Deploymentcenter/docs/HARDWAREKEY.md

# Hardwarekey als zweiter Faktor — Konzept und Übernahme

**Stand: Deploymentcenter 2.9.2, 21. September 2026**

Dieses Dokument beschreibt die Hardwarekey-Anmeldung so, wie sie im
Deploymentcenter läuft, und zwar mit dem Ziel, sie in einem anderen Projekt
**gleichwertig** nachzubauen. Es ist bewusst konzeptlastig: Der PHP-Code ist
die Referenz, nicht der Kern. Der Kern sind die Entscheidungen — und
besonders die drei Dinge, die *wie* eine Prüfung aussehen und keine sind.

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## 1. Was das Verfahren leistet — und was nicht

**Leistet:** Nach dem Passwort verlangt die Anmeldung einen Gegenstand, der
physisch vorliegen muss. Es ist beweisbar, dass der private Schlüssel in
einem Sicherheitselement entstanden ist und es nie verlassen hat. Die
Anmeldung ist an die Adresse gebunden (RP-ID), also phishing-resistent: Eine
nachgebaute Seite bekommt keine gültige Signatur, weil der Browser die echte
Herkunft in die signierten Daten schreibt.

**Leistet nicht:**

- **Keine Prüfung bei der Anmeldung.** Attestation gibt es im Standard nur
  bei der *Registrierung*. Die Aussage lautet: „Dieser Schlüssel ist
  nachweislich in Hardware entstanden" — und sie trägt danach, weil der
  private Teil diese Hardware nicht verlassen kann. Bei jeder späteren
  Anmeldung wird nur noch die Signatur gegen den gespeicherten öffentlichen
  Schlüssel geprüft.
- **Kein Schutz gegen einen kompromittierten Client.** Wer den Browser
  kontrolliert, kann eine echte Zeremonie gegen einen echten Schlüssel
  auslösen. Dagegen hilft Attestation nicht und soll es nicht.
- **Keine Aussage über den Menschen.** `userVerification` steht hier auf
  `discouraged`, es wird also keine PIN und kein Fingerabdruck verlangt. Wer
  den Schlüssel in der Hand hat, kommt hinein. Siehe §8.

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## 2. Die drei Fallen

Das ist der wichtigste Abschnitt. Alle drei waren in der ersten Fassung
(2.9.0) vorhanden und wurden erst im Betrieb als wirkungslos erkannt.

### 2.1 `authenticatorAttachment: "cross-platform"` ist keine Prüfung

```js
authenticatorSelection: { authenticatorAttachment: 'cross-platform' }
```

Liest sich wie „nur angesteckte Hardware". Steuert aber nur, was der Browser
dem Benutzer **anbietet**. Ein Passwortverwalter meldet sich ebenfalls als
`cross-platform` und kommt anstandslos durch. Die Angabe darf drinbleiben —
sie verbessert die Auswahl —, aber sie sichert nichts zu.

### 2.2 `response.authenticatorAttachment` ist wertlos

Das Feld setzt der **Client**. Der Client ist genau die Instanz, gegen die
serverseitig nichts zu beweisen ist. Wer darauf eine Regel stützt, hat eine
Regel, die der Angreifer selbst ausfüllt.

### 2.3 Ein `x5c` allein beweist nichts

Der verführerischste Fehler. „Es ist ein Zertifikat dabei, also ist es
Hardware" — nein. Jeder Authenticator kann sich selbst eines ausstellen.

Dieser Fall wurde gegen den fertigen Server gefahren, mit:

- eigenem EC-Schlüsselpaar,
- selbst ausgestelltem Zertifikat, Betreff `CN=Yubico U2F EE Serial
  99999999, O=Yubico AB, OU=Authenticator Attestation`,
- der AAGUID eines echten YubiKey 5 NFC — in `authData` **und** in der
  Zertifikatserweiterung `1.3.6.1.4.1.45724.1.1.4`,
- einer kryptografisch einwandfreien ES256-Signatur über
  `authData || SHA256(clientDataJSON)`.

Antwort: *„Die Zertifikatskette endet nicht bei einer hinterlegten
Herstellerwurzel."* Abgelehnt an der **Kette**, nicht an der Signatur. Genau
das ist die Probe, die eine Umsetzung bestehen muss. Kommt die Ablehnung
wegen der Signatur, hat der Test sich selbst falsch gebaut und beweist
nichts.

> **Die einzige Eigenschaft, die Software nicht herstellen kann, ist eine
> Kette bis zu einer Wurzel, deren privaten Schlüssel der Hersteller hat.**
> Alles andere ist abschreibbar.

### 2.4 Und die AAGUID?

Eine AAGUID ist eine **Behauptung im Datenstrom**. Als alleiniges Kriterium
wertlos. Sinnvoll erst *zusätzlich* zur Wurzelprüfung — und dann muss die
AAGUID aus `authData` gegen die im Zertifikat gegengeprüft werden, sonst
filtert man wieder nach einer Behauptung.

**Empfehlung: Modellliste leer lassen.** Hersteller vergeben neuen
Firmwareständen neue AAGUIDs. Eine gepflegte Liste ist eine Liste, die
irgendwann einen echten Schlüssel abweist.

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## 3. Datenmodell

```sql
CREATE TABLE user_credentials (
  id            INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
  user_id       INT NOT NULL,
  credential_id VARBINARY(255) NOT NULL,   -- roh vom Authenticator
  public_key    TEXT NOT NULL,             -- PEM, nicht COSE (siehe unten)
  alg           INT NOT NULL DEFAULT -7,   -- -7 = ES256, -257 = RS256
  sign_count    BIGINT UNSIGNED NOT NULL DEFAULT 0,
  aaguid        VARBINARY(16) NULL,
  attested      TINYINT(1) NOT NULL DEFAULT 0,   -- <- einzige Entscheidungsspalte
  attestation_fmt  VARCHAR(32)  NULL,
  attestation_ca   VARCHAR(190) NULL,
  attestation_root VARCHAR(190) NULL,
  transports    VARCHAR(128) NULL,
  label         VARCHAR(64) NOT NULL DEFAULT 'Hardwarekey',
  created_at    DATETIME NOT NULL,
  last_used_at  DATETIME NULL,
  UNIQUE KEY ux_credential_id (credential_id),
  KEY ix_credential_user (user_id)
);
```

Vier Entscheidungen, die man sonst zweimal trifft:

| Feld | Warum so |
|---|---|
| `public_key` als **PEM** | Geprüft wird mit `openssl_verify()`, das ein PEM will. Die Wandlung COSE→PEM einmal bei der Aufnahme zu bezahlen ist billiger als bei jeder Anmeldung. |
| `alg` **gespeichert** | Ließe sich aus dem PEM herleiten. Die Prüfung soll aber nicht davon abhängen, dass das Herleiten richtig geraten hat. |
| `credential_id` **UNIQUE global** | Die Kennung ist geräteweit eindeutig. Ohne UNIQUE landet derselbe Schlüssel an zwei Konten. |
| `attested` als **einzige** Entscheidungsspalte | Die drei Textspalten kommen aus einem Zertifikat, also von außen. Sie taugen zur Anzeige, nicht als Vergleichsgrundlage im Code. Das Bit hat der Server selbst gesetzt. |

Dazu am Benutzer: `recovery_hash`, `recovery_created_at`, `recovery_used_at`
für den Notfalltoken (§7).

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## 4. Ablauf

### Registrierung (verlangt bestehende Anmeldung + CSRF)

```
Browser                          Server
   |-- POST ?action=register_options ------------>|
   |                                   erzeugt 32 Byte challenge,
   |                                   legt sie in die Sitzung
   |<-- publicKey{ challenge, rp, user,           |
   |              pubKeyCredParams, attestation,  |
   |              excludeCredentials }            |
   |                                              |
   |  navigator.credentials.create()              |
   |                                              |
   |-- POST ?action=register_verify ------------->|
   |   { clientDataJSON, attestationObject }      |
   |                                   1. clientData prüfen
   |                                   2. authData zerlegen
   |                                   3. Attestation prüfen  <- §5
   |                                   4. Regel anwenden      <- §6
   |<-- { attested, root, aaguid }                |
```

### Anmeldung (zweite Stufe, noch niemand angemeldet)

Der Zwischenzustand ist wichtig: Nach richtigem Passwort steht in der
Sitzung nur `pending_user_id` — `isLoggedIn()` bleibt **false**. Erst der
zweite Faktor macht daraus eine Anmeldung. Wer hier eine „halbe" Anmeldung
baut, hat die Sicherheitslücke schon eingebaut.

```php
const PENDING_TIMEOUT = 300;   // Zwischenzustand verfällt nach 5 Minuten
```

---

## 5. Der Kern: Attestationsprüfung

Reihenfolge ist nicht beliebig. **Erst die Signatur, dann die Kette** — nur
so lässt sich später unterscheiden, ob ein Schlüssel kaputt oder bloß nicht
zugelassen ist.

```php
public static function inspect(
    array $attestationObject,   // CBOR-dekodiert
    string $authDataRaw,
    string $clientDataJson,
    ?string $aaguidFromAuthData,
    array $trustedRoots         // PEM je Wurzel
): array {
    $format = $attestationObject['fmt'] ?? 'unbekannt';
    $stmt   = $attestationObject['attStmt'] ?? [];

    // "none": Passwortverwalter, eingebaute Passkeys. Keine Behauptung.
    if ($format === 'none' || $stmt === []) {
        return ['attested' => false,
                'reason' => 'Der Authenticator hat keine Attestation mitgeschickt.'];
    }

    $chain = $stmt['x5c'] ?? null;

    // "self attestation": beweist, dass der Schlüssel zu sich selbst passt.
    // Über Hardware sagt das nichts.
    if (!is_array($chain) || $chain === []) {
        return ['attested' => false,
                'reason' => 'Die Attestation ist selbst unterschrieben.'];
    }

    $leafPem = self::derToPem($chain[0]);
    $parsed  = openssl_x509_parse($leafPem);

    self::checkValidity($parsed);                       // abgelaufen?

    $clientDataHash = hash('sha256', $clientDataJson, true);

    if ($format === 'packed') {                         // CTAP2, Normalfall
        self::verifyPacked($leafPem, $stmt['sig'],
                           $authDataRaw . $clientDataHash, $stmt);
        self::checkAaguidExtension($parsed, $aaguidFromAuthData);
    } elseif ($format === 'fido-u2f') {                 // CTAP1, ältere Keys
        self::verifyU2f($leafPem, $stmt['sig'], $authDataRaw, $clientDataHash);
    } else {
        // tpm, android-key, apple: nicht umgesetzt. Ablehnen ist ehrlicher
        // als durchwinken — ein ungeprüftes Format als "geprüft" zu führen
        // wäre genau der Fehler, den diese Klasse behebt.
        throw new \RuntimeException("Format \"$format\" wird hier nicht geprüft.");
    }

    $root = self::chainVerifies($chain, $trustedRoots); // <- die Aussage
    if ($root === null) {
        throw new \RuntimeException(
            'Die Zertifikatskette endet nicht bei einer hinterlegten Herstellerwurzel.');
    }

    return ['attested' => true, 'root' => $root, 'format' => $format];
}
```

### 5.1 Kettenprüfung — gegen *eigene* Wurzeln

```php
private static function chainVerifies(array $derChain, array $trustedRoots): ?string
{
    if ($trustedRoots === []) {
        throw new \RuntimeException('Keine Herstellerwurzeln hinterlegt.');
    }

    $intermediates = array_map([self::class, 'derToPem'], array_slice($derChain, 1));
    $current = self::derToPem($derChain[0]);

    for ($step = 0; $step < 6; $step++) {
        foreach ($trustedRoots as $rootPem) {
            if (self::signedBy($current, $rootPem)) {
                return self::describe(openssl_x509_parse($rootPem));
            }
        }
        $next = null;
        foreach ($intermediates as $i => $kandidat) {
            if (self::signedBy($current, $kandidat)) {
                $next = $kandidat; unset($intermediates[$i]); break;
            }
        }
        if ($next === null) { return null; }
        self::checkValidity(openssl_x509_parse($next));
        $current = $next;
    }
    return null;
}

private static function signedBy(string $certPem, string $issuerPem): bool
{
    $key = openssl_pkey_get_public($issuerPem);
    return $key !== false && openssl_x509_verify($certPem, $key) === 1;
}
```

> **Nicht `openssl_x509_checkpurpose()` benutzen.** Dessen Wurzelspeicher ist
> der des Betriebssystems, und dort steht die Web-PKI — also genau die
> falsche Menge. Eine Attestationskette soll bei *einem* Hersteller enden
> und nirgends sonst.

### 5.2 `fido-u2f` — anderes signiertes Material

Ältere Schlüssel über CTAP1 signieren nicht `authData`, sondern:

```
0x00 | rpIdHash | clientDataHash | credentialId | 0x04 | x | y
```

Erbe aus der Zeit vor WebAuthn. Wer das Format weglässt, weist ältere
Hardware ab. U2F kennt nur ES256, und die AAGUID ist dort immer Null — eine
Modellliste greift für diese Geräte also grundsätzlich nicht.

### 5.3 Klonerkennung

```php
if (!($storedSignCount === 0 && $neuerZaehler === 0)
    && $neuerZaehler <= $storedSignCount) {
    throw new \RuntimeException('Zähler nicht gestiegen — möglicherweise ein Duplikat.');
}
```

Die Ausnahme ist notwendig: Ein Teil der Hardware führt den Zähler gar nicht
und meldet konstant 0. „Zählt nicht" darf nicht wie „geklont" aussehen.

---

## 6. Die Regel — drei Stufen, nicht ein Schalter

| Stufe | Aufnahme | Anmeldung | `attestation` in den Vorgaben |
|---|---|---|---|
| `off` | jeder | alle | `none` |
| `register` | nur nachgewiesen | alle | `direct` |
| `strict` | nur nachgewiesen | nur nachgewiesene | `direct` |

**Warum die Mittelstufe zwingend ist:** Bei `attestation: "none"` ersetzt der
**Browser** die AAGUID durch 16 Nullbytes, bevor der Server sie sieht. Alle
vor der Umstellung registrierten Schlüssel haben daher *keine* Herkunft —
auch echte Yubikeys. Ein einzelner Schalter sperrt in dem Moment, in dem man
ihn umlegt, den eigenen Zugang aus.

**Der Übergang nach `strict` muss bewacht sein:**

```php
public function blockingReason(string $desiredLevel, int $actingUserId): ?string
{
    if ($desiredLevel !== self::STRICT) { return null; }

    $stmt = $this->db->prepare(
        'SELECT COUNT(*) FROM user_credentials WHERE user_id = :u AND attested = 1');
    $stmt->execute([':u' => $actingUserId]);
    if ((int)$stmt->fetchColumn() > 0) { return null; }

    return 'Kein nachgewiesener Schlüssel am eigenen Konto. '
         . '"strict" würde die eigene Anmeldung sperren.';
}
```

> Eine Einstellung, die sich selbst aussperrt, ist keine Einstellung,
> sondern eine Falle.

**Und die Regel zweimal prüfen.** `allowCredentials` ist eine Vorgabe an den
Browser, keine Zusage des Clients:

```php
// login_options: filtert die Auswahl
$ids = $repo->rawIdsForUser($userId, $policy->appliesToLogin());

// login_verify: entscheidet wirklich
if ($policy->appliesToLogin() && (int)$credential['attested'] !== 1) {
    Auth::recordSecondFactorFailure($db, 'not_attested');
    Http::fail(403, 'not_attested', '...');
}
```

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## 7. Ersatzweg: der Notfalltoken

Ohne ihn ist ein verlorener Schlüssel ein verlorenes Konto.

- Nur der **Hash** in der Datenbank, Klartext genau einmal bei der Erzeugung
  sichtbar.
- **Einmalgebrauch**, Hash wird beim Verbrauch geleert.
- `recovery_used_at` bleibt stehen: Ohne diese Spur sieht „keiner
  hinterlegt" genauso aus wie „es gab nie einen", während es in Wahrheit
  heißt: *jemand hat ihn benutzt*.
- Alphabet ohne `0/O` und `1/I`, Gruppen zu vier Zeichen — er wird
  abgeschrieben und vorgelesen.
- **Läuft als gewöhnliches Formular, nicht über JavaScript.** Ein Ersatzweg
  mit denselben Voraussetzungen wie der Hauptweg ist keiner.

Der Notfalltoken gilt **unabhängig von der Regel**. Das ist Absicht: Er ist
der Weg zurück aus einer Fehlkonfiguration.

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## 8. Bewusst offene Punkte

| Punkt | Stand | Wenn das Zielprojekt mehr braucht |
|---|---|---|
| `userVerification` | `discouraged` — keine PIN | Auf `required` stellen; verlangt dann PIN/Biometrie am Schlüssel und prüft das UV-Bit in `authData`. |
| FIDO Metadata Service | nicht angebunden | Kanonischer Weg zu „jede zertifizierte Hardware". Signierter JWT-Abruf mit Auffrischung — eine laufende Außenabhängigkeit in der Anmeldestrecke. |
| `tpm` / `apple` | abgelehnt | Windows Hello und Secure Enclave sind hardwaregestützt, sitzen aber im selben Gerät wie der erste Faktor. |
| Enterprise Attestation | nein | Liefert eine geräteindividuelle Kennung. Braucht Browser-Richtlinien auf verwalteten Rechnern. |

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## 9. Portierung in ein anderes Projekt

### 9.1 Was sprachunabhängig ist

Alles in §2 bis §7. Die Fallen, die Reihenfolge der Prüfungen, das
Datenmodell, die drei Stufen, der Notfalltoken.

### 9.2 Was zu ersetzen ist

| PHP | Entsprechung .NET | Entsprechung Node |
|---|---|---|
| `openssl_x509_parse` | `X509Certificate2` | `crypto.X509Certificate` |
| `openssl_x509_verify($c,$k)` | `X509Certificate2.Verify()` bzw. Signaturprüfung über `X509Chain` mit eigenem `CustomTrustStore` | `cert.verify(publicKey)` |
| `openssl_verify` | `ECDsa.VerifyData` / `RSA.VerifyData` | `crypto.verify` |
| eigener CBOR-Leser | `PeterO.Cbor` | `cbor` |

> **.NET-Hinweis:** Für die Kettenprüfung `X509ChainPolicy.TrustMode =
> CustomRootTrust` setzen und die Herstellerwurzeln in
> `CustomTrustStore` legen. Ohne das prüft .NET gegen den
> Betriebssystemspeicher — derselbe Fehler wie
> `openssl_x509_checkpurpose()`.

### 9.3 Wurzelzertifikate

Yubico veröffentlicht sie unter
<https://developers.yubico.com/PKI/yubico-ca-certs.txt>. Für WebAuthn sind
**drei** relevant:

- Yubico U2F Root CA Serial 457200631 (2014) — YubiKey 4 und 5
- Yubico FIDO Root CA Serial 450203556 (2024)
- Yubico Attestation Root 1 (2024-12)

Die dort ebenfalls veröffentlichten Wurzeln für **PIV** und **OpenPGP**
gehören *nicht* dazu — sie signieren anderes und vergrößerten nur die Menge
des Akzeptierten.

Andere Hersteller (SoloKeys, Nitrokey, Feitian, Token2) brauchen ihre
eigenen Wurzeln. Fehlen sie, wird echte Hardware abgewiesen — das ist eine
Konfigurationslücke, kein Urteil über das Gerät.

### 9.4 RP-ID

Ein registrierter Schlüssel gilt **nur** für die Kennung, unter der er
aufgenommen wurde. Test- und Produktivinstanz brauchen je eine eigene
Registrierung. Das ist kein Mangel, sondern der Kern des Verfahrens — genau
deshalb läuft ein Anmeldeversuch auf einer nachgebauten Seite ins Leere.

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## 10. Prüfliste für die Übernahme

Eine Umsetzung gilt erst als fertig, wenn **alle** Punkte belegt sind:

- [ ] Ein echter Hardwarekey wird aufgenommen und zeigt die erreichte Wurzel
- [ ] Ein Passwortverwalter-Passkey (`fmt: none`) wird abgewiesen
- [ ] **Ein selbst ausgestelltes Zertifikat mit gültiger Signatur und
      abgeschriebener AAGUID wird abgewiesen — an der KETTE, nicht an der
      Signatur** *(§2.3; ohne diesen Nachweis ist nichts belegt)*
- [ ] Zwischenzustand: `isLoggedIn()` bleibt nach richtigem Passwort false
- [ ] Zwischenzustand verfällt nach 5 Minuten
- [ ] Zähler-Rückschritt wird erkannt, beide-Null bleibt erlaubt
- [ ] Notfalltoken funktioniert ohne JavaScript und ist danach verbraucht
- [ ] `strict` lässt sich nicht einschalten, solange kein nachgewiesener
      Schlüssel am eigenen Konto hängt
- [ ] Ein Konto zu löschen entfernt seine Credential-Zeilen *(sonst ist der
      Schlüssel wegen UNIQUE dauerhaft verbrannt)*
- [ ] Fehlermeldungen kommen beim Benutzer **lesbar** an

Der letzte Punkt steht nicht aus Höflichkeit dort: Genau hier hatte diese
Umsetzung einen Fehler. Die API verpackt Fehler als
`{ error: { code, message } }`, das JavaScript las `data.message ||
data.error` — und zeigte `[object Object]` an, ausgerechnet dort, wo die
Begründung der Ablehnung stehen sollte.

---

## 11. Referenzdateien im Deploymentcenter

| Datei | Inhalt |
|---|---|
| `src/Core/Webauthn/Attestation.php` | Attestationsprüfung, Kette, AAGUID-Gegenprobe |
| `src/Core/Webauthn/HardwarePolicy.php` | Die drei Stufen, Modellliste, Bewachung |
| `src/Core/Webauthn/WebauthnServer.php` | Die beiden Zeremonien |
| `src/Core/Webauthn/CoseKey.php` | COSE → DER/PEM, von Hand |
| `src/Core/Webauthn/Cbor.php` | CBOR-Leser, nur so groß wie nötig |
| `src/Core/Webauthn/CredentialRepo.php` | Schlüssel und Notfalltoken |
| `src/Core/Webauthn/roots/yubico.pem` | Die drei Wurzeln |
| `public/api/auth/v1/index.php` | Die vier Aktionen |
| `sql/migrations/019_*.sql`, `021_*.sql` | Datenmodell |
| `tests/e2e/suite_hardware.py` | Fünf Fälle, ohne Krypto-Bibliothek |
| `docs/UPGRADE.md` §17, §18 | Einführung und Verschärfung im Betrieb |