Web Authentication API: Ein umfassender Leitfaden zur Implementierung der passwortlosen Anmeldung

In der heutigen digitalen Landschaft ist Sicherheit von größter Bedeutung. Herkömmliche passwortbasierte Authentifizierungsmethoden sind zunehmend anfällig für Angriffe wie Phishing, Brute-Force-Versuche und Credential Stuffing. Die Web Authentication API (WebAuthn), auch bekannt als FIDO2 Client to Authenticator Protocol (CTAP), bietet eine moderne, sichere und benutzerfreundliche Alternative: die passwortlose Anmeldung. Dieser umfassende Leitfaden führt Sie durch die Prinzipien von WebAuthn, seine Vorteile und wie Sie es effektiv in Ihren Webanwendungen implementieren.

Was ist die Web Authentication API (WebAuthn)?

Die Web Authentication API (WebAuthn) ist ein Webstandard, der es Websites und Anwendungen ermöglicht, starke Authentifizierungsmethoden wie Biometrie (Fingerabdruck, Gesichtserkennung), Hardware-Sicherheitsschlüssel (YubiKey, Titan Security Key) und Plattform-Authentifikatoren (Windows Hello, Touch ID unter macOS) zur Benutzerauthentifizierung zu nutzen. Sie ist eine Kernkomponente des FIDO2-Projekts, eines offenen Authentifizierungsstandards, der darauf abzielt, Passwörter durch sicherere und bequemere Alternativen zu ersetzen.

WebAuthn basiert auf den Prinzipien der Public-Key-Kryptographie. Anstatt Passwörter auf dem Server zu speichern, stützt es sich auf ein kryptographisches Schlüsselpaar: einen privaten Schlüssel, der sicher auf dem Gerät des Benutzers gespeichert ist, und einen öffentlichen Schlüssel, der bei der Website oder Anwendung registriert ist. Wenn ein Benutzer versucht, sich anzumelden, authentifiziert er sich lokal mit seinem biometrischen Sensor oder Sicherheitsschlüssel, was den privaten Schlüssel freischaltet und dem Browser ermöglicht, eine signierte Zusicherung (Assertion) zu generieren, die seine Identität gegenüber dem Server beweist, ohne jemals den privaten Schlüssel selbst zu übertragen. Dieser Ansatz reduziert das Risiko von passwortbezogenen Angriffen erheblich.

Vorteile der Implementierung von WebAuthn

• Erhöhte Sicherheit: WebAuthn eliminiert Passwörter und macht Ihre Anwendung immun gegen passwortbasierte Angriffe wie Phishing, Brute-Force-Angriffe und Credential Stuffing. Die Verwendung von privaten Schlüsseln, die das Gerät des Benutzers niemals verlassen, fügt eine zusätzliche Sicherheitsebene hinzu.
• Verbessertes Benutzererlebnis: Die passwortlose Anmeldung vereinfacht den Authentifizierungsprozess. Benutzer können sich schnell und einfach mittels Biometrie oder eines Sicherheitsschlüssels anmelden, was das Merken und Eingeben komplexer Passwörter überflüssig macht. Dieses optimierte Erlebnis kann zu einer erhöhten Benutzerzufriedenheit und -bindung führen.
• Phishing-Resistenz: WebAuthn-Authentifikatoren sind an den Ursprung (Domain) der Website oder Anwendung gebunden. Dies verhindert, dass Angreifer gestohlene Anmeldeinformationen auf betrügerischen Websites verwenden, was WebAuthn äußerst widerstandsfähig gegen Phishing-Angriffe macht.
• Plattformübergreifende Kompatibilität: WebAuthn wird von allen gängigen Browsern und Betriebssystemen unterstützt, was ein konsistentes Authentifizierungserlebnis auf verschiedenen Geräten und Plattformen gewährleistet. Diese breite Kompatibilität macht es zu einer praktikablen Lösung für eine Vielzahl von Webanwendungen.
• Compliance und Standardisierung: Als Webstandard hilft WebAuthn Organisationen, Sicherheitsvorschriften und Branchen-Best-Practices einzuhalten. Die Standardisierung gewährleistet die Interoperabilität zwischen verschiedenen Authentifikatoren und Plattformen.
• Reduzierte Supportkosten: Durch die Abschaffung von Passwörtern kann WebAuthn die Supportkosten im Zusammenhang mit Passwortzurücksetzungen, Kontowiederherstellung und Sicherheitsverletzungen erheblich senken.

Schlüsselkonzepte in WebAuthn

Das Verständnis der folgenden Schlüsselkonzepte ist entscheidend für die effektive Implementierung von WebAuthn:

• Relying Party (RP): Dies ist die Website oder Anwendung, die WebAuthn zur Authentifizierung verwendet. Die RP ist für die Initiierung des Authentifizierungsprozesses und die Überprüfung der Benutzeridentität verantwortlich.
• Authenticator: Ein Authenticator ist eine Hardware- oder Softwarekomponente, die kryptographische Schlüssel erzeugt und speichert sowie Authentifizierungsoperationen durchführt. Beispiele sind Sicherheitsschlüssel, Fingerabdruckleser und Gesichtserkennungssysteme.
• Public Key Credential: Dies ist ein Paar kryptographischer Schlüssel (öffentlich und privat), das mit einem Benutzer und einem Authenticator verbunden ist. Der öffentliche Schlüssel wird auf dem Server der Relying Party gespeichert, während der private Schlüssel sicher auf dem Authenticator des Benutzers gespeichert wird.
• Attestation: Attestation ist der Prozess, bei dem ein Authenticator der Relying Party kryptographisch signierte Informationen über seinen Typ und seine Fähigkeiten zur Verfügung stellt. Dies ermöglicht es der RP, die Authentizität und Vertrauenswürdigkeit des Authenticators zu überprüfen.
• Assertion: Eine Assertion ist eine kryptographisch signierte Anweisung, die vom Authenticator generiert wird und die Identität des Benutzers gegenüber der Relying Party beweist. Die Assertion basiert auf dem privaten Schlüssel, der mit dem Public Key Credential des Benutzers verknüpft ist.
• User Verification: Dies bezieht sich auf die Methode, die vom Authenticator verwendet wird, um die Anwesenheit und Zustimmung des Benutzers vor der Durchführung von Authentifizierungsoperationen zu überprüfen. Beispiele sind Fingerabdruckscannen, PIN-Eingabe und Gesichtserkennung.
• User Presence: Dies bedeutet einfach, dass der Benutzer physisch anwesend ist und mit dem Authenticator interagiert (z. B. durch Antippen eines Sicherheitsschlüssels).

Implementierung von WebAuthn: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung

Die Implementierung von WebAuthn umfasst einige wichtige Schritte. Hier ist ein allgemeiner Überblick über den Prozess:

1. Registrierung (Erstellung von Anmeldeinformationen)

Dies ist der Prozess der Registrierung eines neuen Authenticators bei der Relying Party.

1. Benutzer initiiert die Registrierung: Der Benutzer initiiert den Registrierungsprozess auf der Website oder Anwendung.
2. Relying Party generiert eine Challenge: Die Relying Party generiert eine einzigartige, kryptographisch sichere Challenge (Zufallsdaten) und sendet sie an den Browser des Benutzers. Diese Challenge hilft, Replay-Angriffe zu verhindern. Die RP stellt auch Informationen wie die Relying Party ID (RP ID) zur Verfügung, die typischerweise der Domainname der Website ist.
3. Browser kontaktiert den Authenticator: Der Browser verwendet die WebAuthn API, um den Authenticator zu kontaktieren. Der Browser gibt die RP ID, die User ID und die Challenge an.
4. Authenticator generiert ein Schlüsselpaar: Der Authenticator generiert ein neues öffentliches/privates Schlüsselpaar. Der private Schlüssel wird sicher auf dem Authenticator selbst gespeichert.
5. Authenticator signiert Daten: Der Authenticator signiert die Challenge (und möglicherweise andere Daten) mit dem privaten Schlüssel. Er generiert auch eine Attestation-Anweisung, die Informationen über den Authenticator selbst enthält.
6. Browser gibt Daten an die Relying Party zurück: Der Browser gibt den öffentlichen Schlüssel, die Signatur und die Attestation-Anweisung an die Relying Party zurück.
7. Relying Party verifiziert die Daten: Die Relying Party verifiziert die Signatur mit dem öffentlichen Schlüssel und überprüft die Attestation-Anweisung, um sicherzustellen, dass der Authenticator vertrauenswürdig ist.
8. Relying Party speichert den öffentlichen Schlüssel: Die Relying Party speichert den öffentlichen Schlüssel, der mit dem Konto des Benutzers verknüpft ist.

Beispiel (konzeptionell):

Stellen Sie sich vor, eine Benutzerin, Alice, möchte ihren YubiKey auf example.com registrieren. Der Server generiert eine zufällige Zeichenfolge wie "A7x92BcDeF" und sendet sie an Alices Browser. Der Browser weist den YubiKey an, ein Schlüsselpaar zu generieren und die Zeichenfolge zu signieren. Der YubiKey tut dies und gibt den öffentlichen Schlüssel, die signierte Zeichenfolge und einige Informationen über sich selbst zurück. Der Server überprüft dann, ob die Signatur gültig ist und ob der YubiKey ein echtes Gerät ist, bevor er den öffentlichen Schlüssel mit Alices Konto verknüpft und speichert.

2. Authentifizierung (Bestätigung der Anmeldeinformationen)

Dies ist der Prozess der Überprüfung der Identität des Benutzers mit dem registrierten Authenticator.

1. Benutzer initiiert die Anmeldung: Der Benutzer initiiert den Anmeldeprozess auf der Website oder Anwendung.
2. Relying Party generiert eine Challenge: Die Relying Party generiert eine einzigartige Challenge und sendet sie an den Browser des Benutzers.
3. Browser kontaktiert den Authenticator: Der Browser verwendet die WebAuthn API, um den mit dem Konto des Benutzers verknüpften Authenticator zu kontaktieren.
4. Authenticator signiert die Challenge: Der Authenticator fordert den Benutzer zur Verifizierung auf (z. B. Fingerabdruck, PIN) und signiert dann die Challenge mit dem privaten Schlüssel.
5. Browser gibt Daten an die Relying Party zurück: Der Browser gibt die Signatur an die Relying Party zurück.
6. Relying Party verifiziert die Signatur: Die Relying Party verifiziert die Signatur mit dem gespeicherten öffentlichen Schlüssel. Wenn die Signatur gültig ist, ist der Benutzer authentifiziert.

Beispiel (konzeptionell):

Alice kehrt zu example.com zurück, um sich anzumelden. Der Server generiert eine weitere zufällige Zeichenfolge wie "G1h34IjKlM" und sendet sie an Alices Browser. Der Browser fordert Alice auf, ihren YubiKey zu berühren. Der YubiKey signiert nach Überprüfung von Alices Anwesenheit die neue Zeichenfolge. Die Signatur wird an den Server zurückgesendet, der sie mit dem bei der Registrierung gespeicherten öffentlichen Schlüssel überprüft. Wenn die Signatur übereinstimmt, ist Alice angemeldet.

Codebeispiel (Vereinfachtes JavaScript – serverseitige Logik erforderlich)

Dies ist ein vereinfachtes Beispiel und erfordert serverseitige Logik zur Generierung von Challenges, Überprüfung von Signaturen und Verwaltung von Benutzerkonten. Es soll die grundlegenden Schritte veranschaulichen.

// Registrierung (vereinfacht)
async function register() {
  try {
    const options = await fetch('/registration/options').then(res => res.json()); // Optionen vom Server abrufen
    const credential = await navigator.credentials.create(options);

    const response = await fetch('/registration/complete', {
      method: 'POST',
      headers: {
        'Content-Type': 'application/json'
      },
      body: JSON.stringify({
        credential: {
          id: credential.id,
          rawId: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.rawId))),
          type: credential.type,
          response: {
            attestationObject: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.attestationObject))),
            clientDataJSON: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.clientDataJSON))),
          }
        }
      })
    });

    const result = await response.json();
    if (result.success) {
      alert('Registrierung erfolgreich!');
    } else {
      alert('Registrierung fehlgeschlagen: ' + result.error);
    }
  } catch (error) {
    console.error('Fehler bei der Registrierung:', error);
    alert('Registrierung fehlgeschlagen: ' + error.message);
  }
}

// Authentifizierung (vereinfacht)
async function authenticate() {
  try {
    const options = await fetch('/authentication/options').then(res => res.json()); // Optionen vom Server abrufen
    const credential = await navigator.credentials.get(options);

    const response = await fetch('/authentication/complete', {
      method: 'POST',
      headers: {
        'Content-Type': 'application/json'
      },
      body: JSON.stringify({
        credential: {
          id: credential.id,
          rawId: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.rawId))),
          type: credential.type,
          response: {
            authenticatorData: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.authenticatorData))),
            clientDataJSON: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.clientDataJSON))),
            signature: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.signature))),
            userHandle: credential.response.userHandle ? btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.userHandle))) : null
          }
        }
      })
    });

    const result = await response.json();
    if (result.success) {
      alert('Authentifizierung erfolgreich!');
    } else {
      alert('Authentifizierung fehlgeschlagen: ' + result.error);
    }
  } catch (error) {
    console.error('Fehler bei der Authentifizierung:', error);
    alert('Authentifizierung fehlgeschlagen: ' + error.message);
  }
}

Wichtige Hinweise:

• Serverseitige Logik: Der JavaScript-Code stützt sich stark auf serverseitige Komponenten zur Generierung von Challenges, Überprüfung von Signaturen und Verwaltung von Benutzerkonten. Sie müssen diese Komponenten mit einer serverseitigen Sprache wie Node.js, Python, Java oder PHP implementieren.
• Fehlerbehandlung: Der Code enthält eine grundlegende Fehlerbehandlung, aber Sie sollten in einer Produktionsumgebung eine robustere Fehlerbehandlung implementieren.
• Sicherheitsüberlegungen: Behandeln Sie kryptographische Operationen und sensible Daten immer sicher auf der Serverseite. Befolgen Sie die besten Sicherheitspraktiken, um sich vor Schwachstellen wie Replay-Angriffen und Cross-Site-Scripting (XSS)-Angriffen zu schützen.
• Base64-Kodierung: Die `btoa()`-Funktion wird verwendet, um Binärdaten als Base64-Zeichenfolgen für die Übertragung an den Server zu kodieren.

Den richtigen Authenticator wählen

WebAuthn unterstützt verschiedene Arten von Authenticatoren, jeder mit seinen eigenen Stärken und Schwächen. Bei der Auswahl eines Authenticators für Ihre Anwendung sollten Sie die folgenden Faktoren berücksichtigen:

• Sicherheitsniveau: Einige Authenticatoren bieten ein höheres Sicherheitsniveau als andere. Zum Beispiel gelten Hardware-Sicherheitsschlüssel im Allgemeinen als sicherer als softwarebasierte Authenticatoren.
• Benutzererlebnis: Das Benutzererlebnis kann je nach Authenticator erheblich variieren. Biometrische Authenticatoren bieten ein nahtloses und bequemes Erlebnis, während Sicherheitsschlüssel möglicherweise erfordern, dass Benutzer ein zusätzliches Gerät bei sich tragen.
• Kosten: Die Kosten für Authenticatoren können ebenfalls variieren. Hardware-Sicherheitsschlüssel können relativ teuer sein, während softwarebasierte Authenticatoren oft kostenlos sind.
• Plattformkompatibilität: Stellen Sie sicher, dass der von Ihnen gewählte Authenticator mit den Plattformen und Geräten kompatibel ist, die von Ihrer Zielgruppe verwendet werden.

Hier sind einige gängige Arten von Authenticatoren:

• Hardware-Sicherheitsschlüssel: Dies sind physische Geräte wie YubiKeys und Titan Security Keys, die über USB oder NFC mit einem Computer oder Mobilgerät verbunden werden. Sie bieten ein hohes Maß an Sicherheit und sind resistent gegen Phishing-Angriffe. Sie sind eine beliebte Wahl für Hochsicherheitsanwendungen und Unternehmensumgebungen.
• Plattform-Authentifikatoren: Dies sind eingebaute Authenticatoren, die in Betriebssysteme und Geräte integriert sind. Beispiele sind Windows Hello (Fingerabdruck, Gesichtserkennung) und Touch ID unter macOS. Sie bieten ein bequemes und sicheres Authentifizierungserlebnis.
• Mobile Authenticatoren: Einige mobile Apps können als WebAuthn-Authenticatoren fungieren. Diese nutzen oft biometrische Authentifizierung (Fingerabdruck oder Gesichtserkennung) und sind praktisch für Benutzer, die Ihren Dienst hauptsächlich auf mobilen Geräten nutzen.

Best Practices für die WebAuthn-Implementierung

Um eine sichere und benutzerfreundliche WebAuthn-Implementierung zu gewährleisten, befolgen Sie diese Best Practices:

• Verwenden Sie eine seriöse Bibliothek: Erwägen Sie die Verwendung einer gut gewarteten und seriösen WebAuthn-Bibliothek oder eines SDK, um den Implementierungsprozess zu vereinfachen und häufige Fallstricke zu vermeiden. Es gibt Bibliotheken für verschiedene serverseitige Sprachen wie Node.js, Python und Java.
• Implementieren Sie eine robuste Fehlerbehandlung: Behandeln Sie Fehler elegant und geben Sie den Benutzern informative Fehlermeldungen. Protokollieren Sie Fehler zu Debugging-Zwecken.
• Schützen Sie sich vor Replay-Angriffen: Verwenden Sie einzigartige, kryptographisch sichere Challenges, um Replay-Angriffe zu verhindern.
• Validieren Sie Attestation-Anweisungen: Überprüfen Sie Attestation-Anweisungen, um die Authentizität und Vertrauenswürdigkeit von Authenticatoren sicherzustellen.
• Speichern Sie öffentliche Schlüssel sicher: Speichern Sie öffentliche Schlüssel sicher auf dem Server und schützen Sie sie vor unbefugtem Zugriff.
• Klären Sie Benutzer auf: Geben Sie den Benutzern klare und präzise Anweisungen zur Registrierung und Verwendung von WebAuthn-Authenticatoren.
• Bieten Sie Backup-Optionen an: Bieten Sie alternative Authentifizierungsmethoden (z. B. Wiederherstellungscodes, Sicherheitsfragen) an, falls der Benutzer den Zugriff auf seinen primären Authenticator verliert. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Zugänglichkeit und die Verhinderung von Kontosperrungen. Erwägen Sie, Einmalpasswörter per SMS oder E-Mail als Backup-Option anzubieten, seien Sie sich aber der Sicherheitsbeschränkungen dieser Methoden im Vergleich zu WebAuthn bewusst.
• Regelmäßig überprüfen und aktualisieren: Bleiben Sie auf dem Laufenden mit den neuesten WebAuthn-Spezifikationen und Sicherheits-Best-Practices. Überprüfen und aktualisieren Sie Ihre Implementierung regelmäßig, um Schwachstellen zu beheben oder die Sicherheit zu verbessern.
• Berücksichtigen Sie die Barrierefreiheit: Stellen Sie sicher, dass Ihre WebAuthn-Implementierung für Benutzer mit Behinderungen zugänglich ist. Bieten Sie alternative Eingabemethoden an und stellen Sie sicher, dass der Authentifizierungsprozess mit assistiven Technologien kompatibel ist.

WebAuthn im globalen Kontext

Bei der Implementierung von WebAuthn für ein globales Publikum sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

• Sprachunterstützung: Stellen Sie sicher, dass Ihre Website oder Anwendung mehrere Sprachen unterstützt und der WebAuthn-Authentifizierungsprozess für verschiedene Regionen lokalisiert ist.
• Kulturelle Überlegungen: Seien Sie sich kultureller Unterschiede bei den Authentifizierungspräferenzen und der Sicherheitswahrnehmung bewusst. Einige Kulturen fühlen sich möglicherweise mit bestimmten Arten von Authenticatoren wohler als andere.
• Regionale Vorschriften: Seien Sie sich aller regionalen Vorschriften oder Compliance-Anforderungen im Zusammenhang mit Authentifizierung und Datensicherheit bewusst.
• Verfügbarkeit von Authenticatoren: Berücksichtigen Sie die Verfügbarkeit verschiedener Arten von Authenticatoren in verschiedenen Regionen. Einige Authenticatoren sind in bestimmten Ländern möglicherweise nicht ohne Weiteres verfügbar oder werden nicht unterstützt. Während beispielsweise Sicherheitsschlüssel in Nordamerika und Europa weit verbreitet sind, kann ihre Verfügbarkeit in einigen Entwicklungsländern begrenzt sein.
• Zahlungsmethoden: Wenn Sie Hardware-Sicherheitsschlüssel verkaufen, stellen Sie sicher, dass Sie Zahlungsmethoden anbieten, die in verschiedenen Regionen weithin akzeptiert sind.

Die Zukunft der passwortlosen Authentifizierung

WebAuthn gewinnt schnell an Akzeptanz als sichere und benutzerfreundliche Alternative zu Passwörtern. Da immer mehr Browser und Plattformen WebAuthn unterstützen, ist die passwortlose Authentifizierung auf dem besten Weg, der neue Standard für Online-Sicherheit zu werden. Organisationen, die WebAuthn einsetzen, können ihre Sicherheitslage verbessern, das Benutzererlebnis steigern und die Supportkosten senken.

Die FIDO Alliance entwickelt und fördert WebAuthn und andere FIDO-Standards kontinuierlich, treibt Innovationen voran und verbessert die Interoperabilität. Zukünftige Fortschritte könnten umfassen:

• Verbessertes Benutzererlebnis: Weitere Optimierung des Authentifizierungsprozesses, um ihn für Benutzer noch nahtloser zu gestalten.
• Erhöhte Sicherheit: Entwicklung neuer Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz vor aufkommenden Bedrohungen.
• Breitere Akzeptanz: Ausweitung der WebAuthn-Unterstützung auf mehr Geräte und Plattformen, einschließlich IoT-Geräte und mobile Anwendungen.
• Integration mit dezentraler Identität: Untersuchung der Integration von WebAuthn mit dezentralen Identitätslösungen, um Benutzern mehr Kontrolle über ihre persönlichen Daten und Online-Identitäten zu geben.

Fazit

Die Web Authentication API (WebAuthn) bietet eine leistungsstarke und sichere Lösung für die Implementierung der passwortlosen Anmeldung. Durch die Nutzung von Public-Key-Kryptographie und modernen Authentifizierungsmethoden eliminiert WebAuthn Passwörter, reduziert das Risiko von passwortbezogenen Angriffen und verbessert das Benutzererlebnis. Die Implementierung von WebAuthn kann ein bedeutender Schritt sein, um die Sicherheit Ihrer Website oder Anwendung zu erhöhen und Ihren Benutzern ein bequemeres und sichereres Authentifizierungserlebnis zu bieten. Da sich die Bedrohungslandschaft ständig weiterentwickelt, ist die Einführung der passwortlosen Authentifizierung mit WebAuthn eine entscheidende Investition in die Zukunft der Online-Sicherheit.