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Elektronische Gesundheitskarte und Telematikinfrastruktur

Übergreifende Spezifikation

Verwendung kryptographischer Algorithmen in der
Telematikinfrastruktur

    

     

      
Version
      
2.32.0
     
     

      
Revision
      
901993
     
     

      
Stand
      
28.03.2024
     
     

      
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-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.

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.

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 A_17209 .

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.

3.15.3 ePA-spezifische TLS-Vorgaben

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.

3.16 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-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 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. ) 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 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).

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 2025 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_17089-01 und A_17090-01 (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_17090-01 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

Hinweis: für den Konnektor gelten die IPsec-Anforderungen A_17125 und A_17126.

Hinweise:

(1) Die meisten in Primärsystemen verwendeten Kryptographie-Bibliotheken erlauben mittlerweile keine explizite Angabe von ECC-Kurvenparametern (i. S. v. explizite Aufführung von A, B, p und q-Werten). Damit sind bspw. vom Konnektor erzeugte Zertifikate, die nicht A_23511-konform sind, mit diesen Bibliotheken nicht verwendbar. Fachlicher Hintergrund ist CVE-2020-0601 (https://nvd.nist.gov/vuln/detail/CVE-2020-0601) und "Digital Signature Schemes with Domain Parameters", Serge Vaudenay, 2004 (https://lasec.epfl.ch/pub/lasec/doc/Vau04b.pdf ).

(2) Ein Beispiel für einen privaten ECC-Schlüssel mit named-curve-Parameter-Kodierung im PEM-Format:

-----BEGIN EC PARAMETERS-----
BgkrJAMDAggBAQc=
-----END EC PARAMETERS-----
-----BEGIN EC PRIVATE KEY-----
MHgCAQEEIC5PFJ/4fOdPLZ1BebMqpHN8ydae9kSPGS5qICS/WGpnoAsGCSskAwMC
CAEBB6FEA0IABCpcFsaT3f+O9Cg676mRWR4WazrrbFMcMZ5dwJhrhVsjSzA3z85q
u8eCSvAkE3jt2+nOTNh1s3ExkZVSOJD1aLc=
-----END EC PRIVATE KEY-----
(über 

openssl ecparam -name brainpoolP256r1 -genkey -param_enc named_curve -out <pre>example-named-curve-private-key.pem

erzeugt)

Die DER-Kodierung sieht dann wie folgt aus

$ openssl ec -in example-named-curve-private-key.pem  -pubout -outform der -out mykey.pub
$ dumpasn1 mykey.pub
  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 2A 5C 16 C6 93 DD FF 8E F4 28 3A EF A9 91 59
       :     1E 16 6B 3A EB 6C 53 1C 31 9E 5D C0 98 6B 85 5B
       :     23 4B 30 37 CF CE 6A BB C7 82 4A F0 24 13 78 ED
       :     DB E9 CE 4C D8 75 B3 71 31 91 95 52 38 90 F5 68
       :     B7
       :   }

0 warnings, 0 errors.

(3) In Abschnitt "5.2 X.509-Root der TI" gibt es ein ausführliches Beispiel für ein X.509-Zertifikat mit einem öffentlichen ECC-Schlüssel mit named-curve-Parameter Kodierung.

5.10 Verschiedene Produkttypen und ECC-Migration (informativ)

Dem VPN-Zugangsdienst sind die IPsec-Anforderungen A_17125 und A_17126  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  A_17205 und die ECC-Unterstützung bei TLS A_17124-* relevant.

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

6 VAU-Protokoll für E-Rezept

6.1 Übersicht (informativ)

Ähnlich wie bei der Anwendung ePA besitzt der Fachdienst E-Rezept mindestens zwei HTTPS-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 6.2 Definition 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 3: Sicherungsschichten beim Datentransport zwischen E-Rezept-Client und E-Rezept-VAU

Die gematik stellt eine Beispielimplementierung bereit.

6.2 Definition

6.2.1 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.

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

Bevor ein E-Rezept-Client die E-Rezept-VAU-Identität für die Verschlüsselung seiner Request (vgl. 6.2.3 E-Rezept-VAU-Request und -Response ) 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

6.2.3 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 berechnet 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)

6.2.4 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.

7 VAU-Protokoll für ePA für alle

Der grundsätzliche architektonische Aufbau des ePA-Aktensystems als Fachdienst bei ePA für alle entspricht dem bei ePA 1.x, 2.x und beim E-Rezept: Das Aktensystem besteht aus mehreren Webschnittstellen, bei denen über das HTTPS-Protokoll Requests eintreffen. Diese Requests werden im Aktensystem an verschiedene VAU-Instanzen zur Verarbeitung weitergeleitet. Die Antwort von einer VAU-Instanz erzeugt und an die Webschnittstelle übergeben. Von dieser wird sie per HTTPS an die Clients innerhalb einer HTTP-Response übermittelt. Zwischen ePA-Client und VAU gibt es also keine durchgehende TLS-Verbindung -- eine TLS-Verbindung des Clients endet an einer Webschnittstelle des Aktensystems.
Das VAU-Protokoll erzeugt einen durchgehenden (also ununterbrochenen) Kanal zwischen ePA-Client und VAU.

Abbildung 4: Sicherungsschichten beim Datentransport zwischen ePA-Client und ePA-VAU-Instanz

Bei ePA 1.x (und ePA 2.x), beim E-Rezept und bei ePA für alle werden jeweils unterschiedliche Authentisierungsarten für die Client-Authentisierung verwendet. Die Client-Authentisierung durchläuft quasi eine Evolution, der das VAU-Protokoll durch Anpassung folgen muss, damit die Sicherheitsziele weiterhin erreicht werden. Bei ePA 1.x und 2.x war es möglich, dass Nutzer des Aktensystems direkt über private AUT-Schlüssel Verbindungsparameter signieren konnten. Beim E-Rezept wird aktuell eine Variante des OIDC-Protokolls verwendet, bei der ein E-Rezept-Client direkt das Auth-Token lokal vorliegen hat. Solche Auth-Token verwendet er bei der Authentisierung im VAU-Protokoll beim E-Rezept-FD. Bei ePA für alle gibt es einen Authentication-Flow nach [RFC-7636] (OAuth 2.0 PKCE). Dort hat ein Client keinen Zugriff mehr auf das Auth-Token, d. h. das VAU-Protokoll aus dem E-Rezept in der aktuellen Ausbaustufe kann nicht verwendet werden. Deshalb wird für ePA für alle eine neue Version des VAU-Protokolls eingeführt. In einer späteren Ausbaustufe wechselt auch beim E-Rezept die Authentisierung auf diese OIDC-Variante -- ab dann wird bei ePA für alle und bei E-Rezept dasselbe VAU-Protokoll verwendet.

Wenn über eine HTTPS-Schnittstelle ein Request eines ePA-Clients eintrifft, steht es einem Aktensystem frei, über welches Protokoll es diesen Request an die VAU-Instanzen verteilt (bspw. per Message-Queue), d. h. die Aktensysteminterne Verbindungsstrecke zwischen HTTPS-Schnittstellen und VAU-Instanzen ist frei durch den Aktensystemhersteller wählbar.

Hinweis: Im Kontext ePA bietet HTTP/2 nur geringe Vorteile gegenüber HTTP/1.1. HTTP/2 besitzt jedoch eine deutlich höhere Komplexität. Ein Hersteller ist mit A_24654-* nicht verpflichtet, eine HTTP-Version größer als 1.1 zu implementieren. A_24654 ist nicht dahingehend zu verstehen, dass von einem Aktensystem perfekte Konformität zu HTTP/1.1 umzusetzen ist. Im Kontext der ePA-Funktionalität wird nur der Umfang von HTTP verwendet, den man normaler Weise bei Webservices verwendet.

Wenn im folgenden innerhalb dieses Kapitels 7 VAU-Protokoll für ePA für alle  vom VAU-Protokoll gesprochen wird, ist stets die Variante für ePA für alle gemeint.

Abbildung 5: OSI-Schichten in einem Aktensystem

Wie im OSI-Referenzmodell üblich, ist das VAU-Protokoll agnostisch gegenüber dem über ihm transportierten Daten oder Protokollen. Das VAU-Protokoll ermöglich einen Ende-zu-Ende gesicherten Transport von Daten, bei dem es irrelevant ist, welche Protokolle unter oder über ihm in Bezug auf das OSI-Modell verwendet werden.

Das VAU-Protokoll ermöglicht (zunächst) eine einseitig authentisierte Schlüsselaushandlung zwischen Client (FdV, LEI-PVS/AVS/KIS, KTR-Consumer) und Server (VAU-Instanz). Ähnlich wie bei einer TLS-Verbindung werden nach einer Schlüsselaushandlungsphase symmetrische Schlüssel gemeinsam berechnet und diese symmetrischen Schlüssel werden anschließend für die Sicherung der nun folgenden Nutzdaten auf Anwendungsebene verwendet. Direkt nach erfolgreich abgeschlossener Schlüsselaushandlung verwendet ein Client innerhalb der etablierten VAU-Protokoll-Verbindung auf einer höheren OSI-Schicht das OIDC-Protokoll für die Nutzer-Authentisierung gegenüber der VAU-Instanz. Ist die Authentifizierung erfolgreich gewesen, vermerkt die VAU-Instanz bei den ausgehandelten symmetrischen Schlüsseln diesen Authentisierungsstatus in den Metadaten für diese Verbindungsschlüssel. Ab dann besteht eine beidseitig authentisierte über das VAU-Protokoll gesicherte Verbindung insbesondere mit den gemeinsam berechneten symmetrischen Verbindungsschlüsseln. Das VAU-Protokoll verwendet kryptographisch für die Schlüsselaushandlung das KEM-TLS-Protokoll ([KEM-TLS], [IETF-KEM-TLS]). Die Kodierung der KEM-TLS-Nachrichten muss spezifisch für die gewählte Architektur bei ePA für alle angepasst werden. Für die Schlüsselaushandlung wird ein PQC-sicheres Hybridverfahren auf Basis von Kyber768 und ECDH analog zu [IETF-Hybrid-TLS] verwendet. Die Verwendung von PQC-sicheren Hybridverfahren findet man ebenfalls bei Messengern [PQC-Hybrid-Signal] oder bei Web-Browsern [PQC-Hybrid-Chrome]. Das VAU-Protokoll erreicht Forward-Secrecy bei der Schlüsselaushandlung -- eine etwaige Kompromittierung von Langzeit-Schlüsseln einer VAU beeinflusst nicht die Sicherheitseigenschaften von VAU-Verbindungen der Vergangenheit. Nach der Schlüsselaushandlung wählt ein Client zufällig für jeden Request eine Request-ID, die der Server in der Response aufführt. Somit kann ein Client Request-Response-Paare sicher zuordnen und kann ebenfalls Replay-Angriffe abwehren. Im Vergleich zur VAU-Protokoll-Variante aus Abschnitt 6 VAU-Protokoll für E-Rezept (E-Rezept aktuelle Ausbaustufe) wird ca. ab der vierten Nutzdaten-Nachricht ein Geschwindigkeitsvorteil erreicht, weil für die direkte Sicherung der Nutzdaten keine asymmetrischen Verfahren mehr verwendet werden (vgl. im Gegensatz dazu A_20161-* Punkt 6). Die Forward-Secrecy und die Post-Quantum-Resistenz wird bei der VAU-Protokoll-Variante aus Abschnitt 6 VAU-Protokoll für E-Rezept nicht erreicht -- es wird also mit der Anpassung des VAU-Protokolls, die aufgrund der Authentisierungsveränderung unabdingbar ist, sowohl eine Verbesserung der Sicherheitseigenschaften als auch der Performanz erreicht.

Abbildung 6: KEM-TLS Verbindungsaufbau [KEM-TLS]

Die gematik stellt Beispielimplementierungen des VAU-Protokolls in verschiedenen Programmiersprachen zur Verfügung.

7.1 Übersicht Verbindungsaufbau/Schlüsselaushandlung

Bei im Prinzip allen in der Praxis verwendeten kryptographischen Protokollen gibt es mehrere Phasen im Protokoll: Zunächst erfolgt eine Schlüsselaushandlung bei der hauptsächlich asymmetrische kryptographische Verfahren eingesetzt werden. Als Ergebnis der Schlüsselaushandlung werden symmetrische Schlüssel (AES-Schlüssel) von Client und Server gemeinsam berechnet. Diese symmetrischen Schlüssel werden anschließend für die kryptographische Sicherung der Nutzdaten verwendet. Es werden wie üblich je nach Kommunikationsrichtung (Client->Server, Server->Client) unterschiedliche Schlüssel verwendet (analog zu TLS, IPsec/IKE, SSH etc.). Die symmetrischen Schlüssel sind dann nutzerspezifisch (und je nach gewählter Implementierungs-Architektur im Aktensystem auch VAU-Instanz-spezifisch). Sie sind nicht aktenspezifisch. D. h., dieselben schon ausgehandelten symmetrischen Schlüssel können für Zugriffe auf mehrere Akten bspw. durch ein PVS verwendet werden.

Die Schlüsselaushandlung beim VAU-Protokoll erfolgt nach [KEM-TLS] und benötigt vier Nachrichten (zwei Round-Trips), die zwischen Client und VAU ausgetauscht werden. Der kryptographische Verbindungsaufbau ist in [KEM-TLS] genauer beschrieben und ebenfalls die kryptographische Funktion der einzelnen Schlüsselableitungen. Im Folgenden wird eine vereinfachte Übersicht als Verständnishilfe aufgeführt.

Client und VAU prüfen die jeweiligen Key-Confirmation (jeweils mittels der Schlüssel K2_c2s_key_confirmation und K2_s2c_key_confirmation), bevor sie die Schlüssel K2_c2s_app_data und K2_s2c_app_data in der nächsten Phase des Protokolls -- Sicherung der Nutzdaten -- verwenden.

Erläuterung:

In A_24425-* werden die "signed_pub_keys" mit dem Schlüsselmaterial der AUT-VAU-Identität des Aktensystems authentisiert, analog zum VAU-Protokoll ePA 1.x und 2.x. Dieses Zertifikat ist über die Signaturkettenprüfung der TI-PKI prüfbar. Dafür benötigt der VAU-Client die Zertifikate, die die Prüfkette ausmachen. Als Vertrauensanker besitzt der Client entweder X.509-Root-Zertifikate, und zwar mindestens RCA5 (PU), oder die TSL. Die Konstruktion nach A_24957-* stellt die Zertifikate für die Prüfkette und das AUT-VAU-Zertifikat selbst ("cert"-Feld) zur Verfügung. Aufgrund der Konstruktion kann man davon ausgehen, dass die Daten in solch einer Datei sich nie ändern werden, i. S. v. einmal vom Client per GET bezogen werden und dann ewig gespeichert werden kann. Sollte sich nach einem Deployment der CertData-Datei (i. S. v. einige Clients haben diese Datei schon bezogen) bspw. CertData-e3b0c44298fc1c149afbf4c8996fb92427ae41e4649b934ca495991b7852b855-1 herausstellen, dass dort Fehler enthalten sind, dann kann man über die Versionsnummer im Handshake (vgl. "cdv"-Feld, A_24425-*) und der Erstellung einer neuen CertData-e3b0c44298fc1c149afbf4c8996fb92427ae41e4649b934ca495991b7852b855-2 diese Fehler im laufenden Betrieb korrigieren.

Erläuterung: Je nach verwendeten Implementierungs-Architektur und den zur Implementierung verwendeten HSM (die recht unterschiedliche Schlüsselverteilungsmethoden haben), kann für einen Hersteller ein Modell einfacher umzusetzen sein als das andere. Die Motivation der Anforderung ist festzustellen, dass beide Modelle explizit erlaubt sind.

Erläuterung: Das VAU-NP erleichtert die Implementierung im Aktensystem. Es ist für die Implementierung günstig, wenn ein Nutzer mit möglichst vielen seiner Requests (bzw. neuer VAU-Verbindungen) in derselben VAU-Instanz landet. Die Variable dient dem Routing nach der HTTPS-Schnittstellen des Aktensystems (Verteilung der Requests auf die verschiedenen VAU-Instanzen, vgl. Abschnitt 7.5 Routing auf VAU-Instanzen).

Bestimmte Clients (bspw. der E-Rezept-FD in der Rolle als ePA-Client) werden ggf. auf mehrere VAU-Instanz verteilt, die konkrete Ausgestaltung liegt in der Entscheidungshoheit des Aktensystemherstellers.

Vgl. auch A_24773-* (Neustart der Verbindung bei unterschiedlichen Nutzergeräten im Erstnutzungsfall).

Hinweis: Für ein ePA-FdV ist das Access Gateway im Internet und dessen HTTPS-Schnittstelle der Zugang zum Aktensystem, an den das ePA-FdV seinen Request (bspw. A_24428-*) sendet. Ein ePA-Client aus der TI verwendet direkt die äußere HTTPS-Schnittstelle eines Aktensystems innerhalb der TI (analog zu ePA 1.x und 2x.).

Hinweis: Bei der KEM-Encapsulate-Funktion fließt Zufall aus dem System ein. Für die VAU-Instanzen (und auch für die ePA-Clients) gelten die Vorgaben aus Abschnitt 2.4 (Güte der Zufallserzeugung, Zuweisung über den Produkttypsteckbrief).

Beispiele für die ID aus A_24608:

• /VAU/9f86d081884c7d659a2feaa0c55ad015a3bf4f1b2b0b822cd15d6c15b0f00a08/1b4f0e9851971998e732078544c96b36c3d01cedf7caa332359d6f1d83567014
• /VAU/A-XYZ/1b4f0e9851971998e732078544c96b36c3d01cedf7caa332359d6f1d83567014 

Erläuterung:

Die Aufführung von "VAU-CID" im Response-Header ist eigentlich nicht mehr absolut notwendig, da der Client diese schon bei Nachricht 2 erhalten und als URL-Pfadname ab jetzt im Laufe der weiteren Verbindung verwenden wird (A_24622-*). Die Absicht der Aufführung ist, eine etwaige Fehlersuche bspw. bei IOP-Tests zu unterstützen.

7.2 Transport und Sicherung der Nutzdaten

Hinweis: Ein Zählerüberlauf kann praktisch nie erreicht werden. Würde ein Client im Nano-Sekunden-Takt den Zähler erhöhen, würde erst nach mehr als 583 Jahren der Überlauf eintreten. Deshalb wird auf einen Überlauftest verzichtet.

Erläuterung:

Der Verschlüsselungszähler, der im Client mit dem Schlüssel K2_c2s_app_data verbunden ist, hat die Funktion für den Galois Counter Mode (GCM) sicherzustellen, dass der jeweils pro Verschlüsselungsvorgang erzeugte Initialisierungsvektor (IV) (bei gleichen Wert von K2_c2s_app_data) einzigartig ist. 

Der Request-ID-Zähler hat drei Funktionen. Einmal soll im Client eine Response des Servers sicher einem vorher gesendeten Request zuordenbar sein. Sollte im Verbindungsaufbau "Enforce Replay Protection" aktiviert worden sein, prüft der Server, ob Requests mit gleicher Request-ID mehrfach eingetroffen sind (ähnlich der "Anti Replay Window"-Technik bei IPsec). Wenn analog "Enforce Sequence Order" aktiviert worden ist, dann prüft der Server die Folge der Request-ID der einkommenden Requests auf strenge Monotonie.

In der aktuellen Ausbaustufe von ePA für alle werden die letzten beiden Funktionen nicht benötigt (wie auch aktuell beim E-Rezept nicht).

Da Verschlüsselungszähler und Request-ID unterschiedliche Funktionen/Motivationen besitzen, sind sie als separate (theoretisch auch im Wert unterschiedliche) Datenobjekte aufgeführt.

Hinweis:

"Enforce Replay Protection" und "Enforce Sequence Order" werden in der aktuellen Ausbaustufe von ePA für alle nicht umgesetzt, weil fachlich noch nicht benötigt.

Verständnishinweis: analog A_24629-*.

7.3 OIDC-Authentisierung eines Clients (Nutzer)

Bei den meisten ePA-Clients wird für die Authentisierung des Nutzers der OAuth2/OIDC/PKCE-Authentication-Workflow nach Etablierung der kryptographischen Phase des VAU-Protokolls verwendet.

Abbildung 7 : OAuth2/OIDC/PKCE-Authentisierung einer LEI am zentralen IDP der TI

D. h., der rein kryptographische Teil des VAU-Protokolls hat erfolgreich stattgefunden und zwischen ePA-Client und VAU-Instanz konnten zwei symmetrische Schlüssel in einer Form der Multi-Party-Computation zusammen berechnet werden. Eine einseitig authentisierte und vertrauliche Datenverbindung besteht zwischen ePA-Client und VAU-Instanz. Über diese Datenverbindung findet auf einer höheren OSI-Schicht eine Client-Authentisierung statt. Dafür werden vom Client innere HTTP-Requests über das VAU-Protokoll an die VAU-Instanz gesendet. Im OIDC Fall zwei Stück:

1. einmal wird ein Hashwert (die "Codechallenge") per GET bezogen und
2. als zweites wird ein "Authentication Code" per POST vom Client an die VAU-Instanz gesendet.

Mittels des Urspungsbilds der Codechallenge (Zufallswert erzeugt von der VAU-Instanz/ Input-Daten für die Hashwertberechnung) und dem AUTH-Code bezieht die VAU-Instanz ein Identity-Token vom IDP, in dem Identitätsangaben des Clients (KVNR oder Telematik-ID) stehen. Nach Prüfung und Analyse dieses Identity-Tokens kennt die VAU-Instanz die Client-Identität -- eine beidseitig authentisierte Datenverbindung steht ab dann bereit. Bevor dies erfolgt ist, darf eine VAU-Instanz keine zusätzliche Funktionalität (i. S. v. ePA-spezifische APIs) per innerer HTTP-Requests einem noch unauthentisierten Client verfügbar machen.

Erläuterung: Die Maximalgrößenangabe dient dazu, damit eine Primärsystem-Implementierung (ePA-Client) weiß welche Datengrößen es maximal akzeptieren können muss.

7.4 Authentisierung des E-Rezept-FD als ePA-Client

Bei der Authentisierung des E-Rezept-FD als ePA-Client wird nicht OIDC zur Client-Authentisierung verwendet, sondern folgendes einfaches Challenge/Response-Verfahren.

Beim Frischeparameter soll sichergestellt werden, dass der Authentisierungsvorgang des Clients nicht zu alt ist. Dies muss auch das VAU-HSM bzw. die BV-VAU prüfen. Das Signaturmaterial, das die Challenge/Frischeparameter für die Prüfung im Aktensystem authentisiert, muss keinen Zusammenhang zu TI-PKI haben, da die Challenge vom Client als opakes Objekt behandelt wird (A_24771-*). D. h., nur das Aktensystem selbst (VAU, VAU-HSM, BV-VAU) selbst prüft die Challenge.

Eine E-Rezept-VAU als ePA-Nutzer hat innerhalb eines Aktensystems besonders umfassende Zugriffsrechte. Als Risikomitigation wird bei einer Nutzerauthentisierung in einer ePA-VAU-Instanz überprüft, ob das AUT-Zertifikat der E-Rezept-VAU (als ePA-Nutzer) besondere Eigenschaft besitzt.

Implementierungshinweis:

Sowohl bei A_24568-* als auch bei A_25055-* wird eine auf dem EE-AUT-Zertifikat basierende Signatur vom Nutzer erzeugt. Solch eine Signatur muss eine ePA-VAU-Instanz im Rahmen der Nutzerauthentitfizierung prüfen, was auch die Prüfung des EE-AUT-Zertifikats inkludiert. Die TI-PKI besitzt genau drei Hierarchie-Ebenen: Root-Zertifikat, CA-Zertifikat, EE-Zertifikat. Es ist für die Prüfung A_25192-*#Punkt-2 ausreichend zu prüfen, ob das bestätigende CA-Zertifikat im CommonName mit "GEM.KOMP-CA" (anschließend kommt eine natürliche Zahl) beginnt und ob das CA-Zertifikat im Signatur-Graph Kind einer TI-PKI-Root ist. Beide Bedingungen sind technisch leicht zu prüfen, dennoch empfiehlt es sich innerhalb einer VAU-Instanz das Prüfergebnis zu cachen (Hashwert des AUT-Zertifikats + besondere-E-Rezept-Prüfung-OK).

Der E-Rezept-FD kann für die Datenübertragung zum Aktensystem folgendes Vorgehen wählen. Er verbindet sich initial einmal per VAU-Protokoll mit einer VAU-Instanz und verwendet den Mechanismus nach A_24658-* zur Authentisierung des E-Rezept-FD bei der VAU-Instanz. Hat dies erfolgreich stattgefunden, erhält der E-Rezept-FD als "normaler" ePA-Client ein Nutzerpseudonym (vgl. A_24770-*). Nun kann er mit diesem Nutzerpseudonym (A_24757-*) bspw. 50 neue TLS-Verbindungen zum Aktensystem eröffnen. Bezüglich des DoS-Schutzes am Aktensystem: an der IP-Adresse kann ein Aktensystem schon erahnen, dass es sich um den E-Rezept-FD handelt und so diese 50 Verbindungen auf IP-Ebene dem Client erlaubt (Perimeter/Firewall), was es bei anderen IP-Adressen evtl. nicht tut (Rate-Limiting). Innerhalb der neuen TLS-Verbindungen führt der E-Rezept-FD jeweils VAU-Protokoll-Verbindungsaufbauten plus Nutzerauthentisierung (A_24770-*) durch und ein Aktensystem kann "geeignet" (vgl. Abschnitt 7.5 Routing auf VAU-Instanzen) die Verbindungsaufbauten auf für das Aktensystem günstige VAU-Instanzen verteilen. Im Beispiel kann der E-Rezept-FD dann über 51 Datenkanäle parallel Rezeptinformationen für verschiedene Versicherte in deren Akten einbringen (Parallelverarbeitung).

7.5 Routing auf VAU-Instanzen

Für ein Aktensystem erleichtert es in bestimmten Konstellationen die Implementierung, wenn schon beim VAU-Protokoll-Verbindungsaufbau es Hinweise darüber gibt, um welche Client-Identität (i. S. v. Nutzer-Identität) es sich handelt. Dann kann eine Routing-Komponente des Aktensystems, die nach den HTTPS-Schnittstellen und vor den VAU-Instanzen liegt, die Requests "geeignet" auf die verschiedenen VAU-Instanzen verteilen. Was "geeignet" hier bedeutet, liegt in der Ausgestaltungshoheit des Aktensystemherstellers.

Beispiel

VAU-NP: 1b4f0e9851971998e732078544c96b36c3d01cedf7caa332359d6f1d83567014

In A_24757-* ist definiert, dass ein VAU-Client solch ein Nutzerpseudonym bei seinen Requests für die Nachricht 1 im Handshake (VAU-Protokoll Verbindungsaufbau) im Request-Header im (äußeren) HTTP-Request aufführen muss und dass er auch eine Aktualisierung des Nutzerpseudonym nach erfolgreicher Nutzer-Authentisierung erkennen und sein lokal gespeichertes Nutzerpseudonym aktualisieren muss.

Implementierungshinweis zu A_25150:

Eine mögliche Herangehensweise für A_25150-* ist, dass alle VAU-Instanzen Zugriff auf einen geheimen Pseudonymisierungsschlüssel für die Pseudonymerstellung haben. Dieser Schlüssel liegt nicht notwendiger Weise ausschließlich im HSM, sondern kann beim Start der  VAU-Instanz in diese sicher geladen werden und im sicheren Speicher der VAU-Instanz verbleiben. Der Schlüssel wird alle zwei Monate Aktensystemweit gewechselt. Nach erfolgreicher Authentisierung wird mit dem Entitäts-ID (bspw. KVNR) ein HMAC(K=<Schlüssel>, text=<KVNR>) erzeugt. Dieser berechnete HMAC-Wert ist dann das NP.

Routingentscheidung

Es gibt wenige Fälle, in denen aufgrund von fehlenden Informationen eine Routing-Entscheidung im Aktensystem nicht optimal getroffen werden konnte. In diesen Fällen darf ein Aktensystem das Neuverbinden des Client einfordern. Ein solcher Fall ist bspw., wenn eine Arztpraxis auf einem PVS-Rechner eine Akte aktuell in Verwendung hat. Und auf einem "neuen" PVS-Rechner/Tablet etc., der noch nie mit dem Aktensystem in Kontakt stand -- also lokal noch kein Nutzerpseudonym gespeichert hat (vgl. A_24757-*), eine Akte verwenden möchte. Auf dem neuen PVS-Rechner würde dann ein VAU-Protokoll-Verbindungsaufbau und Nutzer-Authentisierung stattfinden. Mit hoher Wahrscheinlichkeit landet diese Verbindung in einer anderen VAU-Instanz. Dies würde dann erkannt und A_24772-* kann vom Aktensystem ausgelöst werden. Der "neue" PVS-Rechner würde sich neu verbinden, diesmal mit ihm bekanntem Nutzerpseudonym. Das Aktensystem kann dann eine für sich günstigere Routing-Entscheidung treffen. Das Aktensystem ist frei in der Entscheidung, ob und bei welchen Konstellationen es von dieser Möglichkeit Gebrauch macht.

7.6 Fehlersignalisierung

7.7 Tracing in Nichtproduktivumgebungen

Für die Fehlersuche in Nichtproduktivumgebungen -- 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#3.18.4 Tracing in Nichtproduktivumgebungen].

Bei ePA für alle unterscheidet sich der Mechanismus hier im Vergleich zu ePA 2.x ein wenig: Es werden nicht für den Client feste ECDH-Schlüssel für die Schlüsselaushandlung im VAU-Protokoll in Nichtproduktivumgebungen vorgegeben, sondern der Client wird verpflichtet, die ausgehandelten symmetrischen Sitzungsschlüssel (K2_c2s_app_data, K2_s2c_app_data) im äußeren HTTP-Request im Request-Header aufzuführen. Die Motivation dafür ist, dass es bei einigen Krypto-Bibliotheken ggf. schwieriger sein kann, den Zufall, der bei der KEM-Encapsulation-Operation einfließt, fest vorzugeben. Es erleichtert also die Implementierbarkeit. Am Chiffrat kann eine VAU-Instanz sicher feststellen, für welche Umgebung ein Client ein Chiffrat erzeugt hat. Ein VAU-Instanz lehnt in der Produktivumgebung dann solche Nichtproduktivumgebungs-Chiffrate ab.

Hinweis: Ebenfalls muss ein VAU-Client nach A_24628-* im Chiffrat kennzeichnen, ob es eine Nachricht in einer Nichtproduktivumgebung ist oder nicht.

7.7.1 Zufallsquelle für Clients

Erläuterung: Auf einem Linux-Server ist es ausreichend, Daten aus /dev/urandom 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 ("harvest now, decrypt later").

Dort erscheint es ratsam auf hybride Lösungen zu migrieren. 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 2024 einen geeigneten Stand erreichen werden. Beim VAU-Protokoll für ePA für alle wird bereits eine PQC-sichere Schlüsselaushandlung auf Basis von [KEM-TLS] und [IETF-Hybrid-PQC] eingesetzt. D. h., Anwendungsdaten zwischen ePA-Clients und ePA-VAU sind beim Transport bereits PQC-sicher. In einer nächsten Ausbaustufe verwendet der E-Rezept-Projekt ebenfalls diese VAU-Protokollvariante für die Verbindung zwischen E-Rezept-Client und E-Rezept-VAU.

Bei Messengern [PQC-Hybrid-Signal] oder bei Web-Browsern [PQC-Hybrid-Chrome] nimmt die Verwendung von PQC-sicheren Hybrid Verfahren immer mehr zu. Es ist absehbar, dass dieses Vorgehen bald generell der Stand der Technik ist.

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 Prüfung auf angreifbare (schwache) Schlüssel 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  A_17092 und A_17093 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 A_17092 . 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 A_17093. 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