TLS Protokoll

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Funktionsweise

  • Client baut eine Verbindung zum Server auf.
  • Server authentifiziert sich gegenüber dem Client mit einem Zertifikat
  • Client überprüft hierbei die Vertrauenswürdigkeit X.509-Zertifikats und ob der Servername mit dem Zertifikat übereinstimmt.
  • Optional kann sich der Client mit einem eigenen Zertifikat auch gegenüber dem Server authentifizieren.
  • Dann schickt entweder der Client dem Server eine mit dem öffentlichen Schlüssel des Servers verschlüsselte geheime Zufallszahl
  • Oder die beiden Parteien berechnen mit dem Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch ein gemeinsames Geheimnis.
  • Aus dem Geheimnis wird dann ein kryptographischer Schlüssel abgeleitet.
  • Dieser Schlüssel wird in der Folge benutzt, um alle Nachrichten der Verbindung mit einem Symmetrisches Verschlüsselungsverfahren verschlüsseln
  • Schutz von Integrität und Authentizität durch einen Message Authentication Code gewährleistet.

TLS-Protokolle im Protokollstapel

  • Im OSI-Modell in Schicht 5 angeordnet.
  • Im TCP/IP-Modell ist TLS oberhalb der Transportschichtund unterhalb Anwendungsprotokollen angeordnet
  • Spezifikationen wird dies dann zum Beispiel als „HTTP over TLS“ bezeichnet. S
  • beide Protokolle zusammengefasst betrachtet werden, wird üblicherweise ein „S“ für Secure angehängt
  • TLS arbeitet transparent, so dass es leicht eingesetzt werden kann
  • Beispielsweise mit STUNNEL

Aufbau

Das TLS-Protokoll besteht aus zwei Schichten:

TLS Handshake Protocol TLS Change Cipher Spec. Protocol TLS Alert Protocol TLS Application Data Protocol
TLS Record Protocol

TLS Record Protocol

  • TLS Record Protocol ist die untere der beiden Schichten und dient zur Absicherung der Verbindung.
  • setzt direkt auf der Transportschicht auf und bietet zwei verschiedene Dienste
  • Diese können einzeln oder gemeinsam genutzt werden

Ende-zu-Ende-Verschlüsselung

  • mittels Symmetrisches Kryptosystem
  • verwendeteR Schlüssel wird dabei im Voraus über ein weiteres Protokoll (zum Beispiel das TLS Handshake Protocol) ausgehandelt
  • kann nur einmal für die jeweilige Verbindung verwendet werden.
  • Es wird symmetrische Verschlüsselung unterstützt (DES, 3DES und AES)

Sicherung der Integrität und Authentizität

  • durch einen Message Authentication Codein der Regel HMAC

Aufbau einer TLS-Record-Nachrich

  • 1 Byte: Change Cipher Spec = 20 Alert = 21, Handshake = 22, Application Data = 23
  • 1 Byte: Protokollversion Major
  • 1 Byte: Protokollversion Minor
  • 2 Byte: Länge

TLS Handshake Protocol

Tls-31.png

  • Baut auf dem TLS Record Protocol auf und erfüllt die folgenden Funktionen
  • Aushandeln zu benutzender kryptografischer Algorithmen und Schlüssel.
  • Identifikation und Authentifizierung der Kommunikationspartner
  • Basis sind Asymmetrischer Verschlüsselungsverfahren und Public-Key-Infrastruktur
  • Server authentifiziert sich gegenüber dem Client
  • Optional authentifiziert sich auch der Client gegenüber dem Server

Handshake selbst kann in vier Phasen unterteilt werden

  • Client schickt zum Server ein ClientHello, und der Server antwortet dem Client mit einem ServerHello. Die Parameter der Nachrichten sind:
    • die höchste vom Client unterstützte TLS-Protokoll-Version
    • eine 32 Byte lange Zufallsinformation wird später verwendet pre-master-secret, zum Schutz vor Replay-Attackenm zu bilden
    • eine Session-ID
    • die zu verwendende Cipher Suite (Algorithmen für Schlüsselaustausch, Verschlüsselung und Authentifizierung)
    • Optional den gewünschten FQDN für die Unterstützung von Server Name Indication
    • in der TLS 1.3 Version (mit Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch) werden die Key-Shares übertragen, die den gemeinsamen Schlüssel definieren.
  • Der Server identifiziert sich gegenüber dem Client.
    • Hierzu wird per Certificate ein Zertifikat an den Client geschickt, gefolgt von einem CertificateVerify
    • CertificateVerify Nachricht enthält eine Unterschrift von zuvor ausgetauschten Nachrichten.
    • Server beweist, dass er einen Secret-Key besitzt, der zu dem auf dem Server-Zertifikat enthaltenen passt.
    • Client prüft das Zertifikat und die Unterschrift. Bei Misserfolg bricht der Client die Verbindung ab.
  • Das zuvor erhaltene Server-Zertifikat enthält den öffentlichen Schlüssel des Servers
    • Wird eine Cipher Suite mit RSA-Schlüsselaustausch verwendet
      • so wird das vom Client generierte pre-master-secret mit diesem öffentlichen Schlüssel verschlüsselt
        • und kann vom Server mit dem nur ihm bekannten privaten Schlüssel wieder entschlüsselt werden.
    • Alternativ kann hier auch der Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch verwendet werden
      • dann wird ein gemeinsames pre-master-secret zu generieren.
      • Wenn Diffie-Hellman-Geheimnisse von Server und Client während des Handshakes frisch und zufällig ausgehandelt
      • sind die Voraussetzungen für Perfect Forward Secrecy erfüllt.
  • Diese Phase schließt den Handshake ab.
    • Aus dem vorhandenen pre-master-secret kann das master secret abgeleitet werden
    • ein einmaligen Sitzungsschlüssel
    • Aus dem master secret werden wiederum Schlüssel abgeleitet
    • zum Ver- und Entschlüsseln der Daten sowie für die Integritätsprüfung verwendet werden.
    • Nachrichten, die die Kommunikationspartner sich nun gegenseitig zusenden sind verschlüsselt übertragen

TLS Change Cipher Spec Protocol

  • Das Change Cipher Spec Protocol besteht nur aus einer einzigen Nachricht.
  • Diese Nachricht ist ein Byte groß und besitzt den Inhalt 1.
  • Durch diese Nachricht teilt der Sender dem Empfänger mit, dass er in der aktiven Sitzung auf die im Handshake Protocol ausgehandelte Cipher Suite wechselt.
  • Protokoll wurde gewählt weil man expliziert keine Record Übertragung wollte.

TLS Alert Protocol

  • unterscheidet etwa zwei Dutzend verschiedene Mitteilungen.
  • Eine davon teilt das Ende der Sitzung mit (close_notify).
  • Andere beziehen sich zum Beispiel auf die Protokollsyntax oder die Gültigkeit der verwendeten Zertifikate.
  • Es wird zwischen Warnungen und Fehlern unterschieden, wobei letztere die Verbindung sofort beenden.

Der Aufbau einer Fehlermeldung lautet wie folgt: AlertLevel (1 Byte: Warning = 1, Fatal = 2) | AlertDescription (1 Byte: close_notify = 0, […], no_renegotiation = 100).

In der Spezifikation von TLS werden die folgenden schweren Fehlertypen definiert:

unexpected_message Unpassende Nachricht wurde empfangen.
bad_record_mac Ein falscher MAC wurde empfangen.
decompression_failure Dekomprimierungsalgorithmus empfing unkorrekte Daten.
handshake_failure Absender konnte keine akzeptable Menge von Sicherheitsparametern bearbeiten.
illegal_parameter Ein Feld in der Handshake-Nachricht lag außerhalb des erlaubten Bereichs oder stand im Widerspruch mit anderen Feldern.

In der Spezifikation von TLS werden die folgenden Warnungen definiert:

close_notify Teilt Empfänger mit, dass Absender keine weiteren Nachrichten auf dieser Verbindung senden wird. Muss von jedem Partner einer Verbindung als letzte Nachricht gesendet werden.
no_certificate Kann als Antwort auf eine Zertifikatanforderung gesendet werden, falls passendes Zertifikat nicht verfügbar ist. (Wurde in TLS 1.0 entfernt<ref name="schwenk2010">Schwenk, Jörg (2010): Sicherheit und Kryptographie im Internet. Von sicherer E-Mail bis zu IP-Verschlüsselung, herausgegeben von Vieweg+Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden. ISBN 978-3-8348-0814-1.</ref>)
bad_certificate Empfangenes Zertifikat war unvollständig oder falsch.
unsupported_certificate Der Typ des empfangenden Zertifikats wird nicht unterstützt.
certificate_revoked Zertifikat wurde vom Unterzeichner zurückgerufen.
certificate_expired Zertifikat ist abgelaufen.
certificate_unknown Andere, nicht genau spezifizierte Gründe sind beim Bearbeiten des Zertifikats aufgetreten, die dazu führen, dass das Zertifikat als ungültig gekennzeichnet wurde.

In der Spezifikation von TLS 1.0 wurden folgende Warnungen ergänzt:<ref name="schwenk2010" />

decryption_failed Entschlüsselung fehlgeschlagen.
record_overflow
unknown_ca Unbekannte oder nicht vertrauenswürdige CA.
access_denied Zugriff verweigert.
decode_error Decodierungsfehler.
decrypt_error Entschlüsselungsfehler.
export_restriction Exportbeschränkung.
protocol_version Veraltete Version von TLS/SSL.
insufficient_security Unzureichende Sicherheit.
internal_error Interner Fehler.
user_canceled Abbruch durch Benutzer.
no_renegotiation

TLS Application Data Protocol

  • Die Anwendungsdaten werden über das Record Protocol
  • transportiert
  • in Teile zerlegt
  • komprimiert
  • in Abhängigkeit vom aktuellen Zustand der Sitzung auch verschlüsselt.
  • Inhaltlich werden sie von TLS nicht näher interpretiert.

Berechnung des Master Secrets

  • TLS 1.2 mit Hilfe einer durch eine Cipher Suite spezifizierten Pseudozufallsfunktion das Master Secretberechnet.
  • In diese Berechnung fließen zusätzlich die Zufallszahlen der Phase 1 des Handshakes mit ein.
  • Die Verwendung beider Hash-Funktionen sollte sicherstellen, dass das Master Secret immer noch geschützt ist, falls eine der Funktionen als kompromittiert gilt.
  • In TLS 1.2 wird dieser Ansatz durch die flexible Austauschbarkeit der Funktion ersetzt.

Quelle

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