Diplomarbeit von Melanie Volkamer

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1 Diplomarbeit von Melanie Volkamer 02.03.2004
Entwicklung und prototypische Realisierung eines Wahlprotokolls für die Durchführung von Personalratswahlen Diplomarbeit von Melanie Volkamer Entwicklung eines Internetwahlsystems für Personalratswahlen, also ein Wahlsystem, mit dem die nächsten Personalratswahlen über das Internetabgewickelt werden können. (Def. IW)

2 Inhalt Einleitung Probleme und Lösungsvorschlag Anwendungsfeld
Rechtsgrundlagen Vertrauensmodell Designentscheidung Architektur und Protokolle Angriffe/Bedrohungen Implementierung von SecVote Zusammenfassung und Ausblick

3 1. Einleitung Reformen in der Technik von Wahlen
1867 Reichswahlgesetz: allgemein (Frauen ab 1919), unmittelbar, geheim 1949 Grundgesetz: zusätzlich frei, gleich 1957 Briefwahl, 1975 Wahlgeräte E-Democracy/E-Government Seit Ende der 90er Internetwahlprojekte Immernoch aktuell: W.I.E.N., Internetwahlen ! Wir wollen x E-Government mehr Verwaltungsabläufe Idee schon vor der Etablierung des Internets, 1981 chaum: Untreacable mail....

4 1.1 Klassifizierung elektronische Wahlsysteme
Einsatz elektronischer Wahlgeräte Internetwahl-systeme Wahlen über andere Übertra-gungsmedien seit 1975 §35 BWG Standleitung Telefonleitung Def: Abwicklung einer Wahl über das Internet Internetwahl-systeme BWG = Bundeswahlgesetz

5 Internetwahl-systeme
1.1 Klassifizierung (2) Internetwahl-systeme Ort der Stimmabgabe Wahllokal Wahlkiosk individuell (PC, mobile) Vertrauens-modell keiner einer mehreren (Instanzen vertrauen) Authenti-fizierung Wissen (PIN) Besitz (Sig.) pers. Eigen- schaften (Fin-gerabdruck) kryptogr. Primitive asym. Ver-schlüsselung blinde Sig. MIXE usw. Wahllokal freie Wahl des Wahllokals Kioskwahl = Wahllokal bei Personalratswahlen Testwahlcharakter und Alternative

6 1.2 Internetwahlprojekte
Weltweit etwa 40 Internetwahlen Etwa die Hälfte verbindlich Meist „individuell“ + PIN/TAN 15 Internetwahlen in Deutschland In Deutschland Wahlkreis 329/Forschungsgruppe Internetwahlen 10 durchgeführte Wahlen Meist bei Personal-/Betriebsratswahlen Erste rechtsgültige IW wurde von Forschungsgruppe Internetwahlen im Feb bei den Wahlen des Studentenparalamentes an der Universität Osnabrück durchgeführt. Gründer: Prof. Dr. Otten

7 2. Problematik (allgemein)
Komplexität und Vielschichtigkeit Fächerübregreifend (IT, Jura, Soziologie) Authentizität  Anonymität Unterschiedliche rechtliche Vorgaben Staaten / Anwendungsgebiet (Vereins-wahlen, Bundestagswahlen) Weitere Unterschiede Änderbarkeit der Wahlgesetze Motivation und Publicity des Angreifers Wählerzahlen und Kosten Gesetzl. Rahmenbedingungen fehlen

8 2. Problematik (konkret)
Bisherigere Internetwahlsysteme Theoretische Ansätze aber unpraktikabel Systeme sind nicht rechtskonform Nicht-öffentliche Architekturen/Verfahren Keine Kriterien zur Verifikation Sehr geringe Akzeptanz Zu kostspielig Probleme teilweise erkannt und gelöst Gewaltenteilung Individulle Internetwahl Zu kostspielig : extra geräte, betreibssystem, ballot receipt,...

9 2. Lösungsvorschlag Vorgehensweise Architektur  Gewaltenteilung
Rechtsvorlagen  Anforderungen auf techn. Ebene  Anforderungen auf Design-Ebene  Komponentenanforderungen Architektur  Gewaltenteilung Mechanismus zur unbegrenzten Sicherung des Wahlgeheimnisses Rechtsgrundlagen Sicherheitsanforderungen auf technischer Ebene Sicherheitsanforderungen auf Design-Ebene Komponentenanforderungen

10 3. Anwendungsfeld Beschäftigtengruppen
Beamten Angestellte Arbeiter Bezirks-, Haupt-, Gesamtpersonalrat Bundespersonalvertretungsgesetz Einsatzumgebung 3 Stimmzettel

11 3. Anwendungsfeld (2) Einsatzumgebung Intranet
PC mit Intranetanschluss am Arbeitsplatz  mit dem Umgang vertraut Jobkarten (eCard – Initiative) eCards Als Ziel des aktionsprogrammes „Informationsgesellschaft Deutschland 2006“

12 4. Rechtsgrundlagen Rechtsgrundlagen
Sicherheitsanforderungen auf technischer Ebene Sicherheitsanforderungen auf Design-Ebene Komponentenanforderungen

13 4. Rechtsgrundlagen Grundgesetz (GG)  5 Wahlrechtsgrundätze
Wahl der Abgeordneten des Deut-schen Bundestages Bundespersonalvertretungsgesetz (BPersVG) und zugehörige Wahlord-nung (BPersVWO) Artikel 38 [Wahlrechtsgrundsätze; Rechtsstellung der Abgeordneten] (1) Die Abgeordneten des Deutschen Bundestages werden in allgemeiner, unmittelbarer, freier, gleicher und geheimer Wahl gewählt.

14 4.1 Wahlrechtsgrundsätze
allgemein: unmittelbar: frei: gleich: geheim: Gleichheit beim Zugang/ gleiche Voraussetzung Stimmen wirken direkt auf das Ergebnis; keine Mittelsmänner ohne Zwang/Druck/Beeinflussung und ungültige Stimmabgabe Zählwert- und Erfolgswertgleichheit Dauerhafte Sicherung des Wahl- geheimnisses Gleiche: aktiv und passiv unabhängig vom Fortschritt in Technik und Kryptographie

15 4.2 BPersVG und BPersVWO BPersVG BPersVWO – Briefwahlen
Wahlen sind geheim und unmittelbar In der Normenhierachie dem GG untergeordnet  5 Wahlrechtsgrundsätze müssen erfüllt sein BPersVWO – Briefwahlen §17 Schriftliche Stimmabgabe: „Einem wahlberechtigten Beschäftigten, der im Zeitpunkt der Wahl verhindert ist ...“ Ausnahmeregelung

16 Mittagspause? eCards Als Ziel des aktionsprogrammes „Informationsgesellschaft Deutschland 2006“

17 5. Vertrauensmodell Rechtsgrundlagen
Sicherheitsanforderungen auf technischer Ebene Sicherheitsanforderungen auf Design-Ebene Komponentenanforderungen

18 5. Vertrauensmodell Ehrliche Teilnehmer Angreifer Wähler
Wahlveranstalter (Administratoren) Angreifer Wahlberechtigte Kandidaten Außenstehende Hersteller der Soft-/Hardware

19 5.1 Angreifer (Eigenschaften)
Können Nachrichten Mitlesen Speichern Verändern Kryptographische Beschränktheit während der Wahl Finanziell beschränkt Keine Beeinflussung der Wähler in der Wahlkabine Erzeugen Löschen Kein Chipanalyselabor

20 5.1 Angreifer (Ziele) Brechen des Wahlgeheimnisses
Eines bestimmten Wählers Beweisbar Direkte Ergebnismanipulation Votum löschen, hinzufügen, verändern Indirekte Ergebnismanipulation Manipulaiton des Wählerverzeichnisses Verhindern der Wahl Zwischenergebnis berechnen Kein Chipanalyselabor Manipulation des Wählerverzeichnisses: unberechtigter Ausschluss berechtigter und zulassen unberechtigter

21 5.2 Ehrliche Teilnehmer Eigenschaften Wähler Wahlveranstalter
Bewahren eigene Wahlentscheidung Übertragen das Identitätsmerkmal nicht Wahlveranstalter Befolgen Vorgaben/Schutzmaßnahmen des Systems Versuchen Angriffe aufzudecken Admins sind im prinzip Wahlveranstalter.

22 5.3 Anforderungen Systemanforderungen Anforderungen an die Umgebung
Abgeleitet von den Rechtsgrundlagen Anforderungen an die Umgebung Müssen gelten, damit das System obige Anforderungen erfüllt Müssen gelten... Wie bei allen technischen Systeme

23 5.3.1 Systemanforderungen Allgemeine Wahl Verfügbarkeit
Verfügbarkeit des Wahlsystems Keine inkonsistenten Zustände Keine Systemausfall Benutzerfreundlichkeit Zuverlässigkeit Bei der Datenübtragung und Speicherung Der eingesetzten Infrastrukturen Korrektheit Zählen aller Stimmen Müssen gelten... Wie bei allen technischen Systeme

24 5.3.1 Systemanforderungen (2)
Unmittelbare Wahl Keine technischen Anforderungen Freie Wahl Unerzwingbarkeit Unbeobachtete Stimmabgabe ermöglichen Beinflussung im Vorfeld geheime Wahl Stimmzettelgestaltung Ungültig Stimmabgabe ermöglichen Müssen gelten... Wie bei allen technischen Systeme

25 5.3.1 Systemanforderungen (3)
Gleiche Wahl Authentifikation und Autentisierung Eindeutige Authentifikation Authentifikationsmerkmal nicht übertragbar Eindeutige Wahlberechtigungsüberprüfung Korrektheit Alle Stimmen genau einmal zählen Integrität und Authentizität Bei Datenspeicherung und –übertragung Vor allem Stimmzettel fälschungssicher Angreifernachrichten erkennen Müssen gelten... Wie bei allen technischen Systeme

26 5.3.1 Systemanforderungen (4)
Nichtvermehrbarkeit Keine Stimmzettelvervielfältigung Mehrfache Stimmabgabe ausgeschlossen Stimmzettelgestaltung Gleicher Platz für alle Kandidaten Rechnerschutz Unberechtigter Zugriff Sicherung vor Angriffen über das Internet Müssen gelten... Wie bei allen technischen Systeme

27 5.3.1 Systemanforderungen (5)
Geheime Wahl Geheimhaltung Nichtrückverfolgbarkeit Informationstheoretisch sicher Unverkaufbarkeit Stimmabgabe für Käufer nicht prüfbar Eigene Entscheidung nicht beweisbar Rechnerschutz Zugriffsrechte Briefwahlen Distanzwahl als Ausnahme Müssen gelten... Wie bei allen technischen Systeme

28 5.3.2 Umgebungsanforderungen
Angreifermächtigkeit Am Wahltag kryptographisch beschränkt Max. Zugriff auf eine Komponente Wählerverhalten Nicht alle wählen das gleiche Nicht alle verschwören sich gegen einen Verhalten der Organisatoren Sicherung vor Stromausfällen Einsatz sicherer Rechner Keine Zusammenarbeit zum Wahlbetrug Müssen gelten... Wie bei allen technischen Systeme

29 6. Designentscheidungen
Rechtsgrundlagen Sicherheitsanforderungen auf technischer Ebene Sicherheitsanforderungen auf Design-Ebene Komponentenanforderungen

30 6. Designentscheidungen
Ort der Stimmabgabe Methoden der Authentifizierung Kryptographische Primitive Ungültige Stimmabgabe Mehrfache Gewaltenteilung

31 6.1 Ort der Stimmabgabe Ausschließlich indivi- duelle Internetwahl
Distanzwahl als Ausnahme statt Briefwahl indivi - duelle Internetwahl Verfügbarkeit Briefwahl und indivi- duelle Internetwahl Sichere Geräte, wahlbetriebssystem, von CD booten,... Aber zur zeit noch nicht vorhanden. sichere Geräte Internetwahl im Wahllokal

32 6.2 Authentifizierung Wissen: PIN/TAN
Einfach übertragbar Persöhnliche Eigenschaften: Fingerabdruck Zu teuer Fehlende Technik Besitz: digitale Signaturkarte Jobkarten und Infrastruktur vorhanden In Kombination mit PIN qualifiziert Nicht übertragbar, da Jobkarte Einsatz der CA (Gültigkeitsüberprüfung)

33 6.3 Kryptographische Primitive
Verschlüsselung ist nicht ausreichend für unbegrenzte Geheimhaltung Asymmetrisch (Problem: kryptographische Annahmen) Symmetrisch One-Time-Pad (Problem: zufälliger, einmaliger Schlüssel) Sonstige MIXE : Kommunikation bis zum MIX Blinde Signaturen: Angreiferdefinition

34 6.3 Kryptographische Primitive (2)
Zufälliges Auswählen Erste Stimmabgabe nur Speichern Zweite Stimmabgabe Suche zufällig eines der beiden aus Verschicke diese Stimme Speichere andere Stimme Wiederholung bei jeder Stimmabgabe „Nach“ Wahlende: Stimme aus Speicher verschicken Informationstheoretisch sicher

35 6.3 Kryptographische Primitive (3)
Problem Zwei letzten verschickten Voten gleich Aber Nicht planbar Geringe Wahrscheinlichkeit Schwer beweisbar Votum eines beliebigen Wählers Verbesserung Mehr als zwei Voten sammeln Symmtrische Verschlüsselung wegen Zwischenergebnissen

36 6.4 Ungültige Stimmabgabe
Textfeld  Tastatur erforderlich Button Andere Gestalt, aber eh Sende-Button Ungewollte ungültige Stimmabgabe Zweifaches Bestätigen Hinweis Stimmzettel Wählen Sie einen kandidaten, um eine gültige Stimme abzugeben Hans Müller (Öko1) Christel Schmitt (Öko2) Carla Wagner (Öko1) Ralf Hoffmann (Öko3) wählen ungültige Stimme abbrechen

37 6.5 Gewaltenteilung Wahlberechtigungsprüfung und Stim-mensammlung trennen Sonst erreicht Angreifer all seine Ziele Zwei Komponenten zur Wahlberechti-gungsprüfung Sonst Ergebnismanipulations möglich Stimmsammlung und Stimmauszäh-lung trennen Sonst Zwischenergebnisse Zwei Rechner pro Wahlkabine Sonst Wahlgeheimnis nicht sicher

38 6.6 Design - Zusammenfassung
Internetwahl im Wahllokal Qualifizierte digitale Signatur Zufallsmechanismus zur Geheimhal-tung Symmetrische Verschlüsselung wegen Zwischenergebnissen Button zur ungültigen Stimmabgabe Gewaltenteilung an 4 Stellen

39 Kaffee? eCards Als Ziel des aktionsprogrammes „Informationsgesellschaft Deutschland 2006“

40 7. Architektur und Protokolle
Rechtsgrundlagen Sicherheitsanforderungen auf technischer Ebene Sicherheitsanforderungen auf Design-Ebene Komponentenanforderungen

41 7.1 Architektur Server: Rechner: RegServer CA UrnServer Controller
RegPCs WahlPCs (VerPCs Für herkömmlich/kombinierte Stimmabgabe) RegServer Sig PIN RegPC WahlPC UrnServer Controller CA Welche Geräte für was zuständig

42 7.2 Protokolle Registrierung Initialisierung Wahlvorgang
Wählerzertifikatsüberprüfung: Controller CA Initialisierung Gültigkeitsüberprüfung der Komponen-tenzertifikate: KOMPONENTECA Wahlstart-Nachricht mit zusätzlichen Infos: ControllerKOMPONENTE Wahlvorgang Ergebnisberechnung Wahlende-Nachricht Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

43 7.2 Protokoll - Wahlvorgang
Stimmensammlung Stimmabgabe Statusänderung Wahlberechtigungsprüfung (2)Anfrage (3)OK RegServer CA UrnServer (13a)ACK (12)Hat gewählt (13)Votum (12a) ACK (4)OK, Typ (11)Hat gewählt (5) Anfrage (8) Typ (9) Wahl- zettel (1)Anfrage (11a)ACK (6) OK Wahlvorgang als eine der sechs Grundprozesse: Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht abge- schlossen Karte ? OK WahlPC Bitte warten Karte ? Stimm- abgabe PIN ? (10)Hat gewählt (7)freischalten, Typ Sig RegPC WahlPC

44 7.3 Komponentenanforderungen
Controller Aufgaben Erzeugung des Wählerverzeichnis-ses Erzeugen der Stimmzettel Verteilen der Daten Ergebnisberechnung Anforderungen Verfügbarkeit des Wählerverzeichnisses sichern Stimmzettelgestaltung beachten Integrität/Authentizität Korrektheit/keine Zwischenergebnisse Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

45 7.3 Komponentenanforderungen
RegServer Aufgaben: Berechtigungsprüfung Anforderungen Eindeutige Authentifikation Eindeutige Wahlberechtigungsüberprüfung Verfügbarkeit CA Aufgaben: zusätzl. Zertifikatsüberprüfung Anforderungen: korrekte Überprüfung

46 7.3 Komponentenanforderungen
RegPC Aufgaben: Erfragen des Identifikations-merkmals Anforderungen Benutzerfreundlichkeit Verfügbarkeit Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

47 7.3 Komponentenanforderungen
WahlPC Aufgaben: Stimmabgabe Anforderungen Benutzerfreundlichkeit Verfügbarkeit Nichtvermehrbarkeit (nur eine Stimme) Geheimhaltung Integrität und Authentizität bei Übertragung Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

48 7.3 Komponentenanforderungen
UrnServer Aufgaben:Stimmensammlung Anforderungen Verfügbarkeit Nichtvermehrbarkeit Integrität Kein Zwischenergebnis Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

49 7.3 Komponentenanforderungen
Gesamtes System Anforderungen Zuverlässigkeit (Datenverluste, Kommunikation mit Systemkomponente) Integrität und Authentizität bei der Daten-übertragung Rechnerschutz Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

50 7.4 Übersicht allgemein frei gleich geheim Control-ler Verfügbarkeit,
Korrektheit Stimm-zettel Stimmzettel, Korrekheit, Integrität, Authentizität RegSer-ver, CA Verfügbarkeit Authentifi-kations, Autorisierung RegPC Verfügbarkeit, Benutzerfr. WahlPC Uner-zwingbar-keit Integrität, Authetizität, Nichtvermehr. Geheimhal-tung, Un-verkaufbar UrnSer-ver Nichtvermehr., Integrität System Zuverlässigkeit Rechner-schutz Integrität, Authentizität, Rechnerschutz Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

51 7.5 Rückblick Rechtsgrundlagen
Sicherheitsanforderungen auf technischer Ebene Sicherheitsanforderungen auf Design-Ebene Komponentenanforderungen

52 8. Angriffe / Bedrohungen
Daten bei der Übertragung verändern Signatur auf allen Nachrichten Komponentenschlüsselpaar/-zertifikat Signaturkartenlesegerät Öffentliche Schlüssel zur Verifikation Nachrichten erzeugen Werden ignoriert Signatur nicht erzeugbar Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

53 8. Angriffe / Bedrohungen (2)
Nachrichten wiederversenden (Replay) Pro Kommunikationspaar/ Protokollschritt: Eindeutige Nummer Eindeutiges Format Datum, Empfänger, Sender Nachrichten nur einmal weiterverarbeiten Nachrichten abfangen Einzelne: Mechanismus zum Wiederverschicken Alle: Standleitung Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

54 8. Angriffe / Bedrohungen (3)
Mitlesen/ analysieren von Nachrichten Daten ausser Votum Angreifer kennt Nachrichteninhalt Aber keine neue Information Nur wer wählt und welcher Stimmzettel Votum wegen Zwischenergebnis Symmetrisch verschlüsselt Wahlgeheimnis Zufallsmechanismus Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

55 8. Angriffe / Bedrohungen (4)
Zweifache Stimmabgabe Signaturkarte und Personalausweis Eindeutiger Wählerstatus Nach Wahlberechtigung Stimmzettel nur bis Stimmabgabe sichtbar Gestohlene Signaturkarte Deaktivierung bei 3 falschen PIN-Eingaben Serverausfälle Back-Up-Server Denial-of-Service - IP und Ports geheim Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

56 8. Angriffe / Bedrohungen (5)
Rechnerzugriff Direkt Passwortgeschütze Rechner und Server In verschlossenen Räumen Rechner in Panzerschränken Über das Kommunikationsnetz Sichere Rechner Klare Schnittstelldefinition Alle Protokollschritte über extra Port Firewall-Mechanismus PWD secret sharimg

57 8. Angriffe / Bedrohungen (6)
Zugriff auf eine der Komponenten Controller Wählerverzeichnis  Beschwerde Ergebnisberechnung  geprüfte Software RegServer Wähler ausschließen/ Unberechtigte zulassen  Widerspruch zur Berechtigung von CA Abgleich der wählerverzeichnisse

58 8. Angriffe / Bedrohungen (7)
CA Wahlberechtigte ausschließen/ Unberech-tigte zulassen  Widerspruch RegServer Zertifikatsüberprüfung  Anwort bei RegServer speichern RegPC WahlPC freischalten ohne Wahlberechtigung  Kontrollmechanismus Abgleich der wählerverzeichnisse

59 8. Angriffe / Bedrohungen (8)
UrnServer (bzgl. Stimmen) Hinzufügen  Kontrollmechanimus Löschen  Kontrollmechanimus Verändern  Signatur Austauschen  einmalige Zufallszahl WahlPC Geheimhaltung  Nachrichten Mitscannen Eigenes Votum verschicken  externe Signaturkomponente Voten ohne Freischaltung verschicken  Kontrollmechanimus Was tun die komponenten nach erhalt der nachricht

60 9. Implementierung von SecVote
Java (2 SDK, JDK 1.3.1) IAIK – Kryptographie – Bibliothek MySQL Zu Testzwecken: Linux und Windows Algorithmen RSA mit SHA-1 zur Signatur X509-Zertifikate IDEA zur symmetrischen Verschlüsselung Pseudozufallsgenerator von SUN

61 9. Implementierung von SecVote
Programme + Dokumentation auf CD ToDo‘s: Schnittstelle zu Signaturkartenlesegerät Schnittstelle zum sicheren Signiergerät Back-Up-Server Kleinigkeiten: GUI, Wahl der IPs/Ports, Passwörter Sichere Rechner Lizenzen PWD – Secret Sharing. Datenträger automatisch erzeugen

62 9. Implementierung von SecVote
Vorführung des Programms Beispiel mit 3 Wählern Verschiedene Stimmabgaben Gültige Stimme Ungültige Stimme Versuche einer zweifachen Stimmabgabe Abbruch des Wahlvorgangs Ergebnisberechnung PWD – Secret Sharing. Datenträger automatisch erzeugen

63 10. Zusammenfassung/Ausblick
Vorgehensweise Nach Basis-Methoden der Common Criteria Besonderheiten Unbegrenzte Sicherung des Votums Gewaltenteilung an vier Stellen Manipulation einer Komponente wird akzeptiert Prototypisch umgesetzt (Open Source) Gezeigt wie ein System zu entwickeln ist

64 Fragen? Vielen Dank!