Funktionsweise

Client baut eine Verbindung zum Server auf.
Server authentifiziert sich gegenüber dem Client mit einem Zertifikat
Client überprüft hierbei die Vertrauenswürdigkeit X.509-Zertifikats und ob der Servername mit dem Zertifikat übereinstimmt.
Optional kann sich der Client mit einem eigenen Zertifikat auch gegenüber dem Server authentifizieren.
Dann schickt entweder der Client dem Server eine mit dem öffentlichen Schlüssel des Servers verschlüsselte geheime Zufallszahl
Oder die beiden Parteien berechnen mit dem Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch ein gemeinsames Geheimnis.
Aus dem Geheimnis wird dann ein kryptographischer Schlüssel abgeleitet.
Dieser Schlüssel wird in der Folge benutzt, um alle Nachrichten der Verbindung mit einem Symmetrisches Verschlüsselungsverfahren verschlüsseln
Schutz von Integrität und Authentizität durch einen Message Authentication Code gewährleistet.

TLS-Protokolle im Protokollstapel

Im OSI-Modell in Schicht 5 angeordnet.
Im TCP/IP-Modell ist TLS oberhalb der Transportschichtund unterhalb Anwendungsprotokollen angeordnet
Spezifikationen wird dies dann zum Beispiel als „HTTP over TLS“ bezeichnet. S
beide Protokolle zusammengefasst betrachtet werden, wird üblicherweise ein „S“ für Secure angehängt
TLS arbeitet transparent, so dass es leicht eingesetzt werden kann
Beispielsweise mit STUNNEL

Aufbau

Das TLS-Protokoll besteht aus zwei Schichten:

TLS Handshake Protocol	TLS Change Cipher Spec. Protocol	TLS Alert Protocol	TLS Application Data Protocol
TLS Record Protocol

TLS Record Protocol

TLS Record Protocol ist die untere der beiden Schichten und dient zur Absicherung der Verbindung.
setzt direkt auf der Transportschicht auf und bietet zwei verschiedene Dienste
Diese können einzeln oder gemeinsam genutzt werden

Ende-zu-Ende-Verschlüsselung

mittels Symmetrisches Kryptosystem
verwendeteR Schlüssel wird dabei im Voraus über ein weiteres Protokoll (zum Beispiel das TLS Handshake Protocol) ausgehandelt
kann nur einmal für die jeweilige Verbindung verwendet werden.
Es wird symmetrische Verschlüsselung unterstützt (DES, 3DES und AES)

Sicherung der Integrität und Authentizität

durch einen Message Authentication Codein der Regel HMAC

Aufbau einer TLS-Record-Nachrich

1 Byte: Change Cipher Spec = 20 Alert = 21, Handshake = 22, Application Data = 23
1 Byte: Protokollversion Major
1 Byte: Protokollversion Minor
2 Byte: Länge

TLS Handshake Protocol

Baut auf dem TLS Record Protocol auf und erfüllt die folgenden Funktionen
Aushandeln zu benutzender kryptografischer Algorithmen und Schlüssel.
Identifikation und Authentifizierung der Kommunikationspartner
Basis sind Asymmetrischer Verschlüsselungsverfahren und Public-Key-Infrastruktur
Server authentifiziert sich gegenüber dem Client
Optional authentifiziert sich auch der Client gegenüber dem Server

Handshake selbst kann in vier Phasen unterteilt werden

Client schickt zum Server ein ClientHello, und der Server antwortet dem Client mit einem ServerHello. Die Parameter der Nachrichten sind:
- die höchste vom Client unterstützte TLS-Protokoll-Version
- eine 32 Byte lange Zufallsinformation wird später verwendet pre-master-secret, zum Schutz vor Replay-Attackenm zu bilden
- eine Session-ID
- die zu verwendende Cipher Suite (Algorithmen für Schlüsselaustausch, Verschlüsselung und Authentifizierung)
- Optional den gewünschten FQDN für die Unterstützung von Server Name Indication
- in der TLS 1.3 Version (mit Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch) werden die Key-Shares übertragen, die den gemeinsamen Schlüssel definieren.
Der Server identifiziert sich gegenüber dem Client.
- Hierzu wird per Certificate ein Zertifikat an den Client geschickt, gefolgt von einem CertificateVerify
- CertificateVerify Nachricht enthält eine Unterschrift von zuvor ausgetauschten Nachrichten.
- Server beweist, dass er einen Secret-Key besitzt, der zu dem auf dem Server-Zertifikat enthaltenen passt.
- Client prüft das Zertifikat und die Unterschrift. Bei Misserfolg bricht der Client die Verbindung ab.
Das zuvor erhaltene Server-Zertifikat enthält den öffentlichen Schlüssel des Servers
- Wird eine Cipher Suite mit RSA-Schlüsselaustausch verwendet
  - so wird das vom Client generierte pre-master-secret mit diesem öffentlichen Schlüssel verschlüsselt
    - und kann vom Server mit dem nur ihm bekannten privaten Schlüssel wieder entschlüsselt werden.
- Alternativ kann hier auch der Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch verwendet werden
  - dann wird ein gemeinsames pre-master-secret zu generieren.
  - Wenn Diffie-Hellman-Geheimnisse von Server und Client während des Handshakes frisch und zufällig ausgehandelt
  - sind die Voraussetzungen für Perfect Forward Secrecy erfüllt.
Diese Phase schließt den Handshake ab.
- Aus dem vorhandenen pre-master-secret kann das master secret abgeleitet werden
- ein einmaligen Sitzungsschlüssel
- Aus dem master secret werden wiederum Schlüssel abgeleitet
- zum Ver- und Entschlüsseln der Daten sowie für die Integritätsprüfung verwendet werden.
- Nachrichten, die die Kommunikationspartner sich nun gegenseitig zusenden sind verschlüsselt übertragen

TLS Change Cipher Spec Protocol

Das Change Cipher Spec Protocol besteht nur aus einer einzigen Nachricht.
Diese Nachricht ist ein Byte groß und besitzt den Inhalt 1.
Durch diese Nachricht teilt der Sender dem Empfänger mit, dass er in der aktiven Sitzung auf die im Handshake Protocol ausgehandelte Cipher Suite wechselt.
Protokoll wurde gewählt weil man expliziert keine Record Übertragung wollte.

= TLS Alert Protocol

unterscheidet etwa zwei Dutzend verschiedene Mitteilungen. Eine davon teilt das Ende der Sitzung mit (close_notify). Andere beziehen sich zum Beispiel auf die Protokollsyntax oder die Gültigkeit der verwendeten Zertifikate. Es wird zwischen Warnungen und Fehlern unterschieden, wobei letztere die Verbindung sofort beenden.

Der Aufbau einer Fehlermeldung lautet wie folgt: AlertLevel (1 Byte: Warning = 1, Fatal = 2) | AlertDescription (1 Byte: close_notify = 0, […], no_renegotiation = 100).

In der Spezifikation von TLS werden die folgenden schweren Fehlertypen definiert:

unexpected_message	Unpassende Nachricht wurde empfangen.
bad_record_mac	Ein falscher MAC wurde empfangen.
decompression_failure	Dekomprimierungsalgorithmus empfing unkorrekte Daten.
handshake_failure	Absender konnte keine akzeptable Menge von Sicherheitsparametern bearbeiten.
illegal_parameter	Ein Feld in der Handshake-Nachricht lag außerhalb des erlaubten Bereichs oder stand im Widerspruch mit anderen Feldern.

In der Spezifikation von TLS werden die folgenden Warnungen definiert:

close_notify	Teilt Empfänger mit, dass Absender keine weiteren Nachrichten auf dieser Verbindung senden wird. Muss von jedem Partner einer Verbindung als letzte Nachricht gesendet werden.
no_certificate	Kann als Antwort auf eine Zertifikatanforderung gesendet werden, falls passendes Zertifikat nicht verfügbar ist. (Wurde in TLS 1.0 entfernt<ref name="schwenk2010">Schwenk, Jörg (2010): Sicherheit und Kryptographie im Internet. Von sicherer E-Mail bis zu IP-Verschlüsselung, herausgegeben von Vieweg+Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden. ISBN 978-3-8348-0814-1.</ref>)
bad_certificate	Empfangenes Zertifikat war unvollständig oder falsch.
unsupported_certificate	Der Typ des empfangenden Zertifikats wird nicht unterstützt.
certificate_revoked	Zertifikat wurde vom Unterzeichner zurückgerufen.
certificate_expired	Zertifikat ist abgelaufen.
certificate_unknown	Andere, nicht genau spezifizierte Gründe sind beim Bearbeiten des Zertifikats aufgetreten, die dazu führen, dass das Zertifikat als ungültig gekennzeichnet wurde.

In der Spezifikation von TLS 1.0 wurden folgende Warnungen ergänzt:<ref name="schwenk2010" />

decryption_failed	Entschlüsselung fehlgeschlagen.
record_overflow
unknown_ca	Unbekannte oder nicht vertrauenswürdige CA.
access_denied	Zugriff verweigert.
decode_error	Decodierungsfehler.
decrypt_error	Entschlüsselungsfehler.
export_restriction	Exportbeschränkung.
protocol_version	Veraltete Version von TLS/SSL.
insufficient_security	Unzureichende Sicherheit.
internal_error	Interner Fehler.
user_canceled	Abbruch durch Benutzer.
no_renegotiation

TLS Application Data Protocol

Die Anwendungsdaten werden über das Record Protocol transportiert, in Teile zerlegt, komprimiert und in Abhängigkeit vom aktuellen Zustand der Sitzung auch verschlüsselt. Inhaltlich werden sie von TLS nicht näher interpretiert.

Berechnung des Master Secrets

Aus dem pre-master-secret wird in früheren Protokollversionen mit Hilfe der Hashfunktionen SHA-1 und MD5, in TLS 1.2 mit Hilfe einer durch eine Cipher Suite spezifizierten Pseudozufallsfunktion das Master Secret berechnet. In diese Berechnung fließen zusätzlich die Zufallszahlen der Phase 1 des Handshakes mit ein. Die Verwendung beider Hash-Funktionen sollte sicherstellen, dass das Master Secret immer noch geschützt ist, falls eine der Funktionen als kompromittiert gilt. In TLS 1.2 wird dieser Ansatz durch die flexible Austauschbarkeit der Funktion ersetzt.

Sicherheit

Auf SSL und TLS sind jeweils eine Reihe von Angriffen bekannt, die die Sicherheitsgarantien untergraben.<ref name="RFC7457" /> Die folgende Liste stellt einen Teil der bekannten Angriffe dar.

Padding-Oracle-Angriffe

Der Kryptologe Serge Vaudenay entdeckte 2002, dass ein Man-in-the-Middle-Angreifer aus dem Padding einer mit dem Cipher Block Chaining Mode (CBC) verschlüsselten Nachricht Informationen erhalten kann, die zur Entschlüsselung der Nachricht genutzt werden können. Durch gezielte Manipulation einer verschlüsselten Nachricht lernt der Angreifer, ob der Server ein gültiges Padding meldet und damit ein Teil des Klartexts richtig erraten wurde.<ref name="Vaudenay2002" />

Als Schutzmaßnahme sollte der Server ungültige Nachrichten verwerfen, ohne dabei zu offenbaren, ob das Padding oder die Nachrichtenauthentizität ungültig war. Allerdings kann ein Angreifer diese Information auch durch eine Analyse der Antwortzeiten herleiten (Timing-Angriff). Betroffen sind SSL, TLS bis Version 1.2 und DTLS, sofern eine Cipher Suite mit CBC verwendet wird. Cipher Suites mit Authenticated Encryption sind nicht betroffen.<ref name="AlFardan2013" />

Im Oktober 2014 demonstrierten Sicherheitsforscher den POODLE-Angriff (Padding Oracle On Downgraded Legacy Encryption), mit dem ein Angreifer ein Versions-Downgrade einer TLS-Verbindung erzwingt, um einen Padding-Oracle-Angriff gegen SSL 3.0 durchzuführen. Zwecks Kompatibilität wurde SSL 3.0 trotz zu dem Zeitpunkt bekannter Sicherheitsschwächen noch von Webbrowsern und anderen Implementierungen unterstützt. Im Nachgang hat die Internet Engineering Task Force SSL 3.0 als überholt gekennzeichnet<ref name="RFC7568" /> und ein Verfahren zum Schutz vor Downgrade-Angriffen auf TLS spezifiziert.<ref name="RFC7507" />

TLS Protokoll

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