FIPS 140-3-Sicherheitsanforderungen für kryptografische Module

FIPS 140-3 ist ein US-Regierungsstandard, der Sicherheitsanforderungen für kryptografische Module, einschließlich Hardware- und Softwarekomponenten, festlegt. Diese Sicherheitsanforderungen sollen sicherstellen, dass kryptografische Module ein Mindestmaß an Sicherheit zum Schutz vertraulicher Informationen und Transaktionen bieten.

Zu den wichtigsten Sicherheitsanforderungen von FIPS 140-3 gehören unter anderem:

1. Spezifikation des kryptografischen Moduls

   Eine detaillierte Spezifikation des kryptografischen Moduls, einschließlich seiner physischen und logischen Grenzen, Schnittstellen und Sicherheitsfunktionen.

2. Rollen und Dienste

   Eine Definition der vom kryptografischen Modul bereitgestellten Rollen und Dienste, einschließlich Schlüsselverwaltung, Verschlüsselungund Authentifizierung.

3. Kryptographische Algorithmen

   Eine Liste genehmigter kryptografischer Algorithmen, die vom kryptografischen Modul verwendet werden können, zusammen mit spezifischen Anforderungen an Schlüssellänge, Blockgröße und andere Parameter.

4. Schlüsselverwaltung

   Anforderungen zum Generieren, Speichern und Schützen kryptografischer Schlüssel, einschließlich der Verwaltung und Vernichtung des Schlüssellebenszyklus.

5. Physische Sicherheit

   Anforderungen an physische Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz des kryptografischen Moduls vor unbefugtem Zugriff, Manipulation und Diebstahl.

6. Logische Sicherheit

   Anforderungen an logische Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz des kryptografischen Moduls vor Angriffen wie Malware, Seitenkanalangriffen und unbefugtem Zugriff.

7. Sicherheitstests und -validierung

   Anforderungen zum Testen und Validieren der Sicherheit des kryptografischen Moduls, einschließlich Schwachstellentests, Penetrationstests und Konformitätstests.

Allgemeine Anforderungen für jede Ebene von FIPS 140-3

Die folgende Tabelle erläutert die allgemeinen Anforderungen für jede Stufe von FIPS 140-3

Allgemeine Anforderungen
Level 1	Level 2	Level 3	Level 4
Das kryptografische Modul muss einen zugelassenen Algorithmus verwenden und den Algorithmus korrekt implementieren. Das Modul muss über physische Sicherheitsmechanismen verfügen, um unbefugten Zugriff zu verhindern. Das Modul muss über einen Einschalt-Selbsttest verfügen, um sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert.	Alle Anforderungen für Level 1, plus: Das Modul muss über zusätzliche physische Sicherheitsmechanismen verfügen, um unbefugten Zugriff zu erkennen und darauf zu reagieren Das Modul muss über ein rollenbasiertes Authentifizierungssystem verfügen, um den Zugriff ausschließlich auf autorisierte Benutzer zu beschränken. Das Modul muss über einen Manipulationsschutzmechanismus verfügen, um zu erkennen, ob es manipuliert wurde.	Alle Anforderungen für Level 2, plus: Das Modul muss über physische Sicherheitsmechanismen verfügen, um unbefugte Änderungen an der Firmware oder Software des Moduls zu verhindern. Das Modul muss über einen vertrauenswürdigen Pfad für vertrauliche Daten verfügen, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Komponenten Daten verarbeiten. Das Modul muss über einen Mechanismus zum Erkennen und Reagieren auf Umwelteinflüsse wie Temperatur- oder Spannungsschwankungen verfügen.	Alle Anforderungen für Level 3, plus: Das Modul muss über physische Sicherheitsmechanismen verfügen, um vor den raffiniertesten Angriffen, einschließlich invasiver und nicht-invasiver Angriffe, zu schützen. Das Modul muss über ein äußerst sicheres Design und eine sichere Implementierung ohne bekannte Schwachstellen verfügen. Das Modul muss resistent gegen Seitenkanalangriffe sein. Dabei handelt es sich um Angriffe, bei denen Informationen ausgenutzt werden, die während des normalen Betriebs des Moduls durchsickern.

Tabelle 1: Allgemeine Anforderungen von FIPS 140-3 für jede Ebene

Dies sind die allgemeinen Anforderungen für jede Stufe von FIPS 140-3. Es gibt jedoch viele spezifische Anforderungen für jede Stufe, und die Anforderungen für jede Stufe sind recht detailliert. Der Standard soll einen Rahmen für die Bewertung und Zertifizierung der Sicherheit kryptografischer Module bieten. Die spezifischen Anforderungen für jede Stufe sollen sicherstellen, dass das Modul ein gewisses Maß an Schutz vor verschiedenen Angriffen bietet.

FIPS 140-3 Sicherheitsanforderungen für jede Ebene

FIPS 140-3 ist ein Sicherheitsstandard, der die Anforderungen an kryptografische Module zum Schutz sensibler Daten definiert.

FIPS 140-3 Stufe 1

Level 1 von FIPS 140-3 bietet die niedrigste Sicherheitsstufe und ist für den Einsatz in Anwendungen mit geringem Risiko vorgesehen. Die Sicherheitsanforderungen für Level 1 lauten wie folgt:

1. Spezifikation des kryptografischen Moduls

   Das Modul muss über eine präzise Spezifikation verfügen, die seine kryptografischen Funktionen, Schnittstellen und Protokolle beschreibt.

2. Rollen, Dienste und Authentifizierung

   Das Modul muss die für einen sicheren Betrieb erforderlichen Rollen, Dienste und Authentifizierungsmechanismen definieren.

3. Physische Sicherheit

   Das Modul muss über physische Sicherheitsvorkehrungen zum Schutz vor unbefugtem Zugriff, Diebstahl oder Manipulation verfügen

4. Designsicherheit

   Das Modul muss einen umfassenden Designprozess durchlaufen haben, einschließlich Sicherheitsanalyse und -tests.

5. Abwehr von Angriffen

   Das Modul muss über Maßnahmen zur Verhinderung oder Abschwächung von Angriffen verfügen, beispielsweise über Software- oder Hardware-Gegenmaßnahmen

6. Selbsttests

   Das Modul muss Selbsttests durchführen, um seine ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen und Manipulationsversuche zu erkennen

7. Umweltgestaltung

   Das Modul muss für den Betrieb unter verschiedenen Umgebungsbedingungen ausgelegt sein, darunter Temperatur, Feuchtigkeit und elektromagnetische Störungen.

8. Kryptografische Schlüsselverwaltung

   Das Modul muss über sichere Schlüsselverwaltung Prozesse, um sicherzustellen, dass kryptografische Schlüssel sicher generiert, gespeichert und verwendet werden.

FIPS 140-3 Stufe 2

Level 2 des FIPS 140-3-Standards beschreibt die Sicherheitsanforderungen für ein kryptografisches Modul, das ein moderates Sicherheitsniveau bietet. Im Folgenden sind die spezifischen Sicherheitsanforderungen für ein kryptografisches Modul aufgeführt, um FIPS 140-3 Level 2 zu erreichen.

1. Physische Sicherheit

   Das Modul muss physisch vor unbefugtem Zugriff, Manipulation und Diebstahl geschützt sein. Es sollte so konstruiert sein, dass es Umweltgefahren wie Feuer, Wasser und elektromagnetischen Störungen standhält.

2. Kryptografische Schlüsselverwaltung

   Das Modul muss über leistungsstarke Schlüsselverwaltungsmechanismen verfügen, die die Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit kryptografischer Schlüssel gewährleisten. Das Modul sollte die Schlüssel vor unbefugtem Zugriff, Änderung und Zerstörung schützen.

3. Authentifizierung und Zugriffskontrolle

   Das Modul muss Benutzer authentifizieren und den Zugriff ausschließlich autorisierten Benutzern erlauben. Es sollte über strenge Kennwortrichtlinien und Mechanismen verfügen, um Brute-Force-Angriffe zu verhindern.

4. Überwachungsprotokollierung und -berichterstattung

   Das Modul muss alle sicherheitsrelevanten Ereignisse protokollieren und autorisierten Benutzern Berichte bereitstellen. Das Modul sollte außerdem über Mechanismen zum Schutz der Prüfprotokolle vor Manipulation oder Zerstörung verfügen.

5. Software-Sicherheit

   Das Modul muss mit sicheren Softwarepraktiken entwickelt werden, die das Risiko von Sicherheitslücken minimieren. Die Software sollte auf Sicherheitslücken und Schwachstellen getestet und regelmäßig mit Sicherheitsupdates und Patches versehen werden.

6. Kommunikationssicherheit

   Das Modul muss sichere Kommunikationsprotokolle und Verschlüsselung verwenden, um die Daten während der Übertragung zu schützen. Das Modul sollte außerdem über Mechanismen verfügen, die den unbefugten Zugriff auf über Netzwerke übertragene Daten verhindern.

7. Kryptographische Algorithmen

   Das Modul muss anerkannte kryptografische Algorithmen und Standards verwenden, die NIST validiert hat. Das Modul sollte außerdem über Mechanismen verfügen, die die Verwendung schwacher oder veralteter kryptografischer Algorithmen verhindern.

FIPS 140-3 Stufe 3

Level 3 des FIPS 140-3-Standards schützt vor unbefugtem Zugriff auf kryptografische Module und vertraulichen Informationen. Es handelt sich um die dritthöchste Stufe von FIPS 140-3. Die Sicherheitsanforderungen für Level 3 sind:

1. Physische Sicherheit

   Das kryptografische Modul muss physisch vor unbefugtem Zugriff, Manipulation, Diebstahl und Beschädigung geschützt sein. Das Modul muss außerdem so konzipiert sein, dass es physischen Angriffen wie Bohren, Schneiden und Sondieren standhält. Das Modul muss sich in einer sicheren Einrichtung mit Zugangskontrollen, Videoüberwachung und Einbruchmeldesystemen befinden.

2. Verwaltung kryptografischer Schlüssel

   Das kryptografische Modul muss über ein leistungsstarkes Schlüsselverwaltungssystem verfügen, das die sichere Generierung, Speicherung, Verteilung und Vernichtung kryptografischer Schlüssel gewährleistet. Das Schlüsselverwaltungssystem muss leistungsstarke kryptografische Algorithmen verwenden, wie z. B. Erweiterter Verschlüsselungsstandard (AES)und verfügen über wichtige Sicherungs-, Wiederherstellungs- und Vernichtungsmechanismen.

3. Kryptografische Operationen

   Das kryptografische Modul muss kryptografische Operationen sicher und zuverlässig durchführen. Das Modul muss zugelassene kryptografische Algorithmen und Protokolle verwenden, wie z. B. Transport Layer Security (TLS), Secure Sockets Layer (SSL)und IPsec. Das Modul muss außerdem über Mechanismen zur Fehlererkennung und -korrektur verfügen und kryptografische Ausnahmen und Fehler verarbeiten.

4. Selbsttests und Manipulationsnachweis

   Das kryptografische Modul muss über Selbsttests und Manipulationsschutzmechanismen verfügen, die unbefugte Änderungen, Manipulationen oder den Austausch der Hardware oder Software des Moduls erkennen und verhindern. Die Selbsttests müssen regelmäßig durchgeführt werden und die Integrität und Authentizität der Firmware, Hardware und Software des Moduls prüfen.

5. Design-Sicherheit

   Das kryptografische Modul muss über eine starke Designgarantie verfügen, die die Einhaltung der Sicherheitsanforderungen während des gesamten Lebenszyklus des Moduls gewährleistet. Ein unabhängiger Gutachter muss das Design des Moduls überprüfen und verifizieren. Das Modul muss anhand der im FIPS 140-3-Standard definierten Sicherheitsanforderungen getestet werden. Die Designgarantie erfordert außerdem die Anwendung sicherer Codierungspraktiken, Sicherheitstests und Sicherheitsdokumentation.

6. Sicherheitsmanagement

   Das kryptografische Modul muss über ein leistungsstarkes Sicherheitsmanagementsystem verfügen, das Richtlinien, Verfahren und Kontrollen zur Verwaltung der Sicherheitsrisiken des Moduls umfasst. Das Sicherheitsmanagementsystem muss Mechanismen zur Prüfung, Überwachung, Meldung von Sicherheitsereignissen und zur Reaktion auf Sicherheitsvorfälle und Sicherheitslücken beinhalten.

   FIPS 140-3 Level 3 bietet starken Schutz vor physischen und logischen Angriffen und erfordert ein hohes Maß an Schlüsselverwaltung, kryptografischen Operationen, Selbsttests, Manipulationsnachweisen, Designsicherung und Sicherheitsmanagement. Die Sicherheitsanforderungen für Level 3 dienen dem Schutz vertraulicher Informationen und der Aufrechterhaltung der Integrität und Verfügbarkeit des kryptografischen Moduls.

FIPS 140-3 Stufe 4

Level 4 ist die höchste im Standard definierte Sicherheitsstufe und ist für Anwendungen vorgesehen, bei denen die Folgen eines Sicherheitsversagens schwerwiegend sind. Im Folgenden sind die wichtigsten Sicherheitsanforderungen für FIPS 140-3 Level 4 aufgeführt.

1. Physische Sicherheit

   Das kryptografische Modul muss in einem manipulationssicheren, robusten Gehäuse untergebracht sein, das physischen Angriffen wie Bohren, Schneiden oder Stanzen standhält. Das Gehäuse muss außerdem über Sensoren verfügen, die unbefugten Zugriff erkennen und Alarme auslösen.

2. Verwaltung kryptografischer Schlüssel

   Das Modul muss über ein leistungsstarkes, überprüfbares und auditierbares Schlüsselverwaltungssystem verfügen, das die sichere Generierung, Speicherung, Verteilung und Vernichtung kryptografischer Schlüssel gewährleistet. Das Modul muss außerdem den Widerruf und die Wiederherstellung von Schlüsseln unterstützen.

3. Benutzerauthentifizierung

   Das Modul muss über einen robusten und sicheren Benutzerauthentifizierungsmechanismus verfügen, beispielsweise eine biometrische oder Smartcard-basierte Authentifizierung, um sicherzustellen, dass nur autorisiertes Personal auf das Modul zugreifen kann.

4. Logische Sicherheit

   Das Modul muss über robuste logische Sicherheitsmechanismen verfügen, um unbefugten Zugriff, Manipulation oder Manipulation des kryptografischen Moduls oder seiner Daten zu verhindern. Dazu gehören sicheres Booten, sichere Firmware-Updates und sichere Kommunikationsprotokolle.

5. Umweltkontrollen

   Das Modul muss unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wie extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und elektromagnetischen Störungen funktionieren. Außerdem muss es Spannungsspitzen und Störungen standhalten können.

6. Lebenszyklus-Support

   Das Modul muss über einen umfassenden Lebenszyklus-Supportmechanismus verfügen, der regelmäßige Sicherheitsupdates, Schwachstellenbewertungen und sichere Entsorgungsverfahren umfasst

   FIPS 140-3 Level 4 definiert die höchste Sicherheitsstufe für kryptografische Module und ist für Anwendungen gedacht, bei denen Sicherheitsfehler schwerwiegende Folgen haben. Der Standard definiert strenge Sicherheitsanforderungen in Bezug auf physische Sicherheit, kryptografische Schlüsselverwaltung, Benutzerauthentifizierung, logische Sicherheit, Umgebungskontrollen und Lebenszyklusunterstützung, um ein Höchstmaß an Schutz für sensible Daten und Systeme zu gewährleisten.

Anforderungen an kryptografische Algorithmen für jede Ebene von FIPS 140-3

Der FIPS 140-3-Standard beschreibt vier Sicherheitsstufen (Stufe 1-4), die jeweils unterschiedliche Anforderungen an kryptografische Algorithmen festlegen.

Hier sind die für jede Ebene erforderlichen kryptografischen Algorithmen

• Level 1

  Dies ist die niedrigste Sicherheitsstufe, die nur grundlegende Verschlüsselungs- und Schlüsselverwaltungsfunktionen erfordert. Zu den für diese Stufe erforderlichen kryptografischen Algorithmen gehören AES (128 Bit), Triple-DES (112 Bit) und SHA-1.

• Level 2

  Diese Stufe erfordert zusätzliche physische Sicherheitsfunktionen zum Schutz vor Manipulation oder unbefugtem Zugriff auf das kryptografische Modul. Zu den für diese Stufe erforderlichen kryptografischen Algorithmen gehören AES (128 Bit und 192 Bit), Triple-DES (168 Bit), SHA-2 (256 Bit) und HMAC.

• Level 3

  Diese Stufe erfordert das höchste Maß an physischer Sicherheit, um unbefugten Zugriff zu verhindern und vor Angriffen zu schützen. Zu den für diese Stufe erforderlichen kryptografischen Algorithmen gehören AES (256 Bit), RSA (2048 Bit), ECDSA (224 Bit), SHA-2 (384 Bit) und HMAC (mit Schlüsseln von mindestens 128 Bit).

• Level 4

  Dies ist die höchste Sicherheitsstufe, die strengste physische und logische Sicherheitsfunktionen zum Schutz vor komplexen Angriffen erfordert. Zu den für diese Stufe erforderlichen kryptografischen Algorithmen gehören AES (256 Bit), RSA (3072 Bit), ECDSA (384 Bit), SHA-3 (512 Bit) und HMAC (mit Schlüsseln von mindestens 256 Bit).

Fazit

Zusammenfassend wurde FIPS 140-3 als neuester Standard für die Sicherheitsbewertung kryptografischer Module verabschiedet und eingeführt. Er deckt ein breites Spektrum an Bedrohungen und Schwachstellen ab, da er die Sicherheitsanforderungen von der ersten Entwurfsphase bis hin zur endgültigen Inbetriebnahme eines kryptografischen Moduls definiert. Die Anforderungen von FIPS 140-3 basieren im Wesentlichen auf den beiden bereits bestehenden internationalen Standards ISO/IEC 19790:2012 „Sicherheitsanforderungen für kryptografische Module“ und ISO 24759:2017 „Testanforderungen für kryptografische Module“.

Der FIPS 140-3-Standard bietet einen Rahmen zur Gewährleistung der Sicherheit kryptografischer Module, die in sensiblen Anwendungen wie im Bankwesen, im Gesundheitswesen und in der Regierung verwendet werden.

Um mehr über FIPS 140-3 zu erfahren, lesen Sie: Das neue FIPS 140-3 kennen