 21 2.2.1 Identifikation............................................................................. 21 2.2.2 Zugangskontrolle........................................................................ 24 2.2.3 Zugriffskontrolle ........................................................................ 24 2.2.4 Beschränkung der Bedrohung „Computer-Viren“ auf die durch „transitive Trojanische Pferde“ ..................................................................... 25 2.2.5 Restprobleme ............................................................................ 27 Leseempfehlungen ....................................................................................... 28 3 Kryptologische Grundlagen............................................................................................... 29 3.1 Systematik.......................................................................................... 29 3.1.1 Kryptographische Systeme und ihre Schlüsselverteilung .......................... 31 3.1.1.1 Konzelationssysteme, Überblick ......................................... 31 3.1.1.2 Authentikationssysteme, Überblick ...................................... 35 3.1.2 Weitere Anmerkungen zum Schlüsselaustausch..................................... 38 3.1.2.1 Wem werden Schlüssel zugeordnet? ..................................... 39 3.1.2.2 Wieviele Schlüssel müssen ausgetauscht werden? ..................... 39 3.1.2.3 Sicherheit des Schlüsselaustauschs begrenzt kryptographisch erreichbare Sicherheit ...................................................... 40 3.1.3 Grundsätzliches über Sicherheit ....................................................... 41 3.1.3.1 Angriffsziele und -Erfolge................................................. 41 3.1.3.2 Angriffstypen ............................................................... 42 3.1.3.3 Zusammenhang zwischen beobachtendem/veränderndem und passivem/aktivem Angreifer............................................... 43 3.1.3.4 Grundsätzliches über „kryptographisch stark“.......................... 44 3.1.3.5 Überblick über im folgenden vorgestellte kryptographische Systeme...................................................................... 46 3.1.4 Hybride kryptographische Systeme................................................... 48 3.2 Vernam-Chiffre (one-time pad).................................................................. 48 3.3 Authentikationscodes ............................................................................. 52
VI A. Pfitzmann: Datensicherheit und Kryptographie; TU Dresden, WS2000/2001, 15.10.2000, 15:52 Uhr V A. Pfitzmann: Datensicherheit und Kryptographie; TU Dresden, WS2000/2001, 15.10.2000, 15:52 Uhr 161 162 162 164 164 166 168 169 170 172 175 176 177 179 182 183 184 186 186 187 188 191 192 199 203 205 208 211 213 214 222 224 225 228 232 234 236 236 237 239 242 246 247 251 252 254 254 256 257 261 5.4.1.2.2 Äquivalenz von verdeckter impliziter Adressierung und Konzelation............................................ 5.4.1.2.3 Implementierung von offener impliziter Adressierung.......................................................... 5.4.1.2.4 Adreßverwaltung........................................... 5.4.1.3 Tolerierung von Fehlern und verändernden Angriffen bei Verteilung.................................................................. 5.4.2 Abfragen und Überlagern: Schutz des Empfängers ............................... 5.4.3 Bedeutungslose Nachrichten: Schwacher Schutz des Senders und Empfängers ............................................................................ 5.4.4 Unbeobachtbarkeit angrenzender Leitungen und Stationen sowie digitale Signalregenerierung: Schutz des Senders .......................................... 5.4.4.1 Ringförmige Verkabelung (RING-Netz) .............................. 5.4.4.1.1 Ein effizientes 2-anonymes Ringzugriffsverfahren .... 5.4.4.1.2 Fehlertoleranz beim RING-Netz ......................... 5.4.4.2 Kollisionen verhinderndes Baumnetz (BAUM-Netz) ................ 5.4.5 Überlagerndes Senden (DC-Netz): Schutz des Senders ......................... 5.4.5.1 Ein erster Überblick ...................................................... 5.4.5.2 Definition und Beweis der Senderanonymität......................... 5.4.5.3 Empfängeranonymität durch Knack-Schnapp-Verteilung ........... 5.4.5.3.1 Vergleich der globalen Überlagerungsergebnisse...... 5.4.5.3.2 Deterministische Knack-Schnapp- Schlüsselgenerierung...................................... 5.4.5.3.3 Probabilistische Knack-Schnapp- Schlüsselgenerierung...................................... 5.4.5.4 Überlagerndes Empfangen .............................................. 5.4.5.4.1 Kriterien für die Erhaltung von Anonymität und Unverkettbarkeit ........................................... 5.4.5.4.2 Kollisionsauflösungsalgorithmus........................ 5.4.5.4.3 Reservierungsschema (Roberts’ scheme)............... 5.4.5.5 Optimalität, Aufwand und Implementierungen........................ 5.4.5.6 Fehlertoleranz beim DC-Netz ........................................... 5.4.6 MIX-Netz: Schutz der Kommunikationsbeziehung ............................... 5.4.6.1 Grundsätzliche Überlegungen über Möglichkeiten und Grenzen des Umcodierens ......................................................... 5.4.6.2 Senderanonymität......................................................... 5.4.6.3 Empfängeranonymität.................................................... 5.4.6.4 Gegenseitige Anonymität ................................................ 5.4.6.5 Längentreue Umcodierung .............................................. 5.4.6.6 Effizientes Vermeiden wiederholten Umcodierens ................... 5.4.6.7 Kurze Vorausschau....................................................... 5.4.6.8 Notwendige Eigenschaften des asymmetrischen Konzelationssystems und Brechen der direkten RSA-Implementierung .......... 5.4.6.9 Schnellere Übermittlung durch MIX-Kanäle.......................... 5.4.6.10 Fehlertoleranz beim MIX-Netz.......................................... 5.4.6.10.1 Verschiedene MIX-Folgen................................ 5.4.6.10.2 Ersetzen von MIXen....................................... 5.4.6.10.2.1 Das Koordinations-Problem............. 5.4.6.10.2.2 MIXe mit Reserve-MIXen............... 5.4.6.10.2.3 Auslassen von MIXen ................... 5.4.7 Tolerierung verändernder Angriffe bei RING-, DC- und MIX-Netz ........... 5.4.8 Aktiver Verkettungsangriff über Betriebsmittelknappheit ........................ 5.4.9 Einordnung in ein Schichtenmodell ................................................. 5.4.10 Vergleich von Stärke und Aufwand von RING-, DC- und MIX-Netz ......... 5.5 Ausbau zu einem breitbandigen diensteintegrierenden Digitalnetz......................... 5.5.1 Telefon-MIXe.......................................................................... 5.5.1.1 Grundprinzip der Zeitscheibenkanäle .................................. 5.5.1.2 Aufbau der Zeitscheibenkanäle.......................................... 5.5.1.3 Aufbau einer unbeobachtbaren Verbindung ........................... 5.5.1.4 Abbau einer unbeobachtbaren Verbindung ............................ 3.8.2.7 Anmerkungen zu expandierenden Blockchiffren und zur Initialisierung der Speicherglieder ...................................... 119 3.8.2.8 Zusammenfassung der Eigenschaften der Betriebsarten ............. 119 3.8.3 Kollisionsresistente Hashfunktion aus Blockchiffre .............................. 121 3.9 Skizzen weiterer Systeme ...................................................................... 123 3.9.1 Diffie-Hellman Schlüsselaustausch ................................................. 123 3.9.2 Für den Unterzeichner unbedingt sichere Signaturen ............................. 125 3.9.3 Unbedingt sichere Pseudosignaturen ............................................... 128 3.9.4 Nicht herumzeigbare Signaturen (Undeniable Signatures) ....................... 128 3.9.5 Blind geleistete Signaturen (Blind Signatures)..................................... 129 3.9.6 Schwellwertschema ................................................................... 131 Leseempfehlungen ..................................................................................... 132 4 Steganographische Grundlagen...................................................................................... 134 4.1 Systematik........................................................................................ 137 4.1.1 Steganographische Systeme.......................................................... 137 4.1.1.1 Steganographische Konzelationssysteme, Überblick ................ 137 4.1.1.2 Steganographische Authentikationssysteme, Überblick ............. 138 4.1.1.3 Vergleich................................................................... 138 4.1.2 Eine Anmerkung zum Schlüsselaustausch: Steganographie mit öffentlichen Schlüsseln.............................................................................. 139 4.1.3 Grundsätzliches über Sicherheit ..................................................... 140 4.1.3.1 Angriffsziele und -Erfolge............................................... 140 4.1.3.2 Angriffstypen ............................................................. 140 4.1.3.3 Stegoanalyse führt zu verbesserter Steganographie .................. 140 4.1.3.3.1 Konstruktion für S und S-1 ............................... 140 4.1.3.3.2 Konstruktionen für E und E-1 ............................ 142 4.2 Informationstheoretisch sichere Steganographie............................................. 144 4.2.1 Informationstheoretisch sichere steganographische Konzelation ................ 144 4.2.2 Informationstheoretisch sichere steganographische Authentikation ............. 144 4.3 Zwei gegensätzliche Stegoparadigmen........................................................ 144 4.3.1 Möglichst wenig ändern .............................................................. 144 4.3.2 Normalen Prozeß nachbilden ........................................................ 145 4.4 Paritätscodierung zur Verstärkung der Verborgenheit ...................................... 145 4.5 Steganographie in digitalen Telefongesprächen.............................................. 145 4.6 Steganographie in Bildern...................................................................... 145 4.7 Steganographie in einer Videokonferenz ..................................................... 145 Leseempfehlungen ..................................................................................... 145 5 Sicherheit in Kommunikationsnetzen............................................................................ 146 5.1 Problemstellung ................................................................................. 146 5.1.1 Gesellschaftliche Problemstellung................................................... 146 5.1.2 Informatische Problemstellung und Lösungsskizzen ............................. 148 5.2 Einsatz und Grenzen von Verschlüsselung in Kommunikationsnetzen................... 151 5.2.1 Einsatz von Verschlüsselung in Kommunikationsnetzen......................... 151 5.2.1.1 Verbindungs-Verschlüsselung .......................................... 151 5.2.1.2 Ende-zu-Ende-Verschlüsselung......................................... 152 5.2.2 Grenzen von Verschlüsselung in Kommunikationsnetzen ....................... 155 5.3 Grundverfahren außerhalb des Kommunikationsnetzes zum Schutz der Verkehrsund Interessensdaten............................................................................ 156 5.3.1 Öffentliche Anschlüsse ............................................................... 157 5.3.2 Zeitlich entkoppelte Verarbeitung.................................................... 157 5.3.3 Lokale Auswahl ....................................................................... 158 5.4 Grundverfahren innerhalb des Kommunikationsnetzes zum Schutz der Verkehrsund Interessensdaten............................................................................ 158 5.4.1 Verteilung: Schutz des Empfängers ................................................. 159 5.4.1.1 Verändernde Angriffe auf die Verteilung .............................. 160 5.4.1.2 Implizite Adressierung ................................................... 160 5.4.1.2.1 Implementierung von verdeckter impliziter Adressierung ...................................................... 161
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