Cloudflare baut Post-Quantum-Zertifizierungsstelle mit Merkle Tree Certificates

Cloudflare hat die Gründung einer neuen Zertifizierungsstelle (Certificate Authority, CA) angekündigt, die Merkle Tree Certificates (MTCs) unterstützen soll. Dieser neuartige Ansatz für die Websicherheit adressiert die drohende Bedrohung durch Quantencomputing. Nach einem erfolgreichen experimentellen Einsatz mit Google Chrome plant das Unternehmen, seine Zertifikate bis Anfang 2027 in den Quantum-resistant Root Store von Chrome aufzunehmen. Dieser Schritt markiert einen bedeutenden Wandel darin, wie Vertrauen im Internet aufgebaut wird: weg von traditionellen Zertifikatsketten hin zu einem effizienteren Modell, das Transparenz an erster Stelle setzt.

Was passiert ist

Die aktuelle Web Public Key Infrastructure (PKI) verlässt sich auf Zertifizierungsstellen, um den Besitz einer Domain zu validieren und diesen an einen öffentlichen Schlüssel zu binden. Um sicherzustellen, dass diese Stellen die Regeln einhalten, hat die Branche Certificate Transparency (CT) eingeführt, was verlangt, dass alle Zertifikate in öffentlichen Datenbanken protokolliert werden. Dieses System wurde jedoch nachträglich zum ursprünglichen PKI-Design hinzugefügt. Da Quantencomputer näher rücken – sie könnten voraussichtlich bis 2029 aktuelle Verschlüsselungsstandards brechen –, muss die Industrie auf Post-Quantum-Kryptografie umsteigen. Ein einfaches Ersetzen der klassischen Signaturen durch größere Post-Quantum-Signaturen innerhalb des bestehenden CT-Frameworks würde zu massiven Leistungseinbußen und Speicherblähungen führen; Schätzungen zufolge würden sich die Datenanforderungen um das Vierzigfache erhöhen.

Um dieses Problem zu lösen, baut Cloudflare eine Zertifizierungsstelle, die Merkle Tree Certificates (MTCs) nativ unterstützt. Im Gegensatz zu traditionellen Systemen, bei denen Transparenz nur ein Add-on ist, betrachten MTCs Transparenz als Kerneigenschaft der Ausstellung. Das Unternehmen wird die standardmäßige MTC-Ausstellung kostenlos anbieten, um dem Internet einen schmerzfreien Upgrade-Pfad zu ermöglichen. Diese neue Autorität wird neben der klassischen Zertifikatsausstellung betrieben, sodass Server standardmäßig die sicherste verfügbare Authentifizierungsmethode nutzen können, ohne bestehende Dienste zu stören.

Wie es funktioniert

Merkle Tree Certificates ändern den grundlegenden Mechanismus der Vertrauensüberprüfung. Anstatt jedes einzelne Zertifikat zu signieren, bündelt eine Zertifizierungsstelle diese in einen append-only Merkle-Baum. Die CA signiert dann nur die Wurzel dieses Baums. Wenn ein Client, wie etwa ein Browser, ein spezifisches Zertifikat überprüfen muss, verwendet er einen kompakten Inklusionsnachweis (Inclusion Proof) – eine Sequenz kryptografischer Hashes –, um zu bestätigen, dass das Zertifikat im signierten Baum existiert. Dieser Ansatz folgt dem Prinzip „Loggen Sie nicht, was Sie ausstellen; stellen Sie aus, indem Sie loggen“, wodurch Transparenz zu einer zwingenden Betriebsvoraussetzung wird und nicht zu einem separaten Schritt.

Es gibt zwei Formen von MTCs: Standalone und Landmark-relative. Standalone-Zertifikate enthalten den mitunterschrifteten Baumkopf und den Inklusionsnachweis direkt im Signaturwert. Landmark-relative Zertifikate sind effizienter; sie verlassen sich darauf, dass Clients periodische Updates vertrauenswürdiger Teilbäume, sogenannter Landmarks, über Out-of-Band-Mechanismen wie Browser-Updates erhalten. Während eines TLS-Handshakes sendet der Server nur einen leichtgewichtigen Inklusionsnachweis. Der Browser prüft, ob das Zertifikat zu einem vertrauenswürdigen Landmark gehört, was die während der Verbindung übertragene Datenmenge erheblich reduziert. Wenn einem Client der neueste Landmark fehlt, kann er auf das Standalone-Format zurückgreifen.

Um die Integrität sicherzustellen, nutzt Cloudflares System Mirroring-Cosigner. Dies sind unabhängige Entitäten, die Kopien des Ausstellungslogs speichern und überprüfen, ob neue Einträge korrekt und konsistent angehängt werden. Die Richtlinie von Chrome erfordert mindestens zwei Cosignaturen: eine von der CA und eine von einem unabhängigen Mirror. Cloudflare wird seinen Mirroring-Cosigner unter Verwendung von Azul implementieren, einem Open-Source-Transparenzlog basierend auf Rust. So wird gewährleistet, dass die Aufzeichnungen über die Zertifikatsausstellung auch dann überwacht werden können, wenn das primäre CA-Log nicht verfügbar ist.

Wichtige Details

• Cloudflare strebt die Aufnahme in den Quantum-resistant Root Store von Chrome bis Anfang 2027 an.
• Post-Quantum-Signaturen sind ungefähr vierzigmal größer als klassische Signaturen, was zu schweren Skalierungsproblemen für aktuelle Certificate-Transparency-Logs führt.
• Merkle Tree Certificates bündeln Ausstellungen in einen Merkle-Baum, wobei nur eine einzige Signatur für die gesamte Baumwurzel erforderlich ist.
• Das System nutzt Mirroring-Cosigner, um die Log-Konsistenz zu überprüfen und die Verfügbarkeit sicherzustellen; Chrome schreibt mindestens eine unabhängige Cosignatur vor.
• In Experimenten mit Chrome Beta 146 waren landmark-relative MTCs im Median neun Prozent schneller als klassische Signaturketten.
• Cloudflare wird die standardmäßige MTC-Ausstellung kostenlos anbieten und einen Fork der Boulder-ACME-Software pflegen, um Anfragen zu bearbeiten.

Warum das wichtig ist

Für Software-Ingenieure und Infrastruktur-Leads stellt dieser Übergang eine kritische Evolution der Sicherheitsarchitektur dar. Das aktuelle PKI-System ächzt unter der Last seiner eigenen Komplexität, und die Ankunft des Quantencomputings droht, es vollständig zu brechen. Durch die Adoption von MTCs können sich Entwickler auf eine Zukunft vorbereiten, in der Sicherheit sowohl stärker als auch effizienter ist. Die Reduzierung der Handshake-Größe und des Verarbeitungsaufwands bedeutet, dass verbesserte Sicherheit nicht auf Kosten der Benutzererfahrung oder der Serverleistung geht.

Darüber hinaus reduziert der Wechsel zu einem Transparenz-first-Modell das Risiko, dass falsch ausgestellte Zertifikate unentdeckt bleiben. Im aktuellen System müssen Monitore große Mengen redundanter Daten aus mehreren Logs herunterladen und verarbeiten. Mit MTCs ist das Log die Quelle der Wahrheit, und Konsumenten rufen jedes Zertifikat nur einmal ab. Diese Effizienz fördert eine vielfältigere Gruppe von Log-Betreibern und Monitoren und stärkt so die allgemeine Resilienz des Vertrauensökosystems im Web. Ingenieure, die Produkte entwickeln, die auf TLS-Authentifizierung angewiesen sind, sollten diese Mechanismen jetzt verstehen, um eine reibungslose Migration zu gewährleisten, wenn Browser Post-Quantum-Standards durchsetzen.

Was Sie tun können

• Überwachen Sie die Radar-Seite von Cloudflare für großskalige Messungen und Updates zu Trends bei der Zertifikatstransparenz.
• Prüfen Sie die Entwürfe der IETF PLANTS Working Group, um die technischen Spezifikationen von Merkle Tree Certificates zu verstehen.
• Bereiten Sie Ihre Infrastruktur darauf vor, ACME-Protokollinteraktionen zu unterstützen, da Cloudflares MTC-CA einen Fork von Boulder nutzen wird.
• Behalten Sie die Richtlinien des Quantum-resistant Root Program von Chrome im Auge, um kommende Compliance-Anforderungen zu verstehen.
• Testen Sie Ihre aktuellen TLS-Konfigurationen, um sicherzustellen, dass sie Fallback-Szenarien während der Übergangsphase bewältigen können.
• Folgen Sie den Open-Source-Releases von Cloudflare, einschließlich des Azul-Transparenzlogs, um über Implementierungsdetails auf dem Laufenden zu bleiben.