PKI (Public Key Infrastructure) - Definition & Erklärung

PKI (Public Key Infrastructure) ist ein System zur Verwaltung digitaler Identitäten auf Basis asymmetrischer Kryptographie. Es löst das fundamentale Problem der verteilten Vertrauensherstellung: Wie kann Alice sicherstellen, dass der öffentliche Schlüssel den sie besitzt wirklich Bob gehört - und nicht einem Angreifer?

Das Vertrauensproblem und die PKI-Lösung

Ohne PKI gibt es das “Man-in-the-Middle”-Problem beim Schlüsselaustausch: Ein Angreifer könnte seinen eigenen öffentlichen Schlüssel als “Bobs Schlüssel” ausgeben.

PKI löst das durch eine Vertrauenshierarchie: Eine vertrauenswürdige dritte Instanz (Certificate Authority, CA) bestätigt kryptographisch die Bindung zwischen einem öffentlichen Schlüssel und einer Identität.

Root CA (Vertrauensanker)
    ↓ signiert
Intermediate CA
    ↓ signiert
End-Entity-Zertifikat (für Server, Person, Gerät)

Das Betriebssystem und Browser enthalten Listen vertrauenswürdiger Root-CAs (ca. 150 weltweit).

PKI-Komponenten

Certificate Authority (CA): Stellt Zertifikate aus, signiert und widerruft sie. Unterteilt in:

Public CA: Kommerziell (DigiCert, Sectigo) oder non-profit (Let’s Encrypt) - für öffentlich erreichbare Server
Private/Enterprise CA: Interne CA für Unternehmensgeräte, VPN-Clients, Intranets (z.B. Microsoft AD CS, HashiCorp Vault)

Registration Authority (RA): Prüft die Identität des Antragstellers vor Zertifikatsausstellung. Kann von der CA getrennt betrieben werden.

Certificate Repository: Öffentlich zugänglicher Speicher für ausgestellte Zertifikate (LDAP, HTTP).

CRL (Certificate Revocation List) / OCSP: Mechanismen zur Überprüfung ob ein Zertifikat noch gültig ist (vor Ablauf widerrufene Zertifikate).

Zertifikatstypen

TLS/SSL-Zertifikate (Server Authentication):

Domain Validation (DV): Nur Domain-Kontrolle geprüft (Let’s Encrypt, schnell, kostenlos)
Organization Validation (OV): Unternehmensidentität geprüft (für Unternehmens-Websites)
Extended Validation (EV): Aufwändige Prüfung, früher mit grüner Adressleiste (heute weniger relevant)
Wildcard-Zertifikat: Gilt für *.example.com - alle Subdomains

Client-Zertifikate: Authentifizieren Nutzer oder Geräte gegenüber Servern. Anwendungsfälle:

VPN-Authentifizierung ohne Passwort
Web-Applikation-Zugang (statt Username/Passwort)
S/MIME (E-Mail-Verschlüsselung und -Signatur)

Code Signing-Zertifikate: Software-Hersteller signieren ihre Executables. Windows und macOS prüfen diese Signatur beim Start.

Document Signing: Digitale Signaturen auf PDFs, Verträgen (z.B. Adobe Acrobat kompatibel).

PKI im Unternehmenskontext (Private PKI)

Unternehmen betreiben oft eigene Certificate Authorities für:

Device-Zertifikate (Machine Identity): Jedes Unternehmensgerät erhält ein eindeutiges Zertifikat → ermöglicht Conditional Access (“Nur verwaltete Geräte mit gültigem Zertifikat erhalten Zugriff”).

802.1X WLAN-Authentifizierung: Keine Pre-Shared-Keys mehr - jedes Gerät authentifiziert sich per Zertifikat am WLAN. Kein Passwort das geteilt werden kann.

VPN (IPsec/TLS-basiert): Gegenseitige Zertifikatauthentifizierung (Mutual TLS) statt Passwort.

E-Mail-Verschlüsselung (S/MIME): Mitarbeitende erhalten Zertifikate für verschlüsselte und signierte E-Mails.

PKI-Sicherheitsrisiken

CA-Kompromittierung: Ein Angriff auf eine öffentliche CA (DigiNotar 2011, Comodo 2011) kann globale Auswirkungen haben. Angreifer können dann beliebige valide Zertifikate ausstellen.

Schlüsselkompromittierung: Privater Schlüssel eines Zertifikats gestohlen → Zertifikat muss sofort widerrufen werden (CRL/OCSP).

Ablaufüberwachung: Abgelaufene Zertifikate verursachen Ausfälle (Produktions-Incidents in Großunternehmen sind häufig). Certificate-Lifecycle-Management ist entscheidend.

Falsch ausgestellte Zertifikate: CAs können Fehler machen. Certificate Transparency (CT) Logs ermöglichen öffentliche Überprüfung aller ausgestellten Zertifikate.

Private PKI-Risiken:

Schwaches Root-CA-Key-Material
Keine HSM (Hardware Security Module) für CA-Schlüssel
Keine automatische Revozierung bei Gerätediebstahl

PKI und Zero Trust

In Zero-Trust-Architekturen ist PKI ein fundamentales Vertrauensinstrument:

Geräteidentität: Client-Zertifikate als Device Identity für Conditional Access
Service-Identität: Mutual TLS (mTLS) zwischen Microservices (kein implizites Netzvertrauen)
SPIFFE/SPIRE: Workload-Identitäten in Kubernetes via PKI

# Zertifikatsinformationen anzeigen
openssl x509 -in cert.pem -text -noout

# Zertifikatskette validieren
openssl verify -CAfile chain.pem cert.pem

# OCSP-Status prüfen
openssl ocsp -issuer issuer.pem -cert cert.pem -url http://ocsp.example.com

BSI-Empfehlungen

Das BSI empfiehlt in den Technischen Richtlinien (TR-02102):

RSA-Schlüssel: mindestens 3072 Bit (bis 2028), danach 4096 Bit
ECC-Schlüssel: P-256 oder P-384 (NIST-Kurven)
Zertifikatsgültigkeit: max. 1 Jahr für TLS-Server-Zertifikate (Industrie-Trend: 90 Tage, Let’s Encrypt: 47 Tage)
CA-Schlüssel: Speicherung in Hardware Security Modulen (HSM)