Was ist PKI (Public-Key-Infrastruktur)? Wie funktioniert sie?

Die Public-Key-Infrastruktur (PKI) ist die Gesamtheit der Hardware, Software, Richtlinien und Zertifizierungsstellen, die digitale Zertifikate ausstellen und verwalten. Dabei werden öffentliche und private Schlüsselpaare verwendet, um Identitäten zu authentifizieren und die Kommunikation zu verschlüsseln, anstatt sich auf Passwörter zu verlassen.

PKI funktioniert durch die Ausstellung digitaler X.509-Zertifikate, die einen öffentlichen Schlüssel mit einer verifizierten Identität verknüpfen – sei es eine Website, ein Gerät oder ein Benutzer. Eine Zertifizierungsstelle signiert jedes Zertifikat, und Browser oder Anwendungen überprüfen die Signaturkette des Zertifikats bis zu einer vertrauenswürdigen Stammzertifizierungsstelle, bevor sie eine verschlüsselte Verbindung mit dem öffentlichen Schlüssel herstellen. Dadurch werden Passwörter durch einen kryptografischen Identitätsnachweis ersetzt.

Wichtige Erkenntnisse

• PKI kombiniert asymmetrische und symmetrische Verschlüsselung. Die asymmetrische Verschlüsselung authentifiziert die Verbindung und tauscht einen Sitzungsschlüssel aus; die symmetrische Verschlüsselung übernimmt dann die effiziente Datenübertragung.
• X.509 ist das Zertifikatsformat, auf das die PKI angewiesen ist. Es standardisiert die Art und Weise, wie Identität, öffentlicher Schlüssel, Gültigkeitszeitraum und Ausstellerinformationen über TLS, digitale Signaturen und CRLs hinweg kodiert werden.
• Eine zweistufige CA-Architektur ist die empfohlene Standardeinstellung. Eine Offline-Root-CA in Kombination mit einer oder mehreren Online-Issuing-CAs bietet für die meisten Organisationen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Sicherheit, Skalierbarkeit und Verwaltbarkeit.
• CRLs, Delta CRLs und OCSP prüfen alle den Widerrufsstatus. CRLs listen alle widerrufenen Zertifikate auf, Delta-CRLs listen nur die letzten Änderungen auf, und OCSP überprüft den Status eines einzelnen Zertifikats in Echtzeit.
• PKI geht weit über die Website-Verschlüsselung hinaus. Codesignierung, E-Mail-Signierung (S/MIME), Wi-Fi-Authentifizierung, VPN-Zugriff und IoT-Geräteidentität basieren alle auf derselben Zertifikatsinfrastruktur.

Wie die PKI-Verschlüsselung funktioniert

PKI nutzt asymmetrische Verschlüsselung für Identitäts- und Schlüsselaustausch und übergibt dann an eine schnellere symmetrische Verschlüsselung für die eigentlichen Daten.

Asymmetrische Verschlüsselung verwendet ein mathematisch verknüpftes öffentliches und privates Schlüsselpaar: Daten, die mit dem öffentlichen Schlüssel verschlüsselt wurden, können nur mit dem zugehörigen privaten Schlüssel entschlüsselt werden. Dadurch wird das Schlüsselverteilungsproblem der symmetrischen Verschlüsselung gelöst, da der öffentliche Schlüssel frei weitergegeben werden kann. Algorithmen wie RSA und ECDSA mit Schlüssellängen ab 2048 Bit ermöglichen diese asymmetrische Verschlüsselung; längere Schlüssel sind exponentiell schwieriger zu knacken, aber langsamer zu berechnen.

Da asymmetrische Verschlüsselung vergleichsweise langsam ist, nutzt PKI sie nur zur Authentifizierung der Verbindung und zum Austausch eines symmetrischen Sitzungsschlüssels. Dieser Sitzungsschlüssel ermöglicht dann die Übertragung großer Datenmengen mittels schnellerer symmetrischer Verschlüsselung. Genau so kombinieren ein TLS-Handshake und Protokolle wie S/MIME beide Verschlüsselungsarten für Sicherheit und Geschwindigkeit.

Was digitale Zertifikate enthalten

Ein digitales Zertifikat ist der von der PKI ausgestellte Nachweis, der einen öffentlichen Schlüssel mit einer verifizierten Identität gemäß dem X.509-Standard verknüpft.

Zertifikate können für den internen Gebrauch zwischen vertrauenswürdigen Parteien selbstsigniert oder für die öffentliche Nutzung, beispielsweise zur Absicherung einer Website, von einer Zertifizierungsstelle (CA) signiert werden. Eine CA überprüft vor der Signierung die Identität des Antragstellers, beispielsweise durch Bestätigung des Domaininhabers. Das X.509-Format standardisiert diese Struktur für TLS/SSL, digitale Signaturen und Zertifikatssperrlisten (CRL), sodass jedes kompatible System ein Zertifikat auf dieselbe Weise verarbeiten kann.

Zwei-Tier- vs. Drei-Tier-CA-Architektur

Die meisten Organisationen wählen zwischen zwei Architekturen für die Strukturierung ihrer Zertifizierungsstellenhierarchie.

Zweistufig	Offline-Root-CA + Online-Ausstellungs-CA	Die meisten Organisationen; die empfohlene Standardeinstellung
Dreistufig	Offline-Root-CA + Offline-Richtlinien-/Zwischen-CA + Online-Ausstellende CA	Organisationen, die formale administrative oder politische Abgrenzungen zwischen ausstellenden Zertifizierungsstellen benötigen

Eine dreistufige Architektur bietet zwar mehr Sicherheit und Flexibilität, bringt aber auch höhere Kosten und einen größeren Verwaltungsaufwand mit sich. Ohne einen wirklichen administrativen oder politischen Bedarf bleibt die mittlere Stufe oft ungenutzt, weshalb die zweistufige Architektur nach wie vor die Standardempfehlung für die meisten PKI-Implementierungen ist.

Wie die Überprüfung des Zertifikatswiderrufs funktioniert

Drei Mechanismen ermöglichen es einer vertrauenden Partei, zu bestätigen, dass ein Zertifikat vor seinem natürlichen Ablauf nicht widerrufen wurde.

• CRL (Liste der Zertifikatswiderrufe). Eine von der Zertifizierungsstelle signierte Liste aller von ihr widerrufenen Zertifikate; Browser überprüfen das Zertifikat der Website anhand dieser Liste.
• Delta CRL. Es werden nur die Zertifikate aufgelistet, die seit der letzten vollständigen CRL-Veröffentlichung widerrufen wurden, wodurch Aktualisierungen schneller verteilt werden können.
• ARL (Liste der widerrufenen Berechtigungen). Eine CRL-Variante, die widerrufene Zertifizierungsstellenzertifikate anstelle von Endbenutzerzertifikaten auflistet.
• OCSP. Gemäß RFC 6960 prüft OCSP den Status eines einzelnen Zertifikats in Echtzeit, anstatt eine vollständige Liste herunterzuladen, was jedoch dazu führt, dass weniger Details als bei einer CRL zurückgegeben werden.

Wo PKI jenseits von Websites eingesetzt wird

PKI sichert in modernen IT-Umgebungen weit mehr als HTTPS-Verbindungen.

• Digitale Signaturen und Codesignierung. PKI überprüft, ob Software oder ein Dokument manipuliert wurde und bestätigt, wer es unterzeichnet hat.
• Zertifikatsbasierte Authentifizierung. Smartcards, Wi-Fi-Authentifizierung (802.1X) und VPN-Zugang verwenden Zertifikate anstelle von Passwörtern.
• Sichere E-Mail (S/MIME). Sowohl Absender als auch Empfänger verwenden CA-signierte Zertifikate, um E-Mail-Inhalte zu verschlüsseln und zu authentifizieren.
• IoT-Geräteidentität. PKI weist intelligenten Geräten eindeutige digitale Zertifikate zu, wodurch Hersteller diese in großem Umfang verfolgen, aktualisieren und sichern können.

Wie Verschlüsselungsberatung hilft

Die PKI-Beratungsleistungen von Encryption Consulting umfassen Bewertung, Design und Implementierung, die Entwicklung von Zertifikatsrichtlinien und -verfahrensanweisungen sowie PKI-as-a-Service für Unternehmen, die eine anpassbare, hochsichere PKI wünschen, ohne die Infrastruktur selbst verwalten zu müssen. Die Leistungen basieren auf ISO/IEC 27001:2022- und SOC 2-zertifizierten Verfahren.

Häufig gestellte Fragen

Worin besteht der Unterschied zwischen PKI und Verschlüsselung?

PKI ist das umfassende Rahmenwerk aus Zertifikaten, Schlüsseln und Zertifizierungsstellen, das digitale Identität und Vertrauen verwaltet. Verschlüsselung, insbesondere asymmetrische Verschlüsselung, ist eines der kryptografischen Werkzeuge, auf die PKI zurückgreift, um Identitäten zu authentifizieren und Schlüssel sicher auszutauschen.

Warum verwendet PKI sowohl symmetrische als auch asymmetrische Verschlüsselung?

Asymmetrische Verschlüsselung ist zwar sicherer für Authentifizierung und Schlüsselaustausch, aber zu langsam für große Datenmengen. PKI nutzt asymmetrische Verschlüsselung zur Authentifizierung der Verbindung und zum Austausch eines Sitzungsschlüssels und wechselt dann für die eigentliche Datenübertragung zur schnelleren symmetrischen Verschlüsselung, wodurch die Sicherheitsvorteile beider Verfahren kombiniert werden.

Worin besteht der Unterschied zwischen einem Root-CA und einem Subordinate-CA?

Eine Root-Zertifizierungsstelle (Root CA) steht an der Spitze der Vertrauenshierarchie, wird üblicherweise offline und vom Netzwerk getrennt betrieben und signiert Zertifikate für untergeordnete Zertifizierungsstellen. Eine untergeordnete (oder Zwischen-)Zertifizierungsstelle arbeitet online, stellt Zertifikate für Endbenutzer und Geräte aus und kann im Falle einer Kompromittierung wiederhergestellt werden, ohne die Root-Zertifizierungsstelle zu beeinträchtigen. Eine kompromittierte Root-Zertifizierungsstelle hingegen erfordert den Wiederaufbau der gesamten Vertrauenskette.

Sieht ein Zertifikat mit erweiterter Validierung im Browser anders aus?

Nicht mehr. Extended-Validation-Zertifikate (EV) beinhalten die gründlichste Identitätsprüfung der drei Validierungsstufen, aber die gängigen Browser haben 2019 die eindeutige visuelle Kennzeichnung, wie beispielsweise die Anzeige des Firmennamens in der Adressleiste, entfernt. Der Wert von EV liegt heute in der Tiefe der Überprüfung, nicht mehr in einem sichtbaren Browserindikator.

Was ist OCSP und wie unterscheidet es sich von einer CRL?

OCSP, definiert in RFC 6960, prüft den Sperrstatus eines einzelnen Zertifikats in Echtzeit durch Abfrage eines Antwortdienstes. Dies ist schneller als das Herunterladen einer vollständigen Zertifikatssperrliste (CRL). Der Nachteil besteht darin, dass OCSP weniger Details liefert (im Wesentlichen „gültig“, „gesperrt“ oder „unbekannt“) und weniger robuste Sicherheitsgarantien als die CRL-basierte Prüfung bietet.

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