Leistungsstarke universelle Quantencomputer werden die mathematischen Probleme derzeit verwendeter kryptografischer Verfahren effizient lösen können. Unmittelbar davon betroffen sind heute allgegenwärtige asymmetrische kryptografische Verfahren für Verschlüsselung, Schlüsselaustausch und Signaturen: RSA, (EC)DH und ECDSA. Diese sich abzeichnende Bedrohung erfordert die Konzeption, Entwicklung und Standardisierung neuer kryptografischer Verfahren: der sogenannten Post-Quanten-Kryptografie (PQK). Aktuell arbeiten bereits mehrere Standardisierungsgremien an zukünftigen PQK Standards, wie z.B. das Nationale Institut für Standards und Technologie (National Institute of Standards and Technology, NIST). Im Vergleich zu heutigen Kryptosystemen, sind bei PQK Verfahren Performance-Eigenschaften wie Schlüsselgröße, Speicherverbrauch und Laufzeit oftmals deutlich erhöht. Ein einfaches Austauschen bisheriger Verfahren ist somit nicht möglich. Die Auswirkungen von PQK müssen deshalb bei einer Integration in Protokolle und Anwendungen genau evaluiert werden.

Der Bereich der industriellen Kontrollsysteme wird vermutlich zu einem der ersten Industriebereiche gehören, die auf neue PQK Standards setzen werden. Denn die Anforderungen an die IT-Sicherheit sind dort hoch: Zum einen schreitet die Vernetzung industrieller Komponenten stetig voran, wodurch sie Bestandteil des Industriellen Internets der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) werden. Zum anderen sind die Lebenszeiten industrieller Komponenten sehr lang (≥ 15 Jahre). Im Hinblick auf die kommenden PQK Standards stellt sich somit folgende Frage: Wie kann eine möglichst schnelle, reibungslose und sichere Migration hin zu neuen PQK Verfahren gewährleistet werden – insbesondere in so stark vernetzten Bereichen wie dem IIoT?

In dieser Arbeit identifizieren und untersuchen wir zunächst offene Fragestellungen um Post-Quanten-Kryptografie in Geräte, Protokolle und Anwendungen innerhalb von IIoT-Systemen zu integrieren. Dabei gilt kryptografische Agilität als Grundvoraussetzung für eine reibungslose Migration. Ausgehend von der Definition kryptografischer Agilität im IIoT Kontext leiten wir drei wesentliche Subtypen ab. Zudem geben unsere vorgestellten Grundsätze darüber Auskunft, wie kryptografische Agilität in Software-Systemen erreicht und aufrechterhalten werden kann. Des Weiteren evaluieren wir in dieser Arbeit Verfahren des NIST PQK Standardisierungsprozesses und identifizieren verschiedene hash- und gitterbasierte PQK Verfahren als aussichtsreiche Kandidaten für IIoT Anwendungen. Wir zeigen außerdem wie Trusted Platform Modules (TPMs) die Umsetzung des gitterbasierten Schlüsselaustauschverfahrens CRYSTALS-Kyber und des hashbasierten Signaturverfahrens SPHINCS+ sicherer machen können.

Während bisherige Arbeiten in erster Linie die Migration hin zu Quantencomputer-sicherer Vertraulichkeit betrachten, stellen wir in dieser Arbeit auch eine erste Migrationsstrategie hin zu Quantencomputer-sicherer Authentifizierung vor. Die vorgestellte Migrationsstrategie baut auf dem Konzept „gemischter Zertifikatsketten“ auf, welche verschiedene Signaturverfahren entlang einer Zertifikatskette verwendet. Insbesondere wird anhand des Netzwerkprotokolls Transport Layer Security (TLS) gezeigt, dass mit Zertifikatsketten, die hashbasierte Signaturverfahren nur beim Wurzelzertifikat verwenden, trotz erhöhter Nachrichtengrößen vielversprechende Verbindungsaufbauzeiten erzielt werden können.

Abschließend werden drei Integrationsmöglichkeiten von PQK in das industrielle Kommunikationsprotokoll Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) aufgezeigt: Hybrid-KEX OPC UA, Hybrid OPC UA und PQ OPC UA. Die ersten beiden Ansätze bauen auf hybriden Konstruktionen für die Integration auf, indem konventionelle Kryptografie mit Post-Quanten-Kryptografie kombiniert wird. PQ OPC UA hingegen verwendet nur PQK Verfahren. Hybride Konstruktionen werden als vielversprechende Übergangslösung gehandelt und sind in der Lage, heute übertragene Informationen gegen zukünftige Quantencomputer-Angriffsszenarien, wie z.B. „heute abspeichern, später entschlüsseln“, zu beschützen. Allerdings sind derartige Konstruktionen nicht länger notwendig, sobald PQK Verfahren standardisiert sind und ausreichend Vertrauen gewonnen haben. Darüber hinaus beweisen wir die beiden Sicherheitseigenschaften Vertraulichkeit und Authentizität der vorgestellten Integrationsmöglichkeiten anhand des symbolischen Modells unter Verwendung des Protokoll-Verifikationstools ProVerif.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Migrations- und Integrationsstrategien bereiten somit IIoT-Anwendungen und -Protokolle möglichst gut auf den bevorstehenden Wandel hin zu Post-Quanten-Kryptografie vor.