Was ist eine Public Key Infrastructure (PKI)?

Die Public-Key-Infrastruktur (PKI) ist ein Satz von Rollen, Richtlinien und Verfahren, die für die Erstellung, Verwaltung, Verteilung, Verwendung, Speicherung und den Widerruf digitaler Zertifikate sowie für die Verwaltung der Public-Key-Verschlüsselung erforderlich sind. Sie ist ein entscheidender Aspekt in der Welt der Cybersicherheit und bietet einen Rahmen für die Schaffung sicherer, verschlüsselter Kommunikationskanäle. Die PKI ist maßgeblich an der Feststellung der Identität von Personen und Geräten beteiligt, gewährleistet die Vertraulichkeit und Integrität von Daten und bietet starke Authentifizierungs- und Nichtabstreitbarkeitsdienste.

Das Konzept der PKI basiert auf einem Schlüsselpaar, das aus einem öffentlichen und einem privaten Schlüssel besteht. Jeder Schlüssel kann die vom anderen verschlüsselten Daten entschlüsseln. Der öffentliche Schlüssel wird allen zur Verfügung gestellt, während der private Schlüssel vom Eigentümer geheim gehalten wird. Dieses Schlüsselpaar wird in verschiedenen kryptografischen Vorgängen verwendet und bildet die Grundlage vieler Sicherheitsprotokolle und -dienste.

Komponenten der PKI

Eine PKI besteht aus mehreren Komponenten, die jeweils eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit und Integrität des Systems spielen. Zu diesen Komponenten gehören die Zertifizierungsstelle (CA), die Registrierungsstelle (RA), das zentrale Verzeichnis, das Zertifikatsverwaltungssystem und die Endstellen.

Die Zertifizierungsstelle (CA) ist die wichtigste Komponente einer PKI. Sie ist für die Ausstellung und den Widerruf digitaler Zertifikate zuständig. Die CA überprüft die Identität von Entitäten und verknüpft sie mit öffentlichen Schlüsseln und digitalen Zertifikaten. Die Zertifizierungsstelle führt außerdem Aufzeichnungen über alle ausgestellten und widerrufenen Zertifikate.

Zertifizierungsstelle (CA)

Die Zertifizierungsstelle (CA) ist eine vertrauenswürdige Drittpartei, die digitale Zertifikate ausstellt. Die Zertifizierungsstelle überprüft die Identität des Zertifikatsantragstellers, bevor sie das Zertifikat ausstellt. Das von der Zertifizierungsstelle ausgestellte Zertifikat bindet einen öffentlichen Schlüssel an die Entität, die den entsprechenden privaten Schlüssel besitzt. Die Zertifizierungsstelle signiert das Zertifikat außerdem, um seine Authentizität sicherzustellen.

Die Zertifizierungsstelle führt außerdem eine Zertifikatsperrliste (Certificate Revocation List, CRL), die die Seriennummern aller gesperrten Zertifikate enthält. Die Zertifikatsperrliste wird regelmäßig aktualisiert und veröffentlicht, um die Entitäten über die gesperrten Zertifikate zu informieren. Die Zertifizierungsstelle ist auch dafür verantwortlich, den Entitäten eine Möglichkeit zu bieten, den Status eines Zertifikats zu überprüfen, entweder über die Zertifikatsperrliste oder einen OCSP-Server (Online Certificate Status Protocol).

Registrierungsstelle (RA)

Die Registrierungsstelle (RA) ist eine Instanz, die als Vermittler zwischen der Zertifizierungsstelle und den Endstellen fungiert. Die RA überprüft die Identität von Instanzen, bevor ihnen von der Zertifizierungsstelle ein Zertifikat ausgestellt wird. Die RA leitet auch den Prozess der Zertifikatsausstellung und -sperrung ein, indem sie die Anfragen an die Zertifizierungsstelle weiterleitet.

Die RA stellt selbst keine Zertifikate aus. Stattdessen überprüft sie die von den Instanzen bereitgestellten Informationen und genehmigt oder lehnt den Zertifikatsantrag auf der Grundlage dieser Informationen ab. Die RA stellt auch einen Kommunikationskanal zwischen der CA und den Entitäten bereit, der die Verteilung von Zertifikaten und die Benachrichtigung über den Widerruf von Zertifikaten erleichtert.

PKI-Zertifikate

Ein digitales Zertifikat, auch als Public-Key-Zertifikat bekannt, ist ein digitales Dokument, das einen öffentlichen Schlüssel an eine Entität bindet. Das Zertifikat enthält Informationen über die Entität, den öffentlichen Schlüssel, die ausstellende CA und die Gültigkeitsdauer des Zertifikats. Das Zertifikat wird von der CA signiert, um seine Authentizität zu gewährleisten.

Digitale Zertifikate werden in verschiedenen Sicherheitsprotokollen und -diensten verwendet. Sie dienen dazu, sichere Kommunikationskanäle einzurichten, Entitäten zu authentifizieren, digitale Dokumente zu signieren und Daten zu verschlüsseln. Die Zertifikate werden auch verwendet, um Nichtabstreitbarkeitsdienste bereitzustellen, die sicherstellen, dass eine Entität die Echtheit ihrer digitalen Signatur nicht abstreiten kann.

Zertifikatformat

Digitale Zertifikate werden in der Regel nach dem X.509-Standard formatiert. Das X.509-Zertifikat enthält Informationen wie die Version des X.509-Standards, die Seriennummer des Zertifikats, den zum Signieren des Zertifikats verwendeten Algorithmus, den Aussteller des Zertifikats, die Gültigkeitsdauer des Zertifikats, den Betreff des Zertifikats und den öffentlichen Schlüssel des Betreffs.

Das X.509-Zertifikat enthält auch optionale Erweiterungen, die zusätzliche Informationen über das Zertifikat bereitstellen. Diese Erweiterungen können die Schlüsselverwendung, die Richtlinieninformationen, die eindeutigen Kennungen des Antragstellers und des Ausstellers sowie die Zertifikatpfadbeschränkungen angeben.

Zertifikatsvalidierung

Wenn eine Entität ein Zertifikat erhält, muss sie das Zertifikat vor der Verwendung validieren. Die Entität überprüft den Gültigkeitszeitraum des Zertifikats, die Signatur der Zertifizierungsstelle, den Status des Zertifikats und den Zertifikatpfad. Wenn eine dieser Prüfungen fehlschlägt, lehnt die Entität das Zertifikat ab.

Die Entität überprüft zunächst die Gültigkeitsdauer des Zertifikats, um sicherzustellen, dass das Zertifikat nicht abgelaufen ist. Anschließend überprüft die Entität die Signatur der Zertifizierungsstelle, um die Authentizität des Zertifikats sicherzustellen. Die Entität überprüft auch den Status des Zertifikats, indem sie die CRL oder den OCSP-Server abfragt. Schließlich validiert die Entität den Zertifikatpfad, um sicherzustellen, dass das Zertifikat von einer vertrauenswürdigen Zertifizierungsstelle ausgestellt wurde.

PKI-Standards und -Protokolle

Es wurden mehrere Standards und Protokolle entwickelt, um den Betrieb von PKI zu unterstützen. Diese Standards und Protokolle definieren das Format von Zertifikaten, die Verfahren zur Ausstellung und zum Widerruf von Zertifikaten, die Protokolle zur Überprüfung des Status von Zertifikaten und die Algorithmen zur Verschlüsselung und Signatur von Daten.

Der wichtigste Standard für PKI ist der X.509-Standard, der das Format digitaler Zertifikate definiert. Zu den weiteren wichtigen Standards gehören die PKCS-Standards (Public Key Cryptography Standards), die die Formate für die Speicherung und den Transport von Schlüsseln und Zertifikaten definieren, und der CMS-Standard (Cryptographic Message Syntax), der das Format für signierte und verschlüsselte Nachrichten definiert.

X.509-Standard

Der X.509-Standard ist ein weit verbreiteter Standard für digitale Zertifikate. Der Standard definiert das Format des Zertifikats, die Informationen, die das Zertifikat enthalten muss, und die Verfahren für die Ausstellung und den Widerruf von Zertifikaten. Der X.509-Standard definiert auch das Format der CRL und die Verfahren zur Überprüfung des Status von Zertifikaten.

Der X.509-Standard wurde mehrmals überarbeitet, um neue Funktionen hinzuzufügen und die Sicherheit zu verbessern. Die neueste Version des Standards, X.509 v3, enthält optionale Erweiterungen, die zusätzliche Informationen über das Zertifikat bereitstellen. Diese Erweiterungen können die Schlüsselverwendung, die Richtlinieninformationen, die eindeutigen Kennungen des Antragstellers und des Ausstellers sowie die Einschränkungen des Zertifikatpfads angeben.

PKCS-Standards

Die PKCS-Standards sind eine Reihe von Standards, die von RSA Laboratories zur Unterstützung der Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln entwickelt wurden. Die PKCS-Standards definieren die Formate für die Speicherung und den Transport von Schlüsseln und Zertifikaten, die Algorithmen für die Verschlüsselung und Signierung von Daten sowie die Verfahren für die Erstellung und Überprüfung digitaler Signaturen.

Zu den PKCS-Standards gehören PKCS #1, das die RSA-Verschlüsselungs- und Signaturalgorithmen definiert; PKCS #7, das den CMS-Standard für signierte und verschlüsselte Nachrichten definiert; PKCS #10, das das Format für Zertifikatsanforderungsnachrichten definiert; PKCS #12, das das Format für die sichere Speicherung von Schlüsseln und Zertifikaten definiert; und PKCS #15, das das Format für die Speicherung von Schlüsseln und Zertifikaten auf Smartcards definiert.

PKI in der Praxis

PKI wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von sicherer E-Mail und sicherem Web-Browsing bis hin zu sicherem Fernzugriff und virtuellen privaten Netzwerken. PKI wird auch im elektronischen Handel, bei digitalen Signaturen und sicheren Zeitstempeln eingesetzt. Die Verwendung von PKI in diesen Anwendungen gewährleistet die Vertraulichkeit, Integrität und Authentizität von Daten.

Die Implementierung von PKI ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Die Verwaltung von Schlüsseln und Zertifikaten, die Überprüfung von Identitäten, die Verteilung von Zertifikaten und der Widerruf von Zertifikaten sind komplexe Aufgaben, die eine sorgfältige Planung und Verwaltung erfordern. Darüber hinaus hängt die Sicherheit von PKI von der Sicherheit der privaten Schlüssel ab, die vor Verlust, Diebstahl und Kompromittierung geschützt werden müssen.

Sichere E-Mail

PKI wird in sicheren E-Mails verwendet, um die Vertraulichkeit und Integrität von E-Mail-Nachrichten zu gewährleisten. Der Absender der E-Mail verschlüsselt die Nachricht mit dem öffentlichen Schlüssel des Empfängers, und der Empfänger entschlüsselt die Nachricht mit seinem privaten Schlüssel. Der Absender kann die E-Mail auch mit seinem privaten Schlüssel signieren, und der Empfänger kann die Signatur mit dem öffentlichen Schlüssel des Absenders überprüfen. Dadurch wird die Authentizität der E-Mail sichergestellt und eine Nichtabstreitbarkeit gewährleistet.

Die Verwendung von PKI in sicheren E-Mails erfordert die Verteilung öffentlicher Schlüssel und die Überprüfung von Identitäten. Dies erfolgt in der Regel über eine Zertifizierungsstelle, die digitale Zertifikate ausstellt, die öffentliche Schlüssel an Identitäten binden. Die Empfänger der E-Mail können die Gültigkeit der Zertifikate überprüfen, um die Authentizität der öffentlichen Schlüssel sicherzustellen.

Sicheres Surfen im Internet

PKI wird beim sicheren Surfen im Internet eingesetzt, um sichere Kommunikationskanäle zwischen Webbrowsern und Webservern einzurichten. Der Webserver präsentiert dem Webbrowser ein digitales Zertifikat, und der Webbrowser validiert das Zertifikat und richtet einen sicheren Kommunikationskanal mit dem Webserver ein. Der Kommunikationskanal wird mit einem symmetrischen Schlüssel verschlüsselt, der zwischen dem Webbrowser und dem Webserver unter Verwendung des öffentlichen Schlüssels im Zertifikat des Servers ausgetauscht wird.

Die Verwendung von PKI beim sicheren Surfen im Internet gewährleistet die Vertraulichkeit und Integrität der zwischen dem Webbrowser und dem Webserver übertragenen Daten. Außerdem wird die Authentizität des Webservers sichergestellt und Man-in-the-Middle-Angriffe werden verhindert. Die Sicherheit des Kommunikationskanals hängt jedoch von der Sicherheit der privaten Schlüssel und der Gültigkeit der Zertifikate ab.

Herausforderungen und Einschränkungen von PKI

Obwohl PKI ein robustes Rahmenwerk für sichere Kommunikation und Authentifizierung bietet, ist es nicht ohne Herausforderungen und Einschränkungen. Dazu gehören die Komplexität der Schlüssel- und Zertifikatsverwaltung, die Notwendigkeit einer vertrauenswürdigen Zertifizierungsstelle, das Risiko der Kompromittierung privater Schlüssel und die Skalierbarkeit des Systems.

Die Schlüssel- und Zertifikatsverwaltung ist eine komplexe Aufgabe, die sorgfältige Planung und Verwaltung erfordert. Die Schlüssel müssen auf sichere Weise generiert, gespeichert und verwendet werden, um Verlust, Diebstahl und Kompromittierung zu verhindern. Die Zertifikate müssen rechtzeitig und sicher ausgestellt, verteilt und widerrufen werden. Die Verwaltung von Schlüsseln und Zertifikaten erfordert außerdem eine erhebliche Menge an Rechenressourcen, was bei großen Systemen eine Herausforderung darstellen kann.

Vertrauen in die Zertifizierungsstelle

Die Sicherheit von PKI hängt vom Vertrauen in die Zertifizierungsstelle ab. Die Zertifizierungsstelle ist für die Überprüfung der Identität von Entitäten, die Ausstellung von Zertifikaten und die Pflege der Zertifikatsperrliste verantwortlich. Wenn die Zertifizierungsstelle kompromittiert wird, ist die Sicherheit des gesamten Systems gefährdet. Daher muss die Zertifizierungsstelle eine vertrauenswürdige Entität sein, die auf sichere Weise arbeitet.

Das Vertrauen in die Zertifizierungsstelle ist jedoch nicht immer gerechtfertigt. Es gab Fälle, in denen Zertifizierungsstellen kompromittiert wurden, was zur Ausstellung betrügerischer Zertifikate führte. Es gab auch Fälle, in denen Zertifizierungsstellen Zertifikate ohne ordnungsgemäße Überprüfung der Identität ausgestellt haben. Diese Vorfälle untergraben das Vertrauen in die Zertifizierungsstelle und die Sicherheit der PKI.

Kompromittierung des privaten Schlüssels

Die Sicherheit der PKI hängt auch von der Sicherheit der privaten Schlüssel ab. Die privaten Schlüssel müssen geheim gehalten und vor Verlust, Diebstahl und Kompromittierung geschützt werden. Wenn ein privater Schlüssel kompromittiert wird, ist die Sicherheit aller mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel verschlüsselten Daten gefährdet. Darüber hinaus kann der kompromittierte Schlüssel dazu verwendet werden, sich als die Entität auszugeben, was zu Identitätsdiebstahl und Betrug führt.

Der Schutz der privaten Schlüssel ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Schlüssel müssen sicher gespeichert werden und ihre Verwendung muss kontrolliert werden. Die Schlüssel müssen außerdem regelmäßig ausgetauscht werden, um den Schaden im Falle einer Kompromittierung zu begrenzen. Der Austausch von Schlüsseln erfordert jedoch die Ausstellung neuer Zertifikate, was die Komplexität der Schlüssel- und Zertifikatsverwaltung erhöht.

Skalierbarkeit

PKI ist ein skalierbares System, das eine große Anzahl von Entitäten unterstützen kann. Die Skalierbarkeit von PKI wird jedoch durch die Kapazität der Zertifizierungsstelle und die für die Schlüssel- und Zertifikatsverwaltung erforderlichen Ressourcen begrenzt. Mit zunehmender Anzahl von Entitäten steigt die Arbeitsbelastung der Zertifizierungsstelle und die Komplexität der Schlüssel- und Zertifikatsverwaltung.

Die Skalierbarkeit von PKI kann durch die Verwendung einer hierarchischen CA-Struktur verbessert werden, bei der mehrere CAs unter der Autorität einer Root-CA Zertifikate ausstellen. Dadurch wird die Arbeitslast der Root-CA reduziert und die Aufgabe der Zertifikatsverwaltung verteilt. Die hierarchische CA-Struktur führt jedoch zu zusätzlicher Komplexität und erfordert eine sorgfältige Planung und Verwaltung.

Schlussfolgerung

Die Public-Key-Infrastruktur (PKI) ist ein entscheidender Aspekt der Cybersicherheit und bietet einen Rahmen für sichere Kommunikation, Authentifizierung und Nichtabstreitbarkeit. Die PKI basiert auf dem Konzept der Public-Key-Kryptografie, bei der ein Schlüsselpaar zur Ver- und Entschlüsselung verwendet wird. Die PKI umfasst mehrere Komponenten, darunter die Zertifizierungsstelle, die Registrierungsstelle und die Endentitäten, und verwendet digitale Zertifikate, um öffentliche Schlüssel an Entitäten zu binden.

Obwohl PKI ein robustes Sicherheitskonzept bietet, ist es nicht ohne Herausforderungen und Einschränkungen. Dazu gehören die Komplexität der Schlüssel- und Zertifikatsverwaltung, die Notwendigkeit einer vertrauenswürdigen Zertifizierungsstelle, das Risiko der Kompromittierung privater Schlüssel und die Skalierbarkeit des Systems. Trotz dieser Herausforderungen bleibt PKI ein wichtiges Instrument in der Welt der Cybersicherheit und bietet eine Grundlage für sichere Kommunikation und Authentifizierung.