gemSpec_Krypt_V2.23.0

Elektronische Gesundheitskarte und Telematikinfrastruktur

Übergreifende Spezifikation

Verwendung kryptographischer Algorithmen in der
Telematikinfrastruktur

    

     

      
Version
      
2.23.0
     
     

      
Revision
      
548770
     
     

      
Stand
      
20.09.2022
     
     

      
Status
      
freigegeben
     
     

      
Klassifizierung
      
öffentlich
     
     

      
Referenzierung
      
gemSpec_Krypt
     
    

Dokumentinformationen

Änderungen zur Vorversion

Anpassungen des vorliegenden Dokumentes im Vergleich zur Vorversion können Sie der nachfolgenden Tabelle entnehmen.

Dokumentenhistorie

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

1.1 Zielsetzung und Einordnung des Dokuments

Die vorliegende übergreifende Spezifikation definiert Anforderungen an Produkte der TI bezüglich kryptographischer Verfahren. Diese Anforderungen sind als übergreifende Regelungen relevant für Interoperabilität und Verfahrenssicherheit.

Für die TI ist die Technische Richtlinie 03116 Teil 1 [BSI-TR-03116-1] normativ, d. h. nur dort aufgeführte kryptographische Verfahren dürfen von Produkten in der TI verwendet werden. Wenn mehrere unterschiedliche Produkttypen der TI zusammenarbeiten ist es bez. der Interoperabilität nicht sinnvoll wenn jeder beteiligte Produkttyp alle dort aufgeführten Verfahren umsetzen muss, da er vermuten muss die Gegenstelle beherrscht nur eine Teilmenge der dort aufgeführten Verfahren. Um einen gemeinsamen Nenner zu definieren, legt dieses Dokument für bestimmte Einsatzzwecke ein Mindestmaß an verpflichtend zu implementierenden Verfahren aus [BSI-TR-03116-1] fest, oftmals mit spezifischen Parametern. Ein Produkttyp ist frei, weitere Verfahren aus der [BSI-TR-03116-1] optional zu implementieren, kann sich jedoch nicht ohne Weiteres darauf verlassen, dass sein potentieller Kommunikationspartner diese auch beherrscht.

Dieses Dokument folgt den Konventionen der TR. Diese hat einen Betrachtungszeitraum von sechs bzw. sieben Jahren. Analog zu Kapitel 1 [BSI-TR-03116-1] bedeutet eine Aussage „Algorithmus X ist geeignet bis Ende 2023+“ generell nicht, dass Algorithmus X nach Ende 2023 nicht mehr geeignet ist, sondern lediglich, dass über die Eignung nach Ende 2023 in der TR keine explizite Aussage gemacht wird und dass aus heutiger Sicht die weitere Eignung nicht ausgeschlossen ist. Aussagen über den Betrachtungszeitraum hinaus sind „mit einem höheren Maß an Spekulation verbunden“.

Bei neuen Erkenntnissen über die verwendeten kryptographischen Algorithmen, die zu einer Änderung der TR-03116-1 führen, wird eine Anpassung dieses Dokumentes erfolgen. Für Verwendungszwecke, bei denen bereits eine Migration zu stärkeren Algorithmen in Planung ist oder die Verwendung von Algorithmen unterschiedlicher Stärke zulässig ist, wird ein Ausblick gegeben, bis wann welche Algorithmen ausgetauscht sein müssen. Bei den Migrationsstrategien für kryptographische Algorithmen ist darauf zu achten, dass hinterlegte Objekte umzuschlüsseln sind bzw. die älteren Algorithmen (unter der Bedingung, dass sie sicherheitstechnisch noch geeignet sind) für eine gewisse Übergangsphase weiter unterstützt werden müssen und danach zuverlässig in den Komponenten deaktiviert werden müssen.

1.2 Zielgruppe

Das Dokument richtet sich an Hersteller und Anbieter von Produkten der TI, die kryptographische Objekte verwalten.

1.3 Geltungsbereich

Dieses Dokument enthält normative Festlegungen zur Telematikinfrastruktur des deutschen Gesundheitswesens. Der Gültigkeitszeitraum der vorliegenden Version und deren Anwendung in Zulassungsverfahren wird durch die gematik GmbH in gesonderten Dokumenten (z. B. Dokumentenlandkarte, Produkttypsteckbrief, Leistungsbeschreibung) festgelegt und bekannt gegeben.

Schutzrechts-/Patentrechtshinweis

Die nachfolgende Spezifikation ist von der gematik allein unter technischen Gesichtspunkten erstellt worden. Im Einzelfall kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Implementierung der Spezifikation in technische Schutzrechte Dritter eingreift. Es ist allein Sache des Anbieters oder Herstellers, durch geeignete Maßnahmen dafür Sorge zu tragen, dass von ihm aufgrund der Spezifikation angebotene Produkte und/oder Leistungen nicht gegen Schutzrechte Dritter verstoßen und sich ggf. die erforderlichen Erlaubnisse/Lizenzen von den betroffenen Schutzrechtsinhabern einzuholen. Die gematik GmbH übernimmt insofern keinerlei Gewährleistungen.

1.4 Abgrenzung des Dokuments

Aufgabe des Dokumentes ist es nicht, eine Sicherheitsbewertung von kryptographischen Algorithmen vorzunehmen. Dieser Gesichtspunkt wird in [BSI-TR-03116-1] behandelt. Es werden lediglich die dort vorgegebenen Algorithmen weiter eingeschränkt, um die Herstellung der Interoperabilität zu unterstützen.

Es ist nicht Ziel dieses Dokumentes, den Prozess zum Austauschen von Algorithmen zu definieren, sondern lediglich den zeitlichen Rahmen für die Verwendbarkeit von Algorithmen festzulegen und somit auf den Bedarf für die Migration hinzuweisen.

1.5 Methodik

Anforderungen als Ausdruck normativer Festlegungen werden durch eine eindeutige ID sowie die dem RFC 2119 [RFC-2119] entsprechenden, in Großbuchstaben geschriebenen deutschen Schlüsselworte MUSS, DARF NICHT, SOLL, SOLL NICHT, KANN gekennzeichnet.

Sie werden im Dokument wie folgt dargestellt:

<AFO-ID> - <Titel der Afo>
Text / Beschreibung
[<=]

Dabei umfasst die Anforderung sämtliche zwischen Afo-ID und der Textmarke [<=] angeführten Inhalte.

2 Einsatzszenarioübergreifende Algorithmen

Nachfolgend werden grundlegende Festlegungen zur Verwendung von Algorithmen innerhalb der Telematikinfrastruktur getroffen. Diese Anforderungen sind unabhängig von den im nachfolgenden Kapitel definierten Einsatzszenarien und werden durch diese verwendet.

2.1 Identitäten

Der Begriff „kryptographische Identität“ (nachfolgend nur noch als Identität bezeichnet) bezeichnet einen Verbund aus Identitätsdaten und einem kryptographischen Objekt, das bspw. im Rahmen einer Authentisierung und Authentifizierung verwendet werden kann. Im Allgemeinen handelt es sich um Schlüsselpaare, bestehend aus öffentlichem und privatem Schlüssel, sowie einem Zertifikat, das die Kombination aus Attributen und öffentlichem Schlüssel durch eine übergeordnete Instanz (CA – Certification Authority) bestätigt.

Bei den Algorithmenvorgaben für Identitäten muss u. a. spezifiziert werden:

• für welche Algorithmen und für welchen Verwendungszweck die Schlüssel verwendet werden (Bestimmte Verwendungszwecke schließen einander aus, bspw. dürfen nicht Signaturschlüssel für die Sicherung von Authentizität und Integrität von Dokumenten als Signaturschlüssel für beliebige Challenges im Rahmen einer Authentisierung verwendet werden.),
• welche Algorithmen für die Signatur des Zertifikates verwendet werden,
• mit welchen Algorithmen die OCSP-Responses signiert werden und
• wie die Zertifikate des OCSP-Responders signiert sind.

2.1.1 X.509-Identitäten

Eine X.509-Identität ist eine Identität gemäß Abschnitt 2.1, bei der ein X.509-Zertifikat [RFC-5280] verwendet wird.

Bei der Aufteilung von X.509-Identitäten wurden die Identitäten zunächst nach Gruppen für verschiedene Einsatzzwecke des Schlüssels unterteilt und diese bei Bedarf um einen notwendigen Einsatzkontext erweitert. Aus dieser Aufteilung ergibt sich die nachfolgend tabellarisch dargestellte Übersicht der Arten von X.509-Identitäten. Der exemplarische Einsatzort der Identitäten ist hierbei rein informativ, die Ausprägung wird in den Spezifikationen festgelegt, die eine kryptographische Identität benötigen.

Tabelle 1: Tab_KRYPT_001 Übersicht über Arten von X.509-Identitäten

Für den Aufbau der X.509-Zertifikate gelten die Vorgaben aus den jeweiligen Spezifikationen der X.509-Zertifikate.

2.1.1.1 Digitale nicht-qualifizierte elektronische Signaturen

Tabelle 2: Tab_KRYPT_002 Algorithmen für X.509-Identitäten zur Erstellung nicht-qualifizierter Signaturen für die Schlüsselgeneration „RSA“

Erläuterung: Die technische Durchsetzung des Endes der Zulässigkeit von RSA mit weniger als 3000 Bit Schlüssellänge in X.509-Zertifikaten erfolgt durch die Herausnahme der entsprechenden RSA-basierten Sub-CA-Zertifikate aus der TSL zum Zeitpunkt des Ablaufens der Zulässigkeit (gemäß TIP1-A_2062). Ein TSP muss bez. der Zertifikatsgültigkeitsdauer der von ihm ausgegebenen Zertifikate das nach Spezifikationslage definierte Verhalten zeigen (i. A. Zertifikatsgültigkeitsdauer der ausgegebenen Zertifikate von 5 Jahren). Ein TSP kann auch mit dem Kartenherausgeber beliebige Gültigkeitsdauern unter 5 Jahren für die Laufzeit der vom TSP ausgegebenen Zertifikate vereinbaren.

Tabelle 3: Tab_KRYPT_002a Algorithmen für X.509-Identitäten zur Erstellung nicht-qualifizierter Signaturen für die Schlüsselgeneration „ECDSA“

Aktuell werden in der TI CRLs ausschließlich im Rahmen des IPsec-Verbindungsaufbaus (Verbindung der Konnektoren in die TI) verwendet.

Für die maximale Gültigkeitsdauer der Zertifikate gilt die Anforderung [GS-A_3080].

Hinweis: "Tagesgenau" bedeutet, dass der Zeitpunkt sich nicht im Kalenderdatum, jedoch in der Uhrzeit unterscheiden darf. 

2.1.1.2 Qualifizierte elektronische Signaturen

Tabelle 4: Tab_KRYPT_003 Algorithmen für X.509-Identitäten zur Erstellung qualifizierter elektronischer Signaturen für die Schlüsselgeneration „RSA“

Tabelle 5: Tab_KRYPT_003a Algorithmen für X.509-Identitäten zur Erstellung qualifizierter Signaturen für die Schlüsselgeneration „ECDSA“

2.1.1.3 TLS-Authentifizierung

2.1.1.4 IPsec-Authentifizierung

2.1.1.5 Digitale Signaturen durch TI-Komponenten

2.1.1.6 Verschlüsselung

2.1.2 CV-Identitäten

CV-Identitäten werden für die Authentifizierung zwischen Karten verwendet.

2.1.2.1 CV-Zertifikate G2

Tabelle 6: Tab_KRYPT_006 Algorithmen für CV-Zertifikate

Für die maximale Gültigkeitsdauer der Zertifikate gilt die Anforderung [GS-A_3080].

2.1.2.2 CV-Certification-Authority (CV-CA) Zertifikat G2

Tabelle 7: Tab_KRYPT_007 Algorithmen für CV-CA-Zertifikate

Für die maximale Gültigkeitsdauer der Zertifikate gilt die Anforderung [GS-A_3080].

2.2 Zufallszahlengeneratoren

2.3 Hilfestellung bei der Umsetzung (Zufallsgeneratoren)

(Hinweis: dies ist das ehemalige „Kapitel 5.2.4 Hilfestellung bei der Umsetzung der Anforderungen“. Der Text in diesem Abschnitt entstand in enger Abstimmung mit dem BSI auf Gesellschafterwunsch.)

Die Sicherheit eines deterministischen Zufallszahlengenerators (DRNGs) hängt maßgeblich von drei Faktoren ab:

• von der Entropie des Seeds,
• vom algorithmischen Anteil (generelles Design) und
• dem Schutz des inneren Zustands (und der zur Ausgabe vorgesehenen Zufallszahlen).

Der Nachweis, dass der algorithmische Anteil eines DRNGs den Anforderungen einer bestimmten Funktionalitätsklasse genügt, kann schwierig und aufwändig sein. Deshalb wurde das BSI gebeten, die DRNGs in [FIPS-186-2+CN1] und [ANSI-X9.31] in Bezug auf die kryptographische Güte ihres algorithmischen Anteils zu bewerten.

Das Ergebnis ist:

A) [FIPS-186-2+CN1]: Lässt man in dem DRNG aus Appendix 3.1 (S. 16f.) in Schritt 3c bzw. in dem DRNG aus Algorithmus 1 (Change Notice 1, S. 72f.) in Schritt 3.3 den Term "mod q" weg, so werden gleich verteilt 160-Bit Zufallszahlen bzw. 320-Bit Zufallszahlen erzeugt (vgl. Abschnitt „General Purpose Random Number Generation“ (Change Notice 1, S. 74)).    
Beide DRNGs sind dann

1. algorithmisch geeignet für die Klasse K4 [AIS-20-1999] und
2. erfüllen die algorithmischen Anforderungen aus DRG.3 [AIS-20].

Ob eine konkrete Implementierung eines dieser DRNG bspw. Teil der Klasse DRG.3 ist, bleibt im Einzelfall zu prüfen, da dazu u. a. auch Fragen über die Initialisierung zu beantworten sind (vgl. (DRG.3.1) [KS-2011]).

Das BSI empfiehlt bei den Zufallsgeneratoren aus [FIPS-186-2+CN1] nach Möglichkeit SHA-256 [FIPS-180-4] anstatt SHA-1 zu verwenden. Folgt man der Empfehlung, so ist der Algorithmus dementsprechend zu adaptieren.

B) [ANSI-X9.31]: Der Zufallsgenerator aus Appendix A.2.4 ist

(1) algorithmisch geeignet für die Klasse K3 [AIS-20-1999] und

(2) erfüllt die algorithmischen Anforderungen aus DRG.2 [AIS-20].

2.4 Schlüsselerzeugung und Schlüsselbestätigung

Hinweis: im Rahmen der Sicherheitszertifizierung von Komponenten, wie bspw. des Konnektors, wird dies überprüft.

Hinweis: Dies ist eine Anforderung an Kartenherausgeber, die so sicherstellen müssen, dass das in den Sicherheitsmodulen (also auch HSM-B) zur Verfügung stehende kryptographische Schlüsselmaterial geeignet ist Daten mit sehr hohem Schutzbedarf schützen zu können. (siehe auch Kapitel 4.4)

Aufgrund des geringeren Mengengerüsts bei HBA und SMC-B ist dort die On-Card-Generierung der entsprechenden Schlüsselpaare möglich. Somit (vgl. auch [PP-0082, FPT_EMS.1] ist technisch sichergestellt, dass keine Kopie der privaten Schlüssel außerhalb der Chipkarte existiert (Kontext: Ende-zu-Ende-Verschlüsselung von medizinischen Daten).

Für private Schlüssel bei HBA und SMC-B wird die kartenindividuelle Erzeugung und Personalisierung durch GS-A_5338 technisch sichergestellt. Je nach verwendetem COS, insbesondere dessen spezifischen Personalisierungsverfahrens, kann es sein, dass ein Kartenherausgeber symmetrische Schlüssel aus technischen Gründen personalisieren muss, obwohl er später nicht plant mit diesen Schlüsseln bspw. im Rahmen eines CMS zu arbeiten. Es ist sicherheitskritisch, dass auch diese symmetrischen Schlüssel ebenfalls die Anforderungen GS-A_5021 bzw. GS-A_4368 erfüllen.

Als geeignete Schlüsselableitungsverfahren (KDF) für die Erzeugung von kartenindividuellen Schlüssel sind bspw. folgende Verfahren geeignet:

• alle Verfahren aus [NIST-SP-800-108] mittels CMAC [NIST-SP-800-38B],
• alle Verfahren aus [NIST-SP-800-56-A] bzw. [NIST-SP-800-56-B] mittels jeder nach [BSI-TR-03116-1] zulässigen Hashfunktion,
• alle Verfahren aus [NIST-SP-800-56C] mittels CMAC [NIST-SP-800-38B] oder eines HMAC, der auf einer nach [BSI-TR-03116-1] zulässigen Hashfunktion basiert,
• das Verfahren nach [ANSI-X9.63, Abschnitt 5.6.3] mittels jeder nach [BSI-TR-03116-1] zulässigen Hashfunktion.

2.4.1 Prüfung auf angreifbare (schwache) Schlüssel

TSPs, die im Internet TLS-Zertifikate ausgeben (bspw. für die Verwendung von HTTPS), müssen aufgrund der Baseline Requirement des CA/Browser Forums (https://cabforum.org/baseline-requirements-documents/ ) vor der Zertifikatserzeugung kryptographische Prüfungen des zu bestätigenden öffentlichen Schlüssels durchführen. Analog gilt dies mit   auch für TI-TSPs. Die gematik stellt auf Anfrage eine Beispielimplementierung für die Tests des Mindestumfangs bereit. 

2.4.2 ECC-Schlüssel in X.509-Zertifikaten

Hinweis: Diese Kodierungsform (uncompressed encoding) ist auch die Form, wie sie letztendlich in den X.509-Zertifikaten verwendet wird. Weiterhin kann ein TSP in dieser Form mit der Prüfung aus GS-A_5518 sicherstellen, dass keine Fehlkodierung des zu bestätigenden ECC-Schlüssels aufgetreten ist.

2.4.3 RSA-Schlüssel in X.509-Zertifikaten

Erläuterungen zu  befinden sich in Abschnitt 10.2. 

Erläuterungen zu   befinden sich in Abschnitt 10.2.

2.5 Einmalpasswörter

Bei verschiedenen Registrierungs- oder Anmeldeprozessen werden Einmalpasswörter (insbesondere bei KIM) verwendet. Für diese Einmalpasswörter gilt folgende Vorgabe:

3 Konkretisierung der Algorithmen für spezifische Einsatzszenarien

In den nachfolgenden Abschnitten werden die kryptographischen Algorithmen für verschiedene Einsatzszenarien spezifiziert. In diesem Zusammenhang sind ausschließlich die kryptographischen Aspekte der Einsatzszenarien relevant.

Abbildung 1: Verwendung von Algorithmen nach Zonen und OSI-Schicht

Abbildung 1 stellt beispielhaft die für die Vertraulichkeit von medizinischen Daten relevanten Algorithmen auf den verschiedenen OSI-Schichten in einer Übersicht dar. Es besteht in dieser Abbildung kein Anspruch auf Vollständigkeit.

3.1 Kryptographische Algorithmen für XML-Dokumente

XML-Signaturen sind bezüglich der verwendeten Algorithmen selbst beschreibend, die für die Erstellung einer Signatur verwendeten Algorithmen sind in der Signatur aufgeführt.

Zur vollständigen Spezifikation der Algorithmen für XML-Signaturen müssen für alle Signaturbestandteile Algorithmen spezifiziert werden. Die nachfolgenden Abschnitte wählen aus der Menge der zulässigen Algorithmen die jeweiligen Algorithmen für die einzelnen Einsatzszenarien aus.

Die Referenzierung von Algorithmen in XML-Signaturen und XML-Verschlüsselungen erfolgt nicht wie in Zertifikaten oder Signaturen binärer Daten über OIDs sondern über URIs. Die URIs der Algorithmen dienen als eindeutige Identifier und nicht dazu, dass unter der jeweils angegebenen URI die Beschreibung zu finden ist.

Tabelle 8: Tab_KRYPT_008 Beispiele für solche Algorithmen-URIs

3.1.1 XML-Signaturen für nicht-qualifizierte Signaturen

Tabelle 9: Tab_KRYPT_009 Algorithmen für die Erzeugung von nicht-qualifizierten elektronischen XML-Signaturen

3.1.2 XML-Signaturen für qualifizierte elektronische Signaturen

Tabelle 10: Tab_KRYPT_010 Algorithmen für qualifizierte XML-Signaturen

3.1.3 Webservice Security Standard (WSS)

Nicht relevant für den Wirkbetrieb der TI.

3.1.4 XML-Verschlüsselung – Symmetrisch

3.1.5 XML-Verschlüsselung – Hybrid

3.2 Karten-verifizierbare Authentifizierung und Verschlüsselung

3.2.1 Card-to-Card-Authentisierung G2

Das Verfahren zur Durchführung der Card-to-Card-Authentisierung wird in [gemSpec_COS] spezifiziert.

3.2.2 Card-to-Server (C2S) Authentisierung und Trusted Channel G2

Das Verfahren zur Durchführung der Card-to-Server-Authentisierung wird in [gemSpec_COS] spezifiziert.

C2S-Authentisierung bzw. der Trusted-Channel wird zwischen der Karte und dem zugeordneten Management-System verwendet.

Der Algorithmus AES ist nach [BSI-TR-03116-1] in der TI bis Ende 2024+ (meint bis Ende des Betrachtungsraums der TR) zulässig.

Tabelle 11: Tab_KRYPT_012 Algorithmen für Card-to-Server-Authentifizierung

3.3 Netzwerkprotokolle

Im Gegensatz zu kryptographischen Verfahren für den Integritätsschutz oder die Vertraulichkeit von Daten, bei denen keine direkte Kommunikation zwischen dem Sender bzw. dem Erzeuger und dem Empfänger stattfindet, kann bei Netzwerkprotokollen eine Aushandlung des kryptographischen Algorithmus erfolgen. Das Ziel der nachfolgenden Festlegungen ist es daher, jeweils genau einen verpflichtend zu unterstützenden Algorithmus festzulegen, so dass eine Einigung zumindest auf diesen Algorithmus immer möglich ist. Zusätzlich können aber auch optionale Algorithmen festgelegt werden, auf die sich Sender und Empfänger ebenfalls im Zuge der Aushandlung einigen können. Es darf jedoch durch keine der Komponenten vorausgesetzt werden, dass der Gegenpart diese optionalen Algorithmen unterstützt.

3.3.1 IPsec-Kontext

Hinweis-4382-1: In [NK-PP] wird mit FCS_COP.1/NK.HMAC und FCS_COP.1/NK.Hash die Unterstützung von SHA-1 und SHA-256 gefordert. Da für den Einsatz innerhalb einer HMAC-Funktion und innerhalb einer PRF die Einwegeigenschaft der Hashfunktion im Vordergrund steht und nicht die allgemeine Kollisionsresistenz, ist dort der Einsatz von SHA-1 noch zulässig (vgl. auch [BSI-TR-02102-3, Abschnitt 3.2.2, Tabelle 3, 4 und 8]). Es ist davon auszugehen, dass die Zulässigkeit von SHA-1 bei diesen beiden Einsatzzwecken zukünftig nicht mehr gegeben sein kann, und sowohl im NK als auch im VPN-Zugangsdienst, bspw. per Konfiguration, deaktiviert werden muss.

Ziel ist es zum Zeitpunkt der IKE-SA-Reauthentication ausgeführte Anwendungsfälle nicht zu unterbrechen. Aktuell wird aufgrund von TIP1-A_4492 im Rahmen der Reauthentication dem Konnektor eine neue (i.d.R. andere) VPN-TI-IP-Adresse zugewiesen, was dazu führt, dass bestehende TCP-Verbindungen in die TI effektiv zerstört und laufende Anwendungsfälle unterbrochen werden. Perspektivisch wird die folgende Anforderung als MUSS-Anforderung in TIP1-A_4492 integriert.

Da noch nicht alle VPN-Zugangsdienste technisch in der Lage sind GS-A_5547 umzusetzen werden als Symptomlinderung die Gültigkeitsdauern der ausgehandelten Schlüssel erhöht, auch in Anbetracht, dass weitere Sicherheitsmaßnahmen (bspw. TIP1-A_5389) umgesetzt werden neben den klassischen Prüfungen, die im Rahmen einer Reauthentication durchgeführt werden.

Auszug Beispielkonfiguration /etc/ipsec.conf

    ikelifetime=161h
    lifetime=23h
    margintime = 20m
    rekeyfuzz = 40%
    keyexchange=ikev2

3.3.2 TLS-Verbindungen

Bei TLS 1.1 oder älter ist im Rahmen des TLS-Verbindungsaufbaus die Verwendung von SHA-1 bei der Erstellung und Prüfung von Signaturen (TLS-Handshake) notwendig. Es gibt keine Möglichkeit der Aushandlung/Vereinbarung der Verwendung von kryptographisch höherwertigeren Hashfunktionen dafür. Dies wurde erst mit TLS 1.2 möglich. SHA-1 erbringt in Konstruktionen, die nur die kryptographische Einwegeigenschaft der Hashfunktion benötigen (bspw. bei der HMAC-Berechnung auf SHA-1-Basis) noch ein -- zwar nicht hochwertiges, aber immer noch -- vertretbares Sicherheitsniveau. Die allgemeine Kollisionsresistenz, so wie sie bei Signaturen notwendig ist, kann SHA-1 nicht mehr leisten. SHA-1 wurde in diesem Aspekt praktisch (i. S. v. nicht nur theoretisch) -- und öffentlichkeitswirksam demonstriert -- gebrochen. Aus diesem Grunde hat die IETF alle TLS Version unter 1.2 abgekündigt und bspw. alle Webbrowser-Hersteller haben die Unterstützung von TLS-Versionen unter 1.2 deaktiviert.

Analog zu IKE/IPsec und  (Spiegelstrich 5) wird deshalb folgend mit A_21275 eine Verwendung von SHA-1 bei der Signaturerstellung und -prüfung im Kontext des TLS-Handshakes untersagt.

Umsetzunghinweise zu A_21275-*:

Bei den Anwendungsfällen der TI-Anwendungen sind die Mehrzahl der TLS-Verbindungen einseitig authentisiert. D. h. beim TLS-Handshake signiert nur der TLS-Server dessen (EC)DH-Schlüssel. Bei der Initiierung der TLS-Verbindung sendet der TLS-Client in der "signature_algorithms"-Extension beim ClientHello. In der Extension werden alle vom Client unterstützen Hashfunktionen kodiert. Dort muss also nach A_21275-* mindestens SHA-256 enthalten sein. Bei TLS 1.2 wird von fast allen TLS-Bibliotheken ebenfalls SHA-1 angegeben, dieses Verhalten lässt sich im Normalfall nicht ohne Code-Änderungen in den Bibliotheken verändern -- dieses Verhalten widerspricht zunächst A_21275-*. Das bloße Aufführen von SHA-1 als grundsätzlich unterstützte Hashfunktion soll nicht als fehlerhaftes Verhalten gelten. Wichtig für die Umsetzung von A_21275-* sind die tatsächlich erstellten Signaturen und die Prüfung dieser Signaturen.

Informationen zu Algorithmen in der "signature_algorithms"-Extension findet man in [RFC-5246#7.4.1.4.1.] und [RFC-8446-4.2.3.], vgl. auch [RFC-9155].

Für Embedded-Systeme (Konnektor, eHealth-KT) ist in diesem Zusammenhang lesenswert: [Oorschot-Wiener-1996].

Einen lesenswerten Abriss bekannter Angriffe auf TLS findet man in [TLS-Attacks], vgl. auch [Breaking-TLS].

Bei  bestimmten  Produkttypen,  bspw.  TSPs,  beschränkt  sich  die  Prüfung  von  Zertifikaten beim TLS-Verbindungsaufbau in Bezug auf die TI ausschließlich auf die Prüfung des Zertifikats des Service Monitorings oder anderer betriebsunterstützender Dienste. Dafür ist der TUC_PKI_018 unangemessen leistungsstark und komplex. Deshalb wird folgend mit GS-A_5581 eine passgenauere Zertifikatsprüfung als Alternative definiert.

Als Hilfestellung: für die Umsetzung von GS-A_5581 Spiegelstrich (1) kann man bspw. folgende Maßnahmen wählen.

(a) Übergabe bei einem Vororttermin in der gematik,

(b) Regelmäßiger Download über https://download.tsl.ti-dienste.de/

(c)  Verwendung  einer  dedizierten  Software  zum  Download,  Signaturprüfung  und Auswertung  der  TI-TSL  (es  existiert  dafür  jeweils mindestens eine Open-Source-Lösung und eine kommerzielle Lösung) 

(d) oder andere Lösung, die die Integrität und Authentizität der Zertifikate sicherstellt.

Ziel ist es, dass für die Verbindung zur Störungsampel oder zum Service Monitoring auch einfach verfügbare und einfach verwendbare HTTPS-Clienten wie wget oder curl verwendet werden können.

Unter der Annahme, dass

(a) im Verzeichnis /etc/TI-Komponenten-CAs die in GS-A_5581 Punkt (1) aufgeführten Zertifikate liegen und

(b) die an die Störungsampel zu sendende Information (i. d. R. unsignierte XML-Daten) in der Datei SOAP_Daten liegen,
erfüllen folgende Aufrufe die Punkt (2)-(4) aus GS-A_5581.
I.
wget --ca-directory=/etc/TI-Komponenten-CAs --post-file=SOAP_Daten https://monitoring-update.stampel.telematik:8443/I_Monitoring_Message
II.
curl --capath /etc/TI-Komponenten-CAs –d SOAP_Daten https://monitoring-
update.stampel.telematik:8443/I_Monitoring_Message

Sicherheitsziel bei der Verwendung von TLS in der TI ist die Forward Secrecy [BSI-TR-02102-1, S. ix], was sich u. a. in den vorgegebenen Cipher-Suites (vgl.  und  ) widerspiegelt. Um dieses Ziel zu erreichen, muss sichergestellt werden, dass in regelmäßigen Abständen frisches Schlüsselmaterial über einen authentisierten Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch gebildet wird, welches das alte Material ersetzt, wobei das alte Material sowohl im Klienten als auch im Server sicher gelöscht wird. Insbesondere bei der Nutzung von TLS-Resumption (vgl. [RFC-5246, S. 36] oder [RFC-5077]) kann die Dauer einer TLS-Session deutlich länger sein als die Lebensdauer der TCP-Verbindung innerhalb welcher der initiale Schlüsselaustausch stattgefunden hat. Aus diesem Grunde werden analog zu den IPsec-Vorgaben (vgl. [gemSpec_Krypt#GS-A_4383]) Vorgaben für die maximale Gültigkeitsdauer dieses Schlüsselmaterials gemacht (vgl. auch [SDH-2016]).

Aktuell gibt es in der TI keine Anwendungsfälle (Wechsel der kryptographischen Identität innerhalb einer TLS-Verbindung oder erzwungene Schlüssel-„Auffrischung“ der Sitzungsschlüssel), die eine Session-Renegotiation im Rahmen von TLS unmittelbar erforderlich machen. Lesenswert bez. des Themas Sicherheitsprobleme mit TLS-Session-Renegotiation ist [IR-2014, S.181ff] und allgemein [CM-2014].

Es hat sich gezeigt, dass es notwendig ist weitere Vorgaben zur TLS-Renegotiation für die Sicherstellung der Interoperabilität zwischen Komponenten und Diensten zu machen.

Für eine Java-Implementierung bedeutet dies, dass allowLegacyHelloMessages und allowUnsafeRenegotiation jeweils auf false gesetzt sind ("Modus Strict", http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/overview/tlsreadme2-176330.html ).

Da der Angriff [Ray-2009], der zur Erstellung des [RFC-5746] führte, praktisch durchführbar war, wurde die Mehrzahl der existierenden TLS-Bibliotheken relativ zügig angepasst (Timeline in [IR-2014, S. 190, Abbildung 7.2]). (Vgl. die erste Spalte „Secure Renegotiation“ bei https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_TLS_implementations#Extensions ) Um für den unwahrscheinlichen Fall, dass aktuell ein schon bestehender Fachdienst Probleme bei der Umsetzung der folgenden Anforderung hat, wurde diese als SOLL-Anforderung formuliert. Es ist geplant diese Anforderung zukünftig in eine MUSS-Anforderung zu ändern.

Die folgende Anforderung hat den Zweck die Interoperabilität zwischen Konnektor und Intermediär sicherzustellen.

Für eine verbesserte Interoperabilität zu bestimmten TLS-Implementierungen (bspw. SChannel, vgl. auch ( https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_TLS_implementations bzw. https://www.ssllabs.com/ssltest/clients.html) sollen im Konnektor zusätzlich zu den Cipher-Suiten aus GS-A_4384 weitere Cipher-Suiten unterstützt werden. Mit der mittelfristigen Anhebung des zu erreichenden Sicherheitsniveaus auf 120 Bit (vgl. [SOG-IS-2020] und [BSI-TR-03116-1]) werden die folgenden Cipher-Suiten mittelfristig verpflichtend. In diesem Kontext spielt die Performanz (3000 Bit Diffie-Hellman vs. 256 Bit Elliptic Curve Diffie-Hellman) bei Embedded-Geräten wie dem Konnektor eine wichtige Rolle.

Von einem TLS-Server, dessen Kommunikationspartner Standard-Webbrowser sind (bspw. einem Webserver), wird wie folgt eine Webbrowser-Interoperabilität bez. der unterstützten TLS-Cipher-Suiten gefordert.

Hinweis: hinter den folgenden Identifier-n verbirgt sich kryptographisch gesehen jeweils die gleiche Kurve:

Analog P-384 [FIPS186-4]:

Der VZD wird u. Um. direkt von einem Webbrowser angesprochen, daher wird für eine  größere Interoperabilität zu verschiedenen Webbrowsern von ihm die Unterstützung zusätzlicher TLS-Cipher-Suiten gefordert.

Erläuterung: Eine andere Anwendung des Gesundheitswesens ohne Zugriff auf Dienste der TI in angeschlossenen Netzen des Gesundheitswesens (WANDA Basic) muss beim TLS-basierten Nachrichtentransport durch die TI nach [TR-02102-2] sichere Cipher-Suiten und Domainparameter verwenden. Für solch eine Anwendung ist eine die Interoperabilität mit TI-Diensten sicherstellende Einschränkung der Cipher-Suiten und Domainparameter nach GS-A_4384 und A_17124 nicht notwendig, d. h. beide Anforderungen gelten nicht für solche Anwendungen, sondern A_18183 gilt.

Erläuterung: A_18986 ”befreit” Produkttypen-interne TLS-Verbindungen von der Beschränkung auf die Vorgaben von GS-A_4384 und ggf. A_17124 und erweitert diese Vorgaben auf die Gesamtheit der in [TR-02102-2] empfohlenen TLS-Konfigurationen.

Hinweis: In Abschnitt " " gibt es weitere TLS-Vorgaben.

3.3.3 DNSSEC-Kontext

Tabelle 12: Tab_KRYPT_017 Algorithmen für DNSSEC

Hinweis: Nach [RFC-5702] ist die Verwendung von SHA-256 [FIPS-180-4] möglich. Schlüssellängen von RSA zwischen 512 bis 4096 Bit sind seit den Anfängen von DNSSEC möglich. Bei TSIG ist nach [RFC-4635] auch SHA-256 verwendbar und bspw. von bind seit der Version 9.5 unterstützt.

3.4 Masterkey-Verfahren (informativ)

Die gematik wurde aufgefordert, beispielhaft ein mögliches Ableitungsverfahren für einen versichertenindividuellen symmetrischen Schlüssel auf Grundlage eines Ableitungsschlüssels (Masterkey) aufzuführen. Ein Kartenherausgeber ist frei in der Wahl seines Ableitungsverfahrens. Jedoch müssen beim Einsatz eines Ableitungsverfahrens, um die Qualität der Ableitung zu garantieren, insbesondere folgende Punkte beachtet werden:

• Der Ableitungsprozess muss unumkehrbar und nicht-vorhersehbar sein, um sicherzustellen, dass die Kompromittierung eines abgeleiteten Schlüssels nicht den Ableitungsschlüssel oder andere abgeleitete Schlüssel kompromittiert.
• Bei einer Schlüsselableitung (im Sinne von [ISO-11770]) basiert die kryptographische Stärke der abgeleiteten Schlüssel auf der Ableitungsfunktion und der kryptographischen Stärke des geheimen Ableitungsschlüssels (insbesondere hier dessen Entropie). Die Entropie der abgeleiteten Schlüssel ist kleiner gleich der Entropie des geheimen Ableitungsschlüssels. Um die Entropie der abgeleiteten Schlüssel sicherzustellen, muss die Entropie des geheimen Ableitungsschlüssels (deutlich) größer sein als die zu erreichende Entropie der abgeleiteten Schlüssel.
• Der Betreiber eines Schlüsseldienstes muss im Falle des Einsatzes einer Schlüsselableitung (nach [ISO-11770]) in seinem Sicherheitskonzept Maßnahmen für das Bekanntwerden von Schwächen des kryptographischen Verfahrens, welche die Grundlage der Schlüsselableitung ist, darlegen.

Ein Kartenherausgeber hat auch die Freiheit, gar kein Ableitungsverfahren zu verwenden, sondern alle symmetrischen SK.CMS aller seiner Karten sicher in seinem RZ vorzuhalten.

Ziel des Masterkey-Verfahrens zur Ableitung eines versichertenindividuellen Schlüssels ist es, aus einem geheimen Masterkey und einem öffentlichen versichertenindividuellen Merkmal einen geheimen symmetrischen Schlüssel abzuleiten, der zur Absicherung der Verbindung zwischen CMS und Smartcard verwendet wird. Öffentlich bedeutet an dieser Stelle nicht, dass die Merkmale selbst nicht schützenswert sind, es soll jedoch ausdrücken, dass die Vertraulichkeit des versichertenindividuellen Schlüssels nicht von der Geheimhaltung dieser Merkmale abhängt. Die Vertraulichkeit der Daten muss durch die Geheimhaltung des Masterkeys gewährleistet sein. Das bedeutet, die Geheimhaltung anderer Daten als des Masterkeys darf für die Vertraulichkeit der Daten nicht notwendig sein. Die Durchführung dieses Verfahrens muss bei gleichen Eingangsparametern immer das gleiche Ergebnis generieren.

Für die Durchführung des Algorithmus wird neben dem Masterkey auch noch mindestens ein versichertenindividuelles Merkmal verwendet. Die Auswahl des Merkmals ist fachlich motiviert und wird daher in diesem Dokument nicht spezifiziert. Das in Tabelle 20 beispielhafte Verfahren besteht aus einer Kombination von AES-Verschlüsselung [FIPS-197] und Hashwert-Bildung. Die Schlüssel- bzw. Hashwert-Länge ergibt sich gemäß Tabelle 21.

Tabelle 13: Tab_KRYPT_018 Ablauf zur Berechnung eines versichertenindividuellen Schlüssels

In der nachfolgenden Tabelle werden Kürzel entsprechend der Definition aus Abschnitt 3.2.3 verwendet.

Tabelle 14: Tab_KRYPT_019 eingesetzte Algorithmen für die Ableitung eines versichertenindividuellen Schlüssels

3.5 Hybride Verschlüsselung binärer Daten

Für die hybride Verschlüsselung werden die Daten zunächst symmetrisch mittels eines zufällig gewählten geheimen symmetrischen Schlüssels verschlüsselt. Der geheime Schlüssel wird im Anschluss asymmetrisch für jeden Empfänger separat verschlüsselt.

Hinweis: unter binären Daten sind im gesamten Dokument beliebige Daten insbesondere beliebigen Typs (Text, HTML, PDF, JPG etc.) zu verstehen. Es gilt das Prinzip: das Spezielle vor dem Allgemeinen: gibt es weitere spezielle Vorgaben für bestimmte Datenformate, sind diese für die entsprechenden Daten verpflichtend (überschreiben oder ergänzen die allgemeinen Vorgaben).

3.5.1 Symmetrischer Anteil der hybriden Verschlüsselung binärer Daten

Hinweis: In [RFC-5084] findet man Informationen über die Verwendung von AES-GCM innerhalb von CMS [RFC-5652].

3.5.2 Asymmetrischer Anteil der hybriden Verschlüsselung binärer Daten

3.6 Symmetrische Verschlüsselung binärer Daten

Hinweis: In [RFC-5084] findet man Informationen über die Verwendung von AES-GCM innerhalb von CMS [RFC-5652].

3.7 Signatur binärer Inhaltsdaten (Dokumente)

Tabelle 15: Tab_KRYPT_020 Algorithmen für die Erzeugung und Prüfung von binären Daten im Kontext von Dokumentensignaturen

3.8 Signaturen innerhalb von PDF/A-Dokumenten

Tabelle 16: Tab_KRYPT_021 Algorithmen für die Erzeugung und Prüfung von PDF/A-Dokumentensignaturen

3.9 Kartenpersonalisierung

Vgl. auch Abschnitt 2.4 (Schlüsselerzeugung).

3.10 Bildung der pseudonymisierten Versichertenidentität

3.11 Spezielle Anwendungen von Hashfunktionen

Erläuterung:

Alle CAs und der TSL-Dienst müssen im Rahmen ihrer Prozesse öffentliche Schlüssel oder Zertifikate (bspw. auf Webseiten) veröffentlichen. Dabei wird auch jeweils der SHA-256 Hashwert mit veröffentlicht.

Hersteller einer gSMC-KT müssen den Hashwert des auf der Karte befindlichen Zertifikats in MF/DF.KT/EF.C.SMKT.AUT.R2048 entweder auf dem ID-1-Kartenkörper drucken (das ID-000-Modul ist dann herausbrechbar) oder ausgedruckt mitliefern. Der Konnektor muss den Hashwert des Zertifikats bei initialen Pairing mit dem KT berechnen und dem Administrator präsentieren.

Innerhalb der CertHash-Extension als Teil einer OCSP-Response wird vom TSP ein SHA-256 Hashwert des Zertifikats, über das eine Sperrinformation gegeben wird, mitgeliefert.

3.11.1 Hashfunktionen und OCSP (informativ)

Es hat sich gezeigt, dass zum folgenden Themenkomplex eine Erläuterung hilfreich ist.

Im Zusammenspiel OCSP-Anfrage und OCSP-Antwort werden an drei Stellen Hashfunktionen verwendet, die theoretisch alle paarweise verschieden sein können.

Erste Stelle: Zunächst erzeugt ein OCSP-Client eine OCSP-Anfrage (vgl. [RFC-6960, Abschnitt 4.1.1] oder [RFC-2560, Abschnitt 4.1.1]). Dafür muss dieser u. a. eine CertID-Datenstruktur erzeugen:

   CertID          ::=     SEQUENCE {
       hashAlgorithm       AlgorithmIdentifier,
       issuerNameHash      OCTET STRING, -- Hash of issuer's DN
       issuerKeyHash       OCTET STRING, -- Hash of issuer's public key
       serialNumber        CertificateSerialNumber }

Bei der Wahl der Hashfunktion kann er sich nur darauf verlassen, dass der OCSP-Responder als Hashalgorithmus (vgl. „hashAlgorithm“-Datenfeld) SHA-1 [FIPS-180-4] unterstützt. Für den Anfragenden und den OCSP-Responder gilt dementsprechend GS-A_5131. Er muss SHA-1 für die CertID-Struktur verwenden. Ein OCSP-Responder, der zusätzlich weitere Hashfunktionen unterstützt, muss nichts zurückbauen – er darf auch so in der TI arbeiten.

Warum ist der Einsatz von SHA-1 an dieser Stelle kryptographisch gesehen ausreichend? Da (1) ein OCSP-Responder der TI nicht für beliebige CAs arbeitet (Wahl von DN und öffentlichen Schlüssel ist damit beschränkt) und (2) i. d. R. die CertHash-Extension Teil der OCSP-Antwort ist und innerhalb der CertHash-Extension in der TI eine kryptographisch hochwertige Hashfunktion verwendet wird, ist die Verwendung von SHA-1 hier aus Sicherheitssicht betrachtet unbedenklich. (Vgl. analoges Vorgehen BNetzA-OCSP-Responder für den qualifizierten Vertrauensraum.) Es ist also sichergestellt, dass zwischen OCSP-Client und -Responder keine (evtl. von einem Angreifer böswillig herbeigeführten) Unklarheiten darüber entstehen können über welches Zertifikat gerade gesprochen wird. Es geht bei GS-A_5131 vornehmlich um die Interoperabilität von OCSP-Client und OCSP-Responder.

Die optionale Signatur einer OCSP-Anfrage wird in der TI nicht verwendet, damit ist die dort verwendete Hashfunktion für die aktuelle Betrachtung irrelevant.

Zweite Stelle: Für die Beantwortung der OCSP-Anfrage erzeugt der OCSP-Responder u. a. eine CertHash-Datenstruktur:

id-commonpki-at-certHash OBJECT IDENTIFIER ::= {1 3 36 8 313}
CertHash ::= SEQUENCE {
     hashAlgorithm   AlgorithmIdentifier,  -- The identifier
     -- of the algorithm that has been used the hash value below.
     certificateHash OCTET STRING }

Hierfür muss eine kryptographisch hochwertige (nach [BSI-TR-03116-1] zulässige) Hashfunktion verwendet werden. Normativ ist an dieser Stelle: „GS-A_4393 Algorithmus bei der Erstellung von Hashwerten von Zertifikaten oder öffentlichen Schlüsseln“. Spätestens an dieser Stelle können OCSP-Client und OCSP-Server sich sicher sein, ob sie über das gleiche Zertifikat sprechen.

Dritte Stelle: Die OCSP-Response muss am Ende vom OCSP-Responder signiert werden. Dafür ist die Vorgabe aus Tab_KRYPT_002 „Signatur der OCSP-Response“ normativ, welche über die für die jeweiligen Zertifikate geltenden Anforderungen (bspw. GS-A_4357) angezogen werden.

3.12 kryptographische Vorgaben für die SAK des Konnektors

3.13 Migration im PKI-Bereich

3.14 Spezielle Anwendungen von kryptographischen Signaturen

Erläuterung: Beim initialen Pairing zwischen Konnektor und eHealth-Kartenterminal wird vom Konnektor ein 16 Byte langes Geheimnis erzeugt, das bei späteren Verbindungsaufbauten zwischen Konnektor und KT im Rahmen eines Challenge-Response-Verfahrens ([gemSpec_KT#3.7.2]) verwendet wird. Dieses Geheimnis wird von der gSMC-KT des KT beim initialen Pairing signiert. Die Signatur wird vom KT zum Konnektor transportiert und dort vom Konnektor geprüft.

Erläuterung: Der Konnektor erlaubt (bei entsprechender Berechtigung) die direkte Nutzung der privaten Schlüssel MF/ DF.ESIGN/ PrK.HP.AUT.* auf einem HBA oder MF/ DF.ESIGN/ PrK.HCI.AUT.* auf einer SMC-B durch ein Primärsystem. Dies wird fast immer für eine klientenseitige TLS-Authentisierung gegenüber einem TLS-Server (außerhalb der TI) verwendet. Dafür werden über die Schnittstelle RSASSA-PKCS1-v1_5-Signaturen von den entsprechenden Karten erzeugt und über den Konnektor an ein Primärsystem übergeben. Für unbenannte Anwendungen müssen auch RSASSA-PSS-Signaturen erzeugbar sein. Diese Signaturen sind nicht als Dokumentensignaturen verwendbar, der Verwendungszweck ist in den zu den privaten Schlüsseln gehörigen Zertifikaten kodiert (ExtendedKeyUsage: keyPurposeId = id-kp-clientAuth).

Hinweis: GS-A_5208 ist nicht dem PTV4-Konnektor zugewiesen, sondern die erweiterte Anforderungen  .

3.15 ePA-spezifische Vorgaben

3.15.1 Verbindung zur VAU

Die "vertrauenswürdige Ausführungsumgebung" (VAU) wird in [gemSpec_Dokumentenverwaltung] eingeführt. Jedes ePA-Frontend des Versicherten (FdV) muss mit jeder beliebigen VAU (egal von welchem Anbieter ePA-Aktensystem) kommunizieren können. Deshalb ist es für die Interoperabilität notwendig, das Kommunikationsprotokoll zwischen beiden Kommunikationspartnern zu definieren und dessen Verwendung zu fordern.

Hinweis: ein ePA-Frontend des Versicherten ist nach A_15872 (bzw. A_15873) [gemSpec_ePA_FdV] verpflichtet, das Zertifikat des Kommunikationspartners (VAU) zu prüfen (Kontext: Prüfung Authentizität des empfangene ECDH-Schlüssels). Nach A_15873 (vgl. auch A_15784) [gemSpec_ePA_FdV] muss dabei die TSL der TI Prüfungsgrundlage sein [gemSpec_ePA_FdV].

3.15.2 Vorgaben für ePA-Schlüssel und ePA-Chiffrate

3.15.3 ePA-Aktensysteminterne Schlüssel

Erläuterung: Das zu erreichende Ziel ist, dass, wenn ein Angreifer (mit hohem Angriffspotential, im Sinne von CC) selbst unter (1) der (hypothetischen) Annahme, die ePA an sich wäre überhaupt nicht verschlüsselt (es würde gar kein Aktenschlüssel existieren etc.) und (2), er alles im ePA-Aktensystem außer der VAU (inkl. HSM mit dem betreiberspezifischen Schlüssel) sicherheitstechnisch kompromittiert hätte, der Angreifer immer noch nicht auf die Klartextdaten zugreifen könnte.

Hintergrund ist, dass es unter dem Hybrid-Modell der ePA-Architektur aus Zugriffskontrolle und Verschlüsselung bei Entzug einer Berechtigung einem nun nicht mehr berechtigten Nutzer kryptographisch theoretisch immer noch möglich ist, die Daten der Akten, auf die er vormals berechtigten Zugriff hatte, zu entschlüsseln (er bricht bspw. in das Rechenzentrum des Anbieters ePA-Aktensystem ein und stiehlt dort alle Festplatten). Durch den in einem HSM beschützten betreiberspezifischen Schlüssel ist dieser beschriebene Angriff nun unterbunden.

Erläuterung: Ziel von A_15751 und A_16176 ist es, den Umstellungsbedarf im Rahmen der ECC-Migration der TI und ihrer Anwendungen in der Phase 2 zu minimieren.

Hinweis: Der betreiberspezifische Schlüssel (BS) darf gemäß A_15745 ausschließlich der VAU des ePA-Aktensystems zugänglich sein. Daher muss die Umschlüsselung in der VAU stattfinden. Dabei ist *keine* Mitwirkung des Versicherten (oder eines von ihm berechtigten Nutzers) erforderlich.

3.15.4 ePA-spezifische TLS-Vorgaben

Es gibt ePA-Aktensysteme deren "Zugangsgateway des Versicherten" [gemSpec_Zugangsgateway_Vers] die Verwendung von TLS-Session-Resumption per Session-ID von einem ePA-FdV verlangen. Ebenfalls gibt es ePA-Aktensysteme deren Zugangsgateway des Versicherten die Verwendung von TLS-Session-Resumption per Session-Tickets von einem ePA-FdV verlangen. Nach einem TLS-Verbindungsende muss ein ePA-FdV eine TLS-Session-Resumption verwenden, ansonsten muss der Versicherte sich neu authentisieren (erneuter Login).

Ein ePA-FdV muss, um die beiden Anwendungsfälle (1) Aktensystemwechsel und (2) Versicherten-Vertreter über ein ePA-FdV eines anderen Aktensystemherstellers zu ermöglichen, beide Varianten der TLS-Session-Resumption unterstützen. Die meisten TLS-Bibliotheken unterstützen beide Varianten per Default.

3.15.5 Schlüsselableitungsfunktionalität ePA

Zur Schlüsselableitung bei der Schlüsselableitungsfunktionalität ePA wird die HKDF nach [RFC-5869] auf Basis von SHA-256 verwendet. Diese Funktion wird auch als Grundlage der Schlüsselableitungen bei TLS Version 1.3 verwendet.

Ein Client eines SGD (bspw. ein ePA-FdV) erhält über einen beidseitig authentisierten Ende-zu-Ende-verschlüsselten Kanal von jeweils zwei unabhängigen SGD AES-256-Bit-Schlüssel. Diese beiden Schlüssel nutzt der Client, um den Akten- und Kontextschlüssel des Versicherten im "Zwiebelschalenprinzip" zu ver- oder zu entschlüsseln.

Für die Ende-zu-Ende-verschlüsselte Datenübertragung zwischen Client und SGD-HSM wird ECIES (vgl. [SEC1-2009#5.1 Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme], [TR-02102-1#3.3. ECIES-Verschlüsselungsverfahren] und Abschnitt  ) verwendet. Dabei besitzt der Empfänger einen elliptischen Kurvenpunkt (öffentlicher Schlüssel), dessen Authentizität der Sender prüfen kann. Dies wird erreicht, indem der Kurvenpunkt des Empfängers (entweder Client oder SGD-HSM) mittels der Langzeitidentität des Empfängers signiert ist. Der Sender erzeugt ein ephemeres ECDH-Schlüsselpaar. Mit diesem und dem Kurvenpunkt des Empfängers führt der Sender einen ECDH-Schlüsselaustausch durch. Aus dem berechneten ECDH-Geheimnis berechnet der Sender mittels einer HKDF auf Basis von SHA-256 einen AES-256-Bit-Schlüssel der im Galois/Counter-Mode (GCM) verwendet wird (Authenticated Encryption). Damit verschlüsselt der Sender den Klartext und erhält ein AES-GCM-Chiffrat. Der Sender sendet seinen erzeugten ephemeren Kurvenpunkt und das AES-GCM-Chiffrat an den Empfänger. Damit ist der Nachrichtentransport Ende-zu-Ende-verschlüsselt zwischen Sender und Empfänger, jedoch nur einseitig authentisiert. Die beidseitige Authentisierung wird über einen Authentisierungstoken, den das SGD-HSM für einen Client erzeugt, erreicht (vgl. [gemSpec_SGD_ePA#]). Für das ECIES-Verfahren gilt der kryptographische Sicherheitsbeweis aus [ABR-1999].

In  und in  wird nicht aufgeführt, welche Hashfunktion im Rahmen der Signaturstellung und -prüfung zu verwenden ist. Dies wird mit folgender Anforderung nachgeholt.

3.16 E-Rezept-spezifische Vorgaben

Der Fachdienst E-Rezept besitzt zwei HTTPS-Schnittstellen, eine in der TI und eine im Internet.

Hinweis: GS-A_4384 (TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA etc.) ist absichtlich nicht den Produkttypen der E-Rezept-Anwendung zugewiesen. Die Interoperabilität zu den Konnektoren ist mindestens über die ersten beiden Cipher-Suiten aus A_21332 (1) sichergestellt, ebenfalls über A_17094-*.

Ähnlich wie bei der Anwendung ePA endet die TLS-Verbindung am E-Rezept-FD an der Webschnittstelle (Eingangspunkt). Ziel ist es die Code-Komplexität innerhalb der VAU so gering wie möglich zu halten (Trusted Computing Base), um eine ausreichende Sicherheitsanalyse des VAU-Programmcodes überhaupt erst möglich zu machen. Dafür werden die Probleme des TLS-Handlings, der Lastverteilung und des DoS-Schutzes auf Applikationsebene außerhalb der VAU an den Webschnittstellen des Fachdienstes E-Rezept bearbeitet. So kann sich der Programmcode in der VAU auf seine zentrale Aufgabe des Zugriffsschutzes der über die VAU einstellbaren und abholbaren E-Rezepte fokussieren.

Um die Verbindungsstrecke zwischen Webschnittstelle und E-Rezept-VAU in Bezug auf Vertraulichkeit zu schützen, wird eine Verschlüsselung auf Anwendungsebene eingeführt. Bei ePA ist dies das VAU-Protokoll. Beim E-Rezept kann aufgrund der andersartigen Anwendungslogik in der E-Rezept-VAU ein einfacheres Sicherungsverfahren verwendet werden. Dieses ist in Abschnitt  normativ definiert. 

Erläuterung zu A_22698-*:
Der Pseudonymisierungsschlüssel kann auch nur in Software vorliegen – muss also nicht zwangsweise in einem HSM vorliegen.
Für die Unterstützung von betrieblichen Prozessen soll dem E-Rezept-Projekt ein Überblick über die Anzahl der aktuell im Feld befindlichen Primärsystem-Versionen zur Verfügung gestellt werden. Der E-Rezept-FD übermittelt die Pseudonyme als Teil der Rohdatenlieferung an die gematik.

3.17 KOM-LE-spezifische Vorgaben

Bei KOM-LE werden E-Mail-Anhänge , deren Größe die konnektorschnittstellenbedingte Maximalgröße (vgl. [gemSpec_KON]) von etwas weniger als 25 MiB überschreiten, separat symmetrisch verschlüsselt und das Chiffrat auf dem "Fachdienst Download-Server (KAS)" abgelegt. Das Chiffrat erhält eine ID, die aus dem Hashwert des Chiffrats gebildet wird. Dabei ist die in  festgelegte Hashfunktion zu verwenden. Der verwendete symmetrische Schlüssel und die Hashwert-Referenz sind dann Teil des Klartextes der verschlüsselten E-Mail-Nachricht (KOM-LE). Die Chiffrate auf dem Download-Server (KAS) werden automatisch nach einer bestimmten im FD festgelegten Zeit gelöscht.

4 Umsetzungsprobleme mit der TR-03116-1

Das u. a. durch die TR-03116-1 [BSI-TR-03116-1] angestrebte Sicherheitsniveau soll persönliche medizinische Daten effektiv schützen. Dazu lehnt sie sich an die sehr starken kryptographischen Vorgaben für die qualifizierte elektronische Signatur [SOG-IS-2020] an. Einige Formate (bspw. XMLDSig) oder Implementierungen (bspw. Standard-Java-Bibliotheken) können einige Vorgaben von Hause aus nicht erfüllen.

Dieses Kapitel weist auf Umsetzungsprobleme hin (ehemals Kapitel 3.3 aus dem Kryptographiekonzept des Basis-Rollouts).

4.1 XMLDSig und PKCS1-v2.1

Mit [XMLDSig] allein ist aktuell keine Nutzung von RSASSA-PSS [PKCS#1] möglich.

Aus diesem Grund hat die gematik entschieden für die Signatur nach [XMLDSig] zusätzliche Identifier für RSASSA-PSS aus [RFC-6931] innerhalb der TI zu verwenden, welche auf der Lösung aus [XMLDSig-RSA-PSS] basieren. Der RFC-6931 [RFC-6931] ist die Aktualisierung von [RFC-4051]. Die in Abschnitt „2.3.9 RSASSA-PSS With Parameters“ und „2.3.10 RSASSA-PSS Without Parameters“ aufgeführten Identifier für RSASS-PSS-Signaturen müssen innerhalb von XMLDSig für solche Signaturen verwendet werden.

Ein Beispiel aus [RFC-6931] Abschnitt „2.3.10 RSASSA-PSS Without Parameters“:

<SignatureMethod
     Algorithm=
     "http://www.w3.org/2007/05/xmldsig-more#sha256-rsa-MGF1"
   />

Vgl. [gemSpec_COS, (N003.000)]: Die Hashfunktion, auf der die Mask-generation-function basiert, ist SHA-256 [FIPS-180-4]. Die Länge des salt ist gleich der Ausgabelänge eben jener Hashfunktion (= 256 Bit).

4.2 XMLEnc: Die Nutzung von RSAES-OAEP und AES-GCM

Bei der Verschlüsselung mittels XMLEnc [XMLEnc] gibt es zwei Probleme in Bezug auf fehlende Identifier für kryptographische Verfahren, die in Abstimmung mit dem BSI für den Einsatz in der TI notwendig sind.

• Für die symmetrische Verschlüsselung mittels AES-GCM ([FIPS-197], [NIST-SP-800-38D]) gibt es keine Algorithmen-Identifier innerhalb von [XMLEnc]. Solche gibt es in [XMLEnc-1.1, Abschnitt 5.2.4].
• Für die Kodierung von RSA-OAEP-Chiffraten innerhalb von [XMLEnc] fehlt in [XMLEnc] ein Identifier für RSAES-OAEP mit der MGF1 basierend auf SHA-256 (vgl. auch Kapitel 5.10 „MGF Mask Generation Function“ in [gemSpec_COS]). Einen solchen Identifier(„http://www.w3.org/2009/xmlenc11#mgf1sha256“) gibt es in XMLEnc Version 1.1 [XMLEnc-1.1, Abschnitt 5.5.2].

Aus diesem Grund hat die gematik entschieden für die XML-Verschlüsselung die Vorgaben aus [XMLEnc-1.1] zu verwenden.

4.3 XML Signature Wrapping und XML Encryption Wrapping

Komplexität ist der natürliche Feind von Sicherheit. Die unter dem Sammelbegriff XML betitelten Formate und Protokolle sind sehr flexibel und leistungsfähig, aber auch sehr komplex. Noch dazu sind Sicherheitsmechanismen in diesem Bereich zum Teil nachträglich beigefügt worden und sind damit oft weniger leistungsfähig als im CMS-Bereich. XML-Daten effektiv zu schützen ist aktives Forschungsthema [XMLEnc-CM], [XSpRES]. Öfter als in anderen Bereichen werden neue Schwachstellen bekannt [BreakingXMLEnc], [XSW-Attack].

Aus diesem Grunde wird bei einer Sicherheitsevaluierung gesondert auf derartige Angriffe geachtet. Die gematik beobachtet neue Entwicklungen im Bereich der XML-Sicherheit und leitet falls notwendig Maßnahmen ein.

4.4 Güte von Zufallszahlen

Nach dem Kerckhoffs'schen Prinzip von 1883 [Ker-1883] darf die Sicherungsleistung von kryptographischen Verfahren alleinig auf der Geheimhaltung der geheimen oder privaten Schlüssel beruhen. Geheimhaltung inkludiert insbesondere, dass sie nicht erraten werden können. Wenn bei einer Schlüsselerzeugung zu wenig Entropie vorhanden ist, kann die Geheimhaltung nicht gewährleistet werden. Die kryptographischen Verfahren, welche mit diesen Schlüsseln dann arbeiten, können die von ihnen verlangten Sicherheitsleistungen nicht mehr erbringen. Aus diesem Grunde verlangt [BSI-TR-03116-1] eine Mindestgüte der Zufallszahlerzeugung u. a. bei einer Schlüsselerzeugung. Die Basis für die Beurteilung der Güte stellt [AIS-20] und [AIS-31] dar.

Aktuell sind nicht alle Produkte in der TI bez. dieser Mindestgüte bewertet worden. Davon sind Smartcards nicht betroffen, da diese eine Sicherheitsevaluierung/-zertifizierung durchlaufen haben, bei der die Güte der Zufallszahlenerzeugung positiv beurteilt wurde. Probleme bereiten insbesondere  HSMs.

Neben einer möglichen Common-Criteria-Zertifizierung dieser Produkte, bei der analog zu den Smartcards die Güte geprüfte wird, gibt es weitere mögliche Lösungen:

1. gesonderte Prüfung der Güte nach [AIS-20] und [AIS-31] ohne komplette Common-Criteria-Zertifizierung,
2. Herstellererklärung über die Güte (wie sie bspw. aktuell bei der Kartenproduktion üblich ist).

5 Migration 120-Bit-Sicherheitsniveau

Das „Sicherheitsniveau eines kryptographischen Verfahrens“ ist definiert als der Logarithmus zur Basis 2 der Anzahl der „Rechenschritte“ die notwendig sind um ein kryptographisches Verfahren mit hoher Wahrscheinlichkeit zu brechen. Was als „Rechenschritt“ definiert ist, ist vom Verfahren abhängig. Das Sicherheitsniveau wird in Bit angegeben. Beispielsweise nimmt man aktuell an, dass für das Brechen einer AES-Chiffre mit 128 Bit Schlüssellänge rund 2^126,4 Rechenschritte, die der Durchführung einer AES-Verschlüsselung (eines 128-Bit Eingabeblocks) entsprechen, im Mittel notwendig sind. Somit erreicht eine AES-128-Bit-Verschlüsselung maximal ein Sicherheitsniveau von ca. 126,4 Bit. Eine RSA-2048-Bit-Verschlüsselung erreicht ein Sicherheitsniveau von ca. 100 Bit.

Für den qualifizierten Vertrauensraum ist ab Ende 2025 [SOG-IS-2020] und für die TI ab Ende 2023 ein Sicherheitsniveau von mindestens 120 Bit für alle kryptographischen Verfahren vorgeschrieben [BSI-TR-03116-1]. Daher ist bis dahin eine Migration aller Komponenten und Dienste notwendig, die kryptographische Verfahren mit Schlüssellängen bez. Domainparametern verwenden die nur ein Sicherheitsniveau von unter 120 Bit erreichen können.

Aufgrund der höheren Performanz, insbesondere in Chipkarten und Embedded-Geräten, wird nicht auf RSA-3072-Bit sondern auf ECDSA mit 256-Bit-Schlüsseln migriert.

Es gibt Produkttypen, die kryptographische Verfahren so einsetzen, dass diese keine direkten Wechselwirkungen bei anderen Produkttypen besitzen. Beispielsweise werden von einem ePA-Aktensystem Autorisierungstoken (inkl. Signatur) erzeugt und diese werden von einem ePA-FdV oder als FM ePA als opakes Objekt behandelt. Dabei kann weiterhin RSA verwendet werden, solange die dabei verwendeten Schlüsselgrößen mindestens 3000 Bit betragen (Sicherheitsniveau 120-Bit erzielen) ( ). Ggf. ist es empfehlenswert dennoch auf ECC-basierte Verfahren zu migrieren (schnellere Ausführungsgeschwindigkeit, geringere Signaturgröße).

Die Migration erfolgt schrittweise und Komponenten und Dienste werden zusätzlich mit Schlüsselmaterial und Zertifikaten auf Basis von ECDSA auf der Kurve brainpoolP256r1 ausgestattet werden. Es gibt bis maximal Ende 2023 (vgl. Abschnitt 2.1.1.1) einen Parallelbetrieb in der TI.

Nachdem die X.509-Root der TI (Produkttyp „gematik Root-CA“), die TSPs der TI und die Objektsysteme der Chipkarten um ECC-Unterstützung für X.509-Identitäten erweitert wurden, erfolgt die schrittweise und parallele Unterstützung dieser Identitäten nun in weiteren Produkttypen bzw. Fachanwendungen.

5.1 PKI-Begriff Schlüsselgeneration

In [gemKPT_PKI_TIP#3.2] wird der Begriff der Schlüsselgeneration eingeführt. Eine CA signiert Zertifikate im abstrahierten Sinne mit „ihrem Signaturschlüssel“. Dieser Schlüssel wird regelmäßig neu erzeugt und solange Verfahren und Schlüssellänge bzw. Domainparameter gleichbleiben, handelt es sich um eine neue Schlüsselversion. Kryptographisch betrachtet wurde der neue Signaturschlüssel zufällig (vgl. GS-A_4368) erzeugt, ist also kryptographisch unabhängig vom alten Signaturschlüssel, und die CA arbeitet mit mehreren kryptographischen Schlüsseln.

Beispiel: im Fall der X.509-Root der TI (vgl. Abschnitt 5.2) wird ihr Signaturschlüssel im Regelfall alle zwei Jahre neu erzeugt (vgl. GEM.RCA1 und GEM.RCA2, https://download.tsl.ti-dienste.de/ ). Der Signaturschlüssel liegt hier in zwei Versionen vor. Beide Schlüssel kommen aus der Schlüsselgeneration „RSA“.

Für die Migration muss ein Signaturschlüssel in der X.509-Root der TI erzeugt werden, der aus der Schlüsselgeneration „ECDSA“ stammt. Für ihn gelten die Vorgaben aus [gemSpec_Krypt#GS-A_4357, Schlüsselgeneration „ECDSA“].

5.2 X.509-Root der TI

Die X.509-Root der TI (Produkttyp: gematik Root-CA) ermöglicht es über eine klassische PKI-Baumstruktur die meisten Zertifikate der TI zu prüfen. Für zukünftige Anwendungen, die nur mit erhöhten Kosten das leistungsstarke, aber auch deutlich komplexere TSL-Modell auswerten können, ist sie eine Infrastrukturleistung der TI, so wie auch die CVC-Root.

Die X.509-Root muss für die Migration ECDSA-basierte Zertifikate für TSPs ausstellen können. Aufgrund von [gemSpec_PKI#GS-A_5511] muss die X.509-Root der TI neben dem Signaturschlüssel für die Schlüsselgeneration „RSA“ auch einen Signaturschlüssel für die Schlüsselgeneration „ECDSA“ gemäß GS-A_4357 (brainpoolP256r1) erzeugen, und diesen verwenden können.

Als Hilfestellung wird im Folgenden ein X.509-Root-TI-Zertifikat betrachtet. Gemäß GS-A_4357 muss der öffentliche ECDSA-Schlüssel der Schlüsselgeneration „ECDSA“ auf der Kurve brainpoolP256r1 liegen. Sei

d=SHA-256(„gemSpec_Krypt-Beispiel X.509-Root-TI ECDSA-Schluessel“)
=0x62e50dca4da29b0b10ead635a20b51fb1ec281d11f90cde8b5a9d92371ae8052

Dieses d wird als Ganzzahl (Little-Endian) interpretiert und dies sei der für das Beispiel maßgebliche private Schlüssel. Damit ergibt sich folgender öffentlicher Punkt auf der Kurve brainpoolP256r1:

(0x377434509adcbb827f74acd7adf0ce72aa28ddc53be3f15ea8023a9b0722c09d,
0x5364a99686c02092bbf9efde9878847b90f09d90b7ac4193553820258a58dfd5)

Folgend ist die ASN.1-DER-Kodierung des Schlüssels, so wie sie sich später auch im Zertifikat befindet, aufgeführt:

MFowFAYHKoZIzj0CAQYJKyQDAwIIAQEHA0IABDd0NFCa3LuCf3Ss163wznKqKN3FO+PxXqgCOpsH
IsCdU2SplobAIJK7+e/emHiEe5DwnZC3rEGTVTggJYpY39U=

   0  90: SEQUENCE {
  2  20:   SEQUENCE {
  4   7:     OBJECT IDENTIFIER ecPublicKey (1 2 840 10045 2 1)
 13   9:     OBJECT IDENTIFIER brainpoolP256r1 (1 3 36 3 3 2 8 1 1 7)
       :     }
24  66:   BIT STRING
       :     04 37 74 34 50 9A DC BB 82 7F 74 AC D7 AD F0 CE
       :     72 AA 28 DD C5 3B E3 F1 5E A8 02 3A 9B 07 22 C0
       :     9D 53 64 A9 96 86 C0 20 92 BB F9 EF DE 98 78 84
       :     7B 90 F0 9D 90 B7 AC 41 93 55 38 20 25 8A 58 DF
       :     D5
       :   }

Das selbstsignierte Beispiel-Root-Zertifikat im PEM-Format:

-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIICajCCAg+gAwIBAgIBATAKBggqhkjOPQQDAjBtMQswCQYDVQQGEwJERTEVMBMG
A1UECgwMZ2VtYXRpayBHbWJIMTQwMgYDVQQLDCtaZW50cmFsZSBSb290LUNBIGRl
ciBUZWxlbWF0aWtpbmZyYXN0cnVrdHVyMREwDwYDVQQDDAhHRU0uUkNBMzAeFw0x
NjEyMDkwODQxNTZaFw0yNjEyMDcwODQxNTZaMG0xCzAJBgNVBAYTAkRFMRUwEwYD
VQQKDAxnZW1hdGlrIEdtYkgxNDAyBgNVBAsMK1plbnRyYWxlIFJvb3QtQ0EgZGVy
IFRlbGVtYXRpa2luZnJhc3RydWt0dXIxETAPBgNVBAMMCEdFTS5SQ0EzMFowFAYH
KoZIzj0CAQYJKyQDAwIIAQEHA0IABDd0NFCa3LuCf3Ss163wznKqKN3FO+PxXqgC
OpsHIsCdU2SplobAIJK7+e/emHiEe5DwnZC3rEGTVTggJYpY39WjgZ4wgZswHQYD
VR0OBBYEFBERSneTkJZDKt3uLzjddI870TMmMEIGCCsGAQUFBwEBBDYwNDAyBggr
BgEFBQcwAYYmaHR0cDovL29jc3Aucm9vdC1jYS50aS1kaWVuc3RlLmRlL29jc3Aw
DwYDVR0TAQH/BAUwAwEB/zAOBgNVHQ8BAf8EBAMCAQYwFQYDVR0gBA4wDDAKBggq
ghQATASBIzAKBggqhkjOPQQDAgNJADBGAiEApQ6qGHTx97IsdzgoWH9/W32yt4rk
udUis0xxGZ48YOUCIQCTQ4puol5YYIAZYk74mfid3JBOvMBV/XgPV2WpS/99yg==
-----END CERTIFICATE-----

Relativ am Anfang des Zertifikats befindet sich die OID gemäß GS-A_4357

16  10:   SEQUENCE {
18   8:     OBJECT IDENTIFIER ecdsaWithSHA256 (1 2 840 10045 4 3 2)
      :     }

Ab Offset 280 befindet sich der schon o. g. öffentlicher Schlüssel:

282  90:   SEQUENCE {
284  20:     SEQUENCE {
286   7:       OBJECT IDENTIFIER ecPublicKey (1 2 840 10045 2 1)
295   9:       OBJECT IDENTIFIER brainpoolP256r1 (1 3 36 3 3 2 8 1 1 7)
       :       }
306  66:     BIT STRING
       :       04 37 74 34 50 9A DC BB 82 7F 74 AC D7 AD F0 CE
       :       72 AA 28 DD C5 3B E3 F1 5E A8 02 3A 9B 07 22 C0
       :       9D 53 64 A9 96 86 C0 20 92 BB F9 EF DE 98 78 84
       :       7B 90 F0 9D 90 B7 AC 41 93 55 38 20 25 8A 58 DF
       :       D5
       :     }

Und am Ende des Zertifikats befindet sich die ECDSA-Signatur:

535  10:   SEQUENCE {
537   8:     OBJECT IDENTIFIER ecdsaWithSHA256 (1 2 840 10045 4 3 2)
       :     }
547  73:   BIT STRING, encapsulates {
550  70:     SEQUENCE {
552  33:       INTEGER
       :         00 A5 0E AA 18 74 F1 F7 B2 2C 77 38 28 58 7F 7F
       :         5B 7D B2 B7 8A E4 B9 D5 22 B3 4C 71 19 9E 3C 60
       :         E5
587  33:       INTEGER
       :         00 93 43 8A 6E A2 5E 58 60 80 19 62 4E F8 99 F8
       :         9D DC 90 4E BC C0 55 FD 78 0F 57 65 A9 4B FF 7D
       :         CA
       :       }
       :     }
       :   }

Wenn das oben aufgeführte Zertifikat sich in der Datei "root.pem" befindet, so kann man bspw. mittels

openssl verify -check_ss_sig root.pem

die Signatur überprüfen und erhält als Ausgabe:

root.pem: C = DE, O = gematik GmbH, OU = Zentrale Root-CA der Telematikinfrastruktur, CN = GEM.RCA3
error 18 at 0 depth lookup:self signed certificate
OK

5.3 TSL-Dienst und ECDSA-basierte TSL allgemein

Durch die ECC-Migration dürfen bereits produktiv betriebene Komponenten und Dienste in ihrer Verfügbarkeit nicht gefährdet werden. Aus diesem Grunde wird es eine zweite TSL "TSL(ECC-RSA)" geben. Diese wird mittels ECDSA (brainpoolP256r1) signiert sein und RSA- und ECDSA-basierte CA-Zertifikate enthalten. Bis zum Abschluss der ECC-Migration wird es zwei TSL in der TI geben: die seit Beginn des Online-Betriebs der TI bestehende RSA-basierte "TSL(RSA)" und die ECDSA-basierte "TSL(ECC-RSA). Die beiden TSL sind technisch unabhängig voneinander (Kontext Sequenznummern etc.). Dementsprechend wird es in Bezug auf die ECC-Migration keinen Vertrauensankerwechsel im Sinne von [ETSI_TS_102_231_v3.1.2] geben. Die Vertrauensbeziehung zwischen den beiden durch die zwei TSL beschriebenen Vertrauensräumen  wird über den klassischen Mechanismus der Cross-Zertifizierung realisiert. Die RSA-basierte X.509-TSL-Signer-CA wird ein X.509-Cross-Zertifikat "für" die ECDSA-basierte X.509-TSL-Signer-CA der TI ausstellen (vgl. ) und vice versa.

Analog zur VL der BNetzA wird es die Möglichkeit geben vom Downloadpunkt des TSL-Dienstes "TSL(ECC-RSA)" einen Hashwert der aktuellen TSL zu erhalten und damit für das Prüfen der Aktualität der lokal gespeicherten TSL nicht immer die gesamte TSL vom Downloadpunkt neu laden zu müssen (vgl.  ).

5.4 ECC-Unterstützung bei TLS

Das TLS-Protokoll unterstützt die Verwendung von RSA- und ECC-basierten Cipher-Suiten.

Als Beispiel soll sich ein Konnektor mit ECC-Unterstützung mit einem "alten" eHealth-Kartenterminal (das also nur GS-A_4359 und nicht A_17124 kennt) verbinden. Beim Verbindungsaufbau (TLS-ClientHello) gibt der TLS-Client (Konnektor) eine geordnete Liste von unterstützenden Cipher-Suiten an. Der TLS-Server (eHealth-KT) untersucht diese Liste von vorn nach hinten und wählt die erste auch von ihm unterstützte Cipher-Suite. Somit gilt:

1. Ein TLS-Client kann durch die von ihm gewählte Reihenfolge in der Liste der Cipher-Suiten angeben, welche Cipher-Suite der Client präferiert (bspw. ECC-basierte Cipher-Suiten).
2. Ein  TLS-Client und ein TLS-Server können unterschiedliche Fähigkeiten besitzen (ECC-Unterstützung Ja/Nein). Solange sie eine gemeinsame Schnittmenge besitzen (in unserem Fall RSA-basierte Cipher-Suiten), können sie miteinander eine TLS-Verbindung aufbauen.

Ein TLS-Verbindungsaufbau eines Konnektors mit und ohne ECC-Unterstützung unterscheidet sich inhaltlich nur durch 4 zusätzliche Bytes (c02bc02c, vgl.  ) von einem TLS-Verbindungsaufbau ohne ECC-Unterstützung.

Verbindet sich beispielsweise ein "alter" Konnektor im Rahmen von VSDM mit einem Intermediär mit Option "ECC-Migration", wählt der Intermediär nach GS-A_4384 eine RSA-basierte Cipher-Suite. Der Verbindungsaufbau kommt zu Stande und der Konnektor wird quasi nie erfahren, dass der Intermediär ebenfalls ECC-basierte Cipher-Suiten unterstützt. Erst wenn der Konnektor per Firmware-Upgrade sozusagen mit der Option "ECC-Migration" ausgestattet wird, muss er u. a. Spiegelstrich 3 umsetzen. Danach wird der Intermediär nach Spiegelstrich 4 die erste ECC-basierte Cipher-Suite bei einem TLS-Verbindungsaufbau auswählen.

Die meisten Software-Pakete oder TLS-zentrierten Hardware-Lösungen (TLS-Terminatoren etc.) unterstützen die (wie oft formuliert) "Honorierung" der Reihenfolge aus der Liste "cipher_suites", aber nicht alle. Deshalb und weil die Honorierung wichtig aber nicht absolut notwendig ist, wurde A_17775 als SOLL-Anforderung formuliert.

Hinweis: Im Rahmen der Zulassungstests und der CC-Evaluierung wurde dies (A_17322) stets so umgesetzt. Mit A_17322 soll dieses Vorgehen explizit auch auf Spezifikationsebene ausgesprochen und transparent gemacht werden.

5.5 ECC-Unterstützung bei IPsec

Das IKE-Protokoll [RFC-7296] wird verwendet um Schlüsselmaterial auszuhandeln für die folgende Verschlüsselung und Integritätssicherung der über IPsec geschützten IP-Pakete. Auszuhandeln bedeutet, dass ein (elliptische Kurven) Diffie-Hellman -Schlüsselaustausch durchgeführt wird. Im Gegensatz zum TLS-Protokoll Version 1.2 trägt schon die erste Protokollnachricht des Initiators (IKE_SA_INIT) einen (EC)DH-Schlüssel, evtl. aus einer kryptographischen Gruppe, die der Responder nicht unterstützt. Im Gegensatz zu TLS Version 1.3 kann dabei genau nur ein (EC)DH-Schlüssel übertragen werden, nicht eine Auswahl von Schlüsseln aus verschiedenen Gruppen. Der Initiator (Konnektor) kann im Normalfall nicht wissen, ob der Responder (VPN-Konzentrator) einen ECC-basierten DH-Schlüsselaustausch unterstützt. Der Initiator versucht es einfach und beginnt die IKE-Schlüsselaushandlung mit folgender Nachricht

Initiator                         Responder
   -------------------------------------------
   HDR, SAi1, KEi, Ni  -->

[RFC-7296]. In KEi ist der ephemere ECDH-Schlüssel auf Grundlage der Domainparameter brainpoolP256r1 enthalten. Falls der Responder diese Domainparameter (ECC-Kurve) nicht unterstützt, antwortet der Responder mit einer INVALID_KE_PAYLOAD-Nachricht, in der eine vom Responder unterstützte und präferierte kryptographische Gruppe angegeben ist [RFC-7296#Abschnitt 1.2]. Somit kommt es bei einem initialen Verbindungsaufbau zwischen einen "neuen" Konnektor und einem "alten" VPN-Zugangsdienst zu einem zusätzlichen "roundtrip", was akzeptiert wird, weil dies die Schlüsselaushandlung und damit den folgenden Verbindungsfall im Normalfall nur unwesentlich verzögert. Ein "neuer" Konnektor, der ggf. solch eine INVALID_KE_PAYLOAD-Nachricht erhält, wird dann auf die Vorgaben GS-A_4382 "zurückfallen".

Analog zum TLS-Protokoll wählt der Responder die Cipher-Suite und ein "alter" Konnektor kann nicht erkennen, dass es sich evtl. um einen "neuen" VPN-Zugangsdienst handelt.

Hinweis:

"strongSwan" unterstützt diese Algorithmen, vgl. https://wiki.strongswan.org/projects/strongswan/wiki/IKEv2CipherSuites 

5.6 ECDSA-Signaturen

5.6.1 ECDSA-Signaturen im XML-Format

Die Anforderung   gilt für allgemeine XML-Datensignaturen, also auch für Tokensignaturen etc.   fordert für die Interoperablität bei der Prüfbarkeit von Dokumentensignaturen die Verwendung des interoperablen Containerformats nach [ETSI-XAdES].

5.6.2 ECDSA-Signaturen im CMS-Format

Die Anforderung A_17207 gilt für allgemeine (nicht-XML-)Datensignaturen, also auch für Tokensignaturen etc. A_17359 fordert für die Interoperabilität bei der Prüfbarkeit von Dokumentensignaturen die Verwendung des interoperablen Containerformats nach [ETSI-CAdES].

Hinweis: Signaturen in PDF/A-Dokumenten werden mittels CMS kodiert.

5.7 ECIES

In der TI wird für die ECC-basierte Ver- und Entschlüsselung das "Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme (ECIES)" verwendet. Es ist das einzige ECC-basierte, von den Chipkarten der TI unterstützte, Verschlüsselungsverfahren. Das ECIES ist ein hybrides Verfahren basierend auf [ABR-1999]. Es besteht aus einem asymmetrischen Teil (elliptic curve diffie hellman) und einen symmetrischen Teil (Verschlüsselungsverfahren und MAC-Verfahren). Weiterhin ist eine Schlüsselableitungsfunktion für das Verfahren notwendig. In [gemSpec_COS#6.8.2.3 Asymmetrische Entschlüsselung mittels ELC] wird definiert, welche Varianten dieser drei notwendigen Verfahren eine Chipkarte der TI unterstützt (ECDH [BSI-TR-03111#4.3.1 Key Agreement Algorithm], HKDF mittels SHA-256 und einem Zähler nach X9.63 [BSI-TR-03110-3#A.2.3.2], AES-256-CBC und CMAC). Da im Normalfall immer für eine Identität, die Chipkarten-basiert ist, verschlüsselt wird, muss ein Sender genau diese Verfahren einsetzen. Ansonsten kann die Chipkarte das Chiffrat nicht entschlüsseln, auch wenn die Chipkarte den prinzipiell richtigen privaten Schlüssel in sich trägt.

Da man das gesamte Chiffrat für eine Entschlüsselung auf einmal an die Karte (innerhalb einer APDU) senden muss, kann man nur etwas weniger als 8KiB entschlüsseln (bzw. 64KiB bei extended APDUs, die jedoch nicht alle Kartenterminal unterstützen), obwohl das ECIES-Verfahren an für sich die Ver- und Entschlüsselung praktisch beliebig großer Datenmengen unterstützt. Auch wäre es aus Nutzersicht in Bezug auf die Performanz nicht akzeptabel, schon allein moderat große verschlüsselte Dokumente komplett zu einer Karte für eine Entschlüsselung zu transportieren (mehr als 18 Minuten würde dies für ein 10 MiB großes Dokument benötigen). Deswegen wird für die TI hier eine zusätzliche Metaebene eingeführt und normativ gefordert. Analog zu einer Verschlüsselung mittels RSAES-OAEP muss ein Sender einen Transportschlüssel zufällig erzeugen. Ein solcher Transportschlüssel, ist dann aus Sicht der Chipkarte der zu ver- oder entschlüsselnde Klartext. Der aus Nutzersicht eigentliche Klartext (Dokumente) wird nie an die Karte gesendet. Die Karte entschlüsselt den verschlüsselten Transportschlüssel und übergibt ihn anschließend an den Kartennutzer. Dieser kann mit dem Transportschlüssel nun das Dokument unabhängig von der Chipkarte entschlüsseln. Bei RSAES-OAEP wird der Transportschlüssel als Content-Encryption-Key (CEK) bezeichnet. Im hier vorliegenden Fall bei ECIES kann diese Bezeichnung zu Missverständnissen führen. Mittels ECIES wird über ein ECDH und folgender Schlüsselableitung ein Verschlüsselungsschlüssel erzeugt. Diesen kann man auch als CEK bezeichnen, weswegen im Folgenden immer nur vom Transportschlüssel gesprochen wird.

Da eine solche Metaebene für eine ECIES-Chiffrat-Kodierung unüblich ist (weil ohne TI-Chipkarteneinsatz unnötig), ist die Kodierung der Chiffrate mittels CMS oder XMLEnc nichttrivial und wird daher im Interesse der zu erzielenden Interoperabilität in diesem Abschnitt ausführlicher dargestellt.

Für die symmetrische Verschlüsselung der Nutzerdaten (Dokumente etc.) wird zufällig ein Transportschlüssel erzeugt. Für diesen gelten die Vorgaben aus GS-A_4389 (symmetrische Verschlüsselung) und GS-A_4368 (Schlüsselerzeugung). Der Transportschlüssel wird dann unkodiert ("is just the \"value\" of the content-encryption key" [RFC-5652#6.4]) zur Verschlüsselung an das ECIES-Verfahren übergeben. Bei der ECIES-Verschlüsselung müssen dann die Parameter so gewählt werden, dass eine Chipkarte der TI diese unterstützt, d. h. nach [gemSpec_COS#6.8.2.3 Asymmetrische Entschlüsselung mittels ELC].

Das erhaltene ECIES-Chiffrat muss dann als eine ASN.1-Struktur kodiert werden, die genau dem Aufbau entspricht, den man benötigt um eine Entschlüsselung mittels einer Chipkarte der TI durchzuführen (vgl. [gemSpec_COS#(N085.068) Spiegelstrich 7).

Abbildung 2: ASN.1-Kodierung des Chiffrats was den Transportschlüssel enthält

Beispiel:

poGOBgkrJAMDAggBAQd/SUOGQQRouC6tM2TQQ+RP3pptgdAaDF8Te7IVCkUBe2H+PJSLK4W/BXIX
kndiBwEfftd5wk4pjzCdC2j1q14/CIWcW89nhjEC7G47UAu2ZqmbIhxstkXV3UI2UUek/qwBwtb2
6aUild+5kkTZXf5674OKHSdj6IFwjggvhYt9b/CTsA==

$ dumpasn1 a.bin
  0 142: [6] {
  3   9:   OBJECT IDENTIFIER brainpoolP256r1 (1 3 36 3 3 2 8 1 1 7)
 14  67:   [APPLICATION 73] {
 17  65:     [6]
       :       04 68 B8 2E AD 33 64 D0 43 E4 4F DE 9A 6D 81 D0
       :       1A 0C 5F 13 7B B2 15 0A 45 01 7B 61 FE 3C 94 8B
       :       2B 85 BF 05 72 17 92 77 62 07 01 1F 7E D7 79 C2
       :       4E 29 8F 30 9D 0B 68 F5 AB 5E 3F 08 85 9C 5B CF
       :       67
       :     }
 84  49:   [6]
       :     02 EC 6E 3B 50 0B B6 66 A9 9B 22 1C 6C B6 45 D5
       :     DD 42 36 51 47 A4 FE AC 01 C2 D6 F6 E9 A5 22 95
       :     DF B9 92 44 D9 5D FE 7A EF 83 8A 1D 27 63 E8 81
       :     70
135   8:   [14] 2F 85 8B 7D 6F F0 93 B0
       :   }
Diese Datenstruktur soll konzeptionell so behandelt werden, wie ein RSA-OAEP-Chiffrat eines CEK. Es ist jedoch die hiermit neu definierte OID oid_ti_ecies_transport_encryption [gemSpec_OID] zu verwenden.

Ein Beispiel aus [gemSpec_SMIME-KOMLE] dient als Vorlage für die Darstellung der zu verwendenden Kodierung mittels CMS (S/MIME):

ContentInfo
.contentType: 1.2.840.113549.1.9.16.1.23 (id-ct-authEnvelopedData)
..AuthEnvelopedData
...version: 0
...recipientInfos
....RecipientInfo
.....ktri
......version: 0
......rid
.......issuerAndSerialNumber
........issuer
........[... weitere Kindelemente ...]
........SerialNumber: 123456789
.......keyEncryptionAlgorithm
........oid_ti_ecies_transport_encryption
.......encryptedKey: [ ... ASN.1-Struktur (Tupel (PO, C, T) in kartenkompatibler ASN.1-Binärverpackung) ... ]
....RecipientInfo
.....ktriversion: 0
......rid
.......issuerAndSerialNumber
........issuer
........[... weitere Kindelemente ...]
........SerialNumber: 314159265
.......keyEncryptionAlgorithm
........OID TI-ECIES-TransportEncryption
.......encryptedKey: [ ... ASN.1-Struktur (Tupel (PO, C, T) in kartenkompatibler ASN.1-Binärverpackung) ... ]
...authEncryptedContentInfo
....contentType: 1.2.840.113549.1.7.1 (id-data)
....contentEncryptionAlgorithm:
.....algorithm: 2.16.840.1.101.3.4.1.46 (id-aes256-gcm)
......parameters:
.......aes-nonce: [... IV ...]
.......aes-ICVlen: [... ICVLen ... ]
....encryptedContent: [...]
...mac: [...]
...unauthAttrs
....Attribute (id-recipientEmails)
.....attrType: komle-recipient-emails

und so weiter ...

Für die Kodierung von TI-ECIES-Chiffraten innerhalb von XML wird hiermit der neue Identifier "http://gematik.de/ecies/2019" definiert. Für die XML-Kodierung ist eine Kodierung analog der folgenden Struktur zu verwenden.

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<xenc:EncryptedData
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xmlns:xenc="http://www.w3.org/2001/04/xmlenc#"
    xmlns:ds="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#"
    xmlns:dsig11="http://www.w3.org/2009/xmldsig11#"
    xmlns:xenc11="http://www.w3.org/2009/xmlenc11#"
    Type="http://www.w3.org/2001/04/xmlenc#">
  <xenc:EncryptionMethod Algorithm="http://www.w3.org/2009/xmlenc11#aes256-gcm" />

<!-- Damit ist len(IV)=12 Byte und TagLen=16 Byte, vgl. [XMLEnc#5.2.4 AES-GCM] --> 
  <ds:KeyInfo>
    <xenc:EncryptedKey>
    <!-- Hybridschlüssel für einen Empfänger, für weitere Empfänger gäbe es jeweils ein weiteres EncryptedKey-Element -->
      <xenc:EncryptionMethod Algorithm="http://gematik.de/ecies/2019" />
      <!-- Die Version des speziellen ECIES -->
      <ds:KeyInfo> 
        <ds:X509Data>
         <ds:X509Certificate>
       <!-- Base64-kodiertes X.509-Zertifikat (DER) des Empfängers -->
         </ds:X509Certificate> 
        </ds:X509Data>
      </ds:KeyInfo>
      <xenc:CipherData>
        <xenc:CipherValue>
<!-- Base64-kodierte ASN.1-Struktur (Tupel (PO, C, T) in kartenkompatibler ASN.1-Binärverpackung) -->
        </xenc:CipherValue>
      </xenc:CipherData>
    </xenc:EncryptedKey>
  </ds:KeyInfo>   
  <xenc:CipherData>
    <xenc:CipherValue>
<!--
Base64-kodiertes symmetrisch mittels AES-256-GCM verschlüsseltes Dokument 
(IV || ciphertext || Tag) mit len(IV)=12 Byte und len(Tag)=16 Byte,
vgl. [XMLEnc#5.2.4 AES-GCM]
-->
    </xenc:CipherValue>
  </xenc:CipherData> 
</xenc:EncryptedData>

Im Interesse der Interoperabilität stellt die gematik auf Anfrage Testvektoren (Beispiel-Chiffrate mit Klartext) zur Verfügung.

5.7.1 ECIES und authentisierte Broadcast-Encryption

In [SEC1-2009#5.2] und in [RFC-5753#4] wird auf ein potentielles Problem hingewiesen, dass insbesondere bei der Verwendung eines static-static-ECDH innerhalb von ECIES auftreten kann (also Sender und Empfänger verwenden ihre Langzeit-Identität "static-static"). Verallgemeinert formuliert, handelt es sich um das Problem der authentisierten Broadcast-Verschlüsselung. Ein Sender möchte an mehrere Empfänger "gleichzeitig" den gleichen Klartext verschlüsselt senden (vgl. auch [RFC-4082#1]). Bei TI-ECIES-TransportEncryption [gemSpec_Krypt#ECIES] wird der Transportschlüssel jeweils für jeden Empfänger mittels ECIES verschlüsselt. Jeder Empfänger kennt nun diesen zwischen dem Sender und allen Empfängern geteilten Schlüssel (Transportschlüssel) und kann jetzt (aus kryptographischer Sicht) den Klartext beliebig verändern, ohne dass dies bei einer Entschlüsselung auffällt. Die "authenticated Encryption" via AES-GCM (Transportschlüssel) kann hier also nicht die von ihr evtl. angenommene Sicherheitsleistung erbringen. 

Wenn also bspw. bei KOM-LE eine Nachricht an mehrere Empfänger (eingetragen im CC-Feld) versendet werden soll, so muss an dieser Stelle zusätzlich die Authentizität der versendeten Nachricht gesichert werden. Bei KOM-LE erfolgt dies über die verpflichtende Signatur der Nachricht mit Hilfe der SMC-B (OSIG-Schlüsselmaterial). Es ist davon auszugehen, dass andere Anwendungen, die an mehrere Empfänger Nachrichten/Daten "gleichzeitig" versenden, ebenfalls zusätzliche Maßnahmen ergreifen müssen.

5.7.2 ECIES und mobKT

Ein "Mobiles Kartenterminal" [gemSpec_MobKT] ist so etwas wie ein Tablet mit zwei Chipkartenslots. Es ermöglicht einem LE außerhalb seiner Praxisräumlichkeiten (also insbesondere ohne Konnektor und stationäres eHealth-Karterterminal), auf Daten eines Versicherten auf dessen eGK zuzugreifen. Das Mobile Kartenterminal muss die dabei ausgelesenen versichertenspezifischen Daten verschlüsselt lokal im Gerät ablegen. Wenn das Mobile Kartenterminal verloren geht, sind damit diese Daten geschützt. Sie können erst mit Hilfe des gesteckten und freigeschaltenen HBA des LE wieder entschlüsselt (genutzt) werden, bspw. zur Übertragung ins Primärsystem. Für die Verschlüsselung muss nach Ende 2023 ECIES und nicht mehr RSA-OAEP verwendet werden. Es gelten dafür fachlich quasi die gleichen Vorgaben wie in A_17220, nur gibt es keine Notwendigkeit in Bezug auf die Kodierung des Chiffrats interoperabel  sein zu müssen. Denn nur das spezifische Mobile Kartenterminal selbst muss die Daten ver- und entschlüsseln können im Sinne von "die Kodierung der Chiffrate auswerten können". Deshalb gibt es nachfolgend eine Spezialisierung von A_17220 für das Mobile Kartenterminal.

Hinweis zu A_17575:
In einem HBA steht die Schnittstelle [gemSpec_COS#6.8.1.4 ELC Verschlüsselung] für die Verschlüsselung des Transportschlüssels zur Verfügung. Dass der Transportschlüssel verschlüsselt werden muss, wird nur sehr selten als Anwendungsfall vorkommen. Die Entschlüsselung - notwendiger Weise mit und durch den HBA - jedoch häufig.

5.8 ECC-Migration eHealth-KT

Mit A_17089 und A_17090 (vgl. Abschnitt 3.3.2) wird vom eHealth-Kartenterminal die Unterstützung der mit der Kartengeneration 2.1 (vgl. [gemSpec_gSMC-KT_ObjSys_G2.1]) hinzugekommenen ECDSA-basierten Identität bereitgestellt.

Hinweis: Das in A_17090 geforderte Verhalten lässt sich bei OpenSSL leicht mit SSL_get_current_cipher() umsetzen.

Ein eHealth-Kartenterminal muss beim TLS-Verbindungsaufbau, der vom Konnektor initiiert wird, dessen TLS-Client-Zertifikat prüfen. Dafür muss ein eHealth-Kartenterminal alle "CA-Zertifikate der relevanten TSP speichern" [gemSpec_KT#TIP1-A_3255]. Um diesen kritischen Punkt, jedoch noch einmal zu unterstreichen:

Konnektoren speichern die Pairinginformationen zu den mit ihnen gepairten Kartenterminals als Tupel {Kartenterminal-Zertifikat; Shared Secret}, wobei das beim Pairing vom Kartenterminal genutzte Zertifikat gespeichert wird. Wird später (bspw. durch ein Software-Update des Kartenterminals, welches die Nutzung von ECDSA Identitäten ermöglicht) ein anderes Zertifikat vom Kartenterminal beim TLS-Handshake präsentiert (also bspw. eine ECDSA Identität statt der zuvor genutzten RSA-Identität), passt dies für den Konnektor nicht zur vorhandenen Pairinginformation. Der Verbindungsaufbau scheitert somit, bis ein neues Pairing vorgenommen wird (bei dem dann das ECDSA-Zertifikat vom Kartenterminal verwendet wird). Dieses Verhalten muss vermieden werden, da dies einen massenhaften Ausfall von Kartenterminals durch ein Software-Update der Terminals hervorrufen kann. Daher darf der Konnektor nur solche Cipher-Suiten anbieten, die auch zum für das betroffene Kartenterminal gespeicherte Zertifikat passen.

5.8.1 Interoperabilität zwischen eHealth-KT und Konnektor

Zur Sicherstellung der Interoperabilität zwischen Health-KT und Konnektor werden folgende Festlegungen getroffen. Bei den folgend aufgeführten Themen hatte es bezüglich der Interoperabilität Probleme gegeben.

Hinweise zum Thema Renegotiation:

Hinweis 1: Gemäß GS-A_5525 unterstützt der Konnektor "renegotiation". Daraus folgt, dass er diese Fähigkeit in der ClientHello- Nachricht entweder durch eine "renegotiation_info" extension anzeigt, oder durch ein TLS_EMPTY_RENEGOTIATION_INFO_SCSV (siehe [RFC-5746#3.4, §1, erster Punkt]).

Hinweis 2: Gemäß [RFC-5246#7.4.1.3 letzter §] ist es einem Server nur dann erlaubt in der ServerHello-Nachricht eine "renegotiation_info" extension zu schicken, wenn die ClientHello-Nachricht Informationen zu "renegotiation" enthält. Gemäß dem vorstehenden Hinweis ist das beim TLS-Handshake zwischen Konnektor und eHealth-KT stets der Fall.

Hinweis 3: Die gematik legt nicht fest, wie sich ein eHealth-KT zu verhalten hat, wenn die ClientHello-Nachricht weder eine "renegotiation_info" extension, noch ein TLS_EMPTY_RENEGOTIATION_INFO_SCSV enthält.

Hinweis 4: Es gilt für das eHealth-KT GS-A_5524-*, womit sichergestellt ist, dass ein eHealth-KT keine unsichere TLS-Renegotiation durchführt.

5.9 ECC-Migration Konnektor

Die Verpflichtung der Implementierung bestimmter (s. u.) für die ECC-Migration notwendiger Funktionalitäten wird für den PTV5-Konnektor mit Hinblick auf die fristgerechte Umsetzung der ePA zunächst ausgesetzt: 

• Für die TLS-Schnittstellen, die bereits mit dem PTV3-Konnektor zertifiziert wurden (Schnittstellen zu Kartenterminals, Clientsystemen, Intermediär, zentralen Diensten), wird in PTV4 auf eine verpflichtende ECC-Unterstützung zunächst verzichtet.
• Ebenso wird auf die verpflichtende Umsetzung der ECC-Unterstützung an der IPsec/IKE-Schnittstelle zum VPN-Konzentrator zunächst verzichtet. 

Unverändert verpflichtend gefordert wird die ECC-Unterstützung an der Schnittstelle zum ePA-Aktensystem, bei den Karten und für KOM-LE. Insbesondere bedeutet dies, dass ein PTV5-Konnektor auch weiterhin 

• die TSL(ECC-RSA) prüfen und verwenden muss (vgl.  ), 

• die Signaturerstellung und -prüfungen auf ECDSA-Basis beherrschen muss (vgl. , , , ,   und die VAU-Protokoll und die SGD-Protokoll relevanten Operationen) und

• die Ver- und Entschlüsselung über das ECIES-Verfahren (vgl.  ,  A_17221-* und die Transport-Verschlüsselung innerhalb des SGD-Protokolls mit  )

unterstützen muss.

5.10 Verschiedene Produkttypen und ECC-Migration (informativ)

Dem VPN-Zugangsdienst sind die IPsec-Anforderungen  und   zugewiesen, ebenso A_17205. Im Rahmen der Registrierung bei einem VPN-Zugangsdienst wird vom Konnektor eine Signatur mittels einer SMC-B erzeugt. Diese muss der VPN-Zugangsdienst (Registierungsserver) prüfen können, dafür gilt für diesen A_17206.

Für die Produkttypen, die bei der Anwendung VSDM verwendet werden, ist die ECC-RSA-TSL-Auswertung   und die ECC-Unterstützung bei TLS  relevant.

Fachanwendungsspezifische Anpassungen aufgrund der ECC-Migration befinden sich in den jeweiligen Spezifikationen (bspw. ).

6 Kommunikationsprotokoll zwischen ePA-VAU und ePA-Clients

6.1 Motivation

Die Architekturentscheidung, dass auf der Verbindungsstrecke zwischen einem ePA-Frontend eines Versicherten (Client) bzw. eines FM ePA (Client) und einer VAU (Server) immer HTTP über ein Gateway als Kommunikationsprotokoll verwendet wird, hat Vorteile. Ein Nachteil ist, dass damit keine direkte TLS-Verbindung zwischen Client und Server möglich ist. Der TLS-Kanal terminiert am Gateway. Um die "letzten Meile" zwischen Gateway und VAU innerhalb des ePA-Aktensystems nicht ungeschützt zu lassen, wird das "VAU-Protokoll" eingeführt und verwendet. Es wird nicht der Weg gewählt HTTP über TLS über HTTP über TLS zu tunneln. Stattdessen wird das folgende Protokoll eingeführt als eine leichtgewichtige Sicherungsschicht zwischen einer VAU (Server) und einem ePA-Frontend eines Versicherten (Client) bzw. eines FM ePA (Client). Der Server und der Client besitzen jeweils eine kryptographische Langzeitidentität. Diese sind Grundlage für einen beidseitig authentisierten ephemeren ECDH. Aus dem gemeinsamen ECDH-Geheimnis werden mittels einer HKDF zwei AES-Schlüssel abgeleitet (vgl. A_16943-*). Per AES-GCM werden nach dem Schlüsselaustausch alle ausgetauschten Nutzerdaten kryptographisch gesichert. Es gibt einen Nachrichtenzähler der vor Replay-Attacken schützt.

Die gematik stellt eine Beispielimplementierung bereit (https://fachportal.gematik.de/service/entwicklung/ ).

6.2 Übersicht

Es gibt bei der Kommunikation, die das Protokoll steuert, zwei aktive und einen passiven Teilnehmer. Der Client initiiert die Kommunikation per HTTP-POST-Request. Der Server antwortet als HTTP-Server auf diesen Request mit einer HTTP-Response. Das Gateway leitet die Daten weiter und erscheint unsichtbar. Das Gateway erzwingt die Verwendung des HTTP-Protokolls.

Das Kommunikationsprotokoll hat als Hauptaufgabe die zwischen Client und Server (VAU) auszutauschenden Nutzerdaten vor dem Gateway in Bezug auf Vertraulichkeit, Authentizität, Integrität (inkl. Verhinderung von Replay-Attacken) zu schützen. Das Protokoll bietet (absichtlich) keinen Schutz der HTTP-Header-Informationen. Es ist bei der ePA-Architektur sichergestellt, dass eine Änderung der HTTP-Header-Informationen keine negativen Auswirkungen auf die Vertraulichkeit, Integrität und Authentizität der Nutzerdaten hat. Hinweis zum besseren Verständnis: Zwischen Gateway und Client besteht immer eine TLS-Verbindung, so dass nur das Gateway bzw. nur ein Angreifer im Aktensystem selbst die Header-Informationen ändern könnte.

Ein Designziel ist es, den Verbindungsaufbau möglichst "menschenlesbar" zu gestalten und so die Implementierung und die Fehlersuche (u. a. auch im Betrieb) zu erleichtern. So sind die meisten Nachrichten einfache, menschenlesbare JSON-Objekte. Die im Protokoll definierten Fehlermeldungen (VAUServerError-Nachricht) haben den Hauptzweck, die manuelle Fehleranalyse zu erleichtern. Das VAU-Protokoll ist relativ einfach, so dass ein Client oder ein Server bei Auftreten eines Fehlers selten etwas anderes tun kann, als die Protokollabarbeitung abzubrechen (und als Client einen neuen Protokolldurchlauf zu initiieren). Dies bedeutet: die Art der aufgetretenen Fehlernachricht ist für den Client i. d. R. irrelevant, weil die Handlungsoptionen sehr begrenzt sind. Erst bei der manuellen Fehleranalyse werden die differenzierten Fehlermeldungen hilfreich.

Viele Nachrichten und Datenfelder ähneln fachlich Bestandteilen aus dem TLS-Protokoll und werden absichtlich anders benannt, um Verwechselungen zu vermeiden.

Das Protokoll bietet die Möglichkeit, zukünftig verschiedene CipherConfiguration (im TLS-Protokoll entspricht dies den TLS-Cipher-Suiten) zu unterstützen; aktuell gibt es genau eine ("AES-256-GCM-BrainpoolP256r1-SHA-256").

Der Ablauf der Schlüsselaushandlung des VAU-Protokolls ist im folgenden Ablaufdiagramm dargestellt.

Abbildung 3: Übersicht über das VAU-Protokoll

Da die Werte des ephemeren öffentlichen ECDH-Schlüssels des jeweiligen anderen Kommunikationspartners in die eigene Signatur eingehen, können sowohl Client und Server bei der Signaturprüfung sicherstellen, dass die Schlüsselaushandlung frisch ist (vgl. [Boyd-Mathuria-2003#Abschnitt "1.5 Freshness"]). 

Aus dem gemeinsamen ECDH-Geheimnis wird ein AES-Schlüssel abgeleitet und damit die weitere Kommunikation mittels AES-GCM in Bezug auf Vertraulichkeit und Integrität geschützt. Der dabei explizit mitgelieferte Nachrichtenzähler schützt vor Replay-Attacken.

Die in den Anforderungen angegebenen Reihenfolgen von Attribute-Value-Pairs innerhalb der JSON Objekte sind als Beispiele zu verstehen und nicht in ihrer Reihenfolge normativ. Es gilt der JSON Standard [ecma-262].

6.3 VAUClientHello-Nachricht

6.4 VAUServerHello-Nachricht

6.5 Schlüsselableitung

6.6 VAUClientSigFin-Nachricht

Hinweis: Obwohl innerhalb einer der VAUServerHelloData der Wert VAUClientHelloDataHash enthalten ist und damit auch in die Berechnung von VAUServerHelloDataHash mit einfließt, wird der Wert VAUClientHelloDataHash explizit in VAUClientSigFin aufgeführt. Ziel ist es möglichst direkt Transparenz über die bestätigten Daten zu schaffen.

6.7 VAUServerFin-Nachricht

6.8 Nutzerdatentransport

6.9 VAUServerError-Nachricht

6.10 Abbrechen des Protokollablaufs

6.11 VAU-Kanal und MTOM/XOP

Nachdem die Etablierung des VAU-Kanals abgeschlossen ist, kommuniziert ein VAU-Client (bspw. ein ePA-FdV) mit der VAU bspw. um einen großen verschlüsselten Arztbrief der Akte hinzuzufügen. Dabei ist es für die Performanz (also auch für die Nutzerakzeptanz) günstig, größere Daten mittels der „SOAP Message Transmission Optimization Mechanism (MTOM)“/ „XML-binary Optimized Packaging (XOP)“-Kodierung zu transportieren. MTOM/XOP ist die nach W3C empfohlene Methode, um über HTTP/SOAP größere binäre Daten zu transportieren. Dabei werden die Binärdaten nicht Base64- innerhalb einer XML-Datenstruktur kodiert, sondern beim HTTP/SOAP-Request (bzw. bei der -Response) über eine MIME-Multipart-Kodierung innerhalb von HTTP. Dabei werden innerhalb der SOAP-Nachricht die Binärdaten über eine ID (<xop:Include href=“cid:Beispiel-ID1“/>) referenziert und innerhalb des HTTP-Request bzw. der HTTP-Response über die „Content-ID“ (vgl. das folgende Beispiel) und eine MIME-Kodierung binär kodiert. Dies führt zur Reduktion Datengröße der zu übertragenden Daten von rund 27,5%.

Beispiel:

Ohne MTOM/XOP:

POST /URL1 HTTP/1.1
Content-Type: application/soap+xml; charset=UTF-8
Content-Transfer-Encoding: binary
Content-Length: …
 
<SOAP-ENV:Envelope xmlns:SOAP-ENV="http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/">
  <SOAP-ENV:Header />
  <SOAP-ENV:Body>
    <ns1:uploadFileRequest xmlns:ns1="urn:example:Upload">
      <ns1:name>Test-Bild.png</ns1:name>
      <ns1:content> … Hier kommen in Base64 kodierte Daten … </ns1:content>
    </ns1:uploadFileRequest>
  </SOAP-ENV:Body>
</SOAP-ENV:Envelope>

Mit MTOM/XOP:

POST /URL1 HTTP/1.1
Content-Type: Multipart/Related; boundary="----=_Part_1_1234----"; type="application/xop+xml"; start="Eintrag-1"; start-info=“application/soap+xml“; charset=UTF-8
Content-Transfer-Encoding: binary
Content-Length: …
 
----=_Part_1_1234----
Content-Type: application/xop+xml; type=“application/soap+xml“; charset=“UTF-8“
Content-Transfer-Encoding: 8bit
Content-ID: Eintrag-1
 
<s11:Envelope xmlns:s11='http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/' xmlns:xmime='http://www.w3.org/2005/05/xmlmime'>
 <s11:Body>
  <m:data xmlns:m='http://example.org/stuff'>
  <m:photo xmime:contentType='image/jpeg'>
   <xop:Include xmlns:xop='http://www.w3.org/2004/08/xop/include'
        href='cid:Bild-1'/>
</m:photo>
</m:data>
 </s11:Body>
</s11:Envelope>
 
----=_Part_1_1234----
Content-Type: image/jpeg
Content-Transfer-Encoding: binary
Content-ID: Bild-1
 
… hier kommen die binären Daten …
----=_Part_1_1234----
 

Für die Dekodierung einer solchen MIME-Multipart-Kodierung ist es sehr hilfreich (und ggf. notwendig) als Empfänger den vom Sender intendierten (vollständigen) „Content-Type“ aus dem HTTP-Request-Header bzw. dem HTTP-Response-Header zu kennen. Dieser wird jedoch durch das VAU-Protokoll überschrieben (vgl. A_16945-* und A_16952-*). Um die u. a. nach [gemSpec_FM_ePA#A_16220] und [gemSpec_ePA_FdV#A_16222] geforderte Verwendung von MTOM/XOP zu unterstützen, wird der originär intendierte Content-Type, der im „start“-Feld ggf. vertrauliche Daten enthalten kann, innerhalb der „zusätzlichen HTTP-Header-Informationen“ (vgl. A_16945-* und A_16952-*) mitgeliefert.

6.12 Zusätzliche HTTP-Header-Informationen

6.13 Tracing in Nichtproduktivumgebungen

Für die Fehlersuche -- insbesondere bei IOP-Problemen zwischen Produkten verschiedener Hersteller in einer fortgeschrittenen Entwicklungsphase -- hat es sich als notwendig erwiesen, dass ein Fehlersuchender den Klartext der Kommunikation zwischen ePA-Client und VAU-Instanz mitlesen kann. Vgl. [gemSpec_Aktensystem#5.8. Tracing in Nichtproduktivumgebungen].

Hinweis-1: SHA-256("gemSpec_Krypt: privater VAUClient-ECDH-Schluessel fuer Nichtproduktivumgebungen nach A_21888-*") ist als hexdump kodiert gleich 078ece94904fc6bf9900cced4c5af4dcd4fbebc585b2054b636cc3f76333bdee

Hinweis-2:

Folgend ist der private Schlüssel aus A_21888-* als PKCS8-Container PEM-kodiert aufgeführt:

-----BEGIN PRIVATE KEY-----
MIGIAgEAMBQGByqGSM49AgEGCSskAwMCCAEBBwRtMGsCAQEEIAeOzpSQT8a/mQDM
7Uxa9NzU++vFhbIFS2Nsw/djM73uoUQDQgAEIfr+3Iuh71R3mVooqXlPhjVd8wXx
9Yr8iPh+kcZkNTongD49z2cL0wXzuSP5Fb/hGTidhpw1ZYKMib1CIjH59A==
-----END PRIVATE KEY-----

6.14 Optionale PQC-Erweiterung (informativ)

In diesem Abschnitt wird eine optionale Protokollerweiterung des VAU-Protokolls für ePA dargestellt, die sich aktuell in der gematik in der Evaluierung befindet. Kryptographisch gesehen entspricht sie dem PQC-Vorgehen bei TLS aus [TLS-CC-2021]. Mehr Information über PQC findet man in Abschnitt "".

Ein Client initiiert mit einer VAUClientHello-Nachricht den VAU-Protokoll-Handshake (Schlüsselvereinbarung). Möchte er zusätzlich zum klassischen ephemeren ECDH-Schlüsselaustausch ein PQC-Verfahren anwenden und die beiden gemeinsam mit dem VAU-Server dabei erzeugten Geheimnisse in die Schlüsselableitung für die symmetrischen Sitzungsschlüssel einfließen lassen, so führt er im Handshake einen Verfahrensidentifikator inkl. dazugehörigen öffentlichen Schlüssel eines der unten aufgeführten PQC-Verfahren mit an.

In [liboqs] sind die Referenzimplementierungen der Round-3-Kandidaten der NIST-PQC-Standardisierung [NIST-PQC] enthalten. Ebenfalls sind dort folgende Identifier definiert, die den Definitionen aus den Round-3-Kandidaten entsprechen:

Key encapsulation mechanisms (KEM):

• BIKE: BIKE-L1, BIKE-L3
• Classic McEliece: Classic-McEliece-348864, Classic-McEliece-348864f, Classic-McEliece-460896, Classic-McEliece-460896f, Classic-McEliece-6688128, Classic-McEliece-6688128f, Classic-McEliece-6960119, Classic-McEliece-6960119f, Classic-McEliece-8192128, Classic-McEliece-8192128f
• FrodoKEM: FrodoKEM-640-AES, FrodoKEM-640-SHAKE, FrodoKEM-976-AES, FrodoKEM-976-SHAKE, FrodoKEM-1344-AES, FrodoKEM-1344-SHAKE
• HQC: HQC-128, HQC-192, HQC-256
• Kyber: Kyber512, Kyber512-90s, Kyber768, Kyber768-90s, Kyber1024, Kyber1024-90s
• NTRU: NTRU-HPS-2048-509, NTRU-HPS-2048-677, NTRU-HPS-4096-821, NTRU-HPS-4096-1229, NTRU-HRSS-701, NTRU-HRSS-1373
• NTRU-Prime: ntrulpr653, ntrulpr761, ntrulpr857, ntrulpr1277, sntrup653, sntrup761, sntrup857, sntrup1277
• SABER: LightSaber-KEM, Saber-KEM, FireSaber-KEM
• SIKE: SIDH-p434, SIDH-p434-compressed, SIDH-p503, SIDH-p503-compressed, SIDH-p610, SIDH-p610-compressed, SIDH-p751, SIDH-p751-compressed, SIKE-p434, SIKE-p434-compressed, SIKE-p503, SIKE-p503-compressed, SIKE-p610, SIKE-p610-compressed, SIKE-p751, SIKE-p751-compressed

Im VAUClientHelloData führt der Client zusätzlich auf:

"PQC.PublicKey" : [ "...Verfahrensidentifikator...", "...base64-kodierter-Public-Key-des-PQC-KEM-Verfahrens..."]

"Verfahrensidentifikator" steht für einen der o. g. KEM-Identifier. In [liboqs] ist jeweils für jedes Verfahren eine "KeyGen"-Funktion definiert. Diese erzeugt zufällig ein Schlüsselpaar und gibt als Ergebnis u. a. den öffentlichen Schlüssel aus. Dieser wird so wie er aus der Referenzimplementierung kommt, per base64-Kodierung kodiert im Feld "base64-kodierter-Public-Key-des-PQC-KEM-Verfahrens" eingetragen.

Der Server akzeptiert optionale Attribute in den JSON-Nachrichten des VAU-Handshakes auf Grund von A_17074-*. Wenn er das Verfahren ebenfalls unterstützt, dann fügt er den öffentlichen Teil des Ergbnisses der Encaps(öffentlicher Schlüssel des Clients)-Funktion im VAUServerHelloData wie folgt base64-kodiert auf:

"PQC.Encaps" : "... base64-kodierter-öffentlicher-Teil-von-Encaps(öffentlicher Schlüssel des Clients) ..."

Beim Aufruf von Encaps(öffentlicher Schlüssel des Clients) wird als Ergebnis der Funktion ein öffentlicher Teil und ein geheimer Schlüssel K als Ergebnis berechnet. Der VAU-Server fügt bei der Schlüsselableitung der symmetrischen Sitzungsschlüssel (vgl. A_16943-*) neben dem gemeinsamen ECDH-Geheimnisse noch "Verfahrensidentifikator" || K als Eingabe für die HKDF hinzu (IKM= gemeinsames ECDH-Geheimnis || Verfahrensidentifikator || K). Damit hängen die abgeleiteten Sitzungsschlüssel sowohl vom ECDH-Geheimnis als auch vom geheimen Schlüssel K, also vom PQC-KEM, ab.

Bei Erhalt der VAUServerHello-Nachricht im VAU-Client, führt der VAU-Client die Funktion Decaps(s, decodierter öffentlicher Encaps-Wert) aus, wobei s der private Client-PQC-Schlüssel aus der Schlüsselpaarerzeugung für PublicKeyPQC ist (vgl. KeyGen-Funktion). Als Ergebnis erhält er K. Damit kann er genau wie der VAU-Server die Schlüsselableitung der symmetrischen Sitzungsschlüssel (vgl. A_16943-*) durchführen (IKM= gemeinsames ECDH-Geheimnis || Verfahren-ID || K). 

Sollte der Client bei Erhalt der VAUServerHello-Nachricht kein "Encaps"-Datenfeld im VAUServerHelloData-Teil vorfinden, so unterstützt der VAU-Server das Verfahren nicht. Dem VAU-Client steht es dann frei, den Verbindungsaufbau ohne PQC-Verfahren weiter durchzuführen, den Verbindungsaufbau abzubrechen oder den Verbindungsaufbau neu zu beginnen.

Wenn die Schlüsselableitung bei beiden Kommunikationspartnern erfolgreich durchgeführt werden konnte -- d. h., der VAU-Protokoll-Handshake konnte erfolgreich abgeschlossen werden, dann verläuft der Protokollablauf wie in Abschnitt 6.8ff definiert wie üblich weiter.

7 Kommunikationsprotokoll zwischen E-Rezept-VAU und E-Rezept-Clients

7.1 Übersicht (informativ)

Ähnlich wie bei der Anwendung ePA besitzt der Fachdienst E-Rezept zwei HTTP-Schnittstellen. Die dabei vom Nutzer (Client) aufgebaute TLS-Verbindung endet an einer dieser HTTPS-Schnittstellen. Die E-Rezept-VAU liegt hinter den Webschnittstellen. Um die Verbindungsstrecke zwischen HTTPS-Schnittstellen und E-Rezept-VAU zu schützen, verschlüsselt und kodiert der Client seine HTTP-Requests (als innere Requests bezeichnet) auf die im Abschnitt 7.2 definierte Weise. Diese so erzeugten HTTP-Requests (äußere Requests) sendet der Client per HTTPS an eine der Webschnittstellen des E-Rezept-Dienstes. Dabei ist für die Schnittstelle ein regelmäßig wechselndes Nutzerpseudonym im äußeren HTTP-Request sichtbar. Dieses unterstützt den Fachdienst E-Rezept bei der Lastverteilung und beim DoS-Schutz auf Applikationsebene. Von der Webschnittstelle erhält die E-Rezept-VAU die verschlüsselten Requests, entschlüsselt und verarbeitet diese. Als Antwort erzeugt die E-Rezept-VAU einen für den Client verschlüsselte HTTP-Response. Den Schlüssel dafür hat der Client für die VAU ephemer erzeugt und dieser Schlüssel ist Teil des verschlüsselten Requests. Die Webschnittstelle empfängt das Chiffrat von der VAU und gibt dieses als Antwort auf den HTTP-Request an den Client zurück.

Ablauf:

1. Der Client erfragt initial das X.509-Zertifikat der VAU (A_20160). Je nachdem, ob die X.509-Root der TI oder die TSL als Prüfbasis verwendet wird, erfolgt die Abfrage des VAU-X.509-Zertifikats spezifisch (entweder A_21216 oder A_21218). Im Zertifikat ist der öffentliche Verschlüsselungsschlüssel der E-Rezept-VAU enthalten. Dieses Zertifikat kommt aus der Komponenten-PKI der TI und ist langlebig, d. h. der Client kann dieses Zertifikat (inkl. Schlüssel) für folgende Verschlüsselungen lokal vorhalten.
2. Der Client erzeugt einen HTTP-Request mit Request-Body und Request-Header als Datenstrukturen (= innerer HTTP-Request) (A_20161).
3. Der Client verschlüsselt diesen Request mit dem Verschlüsselungsschlüssel der E-Rezept-VAU. Im Chiffrat ist ein Authentisierungstoken des Nutzers enthalten, eine zufällig gewählte Request-ID, ein vom Client ephemer erzeugter symmetrischer Antwortschlüssel und der am Anfang erzeugte HTTP-Request als Datenstrom (A_20161).
4. Der Client erzeugt einen neuen (äußeren) HTTP-Request und überträgt darin das Chiffrat an eine HTTPS-Schnittstelle des Fachdienstes E-Rezept. Dabei gibt der Client ggf. das schon aus einer vorherigen Response des Fachdienstes E-Rezept mitgeteilte Nutzerpseudonym (A_20161) mit.
5. Die Webschnittstelle nimmt den Request entgegen und trifft eine Routing-Entscheidung oder eine Priorisierungsentscheidung im Lastfall. Anschließend leitet sie den Request an die VAU weiter (A_20162).
6. Die VAU entschlüsselt den Request und verarbeitet ihn. Die Antwort wird inkl. der Request-ID mit dem vom Nutzer erzeugten Antwortschlüssel verschlüsselt und an die Webschnittstelle gesendet.
7. Die Webschnittstelle antwortet gegenüber dem Client mit diesem Chiffrat auf den HTTP-Request.
8. Der Client entschlüsselt das Chiffrat und prüft die Request-ID in der entschlüsselten Antwort.

Das Protokoll ist statuslos. Zwischen verschiedenen VAU-Instanzen (bspw. VAU-Instanzen in unterschiedlichen Brandabschnitten eines Rechenzentrum) müssen keine Session-Schlüssel oder ähnliches synchronisiert werden.

Die Struktur der inneren HTTP-Request ist so einfach, dass davon auszugehen ist, dass in der VAU-Instanz keine umfangreichen Webserver oder HTTP-Bibliotheken notwendig sind. Ziel der E-Rezept-VAU ist es die Code-Komplexität (Trusted Computing Base, TCB) so weit es nur irgendwie geht minimal zu halten.

Abbildung 4: Sicherungsschichten beim Datentransport zwischen E-Rezept-Client und E-Rezept-VAU

Die gematik stellt eine Beispielimplementierung bereit.

7.2 Definition

7.2.1 E-Rezept-VAU-Identität

Hinweis: Unter "/VAUCertificateOCSPResponse" erhält ein Client (einfacher GET-Request) eine korrekte OCSP-Response für das VAU-Zertifikat (A_20160-*, Punkt 1). Dies ist analog wie OCSP-Stapling bei TLS zu sehen, nur auf einer höheren OSI-Schicht. Der FD stellt korrekte OCSP-Responses zur Verfügung damit nicht jeder Client selbst den OCSP-Responder fragen muss. Diese Funktionalität hat nichts mit der OCSP-Proxy-Funktionalität zu tun wie sie bspw. beim Zugangsgateway des Versicherten bei ePA angeboten wird. Der FD fragt bspw. stündlich selbst den OCSP-Status für sein VAU-Zertifikat ab, prüft die Antwort und stellt sie unter "/VAUCertificateOCSPResponse" Clients zur Verfügung.

Hinweis: A_20967 beschreibt ein analoges Vorgehen wie es bei den SGD(1,2) üblich ist. Der Betreiber des FD besitzt für bestimmte Rollenauthentisierungen für die HSM Authentisierungschipkarten inkl. PIN, die gematik ebenfalls. Nur bei gleichzeitiger Authentisierung beider Beteiligter erlauben die HSM bestimmte Aktionen/Funktionalitäten.

7.2.2 Client-seitige Prüfung der E-Rezept-VAU-Identität

Bevor ein E-Rezept-Client die E-Rezept-VAU-Identität für die Verschlüsselung seiner Request (vgl.  ) verwendet muss der Client deren X.509-Zertifikat prüfen ([gemSpec_eRp_FdV#A_19739], [gemILF_PS_eRP#A_20769]).

Ein E-Rezept-Client auf einen Praxisverwaltungssystem (PVS) oder einen Apothekenverwaltungssystem (AVS) muss die TSL als Prüfbasis für solch eine Prüfung verwenden [gemILF_PS_eRP#A_20764].
Da ein E-Rezept-FdV nur zwei TI-Zertifikate prüfen muss, wird im FdV die technisch deutlich einfachere Zertifikatsprüfung auf Basis der TI-X.509-Root verwendet [gemSpec_eRp_FdV#A_20032-*], und nicht die Prüfung über die TSL wie im Client eines PVS oder AVS [gemILF_PS_eRP#A_20764]. Beide Prüfwege sind sicherheitstechnisch äquivalent.

Der E-Rezept-FD muss für die Zertifikatsprüfung im E-Rezept-FdV eine (außer für die Verfügbarkeit) sicherheitsunkritische Unterstützungsleistung erbringen und dafür folgend benannte Zertifikate zum Download anbieten. 
Zunächst erfolgen mit Tab_KRYPT_ERP_Zertifikatsliste und Tab_KRYPT_ERP_Algorithmus_FD_Zertifikatsliste_erstellen zwei Hilfsdefinitionen.

Tabelle 17: Tab_KRYPT_ERP_Zertifikatsliste Definition Datenstruktur Zertifikatsliste

Tabelle 18: Tab_KRYPT_ERP_Algorithmus_FD_Zertifikatsliste_erstellen

Hinweis: zum produktiven Start des E-Rezept-FD enthält das Array "ee_certs" drei Elemente (Zertifikat des VAU-Protokolls, Signaturzertifikat des Discovery-Dokumentes, Signaturzertifikat des ID_Token), das Array "ca_certs" ein Element und das Array "add_roots" null Elemente.

Tabelle 19: Tab_KRYPT_ERP_FdV_Truststore_aktualisieren

Tabelle 20: Tab_KRYPT_ERP_OCSP_Liste Definition Datenstruktur OCSPList

7.2.3 E-Rezept-VAU-Request und -Response

Tabelle 21: Tab_KRYPT_ERP Kodierung des Chiffrats aus A_20161-*

Hinweise zu A_20161-*:

1. Beispiel für eine hexadezimalkodierte Request-ID nach A_20161 (2): "32b6594cc29bb54a14cb2a8e09558817"
2. Beispiel für einen 128-Bit-AES-Schlüssel nach A_20161 (3): "a576daad8096fc52987250a8e7eb9bd3"
3. Aus kryptographischer Sicht könnte ein Client den Antwort-AES-Schlüssel (A_20161 Punkt (3)) auch für weitere Requests verwenden. Dies würde jedoch erzwingen, dass es im Client eine komplexere Überwachung des Lebenslaufs des Schlüssels gibt (Wann wurde er erzeugt,  d. h. wann muss er gewechselt werden etc.). Um dies zu verhindern und die Implementierung im Client einfacher zu halten, gibt es A_20161 Punkt (4).

Beispielverschlüsselung (Testvektor):

Der Langzeit-VAU-Schlüssel nach A_20160-* sei folgender:
x=0x8634212830dad457ca05305e6687134166b9c21a65ffebf555f4e75dfb048888 
y=0x66e4b6843624cbda43c97ea89968bc41fd53576f82c03efa7d601b9facac2b29

Die zu Verschlüsselnde Nachricht sei "Hallo Test" (10 Zeichen).

Der Client erzeugt zufällig den privaten ECC-Schlüssel d=5bbba34d47502bd588ed680dfa2309ca375eb7a35ddbbd67cc7f8b6b687a1c1d

Damit ist dessen öffentlicher ephemerer ECDH-Schlüssel:
x=0x754e548941e5cd073fed6d734578a484be9f0bbfa1b6fa3168ed7ffb22878f0f 
y=0x9aef9bbd932a020d8828367bd080a3e72b36c41ee40c87253f9b1b0beb8371bf 

Nach ECDH ergibt sich damit folgendes gemeinsames Geheimnis:
9656c2b4b3da81d0385f6a1ee60e93b91828fd90231c923d53ce7bbbcd58ceaa

Nach Schlüsselableitung (info="ecies-vau-transport") erhält der Client folgende CEK:
23977ba552a21363916af9b5147c83d4

Der Client erzeugt zufällig einen 12 Byte großen IV:
257db4604af8ae0dfced37ce

Die AES/GCM-Chiffre berechet aus der Nachricht, dem CEK und dem IV folgendes Chiffrat:

86c2b491c7a8309e750b und folgenden 16 Byte großen Authentication Tag 4e6e307219863938c204dfe85502ee0a

Das Gesamt-Chiffrat vollständig kodiert ist damit (ohne Leerzeichen, als Hexdump)

01 754e548941e5cd073fed6d734578a484be9f0bbfa1b6fa3168ed7ffb22878f0f 9aef9bbd932a020d8828367bd080a3e72b36c41ee40c87253f9b1b0beb8371bf 257db4604af8ae0dfced37ce 86c2b491c7a8309e750b 4e6e307219863938c204dfe85502ee0a

In der Webschnittstelle muss ein CMAC-Schlüssel für die Bildung der Nutzerpseudonyme vorliegen (A_20162-*). Dieser Schlüssel wird regelmäßig gewechselt (A_20162-*) und er kann in der Webschnittstelle als normales Datenobjekt (also nicht innerhalb des HSMs) vorliegen (Schutzbedarf bezüglich Vertraulichkeit: mittel).

Beispiele für mögliche Pfade die nach A_20162 von einem Client erzeugt werden könnten:

/VAU/0
/VAU/0/Task/create
/VAU/270810c79748768a9b0aefbf52c8d72be7ad5e0d2d328d9bb70dbf58623fc7ae

Der Fachdienst E-Rezept besitzt eine REST-Schnittstelle, d. h. Fehler werden mittels HTTP-Status/Fehler-Codes signalisiert. Die in der folgenden Tabelle (Tab_KRYPT_VAUERR) aufgeführten Fehler kann ein E-Rezept-Client in Bezug auf die in diesem Abschnitt definierte kryptographische Sicherung zwischen Client und VAU treffen.

Tabelle 22: Tab_KRYPT_VAUERR Auftretende Fehler bei auf Anwendungsschicht kryptographisch gesicherten VAU-Kommunikation (E-Rezept)

7.2.4 Zufallsquelle für Clients

Zur Auffrischung des Entropie-Pools des Clients kann der Client von verschiedenen Diensten der TI Zufall ausreichender Güte (vgl. GS-A_4367) beziehen. Der FD-E-Rezept ist dafür eine Quelle von mehreren. Ein Client muss verschiedene unabhängige Quellen abfragen und die Zufallsdaten kryptographisch geeignet (bspw. über den Fortuna-PRNG-Algorithmus) zusammenführen.

Um die Anforderung umzusetzen ist es im Normalfall ausreichend /dev/urandom als Zufallsquelle auf einen Linux-Server zu verwenden.

8 Post-Quanten-Kryptographie (informativ)

Wie in [BSI-PQC-2020] dargestellt, erscheint es mit Blick auf dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik als sehr unwahrscheinlich, dass aktuell Quanten-Computer in ausreichender Leistungsstärke verfügbar sind, die der asymmetrischen Kryptographie -- so wie sie aktuell in der TI eingesetzt wird -- gefährlich werden könnten.

Dies bedeutet, dass insbesondere Authentisierungsvorgänge, die im "Jetzt" mit klassischen asymmetrischen kryptographischen Verfahren mit ausreichend großen Schlüssellängen durchgeführt werden (vgl. [SOG-IS-2020] und [BSI-TR-03116-1]), nicht in Frage stehen.

Schwieriger wird es mit der Verschlüsselung mit klassischen asymmetrischen Verfahren bei denen Chiffrate erzeugt werden, die ein Angreifer sammeln kann, und durch deren Entschlüsselung zu einer Zeit in der Zukunft, bei der solche Quanten-Computer verfügbar sind, dann Schaden entstehen kann.

Dort erscheint es ratsam auf hybride Lösungen zu migriren. D. h., etablierte kryptographische asymmetrische Verfahren und post-quantum-sichere asymmetrische kryptographische Verfahren werden in einer Weise kombiniert, dass wenn genau nur eines der beiden Verfahren gebrochen wird, die Sicherheit (Vertraulichkeit und Integrität) der verschlüsselten Daten nicht gefährdet ist.

Aktuell gibt es diesbezüglich verschiedene Forschungsaktivitäten und Vorschläge für eine entsprechende hybride Protokoll-Erweiterungen von kryptographischen Protokollen wie TLS, IKE oder SSH [TLS-CC-2021], [ENISA-PQC-2021#6.1]. Die gematik beobachtet intensiv die laufenden Forschungs- und Evaluierungsaktivitäten [NIST-PQC] die voraussichtlich 2022/23 einen geeigneten Stand erreichen werden. Bei TI-spezifischen Protokollen (VAU-Protokoll, SGD-Protokoll) evaluiert die gematik aktuell PQC-Protokollerweiterungen die kryptographisch denen bei TLS [TLS-CC-2021] entsprechen (vgl. Abschnitt "").

9 Erläuterungen (informativ)

9.1 Prüfung auf angreifbare (schwache) Schlüssel

Im Folgerelease wird es in diesem Abschnitt Hinweise für die Anforderungen aus Abschnitt 2.4.1 geben.

9.2 RSA-Schlüssel in X.509-Zertifikaten

In anderen, nicht-TI Public-Key-Infrastrukturen werden öffentliche Schlüssel bei einer Zertifikatsantragsstellung immer mittels ihrem korrespondieren privaten Schlüssel signiert (vgl. Certificate Signing Request [RFC-2986], proof of posession). Dort kann der TSP sich nach einer erfolgreichen Signaturprüfung sicher sein, dass er aus Kodierungssicht den "richtigen" Schlüssel in den Händen hält, weil ansonsten die Signaturprüfung mit praktischer Sicherheit fehlschlägt. Missverständnisse aufgrund von "falscher" Byte-Order oder verschiedener Kodierung sind somit praktisch (Falsch-Positiv-Rate < 2^-100) ausgeschlossen. In der PKI der TI werden mehr als 95 % aller Zertifikatserstellungen ohne eine Signatur mittels der jeweiligen privaten Schlüssel durchgeführt. Ein TSP der TI kann damit bei RSA-Schlüsseln – aus den Schlüsselwerten an sich – im Regelfall nicht sicher erkennen, ob eine Fehlkodierung (Missverständnis zwischen Zertifikatsantragssteller und TSP) aufgetreten ist. Es gibt effiziente Möglichkeiten solche Fehlkodierungen zu erkennen. Den Einsatz solcher Möglichkeiten möchte die gematik befördern und gibt mit   und zwei Verfahren als KANN-Anforderungen an. 

Die Untersuchungen aus [MK-2016] und [ROCA-2017] zeigen, dass es hilfreich ist sich mit den konkreten Werten der RSA-Schlüssel zu beschäftigen. Die folgenden Verfahren nutzen Struktureigenschaften von RSA-Schlüsseln, die nicht-RSA-Schlüssel im Normalfall nicht vorweisen. 

keine kleinen Primteiler:

Der Modulus eines RSA-Schlüssels muss aus genau zwei (oder wenigen [RFC-8017]) "großen" Primfaktoren bestehen. Falls der vom TSP angetroffene Wert durch eine vom TSP vorgegebene Primzahl teilbar ist, so ist der RSA-Schlüssel ungeeignet. Falls dieser Primteiler deutlich kleiner als 2^1023 ist, so kann es sich nicht um einen korrekten RSA-Schlüssel handeln.

Wird ein Modulus unabsichtlich von einem Sender falsch kodiert, so ist der dadurch entstehende Wert statistisch über alle möglichen Fehlkodierungen betrachtet im Normalfall mit der Wahrscheinlichkeit von 1/2 durch zwei teilbar, mit der Wahrscheinlichkeit von 1/3 durch 3 teilbar, mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/5 durch 5 teilbar usw. Falls man nun den Modulus durch die ersten Primzahlen kleiner als 100 (25 Primzahlen) versucht zu teilen (was effizient möglich ist) und eine Teilbarkeit ausschließen kann, so kann man eine unabsichtliche Fehlkodierung mit einer hohen Wahrscheinlichkeit erkennen.

In der gematik wurden mehr als eine Billion (10^12) RSA-Schlüssel zufällig erzeugt und verschiedene Fehlkodierungen dieser Schlüssel auf Primteiler kleiner 100 untersucht. Es wurden dabei folgende Erkennungsraten festgestellt.

Man muss davon ausgehen, dass die entsprechende Fehlkodierung nicht nur bei einem einzigen RSA-Schlüssel, sondern bei allen RSA-Schlüsseln eines Personalisierungsauftrags auftritt. Somit nähert sich die Erkennungsrate exponentiell 100 % an. Beispiel: bei einer Erkennungsrate von 75 % für eine bestimmte Art der Fehlkodierung (vgl. Tabelle) erhält man bei 1000 RSA-Schlüsseln in Gesamtheit eine Erkennungsrate von mehr als 1-1,15*10^-125, also nahe 1.

öffentlicher Exponent ist prim:

Sei e der öffentliche Exponent und n der Modulus eines RSA-Schlüssels. Bei der Wahl von e ist es notwendig, dass dieser relativ prim zu phi(n) ist. Um die Schlüsselerzeugung zu vereinfachen (und zu beschleunigen), wählen jedoch faktisch alle kryptographischen Softwarebibliotheken, Chipkarten und HSMs e prim. Wenn also dem TSP ein e vorliegt, das nicht prim ist, so kann er davon ausgehen, dass ein Fehler vorliegt.

Diese Überlegungen führen zu den Tests in  . Diese Tests haben eine Falsch-Positiv-Rate von 0 und benötigen weniger als 7 Mikrosekunden pro RSA-Schlüssel.

Entropie der Schlüsselkodierung:

Der Modulus eines RSA-Schlüssels muss aus genau zwei (oder wenigen [RFC-8017]) "großen" zufällig gewählten Primfaktoren bestehen. Diese zufällige Wahl hat zur Folge, dass die Entropie der kodierten Schlüsselwerte eine hohe Entropie im Sinne von notwendigen Bits pro Byte besitzt. Eine Fehlkodierung wird evtl. weniger Entropie (Bits pro Byte) besitzen, weil sie, wie die base64-Kodierung, bestimmte Bits immer auf 0 setzt. In [NIST-SP-800-22] werden verschiedene Tests spezifiziert, um die "Zufälligkeit" einer Zeichenfolge zu bestimmen. Diese Tests zielen auf größere Datengrößen (Längen der Zeichenfolge) ab und sind nur teilweise dafür geeignet die Kodierung von 256 Byte langen RSA-Moduli zu bewerten. Anstatt diese Tests als Basis zu verwenden, wird im Folgenden die klassische Berechnung der Shannon-Entropie vieler RSA-Moduli in unterschiedlichen Kodierungsformen betrachtet. Von einer Zeichenkette X wird mittels 

die Entropie im Sinne von notwendigen Bits pro Byte des kodierten Schlüsselwertes berechnet. Dabei ist X die Kodierung (Bytefolge) des Schlüssels und p_i die relative Häufigkeit von Byte i (wobei nach Konvention in dem Kontext gilt: log(0)=0).

Unter https://rosettacode.org/wiki/Entropy findet man Implementierung dieser Entropie-Berechnungsfunktion in 78 Programmiersprachen. 

Die gematik verwendet folgende C-Implementierung:

double entropy(char *S, int len) {
        int table[256]={0};
        int i;
        double H=0;

        for(i=0; i<len; i++) {
            table[(unsigned char)S[i]]++;
        }
        for(i=0; i<256; i++) {
            if (table[i]>0) {
                H-= (double) table[i]/len*log2( (double) table[i]/len);
            }
        }
        return H;
}

In der gematik wurden mehr als eine Billion (10^12) RSA-Schlüssel zufällig erzeugt und verschiedene Fehlkodierungen auf ihre Entropie (notwendigen Bits pro Byte in der Kodierung) untersucht.

Ein Histogramm eines Beispiel-Testlaufs mit mehr als eine Billion (10^12) RSA-Schlüsseln:

Es wurde kein Schlüssel gefunden, dessen korrekte Kodierung eine Entropie kleiner als 6,7295 besitzt.

Ein Histogramm eines Beispiel-Testlaufs mit mehr 10 Milliarden (1*10^10) Schlüsseln (diese wurden jeweils in unterschiedlichen Kodierungsvarianten kodiert und danach wurde die entropy()-Funktion auf die Kodierung angewendet):

Diese Überlegungen bezüglich der Entropie der RSA-Schlüsselkodierung führen zu dem Test in . Dieser Test hat eine Falsch-Positiv-Rate von weniger als 2^-40 und benötigen weniger als 7 Mikrosekunden pro RSA-Schlüssel. 

10 Anhang – Verzeichnisse

10.1 Abkürzungen

10.2 Glossar

Das Glossar wird als eigenständiges Dokument, vgl. [gemGlossar] zur Verfügung gestellt.

10.3 Abbildungsverzeichnis

10.4 Tabellenverzeichnis

10.5 Referenzierte Dokumente

10.5.1 Dokumente der gematik

Die nachfolgende Tabelle enthält die Bezeichnung der in dem vorliegenden Dokument referenzierten Dokumente der gematik zur Telematikinfrastruktur. Der mit der vorliegenden Version korrelierende Entwicklungsstand dieser Konzepte und Spezifikationen wird pro Release in einer Dokumentenlandkarte definiert; Version und Stand der referenzierten Dokumente sind daher in der nachfolgenden Tabelle nicht aufgeführt. Deren zu diesem Dokument jeweils gültige Versionsnummer entnehmen Sie der aktuellen, von der gematik veröffentlichten Dokumentenlandkarte, in der die vorliegende Version aufgeführt wird.

10.5.2 Weitere Dokumente