Ein Beitrag. in Kommunikationsnetzen

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1 Ein Beitrag zur Anonymität in Kommunikationsnetzen Dissertation zu der Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur des Fachbereiches Elektrotechnik und Informationstechnik der FernUniversität in Hagen Vorgelegt von Dipl.-Inform. Thomas Demuth geboren in Bochum Hagen 2003

2 Eingereicht am: Tag der mündlichen Prüfung: Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Firoz Kaderali 2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Bernd Krämer

3 Berichte aus der Kommunikationstechnik herausgegeben von Prof. Firoz Kaderali Band 11 Thomas Demuth Ein Beitrag zur Anonymität in Kommunikationsnetzen. Shaker Verlag Aachen 2003

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Demuth, Thomas: Ein Beitrag zur Anonymität in Kommunikationsnetzen / Thomas Demuth. Aachen : Shaker, 2003 (Berichte aus der Kommunikationstechnik herausgegeben von Prof. Firoz Kaderali ; Bd. 11) Zugl.: Hagen, Univ., Diss., 2003 ISBN Copyright Shaker Verlag 2003 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

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7 Danksagung Die vorliegende Dissertation entstand während der Zeit meines Wirkens als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Kommunikationssysteme des Fachbereiches Elektrotechnik und Informationstechnik der FernUniversität Hagen. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Firoz Kaderali für seine Unterstützung, die Diskussionen und Hinweise bei der Erstellung dieser Arbeit. Herrn Prof. Dr.-Ing. Bernd Krämer danke ich für das Interesse an der Arbeit und die Übernahme des Korreferates. Ich danke Herrn Prof. Dr. rer. nat. Werner Pogunkte, der stets ein offenes Ohr für meine Forschungstätigkeiten hatte und mich durch seine Hinweise unterstützt hat. Den jetzigen und ehemaligen Mitarbeitern des Lehrstuhles danke ich sowohl für die wertvollen Hinweise und Anregungen zu inhaltlichen Aspekten, die zu dem Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben, als auch für ihre Bereitschaft, meine Arbeit korrekturzulesen und für die äußerst angenehme Arbeitsatmosphäre. Ich habe in den vergangenen Jahren stets sehr gerne mit ihnen zusammengearbeitet. Schließlich gilt mein Dank meiner Annette für ihre Rücksichtnahme während der Erstellung dieser Dissertation. Hagen im Mai 2003 Homo ductus in se semper divitias habet. Ein Gelehrter trägt seinen Reichtum immer in sich. Phaedrus, Fabulae (4,23,1)

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9 Kurzfassung Anonymität stellt neben der Etablierung und Wahrung von Vertraulichkeit, Integrität, Authentizität und Verbindlichkeit das jüngste Schutzziel der Informationssicherheit dar. Die Bedeutung der Anonymität nimmt zu, da sie für die Teilnehmer in Kommunikationsnetzen gleichbedeutend mit dem Schutz ihrer Privatsphäre ist, einem Gut, dessen Schutzbedarf der Gesetzgeber in diversen Abschnitten des Teledienstedatenschutzgesetzes (TDDSG) anerkennt. In dieser Arbeit wird die Thematik der Anonymität in Kommunikationsnetzen behandelt. Aufgrund des geringen Alters dieses Forschungsbereiches sind Begriffe oft nicht eindeutig definiert gewesen. Diese Defizite werden durch die Einführung eines neuen Referenzmodelles und der Definitionen der notwendigen Begriffe innerhalb dieses Modelles eliminiert. Die existierenden Verfahren für Anonymität werden im Detail behandelt und insbesondere ihre Schwächen aufgezeigt. Untersuchungen der Anonymität dynamisch vergebener IP-Adressen und ein innovatives Verfahren für die Identifizierung von Teilnehmern stellen einen Teil dieser Arbeit dar. Die Ergebnisse dienen der erstmaligen Bestätigung der Annahme, daß Teilnehmer von Kommunikationsnetzen auch dann identifizierbar und verfolgbar sind, wenn sie bzw. der von ihnen verwendete Rechner über eine dynamisch vergebene IP-Adresse verfügen. Weiterhin motivieren diese Untersuchungen aber auch die generelle Benutzung existierender Anonymitätsdienste. Das Verfahren arbeitet mit Methoden des Information Retrieval und erlaubt die a priori-abschätzung des Erfolges einer Suche nach einem Teilnehmer. Die Besonderheit der Vorgehensweise liegt in der Tatsache, daß das Verfahren auf Datenbeständen arbeitet, die durch jeden konventionellen Web-Server erzeugt werden können. Somit ist keine aktive Verbindung notwendig, die Identifizierung kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt stattfinden. Das Verfahren basiert auf den in dieser Arbeit präsentierten Untersuchungen des Zusammenhanges der Daten, die durch einen Web-Browser bei dem Zugriff auf Web-Seiten erzeugt werden, und dem Grad der Identifizierbarkeit und damit auch der Anonymität des korrespondierenden Rechners bzw. dessen Benutzers. Ein weiterer Teil der Arbeit präsentiert eine Architektur, mit deren Hilfe erstmalig die multilateral anonyme, bidirektionale und vertrauliche Kommunikation möglich wird. Alle bisher bekannten Verfahren und Projekte weisen in dieser Hinsicht ein elementares Manko auf, multilaterale Kommunikation war nur unter Verzicht auf andere Sicherheitsmerkmale möglich. Diese neue Architektur wird anhand ihrer Topologie und des Protokolles, das die Teilnehmer verwenden, beschrieben. Da sie generell unabhängig von dem verwendeten Anwendungsprotokoll arbeitet, können existierende Verfahren einfach daran angepaßt oder erweitert werden. Die Architektur basiert auf dem Prinzip der Mix-Netze, dem nach dem heutigen Forschungsstand am besten untersuchten Basisverfahren für anonyme Kommunikation. In einem ersten Teil wird die neue Architektur im Detail beschrieben. Es werden die Funktionen der beteiligten Instanzen dargestellt und die Schritte der Kommunikation zwischen ihnen detailliert behandelt; wesentlich ist bei der Kommunikation der Einsatz einer pseudonymbasierten Signatur. Abschließend erfolgt eine Analyse der Sicherheit des gesamten Systemes. Die neuentwickelte Basisarchitektur besitzt den Nachteil, daß das Wissen, mit dem die Aufhebung der Anonymität eines Teilnehmers möglich ist, bei einer einzelnen Instanz liegt. In einem zweiten Teil wird darum durch Einsatz eines geheimnisaufteilenden Verfahrens, homomorpher Verschlüsselung und einer Modifizierung des Protokolles die Sicherheit der Architektur optimiert. 7

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11 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und Übersicht 15 2 Sicherheit in Kommunikationsnetzen Einleitung Sicherheitsproblematik Schutzaspekte Sicherheit und die Klassifizierung von Schutzzielen Mehrseitige Sicherheit Formale Sicherheit Informationstheoretische Sicherheit Komplexitätstheoretische Sicherheit Kryptologische Primitive Symmetrische Verfahren Asymmetrische Verfahren Allgemeines Angreifermodell Angriffsmodus Lokalisierung Zusammenfassung Anonymität in Kommunikationsnetzen Einleitung Ein Referenzmodell für Anonymität Beschreibung des Referenzmodelles Anonymität und Unbeobachtbarkeit Anonymität bei unidirektionaler Kommunikation Anonymität bei bidirektionaler Kommunikation Unbeobachtbarkeit und multilaterale Anonymität Verfahren Proxies Nachrichtenverteilung (Broadcasting) und implizite Adressierung Überlagerndes Senden (DC-Netz) Mix-Netze Anonymität und Privatsphäre Mißbrauch von Anonymitätsdiensten Zusammenfassung Mix-Netze Einleitung Das Mix-Prinzip Schutzziele Topologie eines Mix-Netzes

12 Inhaltsverzeichnis Praktische und informationstheoretische Mixe Anonymitätsarten und Nachrichtenaufbau Senderanonymität Empfängeranonymität (anonyme bzw. unverfolgbare Rückadresse) Kombination beider Anonymitätsarten Funktionen einer Mix-Instanz Indeterministische Nachrichtenverschlüsselung Längengetreue Verschlüsselung (Padding) Umsortierung Weiterleitung der Nachrichten Erzeugung von Scheinnachrichten Vermeidung von Wiederholungsangriffen (Replay-Angriffe) Vermeidung von n-1-angriffen (Fluten) Vergleich der Verfahren Anwendungen des Mix-Prinzipes anon.penet.fi Cypherpunk R er MixMaster und Babel-Mixe Anonymizer TAZ Servers and the Rewebber Network JANUS Crowds Onion Routing Freedom Network Web-Mixe Tabellarische Übersicht der Systeme und Fazit Zusammenfassung Anonymität dynamischer IP-Adressen Einleitung Aufbau des Kapitels Technischer Hintergrund Grundlagen Dynamische IP-Adreßvergabe per Dynamic Host Configuration Protocol Grundlagen des Information Retrieval Existierende Angriffe auf die Privatsphäre Aktive Angriffe Passive Angriffe Präzisierung der Problemstellung Adaption auf die Problemstellung Terminologie Adaption der bekannten Begriffe und Verfahren Identifizierung sensitiver HTTP-Felder Varianzenklassen Browser-Varianz Zeitliche Varianz Analyse der ZDS/Datenbasis Datenbasis/ZDS-Kollektion Gewichtsverteilung der Terme Potentielle Aktivitätszeiträume

13 Inhaltsverzeichnis Potentielle Aktivitätszeiträume von Instanzen Grad der Anonymität von Instanzen Arbeitsparameter Aufwand der kaskadierten Verfolgung von Instanzen Definition des Zieles eines Angreifers Algorithmus und Implementierung Präliminarien Textanalyse Repräsentantenbildung Recherche Implementierung des Verfahrens Beispielausgaben der Implementierung Vergleich der Ausgaben zweier Testläufe Qualität der Recherche und der Prädiktion Vorgehensweise Qualität des Verfahrens a priori-zusicherung Leistungsfähigkeit des Verfahrens Gegenmaßnahmen und deren Effizienz Firewalls als implizite Anonymisierer Explizite Maßnahmen Anonymitäts-Proxies Instanzendetektion bei Anonymitäts-Proxies Szenarium Verifizierung der Annahmen Fazit Alternativer Anwendungsfall Strafverfolgung Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Multilateral anonyme Kommunikation Einleitung Motivation Aufbau des Kapitels Grundlagen Vertrauenswürdige dritte Instanzen Identitätsbasierte Signatursysteme Problemstellung Adaption der identitätsbasierten Signatur Wahl der Expansionsfunktion Wahl der Funktion f Wahl der Größe des Modulus n, des öffentlichen Schlüssels e und der Pseudonymlänge Handhabung des Parameters r Nachrichtenlänge Meßergebnisse Formalismen und Architektur Notationen/Formalismen

14 Inhaltsverzeichnis Architektur Kommunikationspartner Schlüsselerzeugungsinstanz SEI Adreßgenerator AG Kommunikationsphasen im Detail Server SEI: Schlüsselgenerierung Server AG: Registrierung Pseudonym-Klartextadresse-Schlüssel-Tupel Server Welt: Anonyme Publizierung der Kommunikationsbasis Client AG: Anfrage und Generierung einer anonymen Rückadresse Client Server: Kontaktaufnahme Client Server: Fortlaufende Kommunikation Analyse der Systemsicherheit Statische Analyse Dynamische Analyse Kompromittierte Instanzen, Korruptheit von Instanzen und Kollaboration zwischen Instanzen Resümee Integration in die WWW-Infrastruktur Client-Proxy Server-Proxy Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Multipler Adreßgenerator Einleitung Grundlagen Secret Sharing- und Secret Splitting-Schemata Homomorphe Verschlüsselung Erweiterung der Architektur Server AG: Aufteilung der Server-Adresse und Registrierung der Pseudonym-Teilklartextadresse-Schlüssel-Tupel Client AG-Gruppe: Anfrage und Generierung einer anonymen Teilrückadresse Client Server: Rekonstruktion der Teilgeheimnisse und Kontaktaufnahme Anonyme Adressen und homomorphe Verschlüsselung Aufteilung der Klartextadressen Modifikation des Secret Splitting Synchronisiertes Aufprägen der Wegpräfixe Modifikation der Adreßstruktur Unterteilung der anonymen Rückadresse Einsatz multiplikativer Blendung Rekonstruktion der Teilgeheimnisse Rekonstruktion Anwendung der anonymen Rückadresse Secret Splitting mit Klassen von Adreßgeneratoren AG-Organisation/initiale Kontaktaufnahme Organisation der Adreßgeneratoren Initiale Kontaktaufnahme der Server Sicherheitsanalyse

15 Inhaltsverzeichnis Statische und dynamische Sicherheit Ausfallsicherheit des Systemes Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Zusammenfassung 219 A Variationen von Zugriffsdatensätzen 223 B Recherchealgorithmus 227 Abkürzungsverzeichnis 233 Abbildungsverzeichnis 235 Tabellenverzeichnis 239 Literaturverzeichnis 241 Index