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IT-Security in der KI

Inhalt

Einführung

Meist ist durch guet Prävention und Vorsorge ein Angriff vermeidbar. Dazu zähl zum Beispiel...

  • ein eigener Meeting-Server
  • eigene Moodle-Instanz
  • externe Mail-Server und Adressen
  • etc.

So kann ein Angriff nicht die ganze Infrastruktur lahmlegen (zum Beispiel beim Einsatz von Microsoft 365 mit Teams, Office und Outlook).

Safety
Kontrolle über bekannte Risiken - zum Beispiel durch Vorsorge, Prävention und Schutzmaßnahmen.

Security
Sicherheit vor (gezielten) Störungen von außen - also Angriffen.

Eselbrücke Sicherheitsdienst (Türsteher) nennt sich Security, nicht Safety.

Sicherheitsziele

  • Authentizität
  • Integrität
  • nicht-Abstreitbarkeit
  • Verbindlichkeit
  • Verfügbarkeit
  • Privatsphäre
  • Vertraulichkeit

Vertraulichkeit, Integrität & Authentizität
Informationen bleiben im vorhergesehenen Kreis, sind unverändert und stammen von angegebenen Absender.

Authentifizierung
Nachweis der Identität (Shared Secret, Biometrie, ...).

nicht-Abstreitbarkeit
"Ich habe das nicht bestellt!"
Nachweis möglich, somit abstreiten unmöglich.

Verfügbarkeit
Vorhergesagte Nutzung durch vorhergesehene Nutzer ist möglich.

Privatsphäre
Grundrecht auf informationelle Selbstbestimmung (DSGVO, etc.), technisch hilft Anonymisierung.

Cybercrime

...

Kryptologie

Ist die Wissenschaft von der Verschlüsselung und Entschlüsselung von Informationen.

graph LR
    A[Kryptologie] --> B["Steganographie <br> (verstecken)"]
    A --> C[Kryptographie <br> verschlüsseln]
    A --> D[Kryptanalyse <br> entschlüsseln]
Loading

Stenanographie

Technische Stenanographie ist zum Beispiel die Manipulation von Bild-, Audio- und Videodateien sowie Verstecken weiterer Dateien.

Beispielsweise wird das diederwertigsten Farb-Bit als Daten-Bit verwendet.

Kryptographie

Verschlüsselung von Informationen.

symmetrische Kryptographie

Zum Beispiel Caesa oder ROT13 - z.B.Verschiebung des Alphabets um einen bestimmten Wert. Kryptanalyse mit Mono-, Bi oder Trigrammen sowie Brute-Force möglich.

# Verschiebung um 3
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
XYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW
# mit Caesar
Gdv lvw hlq Ehlvslho.
Das ist ein Beispiel.

Allgemein kann auch ein String-Key angewendet werden, um diesen Wert wird dann das Alphabet verschoben.

key = "ZEBRA"
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
ZEBRACDFGHIJKLMNOPQSTUVWXY

Generell einfach zu entschlüsseln, da Bi- oder Trigramme verschieder verteilt sind (z.B. ll -> yy).

Verbeserungen
Man kann ähnliche Zeichen (z.B. u und v) zusammenfassen sowie Satz- und Sonderzeichen ignorieren.

polyalphabetische Kryptographie

Am Beispie der Vigenère-Verschlüsselung.

# verschlüsseln von text mit key
text = "Das ist ein Geheimtext"
key  = "THI NGO LST ADTKEYTHIN"
        ^ D & T

# Feld mit Alphabet
    v
 ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXY
 ZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWX
 YZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW
 XYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUV
 WXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTU
 VWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRST
 UVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRS 
>TUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQR
 STUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQ
    ^ (bei D von oben)
...

# ergibt als ersen Buchstaben
>W

Entscheidend ist die Key-Länge, bei len(key) = 1 ist es Caesar, bei len(key) < len(text) sind es mehrere Caesar-Verschlüsselungen udn bei len(key) = len(text) ist es ein One-Time-Pad.

Stromchiffren
Weiterentwicklung der polyalphabetischen Kryptographie.

...RC4 (S.94)

...Electronic Code Book Mode (S.98)

...Cipher Block Chaining Mode (S.100)

...Cipher Feedback Mode (S.102)

Data Encryption Standard
DES (USA, 1977) ist ein symmetrisches Blockchiffre mit 64 Bit Blockgröße (davon 56 Bit Schlüssel und 8 Bit Parität).

noch nicht geprüft

graph TD
    A[64bit Klartext] --> B[Eingangspermutation]
    B --> C[L-Block 32bit]
    B --> D[R-Block 32bit]
    D --> E[Expansion 48bit]
    E --> F[XOR]

    Q[64bit Schlüssel] --> R[Schlüssel-Permutation]
    R --> S[C-Block 28bit]
    R --> T[D-Block 28bit]
    T --> U[Schlüsselauswahl 48bit]
    S --> U
    
    U --> F
    F --> G[S1, S2, S3, ..., Sn]
    G --> H[Permutation 32bit]
    H --> I[XOR]

    C --> I
    I --> D
    I --> J[Ausgangspermutation 64bit]
    J --> K[Chiffretext 64bit]

3DES
3DES ist eine Erweiterung von DES.

International Data Encryption Algorithm
IDEA ist eine symmetrische Blockchiffre mit 128bit-Schlüssel und 64bit-Blöcken, jeweils 8 Runden.

Advanced Encryption Standard
AES wurde 2000 "in Dienst gestellt" und ist eine symmetrische Blockchiffre mit 128bit-Blockgröße verschiedenen Schlüssellängen (128, 160, 192, 224, 256bit).

Animation & Step-by-Step

sicherer Schlüsselaustausch
Die grundlegende Idee bei Diffie-Hellman ist, dass zwei Kommunikationspartner einen gemeinsamen Schlüssel aushandeln, ohne dass dieser übertragen wird. Client und Server wählen jeweils

  • eine Primzahl p und
  • eine Primitivwurzel g modulo p.

Nun chiffriert der Client den Geheimtext mit seinem eigenen Schlüssel S (den er für sich behält). Das Chiffrat Chiff(Text,S) sendet er dann an den Server. Dieser verschlüsselt erneut mit seinem eigenen Schlüssel E (den er ebenfalls geheim hält), was das Doppelchiffrat Chiff(Chiff(Text,S),E) ergibt. Dieses sendet er an den Client zurück. Dieser entschlüsselt nun mit seinem Schlüssel S und erhält Dechiff(Chiff(Chiff(Text,S),E),S) = Chiff(Text,E), welches er wieder an den Server sendet. Dieser entschlüsselt mit seinem Schlüssel E und erhält Dechiff(Chiff(Text,E),E) = Text.

binäre Exponentiation
Die binäre Exponentiation ($y=x^k$) ist eine Methode, um eine Zahl x mit einer natürlichen Zahl n zu potenzieren. Idee ist $x^5 = x^4 \cdot x^1 = x^2 \cdot x^2 \cdot x^1$. Nun wird $k$ in binär umgewandelt - aus 1 mache "quadrieren und multiplizieren" und aus 0 mache "quadrieren" - wobei das erste x gestrichen wird und durch x ersetz wird, da Binärdarstellung immer mit 1 beginnt.

Beispiel: $7^{23}$
$23_{dez} = 10111_{bin}$ ergibt Q&M, Q, Q&M, Q&M, Q&M und nach dem Streichen x, Q, Q&M, Q&M, Q&M.

$x \xrightarrow{Q} x^2 \xrightarrow{Q} x^4 \xrightarrow{M} x^5 \xrightarrow{Q} x^{10} \xrightarrow{M} x^{11} \xrightarrow{Q} x^{22} \xrightarrow{M} x^{23}$

Diffie-Hellman

  • Geheime Zufallszahlen $a$ und $b$ werden gewählt.
  • Client wählt Zufallszahl $a, 1 \leq a \leq p-1$ und berechnet $A = g^a \mod p$.
  • Server wählt Zufallszahl $b, 1 \leq b \leq p-1$ und berechnet $B = g^b \mod p$.
  • Gegenseitiges Zusenden von $A$ und $B$.
  • Client berechnet $K = B^a \mod p$.
  • Server berechnet $K = A^b \mod p$.
  • Beide haben nun den gleichen Schlüssel $K$, da
    • $K = B^a \mod p = (g^b \mod p)^a \mod p = g^{ba} \mod p$ und
    • $K = A^b \mod p = (g^a \mod p)^b \mod p = g^{ab} \mod p$.
  • $K$ ist der gemeinsame Schlüssel.

asymmetrische Kryptographie

Zum Beispiel RSA (Rivest, Shamir, Adleman, 1977) oder ElGamal (1985).

RSA
Beim RSA-Verfahren wird wie folgt vorgegangen.

  • Wähle zwei zufällige Primzahlen $p$ und $q$.
  • Der Public-Key setzt sich auch dem Zahlenpaar $(e,N)$ zusammen.
  • Der Private-Key setzt sich aus dem Zahlenpaar $(d,N)$ zusammen.

Grundidee ist, dass es sehr aufwendig ist, große Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen. Als Beispiel für einen Public Key wählt man

  • $p = 11$ und $q = 13$.
  • $N = p \cdot q = 11 \cdot 13 = 143$.
  • $\varphi(N) = (p-1) \cdot (q-1) = 10 \cdot 12 = 120$.
  • Nun wird $e = 23$ gewählt.
  • Der Public Key ist $(e,N) = (23,143)$.

Beim Private Key wird ähnlich vorgegangen.

  • $p=11$ und $q=13$ plus $N=143$ und $e=23$.
  • Nun wird $d$ wiefolgt berechnet:
    • $e \cdot d + k \ cdot \varphi(N) = 1$.
    • $23 \cdot d + k \cdot 120 = 1$.
    • $23 \cdot 47 + (-9) \cdot 120 = 1$.
    • $d = 47$.
  • Der Private Key ist $(d,N) = (47,143)$.

Verschlüsselt wird nun mit dem Chiffrat $C$ und Klartext $K$.

  • $K = 7$ als Beispiel
  • $e=23$ und $N=143$.
  • $C = K^e \mod N = 7^{23} \mod 143 = 2$.

Und entschlüsselt wird ebenso mit dem Chiffrat $C$ und Klartext $K$.

  • $C = 2$ als Beispiel von oben.
  • $d=47$ und $N=143$.
  • $K = C^d \mod N = 2^{47} \mod 143 = 7$.

Elliptic Curve

Vorteile
Bei der assymetrischen Kryptographie ist der Schlüsselaustausch sicher, da der Private Key nicht übertragen werden muss.

Nachteile
Sehr rechenintensiv und längere Schlüssel nötig als bei der symmetrischen Kryptographie (bei gleicher Sicherheit).

hybride Verschlüsselung

Das Problem bei symmetrischer Kryptographie ist der Schlüsselaustausch - bei dem Gegenstück die aufwendige Berechnung.

Lösungsidee

  • Erzeuge zufälligen, symmetrischen Sitzungsschlüssel $S$.
  • Verschlüssele Nachricht $M$ mit $S$ symmetrisch, also $C_M = enc_{sym}(M,S)$.
  • Verschlüssele $S$ asymmetrisch an Public-Key $K_pub$ des Empfängers, also $C_S = enc_{asym}(S,K_pub)$.
  • Sende $(C_M,C_S)$ an Empfänger, der dann
    • $S = dec_{asym}(C_S,K_priv)$ und
    • $M = dec_{sym}(C_M,S)$ berechnet.

Integrität

Ziel ist das Nachweisen von Veränderungen an Daten.

Hashfunktion
Die Idee der Hash-Funktion ist es, eine Menge $M$ auf $M'$ abzubilden, wobei in der Regel $|M| &gt; |M'|$ gilt. Bekannte Hash-Funktionen sind zum Beispiel SHA, SHA256, SHA512 oder MD5.

  • Nachricht N = Hello World
  • H = MD5(N) = b10a8db164e0754105b7a99be72e3fe5
  • Sende N und H
  • Angreifer manipuliert N zu N' = Hallo Welt udn berechnet neuen Hash H' = 5c372a32c9ae748a4c040ebadc51a829
  • Leitet N' und H' weiter
  • Wie kann der Empfänger nun feststellen, dass N manipuliert wurde?

Signatur
Die Idee der Signatur ist es, eine Nachricht N mit einem Private-Key K_priv zu signieren und mit dem Public-Key K_pub zu verifizieren.

  • Sender
    • Nachricht N, Hash H=hash(N)
    • Signatur S=enc(N,K_priv)
  • senden von N und S
  • Empfänger
    • hash(N)
    • dec(S,K_pub)
    • Nachricht unverändert, wenn hash(N) = dec(S,K_pub)

Denn $K_{pub} muss zu K_{priv} passen, den nur der Sender kennt!

Authentiizität

Ziel ist das Nachweisen der Identität eines Kommunikationspartners - mit Zertifikaten vertrauenswürdiger Herausgeber (Root-CA) oder Signatur.

SSL/TLS
Authentifiziert den Server und ggf auch die Clients, stellt Integrität der Datenübertragung und vertrauliche Kommunikation sicher - Grundidee ist

  • Generierung zufälliger symmetrischer Schlüssel
  • AUstausch mit asymmetrischer Verschlüsselung
  • Kommunikation mit symmetrischer Verschlüsselung

Netzwerksicherheit

Angegriffen werden kann unter anderem die Datenübertragung (belauschen, unterdrücken oder manipulieren) sowie die Verfügbarkeit eines Systems - auch Reconnaisanve (Datensammlung) ist relevant.

Social Engineering

Ziel ist es Informationen zu sammeln, um an Daten zu kommen - einen Einstieg zu finden.

Erreichbarkeit
Mit ping kann die Erreichbarkeit von Systemen getestet werden, oder portscan um offene Ports zu finden.

Netzinfrastruktur
Mit traceroute kann die Netzinfrastruktur ermittelt werden, also über welche Server die Datenpakete laufen.

Dienste
Die angebotenen Dienste können mit portscan analysiert werden, um Schwachstellen zu finden.

Versionen
Verwendete Versionen können mittels Connect Scan oder Version Scan ermittelt werden.

Betriebssystem
Durch Fingerprints kann das verwendete Betriebssystem ermittelt werden.

Hintergrundwissen

Handshake
Ein Verfahren zum Aufbau verlustfreier Datenübertragung zwischen 2 Instanzen ist der 3-Way-Handshake.

sequenceDiagram
    participant HostA
    participant HostB

    Note over HostA, HostB: SYN (Synchronize)

    HostA->>HostB: SYN
    Note over HostB: SYN received

    HostB->>HostA: SYN, ACK
    Note over HostA: SYN-ACK received

    HostA->>HostB: ACK
    Note over HostB: Connection established
Loading
GIF von Wikipedia

Auch möglich ist ein 4-Way-Handshake mit FIN (Finish).

sequenceDiagram
    participant HostA
    participant HostB

    Note over HostA, HostB: FIN (Finish)

    HostA->>HostB: FIN
    Note over HostB: FIN received

    HostB->>HostA: ACK
    Note over HostA: ACK received

    HostB->>HostA: FIN
    Note over HostA: FIN received

    HostA->>HostB: ACK
    Note over HostB: ACK received
Loading

SYN-Scan
Mit nmap kann ein SYN-Scan durchgeführt werden, um offene Ports zu finden.

SYN-Scan

Nun weiß der Angreifer, dass der Port offen und erreichtbar ist.

Diagramm 
sequenceDiagram
    participant Attacker
    participant Host

    Note over Attacker, Host: SYN-Scan

    Attacker->>Host: SYN
    Note over Host: SYN received

    Host->>Attacker: SYN, ACK
    Note over Attacker: SYN-ACK received

    Attacker->>Host: RST
    Note over Host: RST received
Loading

Der Host sendet ein RST, falls der Port geschlossen ist. Falls keine Antwort kommt, ist der Port gefiltert.

root@user:~# nmap ip.of.fb -sS
Starting Nmap 7.93 ( https://nmap.org ) at 2023-04-11 18:09 CEST
Nmap scan report for 192.0.2.1
Host is up (0.0045s latency).
Not shown: 995 closed tcp ports (reset)
PORT     STATE SERVICE            VERSION
53/tcp   open  domain             NLnet Labs NSD
80/tcp   open  http               FRITZ!Box http config
443/tcp  open  ssl/http           FRITZ!Box http config
5060/tcp open  sip                AVM FRITZ!OS SIP
8181/tcp open  intermapper?

TRACEROUTE (using port 110/tcp)
HOP RTT      ADDRESS
1   1.07 ms  Surface-Pro-8 (172.23.124.2)
2   22.39 ms 192.168.178.1

AC Address: 1C:ED:6F:xx:xx:xx (AVM Audiovisuelles Marketing und Computersysteme GmbH)
Device type: general purpose
Running: Linux 3.X|4.X
OS CPE: cpe:/o:linux:linux_kernel:3
       cpe:/o:linux:linux_kernel:4
OS details: Linux 3.2 - 4.9
Network Distance: 1 hop
Service Info: Devices: broadband router, VoIP adapter

Tarnen & Täuschen
ne bye