Wie das BSI unsere Daten „schützt“. Ein Rant über die Schwachstelle im GSTOOL.

TL;DR: Das BSI gibt ein Tool heraus, welches sensible Daten über die IT-Sicherheit von deutschen Firmen vor ausländischen Industriespionen schützen soll. Die Verschlüsselung ist derartiger Murks, dass sie als Spielzeug für Hacker verwendet wird. Sie lässt sich innerhalb von Sekunden bis Minuten knacken. Das BSI reagiert auf Sicherheitsforschung mit juristischen Drohungen – was dazu geführt hat, dass das BSI erst Jahre nach der ersten Entdeckung des Problems davon erfahren hat. Ein Sicherheitsupdate ließ über eineinhalb Jahre auf sich warten, und die Sicherheitswarnungen haben nicht alle Kunden erreicht. Es entsteht leicht der Eindruck, dass das BSI vor allem daran interessiert war, dass die peinlichen Fehler nicht allzu öffentlich werden.

Eigentlich wollte ich ja nur wissen, ob Chiasmus sicher ist. Die sagenumwobene, geheimgehaltene, nicht veröffentlichte¹⁾ Chiffre, die das BSI damals, in den dunklen Zeiten der Kryptographie, entwickelt hat. Es war damals eine durchaus nachvollziehbare Entscheidung, eine eigene Chiffre zu entwickeln. Der damalige weltweite Standard, DES, war auf Wunsch der NSA vermurkst und unsicher, AES noch nicht standardisiert – womöglich waren zu Beginn der Entwicklung Rijndael (das heutige AES) und Twofish noch gar nicht publiziert.²⁾

Die Chiffre ist in einem gleichnamigen Programm eingebaut, was man aber nur bekommt, wenn man ein öffentliches Interesse nachweisen kann. Das BSI hat auch ein Hilfsmittel für den IT-Grundschutz, das sogenannte GSTOOL, herausgegeben. Das GSTOOL (in der betroffenen Version) wurde nicht vom BSI programmiert, sondern von Steria-Mummert. Mit dem GSTOOL werden sensible Informationen über die Sicherheit von IT-Netzen verwaltet – insbesondere bei Firmen, die besonders schutzbedürftig sind, sowie bei Behörden. Deswegen bietet das GSTOOL auch eine Verschlüsselungsfunktion, welche ebenfalls auf der Chiasmus-Chiffre basiert. Diese Verschlüsselungsfunktion soll die Daten vor Kriminellen und vor ausländischen Geheimdiensten schützen. Daten, die zum Beispiel für Industriespione ein gefundenes Fressen wären.

Die Entdeckung

Vor knapp zwei Jahren. Wir sitzen zu dritt vor einem Computerbildschirm. Facepalmend. Auf dem Bildschirm ein Debugger, der die Schlüsselerzeugungsfunktion von GSTOOL zeigt. Verschlüsselungsschlüssel müssen zufällig und nicht vorhersagbar sein, denn sonst kann ein Angreifer sie erraten und dadurch die Nachricht entschlüsseln. Deswegen erzeugt man sie mit speziellen, sicheren (Pseudo-)Zufallsgeneratoren. Wenn man kompetent ist. Wenn nicht, googelt man „c++ zufallszahlen“, klickt das erste Ergebnis an und verwendet was man da sieht. Dummerweise sieht man da vermutlich etwas wie das hier – das Standardverfahren zum Erzeugen von Zufallszahlen. Und dummerweise sind die Zufallszahlen, die so erzeugt werden, vielleicht gut genug für die Würfel in einer digitalen Version von Mensch-Ärgere-Dich-Nicht, aber nicht für kryptographische Schlüssel. Das weiß eigentlich jeder, der auch nur ansatzweise Ahnung von Kryptographie hat. Die Entwickler des GSTOOL wussten es offensichtlich nicht. Und das BSI hat es in all den Jahren offensichtlich nicht für nötig gehalten, die Verschlüsselungsfunktion zu überprüfen, denn dann wäre zumindest eines der Probleme aufgefallen. Denn die Schlüsselerzeugung war zwar das schlimmste, aber nicht das einzige Problem. (Die Details gibts im Advisory)

Einige Zeit und einige hundert Zeilen Code später haben wir eine Software, welche mit dem GSTOOL Chiasmus-verschlüsselte Dateien entschlüsseln kann – ohne Schlüssel, in der Regel innerhalb von Sekunden. In einer Mail an das BSI bitten wir um eine verschlüsselte Testdatei – und senden sie postwendend zurück. Entschlüsselt.

Bitte keine Ergebnisse

In einigen Tagen gelangweiltem Stochern haben wir die Verschlüsselung komplett zerlegt. Totalschaden. Weniger als 2^32 effektive Schlüssellänge – das ist ein Wert, bei dem man aufhört, den Angriff zu optimieren, weil es eh schon schnell genug geht. Und das war keine besonders anspruchsvolle Aufgabe, sondern eigentlich nur Fleißarbeit. Wir haben die Software fertig analysiert, dem BSI und Steria-Mummert Ratschläge zur Behebung des Problems gegeben, und schließlich auch ein Paper mit den Analyseergebnissen geschickt, in welchem auch die Chiffre selbst beschrieben war.

Als Antwort auf das Paper erhielten wir unmissverständliche und sehr deutliche juristische Drohungen, dass das Reverse Engineering einen Urheberrechtsverstoß darstelle und von den Juristen des BSI „sehr strikt verfolgt“ würde. Daher wurden wir „dringend gebeten“ das Paper nicht zu veröffentlichen. Um dem BSI Zeit zur Fehlerbehebung zu geben und unnötige Konfrontationen zu vermeiden, haben wir eine zeitnah geplante Veröffentlichung verschoben (was im Nachhinein gesehen angesichts der langen Dauer bis zum Patch IMHO ein Fehler war). Erst als deutlich wurde, dass wir uns nicht einschüchtern lassen und das Paper definitiv irgendwann veröffentlichen werden, wurden die Drohungen telefonisch entschärft.

„Lösung“

Am 25.11.2011, über eine Woche nachdem das BSI vom Problem erfahren hat, wurde eine öffentliche Sicherheitswarnung herausgegeben; ein Sicherheitsupdate sollte in Kürze folgen. Aus „in Kürze“ wurden eineinhalb Jahre. Eineinhalb Jahre, in der eine hochkritische Sicherheitslücke in einer Verschlüsselungssoftware offen blieb. Die Sicherheitswarnung ist inzwischen auf keiner offiziellen Seite mehr aufzufinden, und hat nicht alle Kunden erreicht – in einem persönlichen Gespräch Ende 2012 war ein Nutzer über die Information überrascht und hat gesagt, dass die GSTOOL-Verschlüsselung immer noch regelmäßig benutzt werde. Das Sicherheitsupdate wurde ebenfalls kaum angekündigt, auch wir erfuhren davon nur durch Zufall, als wir auf der BSI-Website nachgeschaut haben.

Klar ist so eine dämliche Sicherheitslücke peinlich. Aber ich werde den Verdacht nicht los, dass das BSI mehr darauf bedacht war, negative Öffentlichkeit zu vermeiden, als für Sicherheit zu sorgen. Das führt dann eben dazu, dass es auch Nutzer nicht mitbekommen und so der wertlosen Verschlüsselung weiter vertrauen.

Das „Sicherheitsupdate“ bestand am Ende übrigens daraus, die Verschlüsselungs-Schaltfläche zu deaktivieren. Ohne einen Hinweis im Programm, warum das der Fall ist. Nur wer in die Update-Notizen schaut oder eine Sicherheitswarnung des BSI erhalten hat, erfährt, dass die Verschlüsselung geknackt ist.

Spielzeug

Das offensichtliche Problem, dass die GSTOOL-Verschlüsselung den unsicheren Modus ECB benutzt, war bereits Christian Gresser vom Blog „Mitternachtshacking“ aufgefallen. Und zwar 2008. Durch Zufall erfuhren wir später, dass wir auch nicht die ersten waren, die die defekte Schlüsselerzeugung gefunden haben. 2009 fragte Felix Schuster beim BSI an, ob sie daran interessiert wären, wenn er das Tool analysiert, und bekam rechtliche Drohungen als Antwort.  Er fand trotzdem die gleichen Ergebnisse wie wir, teilte sie dem BSI aber aus offensichtlichen Gründen nicht mit.

Später verwendete er ein GSTOOL-Chiffrat als Aufgabe in einem CTF-Contest – einem Wettbewerb, wo Sicherheitsexperten/Hacker in einem simulierten Netzwerk versuchen, ihre Systeme zu schützen und in die der Mitspieler einzudringen, und nebenbei noch kleine Aufgaben lösen. Die „hochsichere“ Verschlüsselung dieses von offizieller Stelle herausgegebenen Tools war also so schlecht und leicht knackbar, dass sie als Spielzeug für Hacker, eine kleine Aufgabe für zwischendurch, verwendet wurde. Immerhin gab es für die „Borg-Bureaucrats“ stolze vierhundert Punkte. Die Aufgabe wurde erfolgreich gelöst und der glückliche Gewinner hat dem BSI wohl Bescheid gesagt – vermutlich in einem relativ engen zeitlichen Zusammenhang zu unserer Meldung. (Details dazu wissen wir leider nicht)

Das würde auch erklären, warum das BSI im Advisory unsere Namen nicht nennen wollte, wie es eigentlich üblich ist, wenn man einer Organisation schon kostenlos Sicherheitslücken meldet. Wer weiß, wie viele andere das Problem schon vorher entdeckt hatten. Felix hat über die Probleme vor Kurzem einen Vortrag gehalten und die Folien online gestellt. Diese enthalten auch eine Beschreibung des Algorithmus, falls sich jemand an einer Kryptoanalyse versuchen will.

We are not alone

Das Erschreckende an dieser ganzen Sache: Wenn wir auf die Idee gekommen sind, uns GSTOOL anzuschauen, und vor uns schon mehrere andere, dann haben ausländische Geheimdienste das sicher auch gemacht. Und die Probleme sind bei einer Analyse nicht zu übersehen. Normalerweise muss sich die NSA die Mühe machen, die Zufallsgeneratoren und andere Komponenten von Kryptosystemen mittels Hintertüren zu sabotieren, hier gabs ein von Haus aus kaputtes System gratis. Und um diese Lücke zu finden, braucht es keine NSA-Experten. Das hat der chinesische Geheimdienst und jeder andere Wirtschaftsspion sicher auch hinbekommen. Kein schöner Gedanke für deutsche Unternehmen, die sich auf die Sicherheit dieser von einer für die IT-Sicherheit zuständigen Behörde herausgegebenen Software verlassen haben.

Und statt zeitnah auf eine solche Lücke zu reagieren (oder von vorne herein dafür zu sorgen, dass so etwas gar nicht erst veröffentlicht wird), bedroht das BSI lieber Sicherheitsforscher, um zu verhindern, dass solche Probleme öffentlich werden. Ohne die Drohungen hätte das BSI wohl bereits 2009 von den Problemen erfahren.

Damit hat das BSI den letzten Funken Glaubwürdigkeit in der IT-Sicherheit verloren. Schade eigentlich, denn die Chiasmus-Chiffre an sich (die vom BSI selbst entwickelt wurde) sieht sicher aus, das BSI hat also durchaus kompetente Leute (oder hatte sie zumindest damals). Für die Sicherheitsprobleme sorgen erst die Implementierungsfehler von Steria-Mummert im GSTOOL (weswegen „Chiasmus für Windows“ auch nicht von der Lücke betroffen sein sollte).

Es war eine gute Idee, dass ich damals bei der AusweisApp direkt veröffentlicht habe, statt erst das BSI zu kontaktieren. Angesichts der Erfahrungen in diesem Fall werde ich jedenfalls in Zukunft nur noch „full disclosure“ fahren (d.h. gefundene Probleme sofort öffentlich machen), wenn ich irgendwelche Lücken in „offizieller“ Software finde. Alles andere sorgt nur für unnötig Stress, Verzögerungen und unter-den-Teppich-kehren.

Auch Kontakt mit dem BSI gehabt? Kunde/Nutzer von GSTOOL und Hinweise vom BSI bekommen (oder eben nicht)? Ich freue mich über Rückmeldungen über die Kommentarfunktion oder per E-Mail!

Fußnoten:

1) Eine Chiffre nicht zu veröffentlichen ist unüblich und gilt als verpönt – eine gute Chiffre ist auch dann sicher, wenn der Angreifer sie kennt, solange er den Schlüssel nicht hat. Vor den wirklich „Bösen“ kann man die Chiffre nicht langfristig geheimhalten, aber wenn die Chiffre nicht öffentlich ist, bleiben Schwächen oft lange für die Nutzer der Chiffre verborgen.

2) AES und Twofish wurden 1998 publiziert. Die erste Referenz zu Chiasmus, die wir finden konnten, erwähnt Chiasmus für Windows in Version 1.3 und ist aus dem Dezember 2001.

Advisory: Unsichere Verschlüsselung bei GSTOOL

=== Betroffene Produkte ===
Betroffen ist die Verschlüsselungsfunktion des GSTOOL in den Versionen 3.0 bis 4.7 (einschließlich) sowie die mit diesen Versionen erstellten Schlüssel und damit verschlüsselte Dateien. Die Version 4.8 (auch bekannt als GSTOOL 4.5, 4.6 oder 4.7 Service Pack 3) ist nicht betroffen, da in dieser Version die Verschlüsselungsfunktion entfernt wurde. Nicht betroffen ist die Kernfunktion des GSTOOL, das erstellen von Sicherheitskonzepten. Nur Anwender, die die Verschlüsselungsfunktion nutzen, sind betroffen.

Das GSTOOL unterstützt Anwender bei Erstellung, Verwaltung und Fortschreibung von Sicherheitskonzepten entsprechend dem IT-Grundschutz und wird vor allem von öffentlichen Stellen und Dienstleistern eingesetzt. Die Verschlüsselungsfunktion ist lediglich eine Zusatzfunktion, wird durch die entdeckten Sicherheitslücken aber weitgehend unwirksam: Angreifer können mit alten GSTOOL-Versionen verschlüsselte Dateien innerhalb weniger Minuten mit einem gewöhnlichen Computer ohne Kenntnis des Schlüssels entschlüsseln. Ursache ist die unsachgemäße Schlüsselerzeugung durch falsche Verwendung eines Zufallszahlengenerators. Diese Versionen 3.0-4.7 des GSTOOLs wurden von Steria Mummert Consulting im Auftrag und Namen des BSI entwickelt. <http://de.wikipedia.org/wiki/GSTOOL>

Nicht betroffen ist die Sicherheit der Blockchiffre „CHIASMUS“ an sich, da es sich um Implementierungsfehler in GSTOOL handelt. Das Produkt „CHIASMUS für Windows“ verwendet eine unabhängige Implementierung und wir vermuten, dass es nicht von dieser Schwachstelle betroffen ist

=== Problembeschreibung ===
Die kryptographischen Schlüssel werden mit einem ungeeigneten Verfahren erzeugt, wodurch die Stärke der Schlüssel auf maximal 31 Bit (in der Praxis meist deutlich weniger) beschränkt wird. Dadurch können die Schlüssel innerhalb von Minuten, meist aber in wenigen Sekunden, mittels eines angepassten Brute-Force-Angriffs bestimmt werden. Die mit den betroffenen Versionen von GSTOOL verschlüsselten Dateien können somit mit minimalem Aufwand auch ohne Kenntnis des Schlüssels entschlüsselt werden.

Weitere Probleme sind die Verwendung der Betriebsart ECB für die Blockchiffre sowie das Fehlen von Integritäts- und Plausibilitätsprüfungen für Dateien und Schlüssel.

=== Gegenmaßnamen ===
Die Verschlüsselungsfunktion enthält mehre Fehler, so dass das Problem nicht einfach zu beheben ist. Das BSI hat sich dafür entschlossen, die Funktion ganz aus GSTOOL zu entfernen. Wir halten das für eine sehr gute Entscheidung. Anwender sollten davon ausgehen, dass ihre Chiffrate kompromittiert sind, und sie so weit möglich dort löschen, wo Dritte potentiell Zugang zu den Chiffraten haben (Cloud-Anbieter, Dropbox, unverschlüsselte Laptop-Festplatten, Tablet und Smartphones).

Als Alternative bleibt für öffentliche Stellen der Einsatz von „CHIASMUS für Windows“. Die Software ist allerdings nicht öffentlich zugänglich und der Quellcode wurde nicht veröffentlicht, so dass wir die Sicherheit dieser Software nicht beurteilen können. Die Dateiformate sind ebenfalls nicht kompatibel.

Als beste Lösung sehen wir den Einsatz von Festplattenverschlüsselungssoftware (FDE) für Computer, auf denen mit GSTOOL gearbeitet wird, sowie den Einsatz von GnuPG/Gpg4win für das sichere Verschicken von GSTOOL-Datenbanken. Die Software ist kostenlos nutzbar, der Quelltext ist öffentlich einsehbar, und die Entwicklung wurde vom BSI gefördert. Das BSI selbst empfiehlt dieses Tool explizit: https://www.bsi.bund.de/DE/Themen/ProdukteTools/Gpg4win/gpg4win_node.html

=== Beteiligte ===
Jan Schejbal
Erik Tews
Julian Wälde

=== Ähnliche Forschung ===
Christian Gresser berichtete in seinem Blog „Mitternachtshacking“ bereits 2008 über die Verwendung der Betriebsart ECB: http://www.mitternachtshacking.de/blog/727-snake-oil-alarm-chiasmus-im-gstool

Wie uns nachträglich bekannt wurde, hat Felix Schuster (Ruhr-Uni­ver­si­tät Bo­chum) bereits im Jahr 2009 dieses Problem unabhängig von unserer Forschung entdeckt. Da das BSI nach einer anfängliche Kontaktaufnahme eine Analyse des GSTOOL durch ihn vehement ablehnte, wurde die Arbeit nicht veröffentlicht und das BSI nicht über die Ergebnisse informiert. Eine Präsentation seiner Ergebnisse kann seit Kurzem unter http://prezi.com/bzyvzzdsxtkm/ubicrypt-chm/ abgerufen werden.

GSTOOL-Chiasmus-Chiffrate wurden laut Felix Schuster beim Hack.lu CTF 2011 als eine der Aufgaben verwendet und von einem Teilnehmer erfolgreich geknackt, welcher vermutlich das BSI kontaktiert hat. Details sind uns leider nicht bekannt.

Sofern andere Forscher sich ebenfalls mit dem Thema beschäftigt und/oder das BSI kontaktiert haben, würden wir uns über eine Kontaktaufnahme freuen – Kontaktdaten siehe <http://www.janschejbal.de/impressum.shtml>.

=== Patch ===
Das BSI hat in einem Advisory am 25.11.2011 dazu geraten, die Verschlüsselungsfunktion nicht zu verwenden, alternative Verschlüsselungslösungen einzusetzen und evtl. öffentlich verfügbare verschlüsselte Dateien zurückzuziehen. Das Advisory ist inzwischen nur noch auf Drittseiten auffindbar, z. B. <http://goo.gl/lVoHL>, die Empfehlungen sind jedoch korrekt.

In der Version 4.8 (auch bekannt als „Servicepack 3 für GSTOOL 4.5“) wurde die Verschlüsselungsfunktion deaktiviert. <http://goo.gl/3Sjb5>

=== Timeline ===
Alle Ereignisse in chronologischer Reihenfolge (nicht der Reihenfolge in der sie uns bekannt wurden):

2008-09-24 Blog-Posting von Chrisitan Gresser, Hinweis darauf dass die Verschlüsselung von GSTOOL nicht vollständig sicher ist.
2009 Erste Arbeiten von Felix Schuster, Anfrage beim BSI ob eien Sicherheitsanalyse von GSTOOL erwünscht ist, Anfrage wurde abgelehnt.
2011-09-19 hack.lu CTF
2011 Erste Arbeiten von uns, Analyse. Dabei wurden die Schwachstellen der Implementierung entdeckt.
2011-11-14 Kontaktaufnahme mit dem BSI, Demonstration der Lücke
später exakte Fehlerbeschreibung (telefonisch)
2011-11-25 Advisory des Herstellers, Ankündigung Servicepack

Weitere Kommunikation und Ratschläge zur Fehlerbehebung

2011-12-06 Hinweis von Seiten des BSI, dass sie Reverse Engineering bei GSTOOL ihrer Meinung nach nicht erlaubt ist und Bitte, von der Veröffentlichung von Analyseergebnissen der Chiffre abzusehen.

2011-2013 Mehrfache Statusnachfragen unsererseits

2013-06-06 (ca.) Erscheinen des Servicepacks, keine Benachrichtigung.
2013-07-22 UbiCrypt Summerschool in Bochum mit Vortrag von Felix Schuster
2013-09-11 Veröffentlichung dieses Advisories