13.6 Diffie-Hellman und Perfect Forward Secrecy
13.6 Diffie-Hellman und Perfect Forward Secrecy
Kurzüberblick
Diffie-Hellman ist ein Verfahren zum Schlüsselaustausch.
Es wird nicht dafür genutzt, große Datenmengen direkt zu verschlüsseln.
Die Grundidee ist:
Alice und Bob können über ein unsicheres Netzwerk ein gemeinsames Geheimnis erzeugen, ohne dieses Geheimnis direkt zu übertragen.
IHK-Merksatz:
Diffie-Hellman = Schlüsselaustausch
Nicht: direkte Verschlüsselung großer Datenmengen
Quelle 11.1 – Einordnung
In der Quelle wird Diffie-Hellman bei den Unterscheidungsmerkmalen der Verschlüsselungsverfahren genannt.
Es gehört in den Bereich:
- Schlüsselaustausch
- asymmetrische Kryptografie
- sichere Verbindungsaufnahme
- Grundlage für sichere Protokolle
- Perfect Forward Secrecy
Wichtig ist:
Diffie-Hellman ist kein Ersatz für symmetrische Verschlüsselung.
Es hilft dabei, einen gemeinsamen Schlüssel zu erzeugen oder auszuhandeln.
Warum braucht man Diffie-Hellman?
Bei der symmetrischen Verschlüsselung gab es ein Problem:
Alice und Bob brauchen denselben geheimen Schlüssel.
Aber:
Wie bekommen beide denselben Schlüssel, ohne dass Eve ihn einfach kopiert?
Diffie-Hellman löst genau dieses Problem.
Kurz gesagt:
Alice und Bob einigen sich auf ein gemeinsames Geheimnis, ohne dieses Geheimnis direkt über das Netzwerk zu senden.
Grundidee ohne Mathematik
Alice und Bob wollen einen gemeinsamen Sitzungsschlüssel erhalten.
Eve kann den Netzwerkverkehr mithören.
Trotzdem soll Eve den fertigen Sitzungsschlüssel nicht kennen.
Vereinfacht passiert Folgendes:
| Schritt | Erklärung |
|---|---|
| 1 | Alice und Bob tauschen öffentliche Informationen aus. |
| 2 | Alice kombiniert diese Informationen mit ihrem privaten Geheimnis. |
| 3 | Bob kombiniert diese Informationen mit seinem privaten Geheimnis. |
| 4 | Beide kommen dadurch auf dasselbe gemeinsame Geheimnis. |
| 5 | Eve sieht nur die öffentlichen Informationen, aber nicht die privaten Geheimnisse. |
Was sieht Eve?
Eve kann den Datenverkehr beobachten.
Sie sieht zum Beispiel:
- öffentliche Austauschwerte
- Protokollinformationen
- eventuell Zertifikate
- verschlüsselte Daten
Eve sieht aber nicht:
- Alices privaten Anteil
- Bobs privaten Anteil
- den fertigen gemeinsamen Sitzungsschlüssel
| Bestandteil | Sichtbar für Eve? | Kritisch? |
|---|---|---|
| öffentliche Austauschwerte | ja | normalerweise nein |
| privater Anteil von Alice | nein | ja, muss geheim bleiben |
| privater Anteil von Bob | nein | ja, muss geheim bleiben |
| fertiger Sitzungsschlüssel | nein | ja, muss geheim bleiben |
Wichtig: Diffie-Hellman verschlüsselt nicht die Nutzdaten
Ein häufiger Fehler ist:
Diffie-Hellman mit normaler Verschlüsselung zu verwechseln.
Das ist falsch.
| Thema | Aufgabe |
|---|---|
| Diffie-Hellman | gemeinsamen Schlüssel aushandeln |
| symmetrische Verschlüsselung | Nutzdaten verschlüsseln |
| asymmetrische Verschlüsselung | Schlüssel schützen, Signaturen, Zertifikate |
| Hashfunktion | Integrität prüfen |
| Zertifikat | Identität prüfen |
Achtung Prüfungsfalle:
Diffie-Hellman ist ein Verfahren zum Schlüsselaustausch, nicht die eigentliche Datenverschlüsselung.
Bezug zur hybriden Verschlüsselung
Diffie-Hellman passt gut zum hybriden Prinzip.
Bei der hybriden Verschlüsselung gilt:
- asymmetrische Technik hilft beim sicheren Schlüsselaustausch
- symmetrische Technik verschlüsselt danach die Nutzdaten
Diffie-Hellman kann dabei helfen, den gemeinsamen Sitzungsschlüssel sicher auszuhandeln.
Danach wird dieser Sitzungsschlüssel für symmetrische Verschlüsselung genutzt.
| Phase | Technik |
|---|---|
| Verbindungsaufbau | Schlüsselaustausch, zum Beispiel Diffie-Hellman |
| danach | symmetrische Verschlüsselung der Nutzdaten |
| zusätzlich | Zertifikate / Signaturen zur Identitätsprüfung |
Einfaches Beispiel
Alice und Bob wollen sicher kommunizieren.
Sie nutzen Diffie-Hellman, um einen gemeinsamen Sitzungsschlüssel zu erzeugen.
Danach verwenden sie diesen Sitzungsschlüssel für die symmetrische Verschlüsselung.
Ablauf:
| Schritt | Erklärung |
|---|---|
| 1 | Alice und Bob starten den Schlüsselaustausch. |
| 2 | Beide tauschen öffentliche Werte aus. |
| 3 | Beide nutzen zusätzlich ihr eigenes privates Geheimnis. |
| 4 | Beide berechnen denselben Sitzungsschlüssel. |
| 5 | Die Nutzdaten werden mit diesem Sitzungsschlüssel symmetrisch verschlüsselt. |
Warum ist das sicherer als einfaches Senden des Schlüssels?
Beim einfachen Senden würde Alice den Schlüssel direkt an Bob übertragen.
Dann könnte Eve ihn kopieren.
Bei Diffie-Hellman wird der fertige Schlüssel nicht direkt gesendet.
Stattdessen wird er auf beiden Seiten berechnet.
| Direkte Schlüsselübergabe | Diffie-Hellman |
|---|---|
| Schlüssel wird übertragen | Schlüssel wird auf beiden Seiten berechnet |
| Eve könnte den Schlüssel kopieren | Eve sieht nur öffentliche Austauschwerte |
| riskant bei unsicherem Netzwerk | besser für unsichere Netzwerke |
| einfach zu verstehen | mathematisch komplexer |
Perfect Forward Secrecy
Perfect Forward Secrecy bedeutet:
Alte Verbindungen sollen auch dann geschützt bleiben, wenn ein langfristiger privater Schlüssel später kompromittiert wird.
Anders gesagt:
Wenn ein Angreifer heute einen privaten Schlüssel stiehlt, soll er damit nicht automatisch alte aufgezeichnete Sitzungen entschlüsseln können.
IHK-Merksatz:
Perfect Forward Secrecy schützt alte Sitzungen besser, weil Sitzungsschlüssel nicht dauerhaft gleich bleiben.
Warum ist Perfect Forward Secrecy wichtig?
Eve könnte Datenverkehr heute mitschneiden und speichern.
Später könnte Eve versuchen, einen privaten Schlüssel zu stehlen.
Ohne Perfect Forward Secrecy wäre das gefährlicher.
Mit Perfect Forward Secrecy soll gelten:
- alte Sitzungsschlüssel waren nur kurzzeitig gültig
- alte Sitzungsschlüssel wurden nicht dauerhaft gespeichert
- ein später gestohlener Langzeitschlüssel reicht nicht aus, um alte Sitzungen zu entschlüsseln
Beispiel ohne Perfect Forward Secrecy
Eve macht Folgendes:
- Eve zeichnet heute verschlüsselten Datenverkehr auf.
- Eve stiehlt später den privaten Schlüssel eines Servers.
- Eve versucht, alte Verbindungen nachträglich zu entschlüsseln.
Wenn alte Sitzungen vom langfristigen Schlüssel abhängig waren, wäre das problematisch.
Beispiel mit Perfect Forward Secrecy
Bei Perfect Forward Secrecy wird für Sitzungen eigenes, kurzlebiges Schlüsselmaterial verwendet.
Das bedeutet:
- Jede Sitzung bekommt eigene Schlüssel.
- Die Sitzungsschlüssel werden später verworfen.
- Ein später gestohlener Langzeitschlüssel reicht nicht aus, um alte Sitzungen zu entschlüsseln.
| Ohne PFS | Mit PFS |
|---|---|
| alte Sitzungen können stärker vom Langzeitschlüssel abhängen | jede Sitzung nutzt kurzlebige Schlüssel |
| späterer Schlüsselverlust kann alte Daten gefährden | alte Sitzungen bleiben besser geschützt |
| weniger Schutz bei aufgezeichnetem Datenverkehr | besserer Schutz gegen nachträgliches Entschlüsseln |
Ephemeral Diffie-Hellman
Im Zusammenhang mit Perfect Forward Secrecy taucht häufig der Begriff ephemeral auf.
Ephemeral bedeutet:
kurzlebig oder nur vorübergehend.
Bei ephemeral Diffie-Hellman werden für einzelne Sitzungen kurzlebige Schlüsselwerte verwendet.
Diese werden nach der Sitzung verworfen.
Kurz gesagt:
Ephemeral = nur für diese Sitzung gedacht.
Dadurch werden alte Sitzungen besser geschützt.
Bezug zu HTTPS / TLS
Bei HTTPS beziehungsweise TLS ist das wichtig.
Vereinfacht:
| Schritt | Erklärung |
|---|---|
| 1 | Browser verbindet sich mit einem Server. |
| 2 | Zertifikat hilft bei der Prüfung der Serveridentität. |
| 3 | Ein Schlüsselaustauschverfahren hilft beim Erzeugen eines Sitzungsschlüssels. |
| 4 | Danach werden die Nutzdaten symmetrisch verschlüsselt. |
| 5 | Bei PFS werden alte Sitzungen besser gegen späteren Schlüsselverlust geschützt. |
Bezug zu VPN
Auch bei VPNs ist die Idee wichtig.
Ein VPN braucht:
- sichere Identitätsprüfung
- sicheren Schlüsselaustausch
- symmetrische Verschlüsselung der Nutzdaten
- möglichst kurzlebige Sitzungsschlüssel
- Schutz gegen nachträgliches Entschlüsseln alter Sitzungen
Darum passt dieses Thema gut vor das spätere Kapitel:
14. VPN, Intranet und Extranet
Diffie-Hellman, PFS und Sitzungsschlüssel
| Begriff | Bedeutung |
|---|---|
| Diffie-Hellman | Verfahren zum Schlüsselaustausch |
| Sitzungsschlüssel | symmetrischer Schlüssel für eine bestimmte Verbindung |
| PFS | Schutz alter Sitzungen bei späterem Schlüsselverlust |
| ephemeral | kurzlebig, nur für eine Sitzung |
| symmetrische Verschlüsselung | verschlüsselt danach die eigentlichen Daten |
Typische IHK-Fragen
Was ist Diffie-Hellman?
Diffie-Hellman ist ein Verfahren zum Schlüsselaustausch.
Wozu dient Diffie-Hellman?
Es dient dazu, über ein unsicheres Netzwerk ein gemeinsames Geheimnis beziehungsweise Schlüsselmaterial auszuhandeln.
Verschlüsselt Diffie-Hellman große Datenmengen direkt?
Nein. Es dient dem Schlüsselaustausch. Die eigentlichen Daten werden danach meist symmetrisch verschlüsselt.
Was ist Perfect Forward Secrecy?
Perfect Forward Secrecy bedeutet, dass alte Sitzungen auch dann besser geschützt bleiben sollen, wenn ein langfristiger privater Schlüssel später kompromittiert wird.
Warum sind Sitzungsschlüssel wichtig?
Sie schützen eine konkrete Verbindung oder Sitzung und können danach verworfen werden.
Was bedeutet ephemeral?
Ephemeral bedeutet kurzlebig oder nur für eine Sitzung gültig.
Prüfungsfalle: Diffie-Hellman ist nicht dasselbe wie Verschlüsselung der Nutzdaten
| Aussage | Richtig oder falsch? |
|---|---|
| Diffie-Hellman verschlüsselt große Dateien direkt. | falsch |
| Diffie-Hellman hilft beim Schlüsselaustausch. | richtig |
| Danach kann symmetrisch verschlüsselt werden. | richtig |
| PFS schützt alte Sitzungen besser. | richtig |
| Der öffentliche Schlüssel muss geheim bleiben. | falsch |
Merksatz:
Diffie-Hellman erzeugt oder vereinbart Schlüsselmaterial.
Die Datenverschlüsselung passiert danach mit einem symmetrischen Verfahren.
Zusammenfassung
Diffie-Hellman ist ein Verfahren zum sicheren Schlüsselaustausch.
Alice und Bob können damit über ein unsicheres Netzwerk ein gemeinsames Geheimnis erzeugen, ohne dieses Geheimnis direkt zu übertragen.
Dieses gemeinsame Geheimnis kann anschließend als Grundlage für einen symmetrischen Sitzungsschlüssel dienen.
Perfect Forward Secrecy sorgt dafür, dass alte Sitzungen besser geschützt bleiben, selbst wenn später ein langfristiger privater Schlüssel kompromittiert wird.
IHK-Spickzettel:
Diffie-Hellman = Schlüsselaustausch
nicht direkte Nutzdatenverschlüsselung
Sitzungsschlüssel = symmetrischer Schlüssel für eine Verbindung
PFS = schützt alte Sitzungen besser
ephemeral = kurzlebig / nur für diese Sitzung
Praxis = HTTPS / TLS / VPN