Public-Key-Infrastruktur

Mit Public-Key-Infrastruktur (PKI, engl.: public key infrastructure) bezeichnet man in der Kryptologie und Kryptografie ein System, welches es ermöglicht, digitale Zertifikate auszustellen, zu verteilen und zu prüfen. Die innerhalb einer PKI ausgestellten Zertifikate werden zur Absicherung computergestützter Kommunikation verwendet.

Übersicht

Der zu Grunde liegende Gedanke ist der folgende: Mit Hilfe eines asymmetrischen Kryptosystems können Nachrichten im Internet digital signiert und verschlüsselt werden. Allerdings benötigt man hierzu den öffentlichen Schlüssel (Public-Key) des Absenders. Dieser könnte z. B. per E-Mail versendet oder von einer Web-Seite heruntergeladen werden. Es stellt sich genau an diesem Punkt aber die Frage, wie sichergestellt werden kann, dass es sich tatsächlich um den Schlüssel des Absenders handelt und nicht um die Fälschung eines Betrügers. Hierzu werden digitale Zertifikate verwendet, welche die Authentizität eines öffentlichen Schlüssels und seinen zulässigen Anwendungs- und Geltungsbereich bestätigen. Das digitale Zertifikat ist selbst durch eine digitale Signatur geschützt, deren Echtheit mit dem öffentlichen Schlüssel des Ausstellers des Zertifikates geprüft werden kann. Um nun die Authentizität des Aussteller-Schlüssel zu prüfen wird wiederum eine digitales Zertifikat benötigt. Auf diese Weise lässt sich eine Kette von digitalen Zertifikaten konstruieren, die jeweils die Authentizität des öffentlichen Schlüssels bestätigen, mit dem das vorhergehende Zertifikat geprüft werden kann; eine solche Kette von Zertifikaten wird Validierungspfad genannt. Auf die Echtheit des letzten Zertifikates (und des durch diesen zertifzierten Schlüssels) muss man sich aber ohne ein weiteres Zertifikat verlassen können.

Wesentliche Bestandteile einer PKI sind:

Digitale Zertifikate: Digital signierte elektronische Daten, die sich zum Nachweis der Echtheit von Objekten verwenden lassen.
Zertifizierungsstelle (Certificate Authority, CA): Organisation, welche das CA-Zertifikat bereitstellt und die Signatur von Zertifikatsanträgen übernimmt.
Registrierungsstelle (Registration Authority, RA): Organisation, bei der Personen, Maschinen oder auch untergeordnete Zertifizierungsstellen Zertifikate beantragen können. Diese prüft die Richtigkeit der Daten im gewünschten Zertifikat und genehmigt den Zertifikatsantrag der dann durch die Zertifizierungsstelle signiert wird.
Zertifikatsperrliste (Certificate Revocation List): Eine Liste mit Zertifikaten, die vor Ablauf der Gültigkeit zurückgezogenen wurden z.B. weil das Schlüsselmaterial kompromittiert wurde. Eine Zertifikatssperrliste hat eine definierte Laufzeit, nach deren Ablauf sie erneut aktualisiert erzeugt wird. Prinzipiell muss eine PKI immer eine Zertifikatsstatusprüfung anbieten. Hierbei können jedoch neben der CRL (Offline-Statusprüfung) auch s.g. Online-Statusprüfungen wie OCSP oder SCVP zum Einsatz kommen (siehe Validierungsdienst). Online-Statusprüfungen werden gängigerweise dort eingesetzt wo die zeitgenaue Prüfung des Zertifikates wichtig ist z.B. bei finanziellen Transfers etc.
Verzeichnisdienst: ein durchsuchbares Verzeichnis, welches ausgestellte Zertifikate enthält, meist ein LDAP-Server, seltener ein X.500-Server.
Validierungsdienst: Ein Dienst, der die Überprüfung von Zertifikaten in Echtzeit ermöglicht wie OCSP oder SCVP.
Dokumentationen: Eine PKI führt eines oder mehrere Dokumente, in denen die Arbeitsprinzipien der PKI beschrieben sind. Kernpunkte sind der Registrierungsprozess, Handhabung des Secret-Key-Materials, zentrale oder dezentrale Schlüsselerzeugung, technischer Schutz der PKI-Systeme sowie evtl. rechtliche Zusicherungen. In X.509-Zertifikaten kann das CPS in den Extensions eines Zertifikates verlinkt werden. Nachfolgenden Dokumente sind teilweise üblich.
- CP (Certificate Policy): In diesem Dokument beschreibt die PKI ihr Anforderungsprofil an ihre eigene Arbeitsweise. Es dient Dritten zur Analyse der Vertrauenswürdigkeit und damit zur Aufnahme in den Browser.
- CPS (Certificate Practice Statement): Hier wird die konkrete Umsetzung der Anforderungen in die PKI beschrieben. Dieses Dokument beschreibt die Umsetzung der CP.
- PDS (Policy Disclosure Statement): Dieses Dokument ist ein Auszug aus dem CPS, falls das CPS nicht veröffentlich werden soll.

Vertrauensmodelle in Public Key Infrastrukturen

Zertifikate stellen im Wesentlichen digitale Beglaubigungen dar. Somit stellt das Vertrauen zwischen dem Prüfer und dem Aussteller eines Zertifikates, sowie die Art und Weise, wie dieses Vertrauen zustande kommt, die wesentliche Basis für die Verwendung digitaler Zertifikate dar. Umgekehrt lassen sich solche Vertrauensmodelle in der Regel erst durch Zertifikate technisch umsetzen.

Streng hierarchische PKI

Oft werden Zertifikate innerhalb einer komplett hierarchischen PKI eingesetzt. Dieses Vertrauensmodell setzt die Existenz einer Wurzelinstanz (Root-CA) voraus, einer obersten Zertifizierungsstelle, der alle teilnehmenden Parteien vertrauen. In der Praxis - zumindest auf globaler Ebene - gibt es jedoch eine solche Instanz nicht. So betreiben z.B. verschiedene Länder und multinationale Unternehmen jeweils eigene hierarchische PKIs mit jeweils eigenen Wurzelinstanzen. Die Ursache dafür liegt weniger im mangelnden Vertrauen in die andere PKI oder Wurzelinstanz als vielmehr der Wunsch nach vollständiger Kontrolle der Regeln innerhalb der eigenen PKI.

Zertifikate von wichtigen Root-CAs sind oft in die verarbeitende Computer-Software integriert. Problematisch ist dabei jedoch, dass Aussagen über die Anforderungen für die Ausstellung der Zertifikate - und damit über ihre Vertrauenwürdigkeit und ihre zulässigen Anwendungsbereiche - nur über die jeweiligen PKI-Dokumentation (siehe oben) getroffen werden.

Cross-Zertifizierung

Eine Möglichkeit, die Anwendung von Zertifikaten über die Grenzen verschiedener hierarchischer PKIs hinweg zu ermöglichen, ist die Cross-Zertifizierung. Dabei stellen sich zwei Zertifizierungsstellen (meist Wurzelinstanzen) gegenseitig ein (Cross-)Zertifikat aus. Im Unterschied zu normalen Zertifikaten in einer hierarchischen PKI drücken Cross-Zertifikate das Vertrauen zweier gleichberechtigter Parteien aus, d.h. die Regelungen der einen Wurzelinstanz sind für die PKI der anderen Wurzelinstanz nicht verbindlich, oder nur insoweit verbindlich, als sie deren eigenen Regelungen nicht widersprechen. Die Interpretation der durch ein Cross-Zertifikat ausgedrückten Vertrauensbeziehung ist daher manchmal nicht einfach und in vielen Fällen nicht einmal eindeutig.

Ein weiteres Problem der bilateralen Cross-Zertifizierung ist, dass die Anzahl der Cross-Zertifikate quadratisch mit der Anzahl von Zertifizierungsstellen steigt. So wären z.B. bei 20 Wurzelinstanzen 20*19 = 380 Cross-Zertifikate zwischen diesen Wurzelinstanzen notwendig. Eine Lösung dafür wäre die Cross-Zertifizierung aller Wurzelinstanzen mit einer neutralen Bridge-CA. Diese tauscht mit allen beteiligten Wurzelinstanzen Cross-Zertifikate aus, so dass sich die Zertifikate jeder PKI über die Cross-Zertifikate der Cross-CA auf die Zertifikate jeder anderen beteiligten PKI zurückführen lassen. Die Bridge-CA stellt also einen Mittelpunkt der Vertrauensbeziehungen der Wurzelinstanzen dar. Aus diesem Grund wird das durch eine Bridge-CA induzierte Vertrauensmodell im englischen Sprachraum auch als Hub-and-Spoke bezeichnet.

Web of Trust

Ein zur Zertifizierungshierarchie komplett konträres Vertrauensmodell wird durch die Verschlüsselungssoftware PGP und die OpenSource-Variante Gnu Privacy Guard (beide basieren auf OpenPGP und sind kompatibel zueinander) genutzt. Ein Zertifikat kann von jedem Benutzer (Web-of-Trust-Mitglied) erzeugt werden. Glaubt ein Benutzer daran, dass ein öffentlicher Schlüssel tatsächlich zu der Person gehört, die ihn veröffentlicht, so erstellt er ein Zertifikat, indem er diesen öffentlichen Schlüssel signiert. Andere Benutzer können aufgrund dieses Zertifikates entscheiden, ob auch sie darauf vertrauen wollen, dass der Schlüssel zum angegebenen Benutzer gehört oder nicht. Je mehr Zertifikate an einem Schlüssel hängen, desto sicherer kann man sich sein, dass dieser Schlüssel tatsächlich dem angegebenen Eigentümer gehört.

Ein Zertifikat kann auch im Web-of-Trust von einer Zertifizierungsstelle erzeugt werden. Da eine Zertifizierungsstelle fast immer die Regeln für die Ausstellung und Nutzung der Zertifikate vorgibt, geht in diesem Fall das Web of Trust in ein teilweise hierarchisches Vertrauensmodell über.

Implementierung einer PKI

Der Aufbau einer PKI kann sich für ein größeres Unternehmen oder eine größere Behörde lohnen. Kleinere Organisationen verzichten dagegen oft auf eine solche Maßnahme und beziehen ihre Zertifikate dafür von speziellen PKI-Dienstleistern. Im Mittelpunkt eines PKI-Aufbaus steht stets eine Software zum Betrieb der Zertifizierungsstelle (CA). Entsprechende Produkte werden von unterschiedlichen Herstellern angeboten:

Microsoft: Windows 2000 Server und Server 2003 (Aktivierung der Zertfikatsdienste) enthalten eine ohne Aufpreis nutzbare CA-Lösung. Diese ist in das Active Directory von Microsoft integriert und hat momentan die weiteste Verbreitung.

Linux: Unter Linux kommt meist OpenSSL oder OpenCA zum Einsatz.

Novell: Bietet mit dem Novell Certificate Server eine CA-Lösung an, die in das eDirectory integriert und ohne Aufpreis nutzbar ist. Diese Lösung gilt jedoch als unbefriedigend für größere PKIs. Als Alternative bietet sich das eDirectory-Zusatzprodukt cv act PKIntegrated (von einem Dritthersteller) an.

Entrust: Das Produkt Entrust Authority hat die weiteste Verbreitung unter den CA-Lösungen, die eigene Lizenzgebühren erfordern. Es gilt außerdem als das funktionsreichste Produkt dieser Art.

CyberTrust: Dies ist der wichtigste Konkurrent von Entrust. Der Name des Produkts lautet TrustedCA.

RSA Security: Die CA-Lösung Keon dieses Herstellers ist ebenfalls weit verbreitet.

Zertifikate für Mitarbeiter werden zumeist auf Chipkarten ausgerollt, welche dadurch zum Unternehmensausweis werden und für verschiedene Anmeldeprozesse verwendet werden können, und damit die Basis für ein Single Sign-On-System werden.

Da die integrierten Möglichkeiten zur Verwaltung der ausgegebenen Chipkarten, wie Ausstellung von Ersatzkarten, Widerruf von Karten und Zertifikaten, usw. in größeren Organisationen nicht ausreichend sind, werden zu diesem Zweck kommerzielle Kartenmanagementsysteme genutzt.

Literatur

Klaus Schmeh: Kryptografie und Public-Key-Infrastrukturen im Internet. dpunkt 2001

Weblinks