Privatsphäre in Smart Cities mit Berechtigungs-Vouchern sichern

In der Zeit der Smart Cities wächst der Bedarf an sicheren und privaten Authentifizierungsmethoden. Das Permission Voucher Protocol ist dafür gedacht, Leuten zu helfen, sich mit digitalen Ausweisen zu identifizieren, während ihre Privatsphäre gewahrt bleibt. Es ist wie ein goldener Ticket, der beweist, wer du bist, ohne persönliche Informationen an alle um dich herum weiterzugeben.

Dieses System funktioniert nahtlos in smarten urbanen Umgebungen und ermöglicht es den Nutzern, auf Dienste zuzugreifen, ohne sensible Daten offenzulegen. Aber wie wissen wir, dass dieses Protokoll sicher ist? Hier kommt die formale Verifikation ins Spiel.

#Was ist formale Verifikation?

Formale Verifikation ist ein schickes Wort für die Überprüfung, dass ein System sich so verhält, wie es sollte, besonders in Bezug auf Sicherheit. Denk daran wie an eine gründliche Inspektion einer Brücke, bevor Autos darüber fahren dürfen. Wir erstellen ein detailliertes Modell, das beschreibt, wie alles im Protokoll funktioniert, einschliesslich wie Benutzer und potenzielle Angreifer interagieren.

Durch Anwendung mathematischer Regeln und logischen Denkens können wir bestätigen, ob die Sicherheitsmassnahmen halten oder ob es schlaue Wege für Angreifer gibt, Schwachstellen auszunutzen.

#Wichtige Sicherheitsmerkmale

Sicherheitsmerkmale sind wie Kontrollpunkte, die sicherstellen, dass das Protokoll seine Arbeit richtig macht. Einige dieser Eigenschaften sind:

• Authentifizierung: Das sorgt dafür, dass die Person oder das Gerät, das behauptet, wer sie sind, auch wirklich richtig ist. Es ist wie einen Ausweis zu zeigen, bevor man einen Club betritt.

• Vertraulichkeit: Diese Eigenschaft stellt sicher, dass niemand die Nachrichten, die zwischen den Nutzern ausgetauscht werden, lesen kann, es sei denn, sie sollen es. Es ist wie einen Brief in einen Umschlag zu stecken, bevor man ihn verschickt.

• Integrität: Das garantiert, dass Nachrichten während der Übertragung nicht manipuliert werden. Stell dir vor, du sendest eine Geburtstagskarte, und sie kommt unberührt an, mit all den Worten, die du geschrieben hast.

• Wiederholschutz: Das verhindert, dass Angreifer gültige Daten abfangen und erneut senden, um das System dazu zu bringen, sie für echte Nutzer zu halten. Denk daran, dass eine Einladung zu einer Party nicht wiederverwendet werden kann, um nochmal reinzuschleichen.

#Ansätze zur formalen Verifikation

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Sicherheitsprotokolle formell zu analysieren, jede mit ihrem eigenen Stil. Hier sind drei prominente Methoden:

#Prozessalgebra

Prozessalgebra ist ein mathematischer Ansatz, der beschreibt, wie verschiedene Prozesse interagieren, wie Charaktere in einem Stück. Sie nutzt algebraische Ausdrücke, um diese Interaktionen darzustellen, was es einfacher macht, über ihr Verhalten nachzudenken.

Für Sicherheitsprotokolle kann die Prozessalgebra modellieren, wie Nachrichten ausgetauscht werden und wie sich verschiedene Parteien verhalten. Dieser Rahmen kann helfen zu beweisen, ob das Protokoll die notwendigen Sicherheitsmerkmale erfüllt oder ob etwas faul ist.

#Pi-Kalkül

Pi-Kalkül ist eine dynamischere Variante, die sich auf gleichzeitige Systeme konzentriert, in denen Prozesse sich ändern können. Es ermöglicht das Modellieren von Kommunikationskanälen, die in Echtzeit erstellt und verändert werden können.

Diese Methode ist besonders nützlich für Protokolle, die auf kryptographischen Operationen basieren, wie Verschlüsselung oder digitale Signaturen. Tools wie ProVerif nutzen Pi-Kalkül, um Protokolle automatisch zu analysieren und ihre Sicherheit zu überprüfen.

#Symbolische Modelle

Symbolische Modelle verfolgen einen abstrakteren Ansatz und konzentrieren sich auf die Nachrichten selbst, anstatt auf die zugrunde liegenden Details. Sie repräsentieren Nachrichten mit Symbolen und verwenden Regeln, um zu beschreiben, wie diese Nachrichten verarbeitet werden.

Sicherheitsmerkmale können mit diesen symbolischen Darstellungen überprüft werden, was eine breite Palette potenzieller Angriffszenarien ermöglicht.

#Werkzeuge zur Verifikation

Um die Theorien in die Praxis umzusetzen, wurden verschiedene Werkzeuge entwickelt, um Sicherheitsprotokolle zu analysieren. Diese Werkzeuge verwenden unterschiedliche Methoden und bieten verschiedene Möglichkeiten. Hier ist eine kurze Übersicht über einige beliebte:

• Isabelle/HOL: Ein flexibles und ausdrucksstarkes Werkzeug, das Benutzereingaben erfordert, aber ein hohes Detailniveau bietet.

• Coq: Ein Beweisassistent, der hilft, mathematische Beweise zu erstellen und zu überprüfen.

• CryptoVerif: Analysiert Protokolle basierend auf kryptografischen Modellen, um Sicherheitsgarantien zu etablieren.

• Scyther: Ein benutzerfreundlicher Model Checker, der potenzielle Schwächen in einem Protokoll schnell identifiziert.

• AVISPA: Integriert verschiedene Analysetools, um den Verifikationsprozess zu vereinfachen.

• ProVerif: Basierend auf Pi-Kalkül kann es komplexe Sicherheitsmerkmale bestätigen oder widerlegen.

• Tamarin Prover: Ein vielseitiges Werkzeug, das komplexe Sicherheitsmerkmale analysieren und verschiedene Angriffszenarien simulieren kann.

#Das Dolev-Yao-Modell

Im Bereich der Analyse von Sicherheitsprotokollen dient das Dolev-Yao-Modell als grundlegender Rahmen. Von Danny Dolev und Andrew Yao eingeführt, basiert es auf drei wesentlichen Annahmen:

1. Perfekte Kryptographie: Kryptographische Operationen werden als Black Boxes betrachtet, was die Analyse von Protokollen ermöglicht, ohne in die unangenehmen Details kryptographischer Schwächen einzutauchen.

2. Unbeschränkte Ausführung: Ein Protokoll kann so oft ausgeführt werden, wie nötig, was die reale Nutzung über grosse Netzwerke widerspiegelt. Das hilft zu analysieren, wie verschiedene Kombinationen von Ausführungen die Leistung des Protokolls beeinflussen können.

3. Netzwerk-Angreifer: Der Angreifer kontrolliert das Kommunikationsnetzwerk, was ihm erlaubt, Nachrichten abzufangen und zu verändern. Der Angreifer kann jedoch die kryptographischen Schutzmassnahmen nicht brechen, was seine Handlungen auf nicht gesicherte Nachrichten beschränkt.

#Warum Tamarin Prover wählen?

Tamarin Prover sticht hervor durch seine Fähigkeit, reale kryptographische Protokolle rigoros zu analysieren. Es wurde für bedeutende Aufgaben eingesetzt, wie die Behebung von Sicherheitsanfälligkeiten in Wi-Fi.

Einer von Tamarins Stärken ist sein regelbasierter Ansatz zur Multiset-Neuschreibung, der eine klare Beschreibung dessen ermöglicht, wie Nachrichten ausgetauscht werden. Das hilft, Schwachstellen durch verschiedene Angriffszenarien zu identifizieren.

Tamarin unterstützt sowohl automatisierte als auch interaktive Beweisführungen und bietet ein Gleichgewicht zwischen Benutzerfreundlichkeit und Flexibilität. Es verarbeitet auch komplexe kryptographische Operationen, was es ideal macht, um fortgeschrittene Sicherheitsprotokolle wie Transport Layer Security (TLS) zu analysieren.

#Protokolle mit Tamarin modellieren

Um ein Sicherheitsprotokoll mit Tamarin zu verifizieren, muss ein spezifisches Skript erstellt werden. Dieses Skript umreisst die Struktur des Protokolls und die zu analysierenden Sicherheitsmerkmale.

#Struktur eines Tamarin-Modells

Ein typisches Tamarin-Modell besteht aus mehreren Komponenten:

• Deklarationen: Dieser Abschnitt definiert die grundlegenden Funktionen und Konstanten, die im Protokoll verwendet werden.

• Regeln: Diese beschreiben, wie Nachrichten fliessen und welche Aktionen von verschiedenen Parteien ergriffen werden.

• Zustandsfakten und Ereignisse: Fakten erfassen dynamische und statische Informationen, während Ereignisse bedeutende Vorkommnisse dokumentieren.

• Angreifermodell: Die Fähigkeiten des Angreifers werden ausdrücklich definiert, was bestimmt, wie er mit dem Protokoll interagieren kann.

• Sicherheitsmerkmale (Lemmata): Der letzte Abschnitt umreisst die zu überprüfenden Sicherheitsmerkmale.

#Beispiel-Szenarien

Schauen wir uns einige Beispiele an, die in Tamarin modelliert wurden:

#Symmetrische Verschlüsselung

Bei der symmetrischen Verschlüsselung teilen sich beide Parteien einen geheimen Schlüssel. Das Modell würde Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsfunktionen definieren und sicherstellen, dass nur der beabsichtigte Empfänger die Nachricht lesen kann.

#Asymmetrische Verschlüsselung

Bei der asymmetrischen Verschlüsselung wird ein öffentlicher Schlüssel verwendet, um Nachrichten zu verschlüsseln, die nur der beabsichtigte Empfänger mit seinem privaten Schlüssel entschlüsseln kann. Das Modell beweist, dass nur der richtige Empfänger auf die Informationen zugreifen kann.

#Nachrichtenintegrität

Um die Nachrichtenintegrität zu gewährleisten, wird ein Nachrichtenauthentifizierungscode (MAC) verwendet. Das Modell überprüft, dass wenn der MAC gültig ist, die Nachricht während der Übertragung nicht manipuliert wurde.

#Authentifizierung

Ein einfaches Challenge-Response-Protokoll könnte verwendet werden, um die Authentifizierung zu demonstrieren. In diesem Fall sendet eine Partei eine Herausforderung, und die andere antwortet mit einem berechneten Wert, um ihre Identität zu beweisen.

#Der Verifikationsprozess

Sobald das Protokoll modelliert ist, nutzt Tamarin seine Denkmaschine, um die definierten Sicherheitsmerkmale entweder zu beweisen oder zu widerlegen:

• Bewiesene Lemmata: Wenn ein Lemma bewiesen ist, wird das Protokoll hinsichtlich des angegebenen Merkmals als sicher angesehen.

• Widerlegte Lemmata: Wenn ein Lemma fehlschlägt, wird ein Gegenbeispiel produziert, das ein potenzielles Angriffszenario aufdeckt. Diese Nachweise helfen, Schwachstellen zu erkennen und bieten eine Roadmap zur Verbesserung.

#Visuelle Bedeutung von Abhängigkeitsgraphen

Tamarin verwendet Abhängigkeitsgraphen, um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Lemmata zu veranschaulichen. Wenn ein Lemma bewiesen ist, wird es grün hervorgehoben; wenn ein Gegenbeispiel gefunden wird, wird es rot markiert.

Die Pfeile im Graph zeigen verschiedene Elemente in der Beweisvisualisierung an und helfen den Nutzern, den Fluss des Verifikationsprozesses zu verstehen.

#Beispiel für einen Replay-Angriff

Um eine Schwachstelle zu veranschaulichen, modellieren wir ein Szenario eines Replay-Angriffs. In diesem Fall fängt ein Angreifer eine Nachricht ab und sendet sie erneut, um Sicherheitsmechanismen zu umgehen.

Indem wir die Interaktion modellieren und ein Lemma aufstellen, das beweist, dass keine Replay-Angriffe möglich sind, können wir sicherstellen, dass das System gegen solche Bedrohungen sicher ist.

#Formale Sicherheitsmerkmale

Bei der Bewertung eines Protokolls sollten mehrere kritische Sicherheitsmerkmale betrachtet werden:

• Authentifizierung: Identitäten verifizieren, um unbefugten Zugriff zu verhindern.

• Gegenseitige Authentifizierung: Sicherstellen, dass beide Parteien die Identität des anderen überprüfen, um Identitätsdiebstahl zu vermeiden.

• Man-in-the-Middle (MitM) Angriffsabwehr: Gegen Angreifer schützen, die Kommunikationen abfangen und manipulieren.

• Schlüsselbestätigung: Sicherstellen, dass beide Parteien denselben kryptografischen Schlüssel verwenden.

• Eindeutigkeit der Sitzung: Sicherstellen, dass jede Kommunikationssitzung einzigartig ist, um Sitzungsübernahmen zu verhindern.

• Nichtabstreitbarkeit: Verhindern, dass Parteien gegen ihre Beteiligung an einer Kommunikation argumentieren können.

• Vertraulichkeit: Sensible Daten vor unbefugtem Zugriff schützen.

• Integrität: Sicherstellen, dass Daten während der Übertragung unverändert bleiben.

• Wiederholschutz: Verhindern, dass abgefangene Nachrichten wiederverwendet werden.

• Schlüsselvalidierung: Sicherstellen, dass kryptografische Schlüssel sicher und nicht kompromittiert sind.

#Formale Verifikation des Permission Vouchers

Um das Permission Voucher Protocol zu validieren, konzentrieren wir uns auf verschiedene Phasen des Protokolls und analysieren deren jeweilige Sicherheitsmerkmale. Vertrauensverhältnisse und -kanäle werden definiert, was zur Identifizierung von Sicherheitslemmata führt.

#Vertrauensverhältnisse und -kanäle

Sichere Kanäle umfassen:

• ID APP und ID-CARD (NFC): Dies ist sicher aufgrund der physischen Nähe, die Vertraulichkeit und Integrität gewährleistet.

• ID APP und OWNER (PIN-Eingabe): Die PIN-Eingabe stellt sicher, dass nur der Besitzer sich authentifizieren kann.

Teilweise vertrauenswürdige Kanäle beinhalten:

• OWNER und On-premise SERVICE (UWB-Verbindung): Dieser Kanal könnte abgefangen werden, was bedeutet, dass das Protokoll gegen Identitätsdiebstahl und Replay-Angriffe schützen muss.

• On-premise SERVICE und ID-VERIFIER: Die Integrität dieses Kanals ist entscheidend und könnte anfällig für Angriffe sein.

#Sicherheitslemmata für den Permission Voucher

Das Modell umfasst verschiedene Lemmata, wie:

• Ein Lemma, das die sichere Eingabe der PIN und der Kartendaten bestätigt.
• Ein Lemma, das die Integrität des unterschriebenen Gutscheins gewährleistet.
• Ein Lemma, das die Gültigkeit der Unterschrift während der Einlösung überprüft.

#Identifizierte Schwächen

Obwohl das Modell robust ist, existieren mehrere Schwachstellen. Der ID-VERIFIER könnte kompromittiert werden, und die Einführung gegenseitiger Authentifizierung würde den Verifizierungsprozess stärken.

Das Modell enthält keine Überprüfungen für abgelaufene Berechtigungsgutscheine, und ein Zeitvalidierungsmechanismus könnte verhindern, dass Gutscheine wiederverwendet werden. Regeln zur Schlüsselverwaltung und -verteilung sind ebenfalls notwendig, um sicherzustellen, dass Schlüssel während der Laufzeit des Protokolls sicher bleiben.

#Bekannte Einschränkungen

Obwohl Tamarin ein leistungsfähiges Verifikationswerkzeug ist, gibt es bestimmte Einschränkungen:

• Beweisstrategie: Das symbolische Modell schränkt Tamarins Fähigkeit ein, einige komplexe Angriffe zu erkennen.

• Trace-Modus vs. Beobachtungsäquivalenzmodus: Diese Modi haben ihre Stärken, aber es gibt immer noch Lücken bei der Erkennung bestimmter Angriffe.

• Skalierbarkeit und Leistung: Tamarin könnte mit grösseren Protokollen Schwierigkeiten haben, was zu längeren Analysezeiten führt.

#Fazit

Mit dem Aufkommen der Smart Cities ist der Bedarf an sicheren und effizienten Authentifizierungsmethoden grösser denn je. Das Permission Voucher Protocol ist eine vielversprechende Lösung, die formale Verifikation nutzt, um sicherzustellen, dass Sicherheitsmerkmale eingehalten werden.

Durch Tools wie Tamarin Prover können wir Protokolle rigoros analysieren, Schwächen identifizieren und letztendlich sicherere Systeme für alle schaffen. Also, während wir in die Zukunft schreiten, lasst uns die kleinen digitalen Tickets zu schätzen wissen, die wir in unseren Taschen tragen, in dem Wissen, dass sie einen rigorosen Sicherheitscheck durchlaufen haben, bevor sie verwendet werden.