Restructure PKI part
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@ -705,7 +705,73 @@ Deshalb wird die statische Konfiguration aller kryptografischen Parameter, und d
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\section{PKI-Server} \label{sct:plan_pki_server}
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In diesem Abschnitt wird das Konzept zur Benutzerverwaltung aus Kapitel~\ref{sct:user_concept} unter Berücksichtigung der gewählten PKI-Software EasyRSA konkretisiert.
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\paragraph{Vorgaben:}
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Die folgenden Vorgaben für die CA wurden in Absprache mit dem Auftraggeber und Erstprüfer dieser Arbeit festgelegt:
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Das Wurzelzertifikat soll für 20 Jahre gültig sein.
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Ausgestellte Clientzertifikate sollen für Beschäftigte 5 Jahre lang gültig sein, für Studierende 2 Jahre lang.
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Ausgestellte Serverzertifikate sollen 5 Jahre lang gültig sein.
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In den ausgestellten Benutzerzertifikaten soll der volle Name und die Hochschul-E-Mail-Adresse des Benutzers abgelegt werden.
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Die Serverzertifikate sollen den \textit{vollqualifizierten Domainnamen} (FQDN) enthalten.
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\paragraph{Auswahl des Kryptosystems:}
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EasyRSA unterstützt sowohl RSA-Schlüsselpaare als auch Schlüsselpaare auf Basis der \textit{Elliptische-Kurven-Kryptografie} (EKK).
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Somit stehen RSA und EKK als Kryptosystems zur Auswahl, mit denen die CA aufgebaut werden kann.
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OpenVPN unterstützt die Verwendung von Zertifikaten mit Schlüsseln auf Basis der EKK ab Version~2.4.0\footnote{Vergleich \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/blob/v2.4.6/README.ec}} vom Dezember 2016 \footnote{Siehe \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/releases/tag/v2.4.0}}.
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Die Unterstützung von Zertifikaten mit RSA-Schlüsseln ist jedoch schon in Version~1.2.0 vorhanden gewesen\footnote{Vergleich \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/blob/v2.4.6/ChangeLog}}, und existiert somit spätestens seit Mai 2002.
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Zertifikate auf Basis des RSA-Kryptosystems wurden im OpenVPN-Umfeld also mindestens 14 Jahre länger erprobt als Zertifikate auf Basis von EKK.
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Die daraus resultierenden Erfahrungswerte sind für die Auswahl des Kryptosystems der VPN-CA ausschlaggebend, da die Zertifikate für den VPN-Dienst, abhängig von ihrem Verwendungszweck, für Zeiträume von 5 bis 20 Jahren gültig sein sollen.
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Für das gewählte Kryptosystem müssen Parameter wie die gewünschte Schlüssellänge und, im Fall von EKK, eine elliptische Kurve gewählt werden.
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Sollten die Parameter des Kryptosystems oder das Kryptosystem selbst während des Betriebszeitraums nicht mehr als sicher gelten, so muss eine neue CA aufgebaut werden und die unsichere CA ersetzen.
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Tritt dieser Fall ein, so ist er mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden, da neue Betriebsparameter für die CA gewählt werden müssen und alle gültigen Zertifikate der alten CA entsprechend ersetzt werden müssen.
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Deshalb ist es geboten das Risiko für diesen Fall zu minimieren.
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Aus diesem Grund fällt die Wahl auf RSA, da mit RSA im Vergleich zu EKK mehr Erfahrungswerte vorliegen, die für die langfristige Stabilität von RSA sprechen.
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Ein weiterer Grund für die Wahl von RSA liegt darin, dass lediglich die Schlüssellänge als Parameter gewählt werden muss.
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Mögliche Fehler bei der Wahl einer elliptischen Kurve, wie sie bei EKK notwendig ist, entfallen bei RSA.
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Die Vorteile von EKK sind bei dem Anwendungsfall der CA hingegen nicht relevant:
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Die im Vergleich zu RSA geringeren Schlüssellängen bei gleichem Sicherheitsniveau werden nicht zwingend benötigt, da die Schlüssel beider Kryptosysteme auf modernen Computern in mehr als ausreichender Anzahl abgespeichert werden können.
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Auch auf die im Vergleich zu RSA effizienteren Verfahren in EKK zum Signieren und Verschlüsseln von Daten kann verzichtet werden, da alle diese Operationen auf modernen Computern in wenigen Sekunden berechnet werden können.
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Laut BSI kann RSA über das Jahr 2023 hinaus eingesetzt werden \cite[][Kapitel 3.5, Absatz \enquote{Schlüssellänge} (S.38)]{bsi:tr-02102-1}.
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\paragraph{Festlegen der Schlüssellänge:}
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Im nächsten Schritt wird die Länge der RSA-Schlüssel festgelegt, die in allen durch die CA ausgestellten Zertifikaten zum Einsatz kommen soll.
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OpenVPN empfiehlt eine Schlüssellänge von mindestens 2048 Bit: \textit{\enquote{OpenVPN will migrate to 'preferred' as default in the future. Please ensure that your keys already comply.}}.
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Das Profil \enquote{preferred} ist dabei wie folgt definiert: \textit{\enquote{SHA2 and newer, RSA 2048-bit+, any elliptic curve.}} \cite[Aus][Option \texttt{--tls-cert-profile}]{man:openvpn}.
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Das BSI empfiehlt Schlüssellängen von mindestens 3000 Bit für Verwendungen über das Jahr 2023 hinaus \cite[][Kapitel 3.5, Absatz \enquote{Schlüssellänge} (S.38)]{bsi:tr-02102-1}.
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Damit die CA für 20 Jahre sicher betrieben werden kann, wird auf Basis dieser Empfehlungen die Schlüssellänge auf 4096 Bit festgelegt.
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\paragraph{Metadaten:}
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EasyRSA unterstützt zwei Varianten, um den Inhalt des \texttt{Subject}-Felds eines X.509-Zertifikat zu füllen.
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Im Modus \enquote{cn\_only} wird nur der \texttt{Common Name} in das \texttt{Subject}-Feld gesetzt.
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Im Modus \enquote{org} wird ein \texttt{Distinguished Name} in dem \texttt{Subject}-Feld abgelegt, der die Felder \texttt{Country}, \texttt{Province}, \texttt{City}, \texttt{Org}, \texttt{OU}, \texttt{email} und \texttt{CN} beinhaltet.
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Laut Vorgaben soll der volle Name und die Hochschul-E-Mail-Adresse der Benutzer in den Clientzertifikaten abgelegt werden.
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Somit muss EasyRSA auf den Modus \enquote{org} eingestellt werden.
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Für Clientzertifikate wird festgelegt, dass der volle Name im Feld \texttt{Common Name} abgelegt wird, und die E-Mail-Adresse im Feld \texttt{Email Address}.
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Für Serverzertifikate wird festgelegt, dass der \textit{vollqualifizierte Domainname} (FQDN) im Feld \texttt{Common Name} abgelegt wird.
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Das Feld \texttt{Email Address} wird mit der Hochschul-E-Mail-Adresse der für den Server zuständigen Administratoren gefüllt.
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Für alle weiteren Felder werden folgende Vorgaben festgelegt:
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\texttt{Country}: \enquote{DE},
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\texttt{Province}: \enquote{Niedersachsen},
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\texttt{City}: \enquote{Hannover},
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\texttt{Org}: \enquote{Hochschule Hannover},
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\texttt{OU}: \enquote{Abteilung Informatik}.
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\paragraph{Gültigkeitsdauer der CRL:}
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OpenVPN kann die von der CA ausgestellte \textit{Certificate Revocation List} (CRL) benutzen kann um die Gültigkeit von Clientzertifikaten zu überprüfen.
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Da dieses Feature benutzt werden soll, sind Einstellungen in Bezug auf die CRL für diese Arbeit relevant.
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Die CRL enthält Informationen über alle von der CA zurückgerufenen Zertifikate und ist nur für einen begrenzten Zeitraum gültig, der anhand der Felder \enquote{Last Update} und \enquote{Next Update} begrenzt wird \cite[][Kapitel 5.1.2]{RFC5280}.
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Dabei sollte eine aktualisierte CRL noch vor Erreichen des \enquote{Next Update}-Zeitpunkt der vorherigen CRL durch die CA veröffentlicht werden \cite[][Kapitel 5.1.2.5]{RFC5280}.
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Für EasyRSA kann die Gültigkeitsdauer der CRL in Tagen konfiguriert werden.
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Da OpenVPN bei einer abgelaufenen CRL den Dienst verweigert, ist für einen unterbrechungsfreien Betrieb wichtig, dass immer eine gültige CRL zur Verfügung steht.
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Grundsätzlich stellt dies kein Problem dar: Sowohl das Ausstellen, als auch das Installieren der CRL auf dem OpenVPN-Server können automatisiert werden.
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Um auch bei manueller Installation der CRL einen unterbrechungsfreien Betrieb des VPN-Dienst zu gewährleisten wird für die CRL eine Gültigkeitsdauer von 180 Tagen festgelegt.
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\chapter{Konfiguration des OpenVPN-Servers} \label{cpt:implement_vpn_server}
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@ -960,82 +1026,8 @@ Die resultierenden Konfigurationdateien befinden sich im Anhang dieser Arbeit.
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\chapter{Implementieren der Benutzerverwaltung} \label{cpt:implement_ca}
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Nachdem die Installation des OpenVPN-Servers in Kapitel~\ref{cpt:implement_vpn_server} beschrieben wurde, wird in diesem Kapitel die Einrichtung der Zertifizierungsstelle zur Verwaltung der VPN-Benutzer auf Basis von EasyRSA gezeigt.
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\section{Konfiguration von EasyRSA} \label{sct:easyrsa_config}
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Bevor mit EasyRSA~3.0.5 eine CA aufgebaut werden kann, muss die Konfiguration von EasyRSA an die Bedürfnisse der CA angepasst werden.
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Die anzupassenden Parameter werden in diesem Abschnitt beschrieben und die dazu getroffenen Entscheidungen erläutert.
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\paragraph{Vorgaben:}
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Die folgenden Vorgaben für die CA wurden in Absprache mit dem Auftraggeber und Erstprüfer dieser Arbeit festgelegt:
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Das Wurzelzertifikat soll für 20 Jahre gültig sein.
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Ausgestellte Clientzertifikate sollen für Beschäftigte 5 Jahre lang gültig sein, für Studierende 2 Jahre lang.
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Ausgestellte Serverzertifikate sollen 5 Jahre lang gültig sein.
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In den ausgestellten Benutzerzertifikaten soll der volle Name und die Hochschul-E-Mail-Adresse des Benutzers abgelegt werden.
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Die Serverzertifikate sollen den \textit{vollqualifizierten Domainnamen} (FQDN) enthalten.
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\paragraph{Auswahl des Kryptosystems:}
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EasyRSA unterstützt sowohl RSA-Schlüsselpaare als auch Schlüsselpaare auf Basis der \textit{Elliptische-Kurven-Kryptografie} (EKK).
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Somit stehen RSA und EKK als Kryptosystems zur Auswahl, mit denen die CA aufgebaut werden kann.
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OpenVPN unterstützt die Verwendung von Zertifikaten mit Schlüsseln auf Basis der EKK ab Version~2.4.0\footnote{Vergleich \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/blob/v2.4.6/README.ec}} vom Dezember 2016 \footnote{Siehe \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/releases/tag/v2.4.0}}.
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Die Unterstützung von Zertifikaten mit RSA-Schlüsseln ist jedoch schon in Version~1.2.0 vorhanden gewesen\footnote{Vergleich \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/blob/v2.4.6/ChangeLog}}, und existiert somit spätestens seit Mai 2002.
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Zertifikate auf Basis des RSA-Kryptosystems wurden im OpenVPN-Umfeld also mindestens 14 Jahre länger erprobt als Zertifikate auf Basis von EKK.
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Die daraus resultierenden Erfahrungswerte sind für die Auswahl des Kryptosystems der VPN-CA ausschlaggebend, da die Zertifikate für den VPN-Dienst, abhängig von ihrem Verwendungszweck, für Zeiträume von 5 bis 20 Jahren gültig sein sollen.
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Für das gewählte Kryptosystem müssen Parameter wie die gewünschte Schlüssellänge und, im Fall von EKK, eine elliptische Kurve gewählt werden.
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Sollten die Parameter des Kryptosystems oder das Kryptosystem selbst während des Betriebszeitraums nicht mehr als sicher gelten, so muss eine neue CA aufgebaut werden und die unsichere CA ersetzen.
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Tritt dieser Fall ein, so ist er mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden, da neue Betriebsparameter für die CA gewählt werden müssen und alle gültigen Zertifikate der alten CA entsprechend ersetzt werden müssen.
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Deshalb ist es geboten das Risiko für diesen Fall zu minimieren.
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Aus diesem Grund fällt die Wahl auf RSA, da mit RSA im Vergleich zu EKK mehr Erfahrungswerte vorliegen, die für die langfristige Stabilität von RSA sprechen.
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Ein weiterer Grund für die Wahl von RSA liegt darin, dass lediglich die Schlüssellänge als Parameter gewählt werden muss.
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Mögliche Fehler bei der Wahl einer elliptischen Kurve, wie sie bei EKK notwendig ist, entfallen bei RSA.
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Die Vorteile von EKK sind bei dem Anwendungsfall der CA hingegen nicht relevant:
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Die im Vergleich zu RSA geringeren Schlüssellängen bei gleichem Sicherheitsniveau werden nicht zwingend benötigt, da die Schlüssel beider Kryptosysteme auf modernen Computern in mehr als ausreichender Anzahl abgespeichert werden können.
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Auch auf die im Vergleich zu RSA effizienteren Verfahren in EKK zum Signieren und Verschlüsseln von Daten kann verzichtet werden, da alle diese Operationen auf modernen Computern in wenigen Sekunden berechnet werden können.
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Laut BSI kann RSA über das Jahr 2023 hinaus eingesetzt werden \cite[][Kapitel 3.5, Absatz \enquote{Schlüssellänge} (S.38)]{bsi:tr-02102-1}.
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\paragraph{Festlegen der Schlüssellänge:}
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Im nächsten Schritt wird die Länge der RSA-Schlüssel festgelegt, die in allen durch die CA ausgestellten Zertifikaten zum Einsatz kommen soll.
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OpenVPN empfiehlt eine Schlüssellänge von mindestens 2048 Bit: \textit{\enquote{OpenVPN will migrate to 'preferred' as default in the future. Please ensure that your keys already comply.}}.
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Das Profil \enquote{preferred} ist dabei wie folgt definiert: \textit{\enquote{SHA2 and newer, RSA 2048-bit+, any elliptic curve.}} \cite[Aus][Option \texttt{--tls-cert-profile}]{man:openvpn}.
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Das BSI empfiehlt Schlüssellängen von mindestens 3000 Bit für Verwendungen über das Jahr 2023 hinaus \cite[][Kapitel 3.5, Absatz \enquote{Schlüssellänge} (S.38)]{bsi:tr-02102-1}.
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Damit die CA für 20 Jahre sicher betrieben werden kann, wird auf Basis dieser Empfehlungen die Schlüssellänge auf 4096 Bit festgelegt.
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\paragraph{Metadaten:}
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EasyRSA unterstützt zwei Varianten, um den Inhalt des \texttt{Subject}-Felds eines X.509-Zertifikat zu füllen.
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Im Modus \enquote{cn\_only} wird nur der \texttt{Common Name} in das \texttt{Subject}-Feld gesetzt.
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Im Modus \enquote{org} wird ein \texttt{Distinguished Name} in dem \texttt{Subject}-Feld abgelegt, der die Felder \texttt{Country}, \texttt{Province}, \texttt{City}, \texttt{Org}, \texttt{OU}, \texttt{email} und \texttt{CN} beinhaltet.
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Laut Vorgaben soll der volle Name und die Hochschul-E-Mail-Adresse der Benutzer in den Clientzertifikaten abgelegt werden.
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Somit muss EasyRSA auf den Modus \enquote{org} eingestellt werden.
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Für Clientzertifikate wird festgelegt, dass der volle Name im Feld \texttt{Common Name} abgelegt wird, und die E-Mail-Adresse im Feld \texttt{Email Address}.
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Für Serverzertifikate wird festgelegt, dass der \textit{vollqualifizierte Domainname} (FQDN) im Feld \texttt{Common Name} abgelegt wird.
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Das Feld \texttt{Email Address} wird mit der Hochschul-E-Mail-Adresse der für den Server zuständigen Administratoren gefüllt.
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Für alle weiteren Felder werden folgende Vorgaben festgelegt:
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\texttt{Country}: \enquote{DE},
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\texttt{Province}: \enquote{Niedersachsen},
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\texttt{City}: \enquote{Hannover},
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\texttt{Org}: \enquote{Hochschule Hannover},
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\texttt{OU}: \enquote{Abteilung Informatik}.
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\paragraph{Gültigkeitsdauer der CRL:}
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OpenVPN kann die von der CA ausgestellte \textit{Certificate Revocation List} (CRL) benutzen kann um die Gültigkeit von Clientzertifikaten zu überprüfen.
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Da dieses Feature benutzt werden soll, sind Einstellungen in Bezug auf die CRL für diese Arbeit relevant.
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Die CRL enthält Informationen über alle von der CA zurückgerufenen Zertifikate und ist nur für einen begrenzten Zeitraum gültig, der anhand der Felder \enquote{Last Update} und \enquote{Next Update} begrenzt wird \cite[][Kapitel 5.1.2]{RFC5280}.
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Dabei sollte eine aktualisierte CRL noch vor Erreichen des \enquote{Next Update}-Zeitpunkt der vorherigen CRL durch die CA veröffentlicht werden \cite[][Kapitel 5.1.2.5]{RFC5280}.
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Für EasyRSA kann die Gültigkeitsdauer der CRL in Tagen konfiguriert werden.
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Da OpenVPN bei einer abgelaufenen CRL den Dienst verweigert, ist für einen unterbrechungsfreien Betrieb wichtig, dass immer eine gültige CRL zur Verfügung steht.
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Grundsätzlich stellt dies kein Problem dar: Sowohl das Ausstellen, als auch das Installieren der CRL auf dem OpenVPN-Server können automatisiert werden.
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Um auch bei manueller Installation der CRL einen unterbrechungsfreien Betrieb des VPN-Dienst zu gewährleisten wird für die CRL eine Gültigkeitsdauer von 180 Tagen festgelegt.
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\section{Betrieb der Zertifizierungsstelle} \label{sct:running_ca}
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Für den Betrieb der Zertifizierungsstelle wird in Absprache mit dem IT-Team eine virtuelle Maschine exklusiv für diesen Zweck erzeugt und im Mitarbeiter-Netz platziert.
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\label{sct:running_ca}
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Für den Betrieb der Zertifizierungsstelle wird eine virtuelle Maschine exklusiv für diesen Zweck erzeugt und im Mitarbeiter-Netz platziert.
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Unter Berücksichtigung der Anforderung \ref{req:serveros} aus Kapitel~\ref{par:requirements} wird Debian~9 nach den Vorgaben des IT-Teams auf der virtuellen Maschine installiert.
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Das EasyRSA-Paket wird unterhalb von \texttt{/root} ausgepackt und für den Einsatz als CA für den VPN-Dienst konfiguriert.
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