Multilaterally Secure Pervasive Cooperation

Multilaterally Secure
Pervasive Cooperation
- Mehrseitig sichere digitale Kooperation -

Stefan G. Weber
Telekooperation & CASED,
TU Darmstadt

Promotionsvortrag ● 01.12.2011

Digitale Kooperation
– allgegenwärtig sicher?
Die zunehmende Digitalisierung & Vernetzung
unserer Alltagswelt
ermöglicht “.. .beraubt den Einzelnen der
neue Interaktionen Fähigkeit, die Nutzung
z.B. kooperative, personenbezogener Informationen zu
kontrollieren.”
mobile Missionen David Chaum, 1985

Sichere
Kommunikation Schutz der
Privatsphäre
Nachvoll-
ziehbarkeit

Mehrseitig sichere
digitale
Kooperation 2
Motivation & Prinzipien ● ABM ● Auditierung ● Evaluation ● Zusammenfassung

Ziele und Referenszenario

Ziel der Arbeit Entwicklung von Konzepten und Mechanismen für
mehrseitig sichere digitale Kooperation

Ende-zu-Ende sichere Mehrseitig sichere
Kommunikation mit unbekannten, Auditierung von Vorgängen
Teilziel 1 mobilen Partnern Teilziel 2 in der realen Welt

WEITERE
ANWENDUNGS
-FELDER
3

Grundprinzipien für
„Freiwillige Helfer und
Rettungssanitäter
in der Nähe der
Chemiefabrik bitte bei
Einsatzleitung melden!“
Add. Evidence | Longitude | Latitude | Time | Pseudonym
Identifier
----------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------
| 8.64893 | 49.877447 | 07-10-2010 16:30:45 | 83225-35782 #112
!
| 8.64894 | 49.877449 | 07-10-2010 16:30:50 | 21527-88724 #112
| 8.64893 | 49.877450 | 07-10-2010 16:30:55 | 56434-35652 #117
... … … … …

2. Bereitstellung
1. Adressierung
pseudonymisierter
über Attribute
Aufenthaltsdaten
inkl. Aufenthaltsort
„ Auf dem Fabrikgelände wurden
? ID während des Einsatzes Türen
eingeschlagen und Güter
beschädigt. Eine Klärung der
4
Verantwortlichkeiten ist notwendig!“

Beiträge im Überblick

IKT-
• Referenz- unterstützte
szenario & Rettungs-
integrierte einsätze
Architektur
Ende-zu-Ende sicheres Mehrseitig sichere
• Haupt- Ende-zu-Ende sicheres Mehrseitig sichere
attributsbasiertes Messaging ortsbezogene Auditierung
mechanismen attributsbasiertes ortsbezogene
Messaging Auditierung

Ausdrucksstarke, Mehrstufig
hybride verkettbare
• Sicherheits- Verschlüsselungs- Transaktions-
techniken technik pseudonyme

5

Vortragsagenda

Motivation & Grundprinzipien


Evaluation

Zusammenfassung

6

Ende-zu-Ende sicheres attributs-
basiertes Messaging (ABM)
 Auswahl der Kommunikationspartner auf hohem Abstraktionsniveau
 Durch logische Kombination von Attributen

?

BROADCAST

ACK
! ?

„Anweisung für alle Attribute bzgl.
Befehlshabenden der  Organisationen
Berufsfeuerwehren  Rollen
innerhalb des ?
 Spezialisierungen
betroffenen Gebiets.“  Orte

7

Ausdrucksstarke, hybride Verschlüsselung

 Ende-zu-Ende Vertraulichkeit
 durch Verschlüsselung
 mit Unterstützung dynamischer
Attribute, z.B. Ortsattribute

 Kombination von
 Ciphertext-Policy Attribute-
Based Encryption (CP-ABE),
 Location-Based Encryption (LBE)
 Advanced Encryption Standard (AES)

 Offline & Online Schlüsselerzeugung

 Optimierte Anwendung
für mobile Kommunikationsgeräte

8

Vortragsagenda



Evaluation

Zusammenfassung

9

Mehrseitig sichere Auditierung

 Rettungseinsätze: Arbeit unter extremen Bedingungen
 „Regeln brechen, um Leben zu retten“
 Dokumentierung von Vorfällen

 NACHVOLLZIEHBARKEIT
vs.
SCHUTZ DER PRIVATSPHÄRE
? ID
Herausforderungen:
• Faire Balance zw.
Schutz der Privatsphäre und
Nachvollziehbarkeit

•„Überwachung“ von
Rettungseinsätzen

10

Eine „faire“ Balance

• Datenminimierung Pseudonyme • Auditierbarkeit der Präsenz
• Individueller Zugriff Auditierung • Minimale Rückschlüsse
• Transparenz • Gewaltenteilung

?
!

• Strafverfolgung
• Flexible Instantiierbarkeit

Schutz der Privatsphäre Nachvollziehbarkeit
11

Ortsbezogene Auditierung

 Visualisiertes Audit Log Longitude | Latitude | Time | Pseudonym
----------------------------------------------------------------------------
8.64893 | 49.877447 | 07-10-2010 16:30:45 | 83225-35782
8.64894 | 49.877449 | 07-10-2010 16:30:50 | 21527-88724
8.64893 | 49.877450 | 07-10-2010 16:30:55 | 56434-35652
… … … …

 Nach Meldung eines
Vorfalls wird Log
analysiert
 Basisoperationen
Bewegungsprofile  Verkettung
als Beweismittel  Partielle Re-
für Anwesenheit Identifikation
War „Rettungsteam
Alpha“ anwesend?
12

… auf Basis mehrstufig verkettbarer
Transaktionspseudonyme
Identität,
z.B. „JamesDoe“ Auditierungs-
beauftragte
Rollenpseudonym,
z.B. „Ersthelfer#7“
Kooperative, Schri
ttweise Re-
Zugriff Referenzwert Identifikation
z.B. „#201“
Datenschutz-
Implizite(s) Attribut(e),
Implizite(s) Attribut(e),
z.B. „Rettungsteam Alpha“ beauftragter
Global z.B. „Rettungsteam Alpha“
Individuell

Transaktionspseudonyme,
Anwendung
z.B. „ 83225-35782“ algebraischer
Operationen auf
Straf-
verschlüsselten Daten
verfolgungs- Ersthelfer - „Secure Multi Party
autorität Computation“ (SMPC) -

13

Grundidee: kodiere statische Referenz
in „Einmal“-Pseudonyme
 Hauptbaustein: ElGamal Schwellwertkryptosystem
 Erzeugt randomisierte Schlüsseltexte von Klartext m
 Enc(r,m) = (gr, hr m) , g ist öff. Parameter, h = gs ist öff. Schlüssel, s ist privater Schl.
 Bietet verteilte kryptographische Operationen  Grundlage für Gewaltenteilung

 Erzeuge Transaktionspseudonyme durch
(Re-)Verschlüsselung
 P_i(ID) = Enc(r,Referenz) = Enc(PRNG(Seed), Referenz)
 Erzeuge nächstes/zweites Einmal-Pseudonym:
P_2(ID) = (gr1 * gr2, hr1 * hr2 Ref.) = (gr1+r2,hr1+r2 Ref.)
 Bsp.: P_i(ID) = Enc(r, „#247“)
 P_i+1(ID) = Enc(r‘, „#247“)
unterschiedlicher Schlüsseltext,
damit neues Einmal-Pseudonym,
aber gleiche Referenz (hier: „#247“)!

14

.. und verkette Pseudonyme durch
algebraische Operationen
P_i(ID) = Enc(r,Referenz)  Grundlage für flexible Verkettbarkeit
Schrittweise
 Wie verkettet man Pseudonyme (d.h. Schlüsseltexte)? Re-Identifikation,
 Seien (x1, y1) = (gr1 , hr1m1) und (x2, y2) = (gr2 , hr2m2) Individueller Zugriff und
ElGamal Schlüsseltexte mit
Klartexten m1, m2. Transparenz,
!= 1
 Sind m1, m2 gleich, dann ist (x3, y3) = (x1/x2, y1/y2) = flexible Strafverfolgung
(gr1−r2 , hr1−r2m1/m2)
= (gr3 , hr3m3) Verschlüsselung von 1 („neutrales Element“), weil m1/m2 = m3= 1 =1
 Entschlüsselung von (x3, y3) zeigt, ob m3 = 1

 Generalisierte Protokolle unterstützen verteilten blinden Abgleich
mit {Referenz-Pseudonyme} -> Re-Identifikation
 Ist Pseudonym in der Menge enthalten, die ein implizites Attribut definiert?
 z.B. {„Sanitäter#1“, „Polizist#7“, …} = „Rettungsteam Alpha“
 Implementiert beliebig-stufige „semantische“ Verkettung

15

Vortragsagenda



Evaluation

Zusammenfassung

16

Evaluation

Technische Umsetzbarkeit?
Sicherheit?
Angemessenheit?
Praktische Einsetzbarkeit?

17

Evaluation

 Prototypische Implementierungen
Echtzeitfähigkeit ?
Speicherbedarf ?
Sicherheit?
Angemessenheit?

2 Gruppenelemente pro
„Einmal“-Pseudonym
18

Evaluation

Sicherheit?
Sicherheitsanalyse bzgl. Angreifermodell
Review der Auditierungsmechanismen
Angemessenheit?

19

Evaluation

Sicherheit?
Angemessenheit?
ABM Design berücksichtigt
kognitiven „Walkthrough“ mit Domänenexperten
(Ersthelfer, Entscheidungsträger, Ausbilder)

20

Evaluation

Sicherheit?
Angemessenheit?
Untersuchung der Beweismitteltauglichkeit
von Bewegungsprofilen in interdisziplinärer Studie
durch simulierte Gerichtsfälle
Fazit: gerichtsfähig, bei..
 Vertrauenswürdiger organisatorischer Einbettung
 Reale Richter.
 Zweifelsfreier Zuordnung Gerät <-> Nutzer Anwälte
& Gutachter
21

Vortragsagenda



Evaluation

Zusammenfassung

22

Zusammenfassung
... zahlreiche weitere Anwendungsfelder für vorgeschlagene Mechanismen
Betrachtet im Referenzszenario
„IKT-unterstützte Rettungseinsätze“
Ziel der Arbeit Entwicklung von Konzepten und Mechanismen für
Integrierte Architektur
Ende-zu-Ende sichere Mehrseitig sichere
Kommunikation mit unbekannten, Auditierung von Vorgängen
Teilziel 1 mobilen Partnern Teilziel 2 in der realen Welt

Ende-zu-Ende Ausdrucks- Mehrseitig
Mit „fairer“ Mehrstufig
sicheres attributs- starke, sichere
Balance verkettbare
basiertes hybride ortsbezogene Transaktions-
Messaging Verschlüsselung Auditierung pseudonyme

Evaluiert bzgl. Umsetzbarkeit, Sicherheit, Angemessenheit, Einsetzbarkeit
23

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Ausgewählte Publikationen
 [WKRM11] S.G. Weber, Y. Kalev, S. Ries, M. Mühlhäuser: MundoMessage: Enabling Trustworthy Ubiquitous Emergency
Communication. International Conference on Ubiquitous Information Management and Communication (ICUIMC ´11), ACM Press, 2011
 [WM10] S.G. Weber, M. Mühlhäuser: Multilaterally Secure Ubiquitous Auditing. Book Chapter in “Intelligent Networking and
Collaborative Systems and Applications”, SCI 329, Springer, 2010
 [WMRM10] S.G. Weber, L. Martucci, S. Ries, M. Mühlhäuser: Towards Identity and Access Management for the Future Internet.
Workshop on Trustworthy Internet of People, Things and Services (Trustworthy IoPTS 2010) at IoT 2010
 [Weber10] S.G. Weber: A Hybrid Encryption Technique Supporting Expressive Policies. Kryptotag 13, 2010
 [BPW10] A.D. Brucker, H. Petritsch, S.G. Weber: Attribute-Based Encryption with Break-Glass. Workshop in Information Security
Theory and Practices (WISTP ’10), Springer, 2010
 [LVWSB09] L. Langer, M. Volkamer, S.G. Weber, A. Schmidt, J. Buchmann: Towards Long-Term Free and Secret Electronic Elections
Providing Voter Verifiability in the Bulletin Board Model. International Conference on Theory and Practice of Electronic Governance
(ICEGOV ´09), ACM Press, 2009
 [Weber09c] S.G. Weber: Harnessing Pseudonyms with Implicit Attributes for Privacy-Respecting Mission Log Analysis. Conference on
Intelligent Networking and Collaborative Systems (INCoS ´09), IEEE CS, 2009
 [Weber09b] S.G. Weber: Securing First Response Coordination With Dynamic Attribute-Based Encryption. Conference on
Privacy, Security and Trust (PST ´09 / CONGRESS ´09), IEEE CS, 2009
 [Weber09a] S.G. Weber: Secure and Efficient First Response Coordination Based on Attribute-Based Encryption Techniques. ISCRAM
´09 Student Poster Session, 2009
 [FWBZ08] F. Flentge, S.G. Weber, A. Behring, T. Ziegert: Designing Context-Aware HCI for Collaborative Emergency Management.
Workshop on HCI for Emergencies at CHI’08, 2008
 [WHM08] S.G. Weber, A. Heinemann, M. Mühlhäuser: Towards an Architecture for Balancing Privacy and Traceability in Ubiquitous
Computing Environments. Workshop on Privacy and Assurance (WPA ´08) at ARES ´08, IEEE CS, 2008
 [WH07] .., S.G. Weber, A.Heinemann, ..: Security and Privacy in Pervasive Computing. IEEE Pervasive Computing, Vol.10, No .4, 2007
 [WRH07] S.G. Weber, S. Ries, A. Heinemann: Inherent Tradeoffs in Ubiquitous Computing Services. Informatik ´07, 2007
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Fin -> Promotionsvortrag ● 01.12.2011

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