Smartcard Based Authentication

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TODO: -CRL
-Smartcard entsperren
-Kann der User seine PIN ändern?

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

+----------------------------------------+
|           Applikation (z.B. PAM)       |
+------------------pkcs11----------------+
|             OpenSC (PKCS#11)           |
+-----------------PC/SC------------------+
|               PC-SC-Lite               |
+---------------ifdhandler---------------+
|          Treiber (z.B. omnikey)        |
+----------------------------------------+
|              Linux-Kernel              |
+----------------------------------------+

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 Hierarchie. An der Spitze steht die Root-CA, 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. Auf diese Weise bilden sich sogenannte Chains of Trust.

Was wird gebraucht?

Hardware

Software

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

Wenn das Login funktioniert debug auf false setzen

Skripte

makeca.sh

#!/bin/sh
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/

makeclient.sh

#!/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

writecard.sh

#!/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

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
Cryptoki Cryptographic Token Interface
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

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