FIDO2 · YubiKey Wiki (2024)

Passwörter verwenden wir im unseren Alltag seit vielen Jahren. Ob in der Arbeit oder im Web beim Portal der Bank des Vertrauens, statische Passwörter werden oft noch zur Authentifizierung verwendet. Dabei gibt es schon Verfahren, die ein Mehr an Sicherheit und Nutzbarkeit bieten. Man bewegt sich vom statischen Passwort weg. Nicht nur wegen den bekannten Schwachstellen des Verfahrens, wie die Anfälligkeit für Man-in-the-Middle Attacken. Ein Problem ist auch die Tatsache, dass sich Benutzer selbstständig um das Merken bzw. sichere Verwahren ihrer Passwörter kümmern müssen. Um die Sicherheit zu erhöhen, verwendet man beispielsweise OTP-Verfahren als zusätzlichen Faktor. Um die Nutzbarkeit zu erhöhen gibt es die Möglichkeit der passwortlosen Authentifizierung. Diese wird beispielsweise mit dem neuen FIDO2 Standard ermöglicht. In diesem Wiki-Eintrag soll ein Überblick über die FIDO Alliance und deren Standards zur Authentifizierung gegeben werden.

Was ist FIDO?

Die FIDO Alliance arbeitet an der Entwicklung von Protokollen zur Authentifizierung. Das 2012 gegründete Bündnis wurde von PayPal, Lenovo, Nok Nok Labs, Validity Sensors, Infineon, und Agnitio gegründet, mit dem Ziel eine Methode zur passwortlosen Authentifizierung zu entwickeln. Ein Jahr später kamen Google, Yubico und NXP hinzu. Im Jahr 2014 war es dann soweit: Das erste FIDO-Protokoll(Version 1.0) wurde veröffentlicht. ^[1]
Michael Barrett, Präsident der FIDO-Organisation, sieht die Veröffentlichung von FIDO als Meilenstein, ab der die alte Welt von Passwörtern und PINs langsam ausstirbt.^[2]
Das Protokoll besteht aus zwei Komponenten: FIDO Universal Authentication Framework(FIDO UAF) und FIDO Universal 2nd Factor(FIDO U2F)
Das Ziel des UAF-Frameworks ist, klassische Passwörter durch eine passwortlose Methode zu ersetzen. Dazu wird ein Gerät (z.B.: Smartphone) bei einem Service registriert. Die anschließende Authentifizierung kann dann beispielsweise per Fingerabdruck, Gesichtserkennung oder auch durch Wischen am Bildschirm durchgeführt werden. Dafür greift der Standard auf Authentifizierungsmethoden der jeweiligen Systeme zurück. ^[1][3]
Für uns ist das FIDO U2F Protokoll von Interesse. Dieses wird vom YubiKey unterstützt und soll im Folgenden näher erklärt werden.

FIDO U2F / CTAP1

FIDO U2F ermöglicht das Verwenden von externen U2F-Geräten zur Authentifizierung als zweiten Faktor über USB, NFC oder BLE. So kann beispielsweise der YubiKey bei einer Authentifizierung am Mobiltelefon über NFC oder am PC über die USB-Schnittstelle genutzt werden. Mit der Veröffnetlichung von FIDO2 wurde FIDO U2F in CTAP1 umbenannt und kann synonym verwendet werden. Resource-Provider (z.B. Websites) können mithilfe von U2F ihre bestehende Login-Infrastruktur um einen starken zweiten Faktor erweitern. Dazu wird der Authentifizierungsvorgang, abgesehen von Nutzername und Passwort, mit einem U2F-fähigen Gerät erweitert. Dadurch kann auch die Verwendung kurzer Passwörter und PINs ermöglicht werden, die für Nutzer leichter zu merken sind und durch die Verwendung von U2F trotzdem eine hohe Sicherheit bieten.^[4]
Doch nun stellt sich die Frage, wie dieses Protokoll im Hintergrund funktioniert. U2F baut auf einem Challenge-Response-Verfahren mit Public-Key-Kryptographie auf. Dabei generiert der Server eine Challenge und sendet diese an den Client. Der Client wiederrum leitet diese an den YubiKey weiter. Der YubiKey wartet nun auf den Benutzer, damit dieser auf den Kontakt drückt und die Authentifizierung fortgeführt werden kann. Anschließend wird die Challenge mit dem zum Service gehörigen privaten Schlüssel vom YubiKey signiert und an den Server zurückgesendet. Der Server hat den passenden öffentlichen Schlüssel gespeichert und kann somit die Signatur verifizieren. Das ist der sehr vereinfachte Ablauf des Authentifzierungsvorgangs von U2F und ist hier schematisch in einem Bild dargestellt. ^[5][6]

Bevor wir auf den Ablauf bei der Authentizierung genauer eingehen, werden wir die Schlüsselerzeugung bzw. den Registrierungsvorgang erklären.

Registrierung

Für den folgenden Abschnitt wurde die Yubico-Developers-Seite als Quelle verwendet.^[7]
Bei einer Registrierung erstellt der YubiKey ein neues ECC-Schlüsselpaar. Also gibt es für jeden Service bzw. auch für jeden Account pro Service ein eigenes Schlüsselpaar.

Der private Schlüssel wird mit ein paar Metadaten nun verschlüsselt und integritätsgesichert mittels Authenticated Encryption. Dies erfolgt mit AES-256 im CCM-Modus((Counter und CBC-MAC(KGL lässt grüßen :D) )). Dazu wird ein Hauptschlüssel verwendet, der vom YubiKey beim Initialisieren der FIDO-Anwendung erzeugt wird. Dieser Schlüssel kann neu erzeugt werden, wenn ein Reset der FIDO-Anwendung durchgeführt wird. Das invalidiert jede, zu diesem Zeitpunkt, bestehende Registrierung.
Die verschlüsselten Daten sind nun der Keyhandle, der dem Server geschickt wird! Bei einer Authentifizierung sendet ein Server den gespeicherten Keyhandle zurück. Diesen kann der YubiKey mit seinem Hauptschlüssel entschlüsseln und erhält unter anderem den privaten Schlüssel zurück, mit dem das Challenge-Response Verfahren abgewickelt werden kann! Aufgrund der Authenticated-Encryption kann auch verifiziert werden, dass der Schlüssel nicht verändert wurde. Der Server kann dann die Signatur anhand des öffentlichen Schlüssels prüfen. Diesen erhält er auch bei der Registrierung.
Diese Vorgehensweise hat nun den Vorteil, dass der YubiKey nur seinen Hauptschlüssel speichern muss und sich somit theoretisch unendlich viele Services registrieren lassen.^[7]

Authentifizierung

Nun wird ein genauerer Blick auf den Ablauf des FIDO-Authentifzierungsvorgangs geworfen. Im nächsten Bild werden die Inhalte der einzelnen Übertragungen genauer aufgeschlüsselt:
Begonnen wird auf der Serverseite. Hier sendet die Relying Party, also ein Server bei dem ich mich anmelden möchte, eine Challenge, ein Handle und eine AppID. Die Challenge ist ein zufälliger Wert der signiert zurückgesendet werden soll. Die AppID ist ein einzigartiger Wert des Services, um den Handle auf diesen einen Service zu beschränken.
Der Client leitet alles weiter und fügt weitere Informationen hinzu. Dazu zählt der origin und die channel id. Im origin-Feld steht die URI der Relying Party. Dies beugt Phishing vor (die URI wäre sonst eine andere). Die channel id beinhaltet die ID des TLS Channels und verhindert MitM-Angriffe, da bei einem Angriff eine andere Channel ID verwendet wird. Diese Werte werden später signiert und der Relying Party präsentiert, dass dieser auch sichergehen kann, dass kein Angriff stattgefunden hat.
Der YubiKey empfängt nun diese Werte, extrahiert aus dem Handle den privaten Schlüssel und signiert alle Werte, die er bekommen hat inklusive einem Zähler, den er um eins erhöht.
Die Signatur, der Zählerwert und die anderen Werte, wie Challenge, origin, channel id werden zurück an die Relying Party versendet.
Der Server überprüft nun die Signatur anhand des öffentlichen Schlüssels, den er seit der Registrierung gespeichert hat und verfiziert die Felder origin, channel id und counter. Wenn erfolgreich verifiziert wurde, wird der Client angemeldet.^[5]

FIDO2

Die Fido-Alliance arbeitete an ihrem Protokoll weiter. Im Februar 2016 reicht die Alliance die FIDO2 2.0 Web API beim World Wide Web Consortium(W3C) ein, mit der Absicht, dass FIDO2 ein Standard auf allen Web Browsern wird. Im April 2018 wurde FIDO2 offiziell als Standard empfohlen. Das Protokoll funktioniert in Kombination mit dem neuen Web-Authenticaiton-Standard (WebAuthn) von W3C. Während es sich bei WebAuthn um die Standardisierung des Clients (also des Webbrowsers) handelt, wird das von FIDO entwickelte CTAP-Protokoll für die Kommunikation zwischen Webbrowser und Authenticator (also z.B. dem YubiKey) verwendet. Marktführende Webbrowser wie Google Chrome, Mozilla Firefox, Safari von Apple, oder Microsoft Edge haben diese Standards bereits implementiert.^[1]
FIDO2 unterstützt die U2F-Anwendung und ermöglicht fortan die Nutzung von FIDO2 als Single-Faktor-Authentifzierung. Das heißt, man kann sich ohne Passwort bei Online-Services anmelden. Dazu wird nun das neue CTAP2 Protokoll genutzt, das sowohl Zwei- als auch Single-Factor-Authentifizierung mittels Authenticator ermöglicht. Natürlich unterstützen FIDO2 bzw. WebAuthn noch die älteren Security-Devices, die nur U2F verwenden können. Das U2F-Protokoll wurde in CTAP1 unbenannt. Beide Begriffe können synonym verwendet werden.^[8]
Um die verschiedenen Protokolle, die in FIDO2 verwendet werden, einordnen zu können, soll folgendes Bild helfen:

Hier erkennt man die Rückwärts-Kompatibilität, nämlich dass CTAP1/U2F immer noch unterstützt wird. Dazu hat die FIDO-Alliance CTAP2 hinzugefügt, das unter anderem die Single-Faktor-Authentifzierung ermöglicht. Die Kommunikation zwischen Browser bzw. Client und dem Server übernimmt der WebAuthn-Standard. Das hat den Effekt, dass eine einheitliche Schnittstelle zwischen Browser und Server entsteht, unabhängig vom darunterliegenden Authenticator des Clients. Authenticator können zum Beispiel der YubiKey, ein SmartPhone oder auch Windows Hello sein.^[9]
Wie funktioniert nun die Anmeldung und Registrierung bei FIDO2? Was hat sich geändert?
FIDO2 ermöglicht nun Single-Faktor-Authentifizierung und "Resident Keys". Das heißt, dass erstellte Schlüsselpaare am Authenticator (YubiKey) generiert werden und die private Schlüssel diesen nie verlässt (auch nicht verschlüsselt wie bei U2F). Um die Sicherheit zusätzlich zu erhöhen, gibt es neben der Nutzeranwesenheitsbestätigung (YubiKey berühren), die Möglichkeit der Authentifizierung des Nutzers (Eingabe eines FIDO2 PIN, der durch den YubiKey abgefragt wird). Der Vorteil bei einem Login-Vorgang ist nun, dass man neben dem Benutzernamen lediglich den Authenticator (YubiKey) benötigt. Man ersetzt also das Passwort durch den Authenticator und erhält somit verbesserte Sicherheit.
Der private Schlüssel muss nun aber, wenn die vorherig genannte Anmeldemethode verwendet wird, auf dem Gerät gespeichert werden und liegt nicht mehr in verschlüsselter Form auf dem Server. Der YubiKey kann 25 verschiedene Schlüssel speichern.^[12] Man ist jetzt also begrenzt!
Das Verfahren wird im folgenden Bild zusammengefasst:

Im Falle, dass man FIDO als zweiten Faktor, neben dem statischen Passwort verwendet, wird wie vorher erklärt auf das CTAP1/U2F-Protokoll zurückgegriffen. Hierbei werden wieder non-resident Schlüssel vewendet. Dazu wird kein Speicherplatz am YubiKey benötigt. ^[8]

Wenn man sich den Registrierungs- bzw. Authentifikationsablauf genau ansehen will, können wir folgende Seite empfehlen.

Einstellungen am YubiKey

Der YubiKey-Manager bietet wieder Einstellungsmöglichkeiten für FIDO. Diese sind hauptsächlich zum Verwalten der Schlüssel zuständig.
Der Prefix für die FIDO-Befehle ist immer ykman fido [COMMAND].

Um sich Informationen über die FIDO-Applikation auszugeben, verwendet man den info-Befehl. Hier sieht man zum Beispiel, ob der PIN für die FIDO2-Applikation des YubiKeys gesetzt ist. Man kann diesen zusätzlich setzen. Der PIN muss dann als weiterer Faktor bei einer Authentifizierung eingegeben werden. Der PIN kann mit dem Befehl set-pin gesetzt werden. Der Befehl zum Ändern des PINs wäre:

ykman fido set-pin --pin 123456 --new-pin 654321

Man hat acht Versuche den PIN bei einer Verwendung korrekt einzugeben! Nach diesen wird die FIDO-Applikation gesperrt und es muss ein Reset gemacht werden! (Das Resultiert in einem Verlust aller gespeicherten FIDO2 Schlüssel. Zusätzlich kann man auch die U2F-Schlüssel, die auf den Servern gespeichert werden nicht mehr entschlüsseln, da ein neuer Hauptschlüssel erstellt wird!!)

Mit dem list-Befehl werden Informationen zu den registrieren Services angezeigt:

ykman fido listEnter your PIN:max.muster@mann.at (login.microsoft.com)

Hier sieht man zum Beispiel, dass ein Eintrag für den Microsoft-Login besteht. Dieser ist einer der wenigen Services, der FIDO2 bereits unterstützt. Bei CTAP1/U2F bzw. non-resident Schlüssel sind keine Einträge vorhanden. Nun gib es noch den delete- und den reset-Befehl. Der delete ermöglicht das Löschen eines gespeicherten Credentials, da man ja mit FIDO2 auf 25 Residential Keys begrenzt ist. Der zuvor angezeigte Microsoft-Eintrag kann mit folgenden Befehl gelöscht werden, um ein Beispiel zu geben:

ykman fido delete login.microsoft.comEnter your PIN:Delete credential max.muster@mann.at (login.microsoft.com)? [y/N]:

Der reset-Befehl löscht alle Credentials inklusive den U2F-Einstellungen und dessen MasterKey. Der Befehl lautet dazu:

ykman fido reset

Mehr Einstellungen gibt es dazu nicht. In der graphischen Lösung des Managers lässt sich der PIN ändern und ein Reset durchführen. Alle anderen Befehle sind nicht implementiert. ^[11]

Mögliche Einsatzgebiete

Die Einsätze der FIDO-Applikation liegen klar im Webbereich, da FIDO wesentliche Verbesserungen zu den weit verbreiteten statischen Passwörtern bringt. Es werden beispielsweise Attacken wie MitM (TLS-Channel ID) oder Replay-Attacken (Counter bzw. Challenge) verhindert. Auch das Vorhandensein des WebAuthn-Standards erleichtert die Implementierung von FIDO für Webbrowser, Clients und Server.

Im Bereich des Systemlogins mit FIDO gib es auch schon eine Anwendung für Linux, die in unserem Systemlogin Kapitel gezeigt wird. Für den Webbereich haben wir auch eine Anleitung erstellt.

Quellen

[1] FIDO Alliance, History of FIDO Alliance, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://fidoalliance.org/overview/history/ [2] FIDO Alliance, FIDO 1.0 Specifications are Published and Final Preparing for Broad Industry Adoption of Strong Authentication in 2015, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://fidoalliance.org/fido-1-0-specifications-published-and-final/ [3] Swaroop Sham, The Ultimate Guide to FIDO2 and WebAuthn Terminology, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://www.okta.com/blog/2019/04/the-ultimate-guide-to-fido2-and-webauthn-terminology/
[4] FIDO Alliance, Specifications Overview, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://fidoalliance.org/specifications/
[5] Yubico, U2F Technical Overview, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://developers.yubico.com/U2F/Protocol\_details/Overview.html
[6] FIDO Alliance, Universal 2nd Factor (U2F) Overview, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://fidoalliance.org/specs/fido-u2f-v1.2-ps-20170411/fido-u2f-overview-v1.2-ps-20170411.html\#authentication-generating-a-signature
[7] Yubico, Key generation, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://developers.yubico.com/U2F/Protocol\_details/Key\_generation.html
[8] Ionos, FIDO2: Der neue Standard für den sicheren Web-Log-in, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://www.ionos.at/digitalguide/server/sicherheit/was-ist-fido2/
[9] Yubico, WebAuthn Introduction, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://developers.yubico.com/WebAuthn/
[10] BSI TR-02102-1 "Kryptographische Verfahren: Empfehlungen und Schlüssellängen", BSI Technische Richtlinie, Version 2020-01, Stand 24.03.2020, Letzter Zugriff 07.05.2020 [Online], URL: https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/Publikationen/TechnischeRichtlinien/TR02102/BSI-TR-02102.pdf
[11] Yubico, YubiKey Manager CLI User Guide, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://support.yubico.com/support/solutions/articles/15000012643-yubikey-manager-cli-ykman-user-guide
[12] Yubico, YubiKey 5 Series Technical Manual, Letzter Zugriff 22.06.2020, [Online], URL: https://support.yubico.com/support/solutions/articles/15000014219-yubikey-5-series-technical-manual#FIDO2gux61i