Elektronische Gesundheitskarte und Telematikinfrastruktur

Übergreifende Spezifikation

Verwendung kryptographischer Algorithmen in der
Telematikinfrastruktur

    

     

      
Version
      
2.36.0
     
     

      
Revision
      
1021980
     
     

      
Stand
      
12.07.2024
     
     

      
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.

In Bezug auf die Formulierung der Ende-Daten der Zulässigkeit eines kryptographischen Verfahrens wird die Konvention aus der TR-02102- und der TR-03116-Familie verwendet, d. h., eine Aussage „Algorithmus X ist geeignet bis Ende 2029+“  bedeutet generell nicht, dass Algorithmus X nach Ende 2029 nicht mehr geeignet ist, sondern lediglich, dass über die Eignung nach Ende 2029 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. Sollte bei den Angaben zum Ende der zeitlichen Zulässigkeit kein "+" aufgeführt sein (bspw. "Ende 2025") , so bedeutet dies, dass eine Verlängerung der Zulässigkeit über den aufgeführten Zeitpunkt hinaus nicht geplant ist. 

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.

Erläuterung: Analog zu A_15590 für die TSP der TI gilt, dass die Unterbindung der Verwendung von RSA mit Schlüssellängen unter 3000 Bit durch die gematik erfolgt durch die Herausnahme der entsprechenden RSA-basierten Sub-CA-Zertifikate aus der TSL zum Zeitpunkt des Ablaufens der Zulässigkeit (gemäß TIP1-A_2062).

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. 

Verständnishinweis:

Die Chipkarten der TI verwenden für ihre ECC-EE-Schlüssel alle die Kurvenparameter brainpoolP256r1. Dies ist in den Objektsystem-Spezifikationen (und damit auch den Objektsystemen) der Chipkarten fixiert. Die CA-en, die EE-Zertifikate für diese Chipkarten bestätigen, müssen nach A_23139-* ebenfalls ein ECC-Schlüsselpaar auf Basis von brainpoolP256r1 verwenden.

Die Komponenten-PKI der TI besitzt mehrere CA-Zertifikate. Es gibt mindestens ein CA-Zertifikat, das für die Prüfung der ECC-EE-Zertifikate von SMC-K, SMC-KT und der meisten Fachdienste verwendet wird. Dieses CA-Zertifikat verwendet ebenfalls als öffentlichen Prüfschlüssel ein Schlüssel auf brainpoolP256r1-Basis (A_23139-*).

Für bestimmte Fachdienste, die zukünftig direkt von einen Primärsystem per TLS erreichbar sein sollen, sollen TLS-Zertifikate in der Komponenten-PKI der TI erzeugt werden können, die anstatt brainpool-Kurvenpunkte (brainpoolP256r1) NIST-Kurvenpunkte (P-256) als öffentliche Schlüssel enthalten. Grund dafür ist die deutlich bessere Unterstützung der NIST-Kurvenparameter durch verschiedene Standard-Kryptographie-Softwarebibliotheken.

Es gibt in der Komponenten-PKI mindestens ein CA-Zertifikat, dessen öffentlicher ECC-Schlüssel NIST-kurvenbasiert ist. Falls ein Fachdienst einen CSR mit einen NIST-Kurvenpunkt als öffentlichen Schlüssel einreicht bei der Komponenten-PKI, dann wird dieser unter der CA bestätigt, die NIST-kurvenbasiert ist.

In der Regel werden X.509-Root-CA-Zertifikate (RCA7 etc.) NIST-kurvenbasiert sein. Damit kann ein PVS mit einer Kryptographie-Softwarebibliothek ohne brainpool-Kurvenunterstützung mit solch einem Root-CA-Zertifikat die komplette Zertifikatskette bis zum Fachdienst prüfen.

Für die X.509-Root-CA gilt A_23139-* absichtlich nicht.

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.

Erläuterung zu A_23900:

Die Einzigartigkeit der öffentlichen EE-Schlüssel ist nach A_23900 nur TSP-intern sicherzustellen, es wird also nicht verlangt, dass die Schlüsselspeicher i. S. v. A_23900 über alle TSP ausgetauscht oder synchronisiert werden. A_23900 stellt eine Detaillierung von [gemRL_TSL_SP_CP#GS-A_4906] dar.

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 A_17294  auch für TI-TSPs. Die gematik stellt auf Anfrage eine Beispielimplementierung für die Tests des Mindestumfangs bereit. 

Unter https://security.googleblog.com/2022/08/announcing-open-sourcing-of-paranoids.html ist eine Vielzahl von Schlüsseltests als OpenSource verfügbar.

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 A_17092 befinden sich in Abschnitt 9.2 RSA-Schlüssel in X.509-Zertifikaten. 

Erläuterungen zu A_17093  befinden sich in Abschnitt 9.2 RSA-Schlüssel in X.509-Zertifikaten.

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 2029+ (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

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.

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

Analog zu IKE/IPsec und GS-A_4382-* (Spiegelstrich 5) wird deshalb folgend mit A_21275-* eine Verwendung von SHA-1 bei der Signaturerstellung und -prüfung im Kontext des TLS-Handshakes untersagt.

Umsetzungshinweise 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].

Erläuterung zu GS-A_4384-*:

In einigen Konstellationen (ePA-FdV auf iOS-Geräten) ist die Verwendung von brainpool-Kurven nur schwer möglich. Dort bedeutet die SOLL-Bestimmung aus GS-A_4384-*, dass es zulässig ist auf die brainpool-Kurven-Unterstützung dort zu verzichten. 

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

Analog P-384 [FIPS186-5]:

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. GS-A_4384-* und A_17124-*) 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] 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.

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.

Gleiches gilt für die Verwendung von TLS für die Anbindung von Leistungserbringernetzen an das TI-Gateway, da bei dieser VPN-Anbindung Client und Server Teil des selben Produkttyps sind (TI-Gateway Zugangsmodul).

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 "3.15.3 ePA-spezifische TLS-Vorgaben " gibt es weitere TLS-Vorgaben.

3.3.3 DNSSEC-Kontext

Hinweis: Die Verwendung von DNSSEC innerhalb der TI wird seit 2018 nicht mehr in den TI-Spezifikationen vorgeschrieben. DNSSEC wird in der TI von den meisten Komponenten und Fachdiensten nicht mehr verwendet. Die Unterstützung von DNSSEC in den DNS-Servern der TI wird nur noch für Legacy-Anwendungen weiterbetrieben. In der TI sind fast alle Kommunikationen über TLS und damit über die PKI der TI abgesichert.

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 und Schlüsselbestätigung .

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_4357-02) 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.

3.15 ePA-spezifische Vorgaben

3.15.1 Verbindung zur VAU

Der Begriff "vertrauenswürdige Ausführungsumgebung" (VAU) wird in [gemSpec_Aktensystem_ePAfueralle] eingeführt. Jeder ePA-Client 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_15874-*) in [gemSpec_ePA_FdV] muss dabei die TSL der TI Prüfungsgrundlage sein [gemSpec_ePA_FdV].

Hinweis: Das AUT-Zertifikat hat die VAU auch schon bei ePA 1.x und 2.x verwendet.

3.15.2 ePA-Aktensysteminterne Schlüssel

Erläuterung: Ziel von A_15751 und A_16176-01 ist es, den Umstellungsbedarf im Rahmen der ECC-Migration der TI und ihrer Anwendungen in der Phase 2 zu minimieren.

Hinweis: Die betreiberspezifischen Schlüssel (BS) dürfen gemäß A_15745-* ausschließlich der VAU des ePA-Aktensystems zugänglich sein. Daher muss die Umschlüsselung in der VAU stattfinden. Mehr Information zum Thema Umschlüsselung und Überschlüsselung findet man in [gemSpec_Aktensystem_ePAfuerAlle#3.6. Umschlüsselung und Überschlüsselung]. 

Hinweis zu A_26250-*:

Die CMAC-Schlüssel in VAU-Token-Modul, Befugnisverifikations-VAU o. Ä. werden verwendet um das Ergebnis von bestimmten rechenintensiven Prüfungen (VAU-Attestierung und HSM-ID-Token, Signatur-/Zertifikatsprüfungen, Prüfung von ID-Token etc.) für eine beschränkte Zeit im Aktensystem sicherheitstechnisch geeignet zu "cachen". Um einen Schlüsselwechsel (A_26250-* Punkt 4) zu erleichtern, ist es empfehlenswert den erstellen CMAC-Werten entsprechende Metadaten (Label des verwendeten CMAC-Schlüssels) beizufügen.

3.15.3 ePA-spezifische TLS-Vorgaben

Erläuterung:

Ziel ist es die Interoperabilität zwischen Standard-TLS-Bibliotheken/Security-Providern auf den Primärsystemen und der TLS-Implementierung/Konfiguration ePA-Aktensystem im Kontext des TLS-Verbindungsaufbaus mit dem ePA-Aktensystem sicherzustellen. Es wird mit A_26025-* gefordert, dass die Kurvenparameter P-256 für die TLS-Server-Schlüssel der ePA-Aktensysteme verwendet werden.

Ein Aktensystem-Betreiber erzeugt wie üblich die CSR für die TLS-Zertifikat des vom ihm betriebenen Aktensystems -- nun mit den ECC-Schlüsseln auf Basis von P-256 -- und übergibt diese per TMS an die Komponenten-PKI zur Zertifikatserstellung. Die Komponenten-PKI prüft den CSR und wählt automatisch eine Komponenten-CA, die auf P-256 basiert, als bestätigende Instanz (vgl. auch A_23139-*).

Erläuterung:

Die Erfahrungen in der PU haben in den letzten Jahren gezeigt, dass ohne dedizierte Maßnahmen wie OCSP-Stapling und Client-seitiges OCSP-Response-Caching eine zu hohe Last an den OCSP-Respondern der Komponenten-PKI erzeugt wird.

3.15.4 Zugriffscode-Erzeugung

Im Rahmen des Anwendungsfalls "Befugnis für einen EU-Zugriff erstellen" [gemSpec_ePA_FdV#Befugnisverwaltung EU-Zugriff] werden Zugriffscodes (6 stellige maximal eine Stunde gültige Einmalpasswörter) erzeugt. Die Symbolmenge ist {a..z, A..Z, 0..9} also 62 mögliche Zeichen. Damit ist der Kardinalität der Menge aller möglichen Einmalpasswörter 62^6 = 56.800.235.584.

Implementierungshinweis zu A_26301-*

Ein häufig auftretendes Problem bei der zufälligen Auswahl von Elementen aus einer Menge ist, dass die Kardinalität der Auswahlmenge meist keine Zweierpotenz ist und die Zufallsgeneratoren immer nur Bitströme als Ausgabe erzeugen (also anders formuliert Zahlen zwischen 0 und einer Zweierpotenz). Meist geht man mit diesem Problem um indem man ein sogenanntes Sample&Reject-Verfahren verwendet. Man berechnet zu der Kardinalität der Auswahlmenge die nächst größere Zweierpotenz. Davon berechnet man den Logarithmus zur Basis 2.

Beispiel:

$ python
Python 3.9.16 (main, Mar  8 2023, 22:47:22)
>>> 26*2+10
62
>>> 62**6
56800235584
>>> import math
>>> math.ceil(math.log2(62))
6

Für eine zufällige Auswahl eines Symbols entnimmt man der Zufallsquelle die entsprechende Anzahl der Bit aus der Zufallsquelle -- hier also 6 Bits. Damit erhält man eine Zufallszahl zwischen 0 und 63. Man tut dies (sampling) solange bis man eine Zahl zwischen 0 und 61 erhält, falls man 62 oder 63 erhält verwirft man diese (reject). Die Laufzeit der Auswahl wird damit nichtdeterministisch, was im Kontext Zugriffscode-Erzeugung unproblematisch ist, und man stellt mit diesem Vorgehen sicher, dass es eine keine statistischen Schiefen bei der zufälligen Auswahl gibt.

3.16 E-Rezept-spezifische Vorgaben

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

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 6 VAU-Protokoll für E-Rezept 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 Gesamtgröße 15 MiB überschreitet, 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 A_19644 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.

3.18 HMAC-Sicherung der Prüfziffer VSDM

Hinweis: es gelten die Anforderungen aus Abschnitt "2.2 Zufallszahlengeneratoren" (Güte der Zufallsquellen) auch für die VSDM-Betreiber (Anbietersteckbrief).

Beispiel:

Wenn der geheime HMAC-Schlüssel (hexdump) 3a8e0064436bf2dbe7ca41ec6f1ed60beec083bc4100633281eb397cb294391c ist, so ist der HMAC-SHA-256-Wert gemäß A_23461-* auf die leere Bytefolge folgende Bitfolge (hexdump) 4c0a04f65d498113a5df2ab388d99d2c0bc6224a662b1ce529342745e7af414a 

Beispiel:

Sei folgendes Zertifikat ein Beispiel-E-Rezept-VAU-Verschlüsselungszertifikat:

-----BEGIN CERTIFICATE-----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-----END CERTIFICATE-----

und folgendes der dazugehörige private Schlüssel:

-----BEGIN EC PARAMETERS-----
BgkrJAMDAggBAQc=
-----END EC PARAMETERS-----
-----BEGIN EC PRIVATE KEY-----
MHgCAQEEII1+MNpxZfd+cPjE1Z5DCHCnuGCQt5MA6U55yuaxoB8CoAsGCSskAwMC
CAEBB6FEA0IABB1wleU9eglD8Q7j7HuTVyG7KJIRoJ6Rt1x8+GHvb3xeht3f5RPe
ETi+py3tLK5RWhFeGOIKmnydoBxJmK6Vcmg=
-----END EC PRIVATE KEY-----

Weiterhin sei folgendes der zu verschlüsselnde HMAC-Schlüssel (hexdump)

3a8e0064436bf2dbe7ca41ec6f1ed60beec083bc4100633281eb397cb294391c

Dann ist folgendes der Hexdump eines Chiffrats nach A_23463

019dec56554203624c214ac5321c798b78281d3fff4a0a4e187319ebebeba2ace40fe71913c6e02998cd3cd6f8268a0daf9f40eb1561541de9868d46eb913e3f3157d5ed6bd9d4aef792d473be5fa2868dbcd228e5a603afdae2c69fc459e656513cff835934de5e2f159b772ebbd21d6dfef2a4960ad829b968fc974b

Die gematik stellt Beispiel-Code für die Erzeugung eines Export-Pakets bereit.

3.19 spezifische TLS-Vorgaben für VSDM

Es gelten zunächst auch für VSDM u. a. die allgemeinen TLS-Anforderungen GS-A_4384-* und A_17124-*. Um die Umsetzung in den VSDM zu erleichtern wird auf die zwingende Unterstützung von NIST-Kurven beim ephemeren ECDH (TLS-Handshake) verzichtet -- es können ausschließlich brainpool-Kurven verwendet werden.

Erläuterung zu A_23912-*: Das "SOLL" in GS-A_4384-* und A_17124-* für die brainpool-Kurven wird mit A_23912 zu einem "MUSS", falls auf die Unterstützung von NIST-Kurven beim ephemeren ECDH (TLS-Handshake) im VSDM verzichtetet wird.

Erläuterung: Durch A_23913 wird beim Intermediär dass "SOLL" in GS-A_4384-* und A_17124-* zu einem "MUSS".

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] 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 die TI ist ab Ende 2025 ein Sicherheitsniveau von mindestens 120 Bit für alle kryptographischen Verfahren zu erreichen. 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) (A_16176-01 ). 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 2025 (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_4357-02, 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_4357-02 (brainpoolP256r1) erzeugen, und diesen verwenden können.

Als Hilfestellung wird im Folgenden ein X.509-Root-TI-Zertifikat betrachtet. Gemäß GS-A_4357-02 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-----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==
-----END CERTIFICATE-----

Relativ am Anfang des Zertifikats befindet sich die OID gemäß GS-A_4357-02

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.[gemSpec_PKI#A1_7689] ) 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. [gemSpec_TSL#A_17682] ).

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 ECC-Unterstützung unterscheidet sich inhaltlich nur durch 4 zusätzliche Bytes (c02bc02c, vgl. GS-A_5354-* und A_23226-*) 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. A_17124-* Spiegelstrich 3 umsetzen. Danach wird der Intermediär nach A_17124-* 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 A_17206  gilt für allgemeine XML-Datensignaturen, also auch für Tokensignaturen etc. A_17360  fordert für die Interoperabilität 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).