Infineon
Firmware-Sicherheit im Post-Quantum-Zeitalter
Ihre herkömmlichen Rechnern weit überlegene Rechenleistung ermöglicht es Quantencomputern, konventionelle Verschlüsselungsverfahren zu brechen. Wie aber sollte Kryptografie weiterentwickelt werden, um wirksamen Schutz in einer Post-Quantum-Welt bieten zu können?
Quantencomputer nutzen quantenmechanische Phänomene, um mathematische Aufgaben zu lösen, die konventionelle Computer aufgrund ihrer vergleichsweise niedrigen Rechenleistung nicht bewältigen können. In kleinem Maßstab hat sich die Technologie bereits bewährt und ihre Leistungsfähigkeit wird durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung in Wissenschaft und Industrie stetig weiter gesteigert. Auch Regierungen stellen für die Weiterentwicklung erhebliche Mittel zur Verfügung: Die EU beispielsweise investiert 1 Mrd. Euro, die USA 1,2 Mrd. Dollar. Infolgedessen gehen viele Experten davon aus, dass bis zum Jahr 2040 ein universeller Quantencomputer zur Verfügung stehen wird.
Insbesondere in Bereichen wie der Künstlichen Intelligenz wird die Quanteninformatik einige Vorteile bringen. Doch gleichzeitig stellt deren bahnbrechendes Potenzial, aktuelle kryptografische Algorithmen zu brechen, eine globale Bedrohung für die Computer- und Internetsicherheit dar: Mit einem Quantencomputer, der den ganzzahligen Faktorisierungsalgorithmus von Shor verwendet, können selbst asymmetrische Kryptosysteme wie RSA/ECC kompromittiert werden. Eine Vergrößerung der Schlüssellänge würde die Sicherheit kaum verbessern, deshalb wird eine neue Art von asymmetrischen Algorithmen entwickelt.
Für die meisten symmetrischen kryptografischen Algorithmen dagegen dürften die Auswirkungen der Quantencomputertechnologie weniger bedenklich sein. Hier ist Grovers Schlüsselsuch- Algorithmus der wohl bekannteste Cyberangriff. Doch anstelle der exponentiellen Beschleunigung anderer Ansätze erreicht Grovers Algorithmus nur eine deutlich geringere Beschleunigung (Bild 1).
Die effektive Schlüssellänge gängiger symmetrischer Algorithmen (AES, SHA-2 oder SHA-3) wird durch Grovers Algorithmus halbiert. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass AES-256 und SHA-256 für die meisten Anwendungen weiterhin ausreichend sicher sind.
Neue Sicherheitsmaßnahmen notwendig – jetzt!
Oft gelten Quantencomputer als eine weit in der Zukunft liegende und kostspielige Technologie, darum ist die Dringlichkeit für neue Sicherheitsmaßnahmen nicht unmittelbar ersichtlich. Für Endverbraucher-Anwendungen wie Smartphones, Tablets und Bankkarten trifft dies auch zu, da diese einen verhältnismäßig kurzen Lebenszyklus haben und sicherlich noch mehrmals aufgerüstet werden, bevor ausreichend starke Quantencomputer überhaupt verfügbar sind. Bei großen Anlagen, wie beispielsweise Kraftwerken, Flugsicherungssystemen, großen Fabriken und Chemieanlagen, ist das jedoch anders: Diese haben oft eine Lebensdauer, die über den möglichen Zeitpunkt der Einführung von Quantencomputern hinausgeht. Ebenfalls betroffen sind moderne Fahrzeuge, die häufig Over-the-Air (OTA) Software-Updates erhalten und mit einer geschätzten Lebensdauer von über einem Jahrzehnt wohl auch in der Post-Quantum-Welt noch in Betrieb sein werden.
Zwar ist es unwahrscheinlich, dass in naher Zukunft viele kryptoanalysefähige Quantencomputer zum Einsatz kommen. Doch wenn auch nur einer in falsche Hände gelangt, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass kritische Infrastrukturen infiltriert werden können. Im Laufe der Zeit wird sich das Problem der Post-Quantum-Sicherheit dann weiterentwickeln und ausweiten. Es ist unwahrscheinlich, dass es kurzfristig eine dauerhafte Lösung geben wird. Trotzdem sollten Hersteller, deren Produkte auch nach 2030 noch im Einsatz sind, die Risiken der Quanteninformatik so weit wie möglich entschärfen.
Normen für Post-Quantum- Computing
2017 begann das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) mit der Entwicklung von Normen und forderte zur Einreichung von Vorschlägen für quantensichere Verschlüsselung mit öffentlichen Schlüsseln, Schlüsselaustausch und digitalen Signaturen auf. Aus den Einreichungen wählte das NIST die 26 vielversprechendsten Verfahren aus und erlaubte den Autoren, ihre Vorschläge zu überarbeiten, um von dem während des Prozesses gewonnenen Know-how zu profitieren. Im Juli 2020 wurden die 26 Vorschläge auf 15 reduziert, die anschließend zur Prüfung der Hardware-leistung eingereicht wurden. Bis 2024 sollen nun Entwürfe für die Normen vorliegen, von denen das NIST vermutlich nur eine oder mehrere Alternativen auswählen wird. Möglicherweise wird der Prozess aber auch über 2024 hinaus fortgesetzt, um mit den neuen Bedrohungen Schritt halten zu können. In der Zwischenzeit kommen zustandsabhängige Hash-basierte Signaturen als Zwischenlösung in Betracht.
Zustandsbezogene Hash-basierte Signaturen
Hash-basierte Signaturen (HBS) sind asymmetrische kryptografische Post-Quantum-Verfahren (Bild 2). Da die meisten HBS zustandsbezogen sind, muss die Anzahl der mit einem privaten Schlüssel erzeugten Signaturen begrenzt werden. Zudem müssen zuvor verwendete Schlüssel erfasst werden. Zwei zustandsbezogene HBS-Verfahren – LMS (Leighton-Micali Signatures) und XMSS (eXtended Merkle Signature Scheme) – wurden 1995 und 2011 veröffentlicht, von der IETF standardisiert und in den Post-Quanten-Kryptografie (PQC)-Standard SP800-208 des NIST aufgenommen.
LMS und XMSS verwenden SHA-256 oder SHAKE256, um eine 128-Bit-Post-Quantum-Sicherheit zu erreichen. Diese Verfahren verwenden eine Signaturgröße von etwa 2,5 kB mit einem 60 Byte großen öffentlichen Schlüssel. Auf Embedded-Prozessoren dauert die Überprüfung weniger als eine Sekunde, wohingegen das Signieren ein paar Sekunden in Anspruch nimmt. Die Schlüsselgenerierung dauert einige Minuten, manchmal sogar Stunden. Ein kryptografischer Hash-Beschleuniger kann die Leistung allerdings erheblich steigern.
Der offensichtliche Vorteil von HBS ist, dass sie quantenresistent und somit zukunftssicher sind. Allerdings ist eine sorgfältige Zustandsverwaltung notwendig, da die Sicherheit des Verfahrens leicht ausgehebelt werden kann, falls ein privater Schlüssel für mehrere Nachrichten wiederverwendet wird.
Die Verwendung zustandsbezogener HBS für die Signaturprüfung eignet sich gut für Embedded-Plattformen, da die Prüfung ausreichend schnell ist und durch Hashing-Co-Prozessoren beschleunigt wird. Schlüsselgenerierung und -signierung können auch auf Embedded-Sicherheitsprozessoren implementiert werden, da sie eine sichere Kontrolle der privaten Schlüssel und ihres Zustands ermöglichen. Insgesamt eignen sich HBS für Firmware-Updates, zumal sie die derzeit einzigen standardisierten asymmetrischen PQC-Algorithmen sind.
Die Umsetzung der PQC-Sicherheit ist ein fortlaufender Prozess, da regelmäßige Anpassungen erforderlich sind, um noch unbekannten Bedrohungen entgegenwirken zu können. Die Sicherheit der Anwendung wird jedoch durch die Sicherheit des Firmware-Update-Mechanismus begrenzt. Daher ist es wichtig, dass HBS bereits jetzt auf Firmware-Update-Mechanismen angewendet werden. Sobald das OTA-Update angemessen abgesichert ist, können neu entwickelte PQC-Algorithmen auf Anwendungsebene implementiert werden. So wird eine konsistente 128-Bit-PQC-Sicherheit im gesamten Embedded-System erreicht.
Hardware-Lösung für PQC-Sicherheit
Die Embedded-Security-Lösung Optiga TPM SLB 9672 von Infineon verfügt über einen PQC-geschützten Firmware-Update-Mechanismus und ist nach dem Common-Criteria-Standard zertifiziert. Das TPM (Trusted Platform Module) entspricht darüber hinaus der TCG 2.0 Rev. 1.59-Spezifikation und erfüllt die kommenden Anforderungen von Microsoft Windows sowie den neuen NIST-Standard SP 800-90B mit anstehender FIPS 140-2-Zertifizierung (Bild 3).
Die neue Lösung enthält stärkere kryptografische Algorithmen, etwa RSA 3k & 4k, SHA-384 und ECC 384. Diese Algorithmen bieten derzeit ein symmetrisches Sicherheitsniveau von 192 Bit. Mit einem bevorstehenden Firmware-Update wird die mögliche Sicherheitsstufe auf 256 Bit erweitert, indem die Unterstützung für SHA-512 und ECC-521 hinzugefügt wird. Der Firmware-Update-Mechanismus selbst ist quantenresistent, da er XMSS-Signaturen verwendet. Die Infineon-Update-Autorität kann zustandsbezogene XMSS-Schlüssel verarbeiten, sodass Firmware-Updates gesichert und ohne Unterbrechung durchgeführt werden können. Um die übertragene Nutzdatenmenge zu validieren, kann das Optiga TPM SLB 9672 die XMSS-Signatur außerdem transparent überprüfen.
Das Modul ist mit Intel x86-, Arm- und anderen Plattformen kompatibel. Zu den Zielanwendungen gehören Server, PCs, allgemeine Datenverarbeitung und -speicherung. Überdies unterstützt die Lösung eine breite Palette von Gateways, Routern, drahtlosen Zugangspunkten, Netzwerkschnittstellenkarten und Switches.
Der Optiga TPM 2.0 Explorer von Infineon basiert auf einer grafischen Benutzeroberfläche und ermöglicht es Nutzern, TPM 2.0 mithilfe eines Raspberry Pi schnell zu verstehen. Mit diesem Tool können Entwickler TPMs in einer Vielzahl von Anwendungen erkunden: Sie können ein TPM 2.0 initialisieren, alle Eigenschaften anzeigen und bei Bedarf einen vollständigen Reset durchführen. Sowohl der nichtflüchtige Speicher (NVRAM) als auch das Plattformkonfigurationsregister (PCR) können verwaltet und geführt werden. Zusätzlich kann der Zugang und die Wiederherstellung nach einem Lockout-Ereignis definiert werden. Die grafische Benutzeroberfläche liefert ein visuelles Feedback, sodass ausgeführte Befehle und erhaltene Antworten überprüft und schnell verstanden werden können. Der Umfang und die Einfachheit ermöglichen es allen Nutzern, unabhängig von ihrer Erfahrung oder ihrem Wissen, auf die Funktionen des Optiga TPMs zuzugreifen und diese kennenzulernen.
Erster Schritt für mehr Sicherheit
Die zukünftige Welt der Quantencomputer bedeutet, dass die Sicherheitslevel überprüft werden sollten, insbesondere in Bezug auf Firmware-Updates. Angesichts der enormen Leistung der künftigen Quantencomputer könnte es ein Leichtes sein, die derzeitigen Sicherheitsverfahren zu umgehen. Obwohl die Bedrohung vermutlich erst in mehr als einem Jahrzehnt zum Tragen kommen wird, besteht in bestimmten Sektoren bereits jetzt Handlungsbedarf. Zahlreiche kritische Applikationen, beispielsweise große Infrastrukturen und einige Fahrzeuge, werden auch dann noch in Betrieb sein, wenn das Quantencomputing Realität geworden ist – und dann werden sie diesen Bedrohungen ausgesetzt sein.
Der Autor: Guillaume Raimbault ist Senior Manager Product Marketing & Management für IoT Security in der Connected Secure Systems Division von Infineon Technologies.
© InfineonAllerdings bringt dies gewisse Herausforderungen mit sich, da weder die Bedrohung noch die Hardware vollständig definiert sind und sich auch die Normen noch in der Entwicklung befinden. Die Implementierung zustandsbezogener HBS kann jedoch einen gewissen Schutz für die so wichtigen Firmware-Updates bieten. Dies wird als wichtiger erster Schritt angesehen.
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