Smartcard Based Authentication

TODO: -CRL
-Smartcard entsperren
-Was passiert genau beim Login: loginmodul vergleicht pubkey? signiert SC Zufallszahl?

Lizenz
Copyright (c) Esther Fuhrmann, Carsten Krüger, Henryk Plötz
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Einleitung

Es gibt viele Anwendungsfälle, bei denen man sich authentifizieren muss, zum Beispiel gegenüber Webseiten oder Rechnern. Dabei kommen meist Kombinationen aus Nutzername und Passwort zum Einsatz. Dieses Verfahren bietet zahlreiche Angriffspunkte: schwache Passwörter können schnell erraten werden, Nutzer schreiben ihre Passwörter auf Zettel, die an den Monitor geklebt werden usw. Smartcards umgehen viele dieser Probleme, da sie die Authentifizierung per Passwort durch ein zertifikatsbasiertes Anmeldeverfahren ersetzen können. Dadurch braucht man nicht mehr viele verschiedene Passwörter, sondern nur noch eine Karte und eine PIN. Außerdem kann eine Smartcard im Gegensatz zu einem Passwort oder einem Fingerabdruck nicht, oder nur mit sehr großem Aufwand, kopiert werden, so dass ein Verlust des Authentifizierungsmerkmals dem Benutzer sofort auffällt.

Hintergründe

Überblick über den Software-Stack

ASCII-Version

Was ist PAM?

Ein PAM kapselt die Authentifizierung und stellt Applikationen (z.B. login, ftpd, screensaver) eine einheitliche Schnittstelle bereit, so dass man die Authentifizierungsmethode (z.B. Passwort, Biometrie, Smartcard) flexibel auswechseln kann, ohne dass Applikationen daran angepasst werden müssen.
Für jede Applikation bestimmt eine Konfigurationsdatei in /etc/pam.d/, welche Authentifizierungsmethoden sie akzeptiert. Die Konfigurationsdateien enthalten mindestens 3 Spalten. In der ersten steht der Modultyp (auth, account, password, session), in der zweiten steht die Modulsteuerung (required, requisite, sufficient, optional) und in der dritten der Name des Moduls. Es können weitere Spalten mit Modulparametern folgen.

Was ist OpenSC?

OpenSC ist eine Sammlung von Bibliotheken, die der Kommunikation mit Smartcards dient. Unter anderem werden die Standards PKCS#11 (Cryptoki) und PKCS#15 implementiert.

Was ist PKCS#11?

PKCS#11 ist ein Standard, der eine Programmierschnittstelle für Security Tokens wie z.B. Smartcards definiert.
Aus Sicht von PKCS#11 ist solch ein Token ein Gerät, das Objekte speichert und darauf kryptografische Funktionen ausführen kann. Solche Objekte können Daten, Zertifikate oder Schlüssel sein und Objekte können privat oder öffentlich sein.

2 Arten von Nutzern können mit den Token umgehen, der normale Nutzer und der sogenannte Security Officer (SO). Der normale Benutzer ist der, der die Karte benutzen soll, nur er hat z.B. Zugriff auf private Objekte. Der SO ist für die Initialisierung der Karte zuständig und hat nur Zugriff auf öffentliche Objekte.
Applikationen kommunizieren mit dem Token über Sessions, wobei es sowohl read/write-Sessions als auch read-only-Sessions gibt. Eine Session kann sich als SO oder Nutzer einloggen und je nach Berechtigung Objekte lesen, erzeugen oder manipulieren oder sie kann kryptografische Operationen ausführen. Die Applikation führt den Zugriff auf das Token über Handles (vergleichbar Filehandles) aus, wobei man Session-Handles, die die jeweilige Session identifizieren, und Object-Handles, mit denen man auf Objekte zugreifen kann, unterscheidet. Eine Applikation kann gleichzeitig mehrere Sessions für ein Token offen haben, wobei diese sich immer im gleichen Zustand befinden (z.B. alle public, user oder SO). Man kann Objekte so markieren, dass man sie nicht mehr von der Karte exportieren kann (z.B. den privaten Schlüssel).

Was ist PKCS#12?

PKCS#12 ist ein Containerformat, mit dem man Zertifikate und Schlüssel in eine Datei bringen kann, um diese dann zum Beispiel auf eine Smartcard oder ein Backupmedium zu kopieren.

Was ist PKCS#15?

PKCS#15 ist ein Standard, der definiert, wie man Zertifikate, Schlüssel und andere Daten auf Smartcards speichert.

Was ist PCSC-Lite?

PCSC-Lite ist eine Implementierung von PC/SC. PC/SC abstrahiert den Card Reader, so dass eine Applikation, die auf einen Card Reader zugreifen will, dessen Details nicht kennen muss.

Was ist ein IFD-Handler?

Der IFD-Handler ist eine Low-Level-Software, die den Zugriff auf die I/O-Channels des Smart Card Readers unterstützt.

Was sind CA?

Eine CA (Certification Authority) ist eine Stelle, die digitale Zertifikate ausstellt. Ein solches Zertifikat ist eine durch die digitale Signatur der CA beglaubigte Zuordnung von einem öffentlichen Schlüssel zu einer Person oder Organisation.
Dabei bilden verschiedene CAs eine baumartige Hierarchie. Die Root-CA bildet die Wurzel, die ihr Zertifikat als einzige Stelle selbst signiert, da es keine übergeordnete Stelle gibt. Für die CAs auf den Stufen darunter signiert jeweils die nächsthöhere Stelle das CA-Zertifikat. Die Blätter des Baums bilden die Nutzerzertifikate, die ihrerseits keine Zertifikate mehr ausstellen können. Auf diese Weise bilden sich sogenannte Chains of Trust.

Was passiert beim Login?

1. pam_modul sucht nach Smartcard
2. PIN wird an Karte übergeben (Login auf Karte)
3. Privatekey wird gesucht
4. X509 Zertifikat wird gesucht
5. Zertifikat wird verifiziert
6. prüfen auf zurückgezogenes Zertifikat
7. Mapping von Zertifikat auf User
8. auf dem PC wird eine 128 Byte Zufallszahl erzeugt (diese wird gehashed)
9. die Karte signiert den Hash
10. Die Signatur wird durch den PC verifiziert
11. Logout auf Karte

Was wird gebraucht?

Hardware

• Cardreader (z.B. Omnikey Cardman 2020 USB, http://www.omnikey.com/)
• Smartcard (z.B. Schlumberger Cryptoflex 32k e-gate, http://www.axalto.com/)

Software

• SuSE 9.3 Professional
  http://www.novell.com/products/linuxprofessional/downloads/ftp/germ_mirrors.html
• Treiber (Kernelmodul) für den SmartCard Reader
  http://www.omnikey.com/ - Support - Downloads
• PCSC-Lite 1.2.9 Beta 6 (schon enthalten)
• OpenCT 0.6.2-4 (schon enthalten)
• OpenSC 0.9.6 (das bei SuSE 9.3 enthaltene OpenSC 0.9.4-4 ist kaputt)
  http://www.opensc.org/download.php
• pam_PKCS11
  http://www.opensc.org/pam_pkcs11/
  • pam-devel (schon enthalten)
  • openldap2-devel (schon enthalten)
• openssl 0.9.7e-3 (schon enthalten)
• openssl-devel 0.9.7e-3

• Apt for SuSE (nicht notwendig, aber sehr praktisch)
  http://linux01.gwdg.de/apt4rpm/
• stow (nicht notwendig, aber sehr praktisch)
  http://www.gnu.org/software/stow/stow.html

Installation

SuSE

1. SuSE 9.3 Standard-System mit KDE, C/C++ Compiler (komplett), kernel-sources, Erfahrener Benutzer (komplett)
2. Onlineupdate
3. Reboot (wg. Kernelupdate)

apt4suse

cd
wget http://linux01.gwdg.de/~scorot/install-apt4suse.rpm
rpm -Uvh install-apt4suse.rpm
install-apt4suse

stow

Da wir keine aktuellen RPMs von OpenSC und pam_PKCS11 für SuSE gefunden haben und es uns auch nicht gelungen ist welche zu erzeugen, benutzten wir im folgenden Stow:

GNU Stow is a program for managing the installation of software packages, keeping them separate (/usr/local/stow/emacs vs. /usr/local/stow/perl, for example) while making them appear to be installed in the same place (/usr/local).[1]

apt-get install stow
mkdir /usr/local/stow

omnikey

• Download: http://www.omnikey.com/ - Support - Downloads
• Installation mit Parameter --nopcscd, da die Prüfung, ob PCSC schon enthalten ist, bei beta6 fehlschlägt

cd
tar xfz cm2020_installer_v2_4_0_src.tar.gz
cd cm2020_installer_v2_4_0_src
./install --nopcscd
ln -s /usr/local/pcsc/drivers/ifd-cm2020.bundle/ /usr/lib/readers/
mknod /dev/usb/cm0 c 180 224

opensc

apt-get install openssl-devel pam-devel openldap2-devel 
cd
wget http://www.opensc.org/files/opensc-0.9.6.tar.gz
tar xfz opensc-0.9.6.tar.gz
cd opensc-0.9.6
./configure --prefix=/usr/local/stow/opensc-0.9.6
make
make install
cp etc/opensc.conf /etc/opensc.conf
cd /usr/local/stow/
stow opensc-0.9.6
mkdir /usr/local/stow/opensc-0.9.6/etc
ln -s --backup /etc/opensc.conf /usr/local/stow/opensc-0.9.6/etc/opensc.conf

Pfad in /etc/opensc.conf wie folgt anpassen:

profile_dir = /usr/local/share/opensc

openssl

mkdir /etc/openssl /etc/openssl/certs /etc/openssl/crl /etc/openssl/private /etc/openssl/pkcs12
chmod 700 /etc/openssl/private/ /etc/openssl/pkcs12/

die Datei /etc/ssl/openssl.cnf anpassen

[ CA_default ]
dir = /etc/openssl

[ req ]
req_extensions = v3_req

[ v3_req ]
basicConstraints = critical,CA:FALSE

pam_PKCS11

cd
wget http://www.dit.upm.es/~jantonio/pam-pkcs11/downloads/pkcs11_login-0.5.1.tar.gz
tar xfz pkcs11_login-0.5.1.tar.gz
cd pkcs11_login-0.5.1
./configure --prefix=/usr/local/stow/pkcs11_login-0.5.1
make
make install
mkdir /etc/pkcs11
cp etc/pam_pkcs11.conf.example /etc/pkcs11/pam_pkcs11.conf
cd /usr/local/stow/
stow pkcs11_login-0.5.1

pam_pkcs11.conf editieren und alle Pfade anpassen: /usr/ -> /usr/local/

use_first_pass = true;
ca_dir = /etc/openssl

Debugging:
wenig Debug:
/etc/pkcs11/pam_pkcs11.conf

debug = true

starkes Debug:
/etc/pkcs11/pam_pkcs11.conf

  pkcs11_module opensc {
    #module = /usr/local/lib/pkcs11/opensc-pkcs11.so;
    module = /usr/local/lib/pkcs11/pkcs11-spy.so;
    .
    .
    .

/etc/opensc.conf

app pkcs11-spy {
        spy {
                output = /root/pkcs11-spy.log;
                module = /usr/lib/pkcs11/opensc-pkcs11.so;
        }
}

Skripte

Die folgenden Skripte erzeugen eine CA bzw. Clientzertifikate und schreiben letztere auf die Karte. Die privaten Schlüssel und die CSRs könnten auch direkt auf den Karten generiert werden, bei unseren Tests hängte sich aber das komplette System auf. Auf den Rechnern an denen man sich anmelden will muss und sollte nur das cacert vorhanden sein.

makeca.sh

Code

#!/bin/sh
echo "Lösche /etcopenssl ..."
rm -rf /etc/openssl
echo "Erzeuge Verzeichnisse..."
mkdir /etc/openssl
cd /etc/openssl
mkdir certs crl private pkcs12 
chmod 700 private/
chmod 700 pkcs12/
echo "Erzeuge CAkey..."
openssl genrsa -aes256 -out private/cakey.pem 2048
echo "Erzeuge CAcert..."
openssl req -new -x509 -days 3650 -key private/cakey.pem -out cacert.pem -set_serial 1 \
  -subj '/C=DE/ST=Berlin/L=Berlin/O=Humboldt-Universitaet zu Berlin/OU=Informatik/OU=ca-test/CN=ca'
touch index.txt 
echo 01 > serial
make_hash_link.sh /etc/openssl/

Erläuterung

openssl genrsa -aes256 -out private/cakey.pem 2048

genrsa generiert einen privaten RSA-Schlüssel
-aes256 verschlüsselt den Schlüssel mit AES 256 Bit
-out schreibt den Schlüssel in eine Datei
2048 ist die Größe des Schlüssels in Bit

openssl req -new -x509 -days 3650 -key private/cakey.pem -out cacert.pem -set_serial 1 \
  -subj '/C=DE/ST=Berlin/L=Berlin/O=Humboldt-Universitaet zu Berlin/OU=Informatik/OU=ca-test/CN=ca'

req stellt einen Request für ein Zertifikat
-new zeigt an, dass es sich um einen Request für ein neues Zertifikat handelt
-x509 sorgt dafür, dass statt einem Request ein selbstsigniertes Zertifikat erzeugt wird
-days Gültigkeit des Zertifikats in Tagen
-key der Schlüssel, mit dem das Zertifikat signiert wird
-out Datei, in die das Zertifikat geschrieben wird
-set_serial Seriennummer für das Zertifikat
-subj Subject für das Zertifikat

makeclient.sh

Code

#!/bin/sh
if [ "x"$1 == "x" ]; then
 echo "Bitte einen Clientparameter angeben."
else
 cd /etc/openssl
 echo "Erzeuge Client-Key und CSR..."
 openssl req -new -newkey rsa:1024 -out certs/${1}csr.pem -nodes -keyout private/${1}key.pem \
   -days 365 -subj \
   '/C=DE/ST=Berlin/L=Berlin/O=Humboldt-Universitaet zu Berlin/OU=Informatik/OU=ca-test CN='${1}
 echo "Erzeuge Client-Cert..."
 openssl x509 -req -in certs/${1}csr.pem -out certs/${1}cert.pem -CA cacert.pem \
   -CAkey private/cakey.pem -CAserial /etc/openssl/serial
 rm certs/${1}csr.pem
 echo "PKCS#12-File erzeugen..."
 openssl pkcs12 -export -chain -out pkcs12/${1}.pkcs12 -in certs/${1}cert.pem \
   -inkey private/${1}key.pem -CAfile cacert.pem -passout pass:
fi

Erläuterung

openssl req -new -newkey rsa:1024 -out certs/${1}csr.pem -nodes -keyout private/${1}key.pem \
   -days 365 -subj \
   '/C=DE/ST=Berlin/L=Berlin/O=Humboldt-Universitaet zu Berlin/OU=Informatik/OU=ca-test CN='${1}

-newkey erzeugt einen neuen privaten Schlüssel
-nodes erzeugten Schlüssel nicht asymmetrisch verschlüsseln
-keyout Datei, in die der neu erzeugte Schlüssel geschrieben wird

openssl x509 -req -in certs/${1}csr.pem -out certs/${1}cert.pem -CA cacert.pem \
   -CAkey private/cakey.pem -CAserial /etc/openssl/serial

x509 erzeugt ein Zertifikat gemäß Standard x509
-req gibt an, dass man einen bestehenden Request angibt, der signiert und ausgegeben werden soll
-in gibt den zu signierenden Request an
-out Datei, in die das erzeugte Zertifikat ausgegeben werden soll
-CA Zertifikat der CA, die das Zertifikat signiert
-CA Schlüssel der CA, die das Zertifikat signiert
-CAserial Seriennummerndatei

openssl pkcs12 -export -chain -out pkcs12/${1}.pkcs12 -in certs/${1}cert.pem \
   -inkey private/${1}key.pem -CAfile cacert.pem -passout pass:

pkcs12 erstellt eine Datei nach Standard PKCS#12
-export gibt an, dass eine PKCS#12-Datei erzeugt werden soll (und nicht nur geparst)
-chain es wird versucht, die gesamte Zertifikatskette einzubinden
-out Dateiname für die PKCS#12-Datei
-in Zertifikat, dass in den PKCS#12-Container geschrieben werden soll
-inkey privater Schlüssel, der in den PKCS#12-Container geschrieben werden soll
-CAfile CA-Zertifikat, das in den PKCS#12-Container geschrieben werden soll
-passout Passphrase, mit der ausgegebene private Schlüssel verschlüsselt werden

writecard.sh

Code

#!/bin/sh
if [ "x"$1 == "x" ] || [ "x"$2 == "x" ]; then
 echo "usage: ./writecard.sh <username> <pin>"
 echo
else
 cd /etc/openssl	
 echo "Karte loeschen und neu anlegen..."
 pkcs15-init -E -C -p pkcs15+onepin --pin ${2} --puk 4321 -T
 echo "Daten auf Karte uebertragen..."
 pkcs15-init -S pkcs12/${1}.pkcs12 -f PKCS12 -a 1 --pin ${2} -T
fi

Erläuterung

pkcs15-init -E -C -p pkcs15+onepin --pin ${2} --puk 4321 -T

-E Smartcard löschen
-C bewirkt, dass auf der Smartcard eine PKCS#15-Struktur angelegt wird
-p angeben eines Profils
-pin PIN für die Smartcard
-puk PUK für die Smartcard
-T verwende Standard Transport Key

pkcs15-init -S pkcs12/${1}.pkcs12 -f PKCS12 -a 1 --pin ${2} -T

-S lädt angegebenen privaten Schlüssel auf die Smartcard
-f gibt das Key File Format an
-a gibt die ID der zu erzeugenden PIN an

changepin.sh

Code

#!/bin/sh
pkcs15-tool --change-pin

Erläuterung

selbsterklärend

pam

/etc/pam.d/login und /etc/pam.d/xdm editieren am Anfang folgende 2 Zeilen einfügen

auth sufficient pam_unix2.so
auth sufficient pam_pkcs11.so

und Ende folgende Zeile einfügen

auth required pam_deny.so

Glossar

CA

Certification Authority, Zertifizierungsstelle

CRL

Certificate Revocation List

Cryptoki

Cryptographic Token Interface

CSR

Certificate Signing Request

ICC

Integrated Circuit Card, z.B. Smartcard

IDF

Interface Device, z.B. Smart Card Reader

PAM

Pluggable Authentication Module

PC/SC

Personal computer/Smart Card

PKCS

Public-Key Cryptography Standards

Quellen

RSA-Labs - PKCS
PKCS #11: Cryptographic Token Interface Standard
PKCS #12: Personal Information Exchange Syntax Standard
PKCS #15: Cryptographic Token Information Format Standard
OpenSC
OpenSSL
Gemplus (PC/SC)
PC/SC Workgroup

GNU Free Documentation License

http://www.gnu.org/licenses/fdl.html