Sicherheit in Rechnernetzen: - Professur Datenschutz und ...

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A. Pfitzmann: Datensicherheit und Kryptographie; TU Dresden, WS2000/2001, 15.10.2000, 15:52 Uhr
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A. Pfitzmann: Datensicherheit und Kryptographie; TU Dresden, WS2000/2001, 15.10.2000, 15:52 Uhr
tionsstrom nur dann in Richtung der Wurzel durch, wenn der Übertragungskanal in Richtung Wurzel
frei ist. Bewerben sich mehrere Informationsströme aus Richtung der Blätter gleichzeitig um den
freien Übertragungskanal in Richtung Wurzel, wählt der Kollisionen verhindernde Schalter genau
einen zufällig aus und ignoriert die anderen. Sind Teilnehmerstationen auch direkt an Kollisionen
verhindernde Schalter angeschlossenen, so daß es auch innere Teilnehmerstationen des BAUM-
Netzes gibt, so werden von diesen kommende Informationsströme genauso wie aus Richtung der
Blätter kommende behandelt.
Der von der Wurzel des Baumes durchgeschaltete Informationsstrom wird an alle Stationen
verteilt, d.h. die Wurzel des Baumes und die Kollisionen verhindernden Schalter senden ihn auf allen
Leitungen in Richtung der Blätter.
Sendet die auf dieser Leitung sendende Station nicht auf ihrer anderen Leitung, daß sie in Ordnung
ist, so wird ihr Ausfall unterstellt und sie wird mit der entsprechenden inneren Leitung
überbrückt. Anderenfalls wird ein Leitungsausfall unterstellt und entsprechend rekonfiguriert.
Um das Senden einer Teilnehmerstation an den Blättern des BAUM-Netzes beobachten zu können,
muß eine spezielle Leitung beobachtet werden (beim RING-Netz müssen für alle Stationen je zwei
spezielle Leitungen beobachtet werden); um das Senden einer inneren Teilnehmerstation des BAUM-
Netzes beobachten zu können, müssen alle ihre Eingänge und ihr Ausgang beobachtet werden. Da
üblicherweise fast alle Teilnehmerstationen Blätter des BAUM-Netzes sind und ein Angreifer durch
Abhören einer Leitung oder durch Kontrolle eines Kollisionen verhindernden Schalters in jedem Fall
das BAUM-Netz bezüglich der Senderanonymität partitioniert, ist die durch das BAUM-Netz realisierte
Senderanonymität geringer als die des RING-Netzes. Wie bei diesem gilt auch hier, daß, wer
ohne Auftrag Dritter (d.h. hier ohne Zusammenarbeit mit großen Kommunikationspartnern) versucht,
seine Nachbarn zu beobachten, so gut wie nichts erfährt, da alle Nachrichten verschlüsselt und die
Adressen bei geeigneter Verwendung impliziter Adressierung für ihn nicht interpretierbar sind.
Leistungsbewertungen [Alba_83, SuSY_84] attestieren mit Kollisionen verhindernden Schaltern
ausgerüsteten Baumnetzen ein hervorragendes Leistungsverhalten auch bei völlig unkoordiniertem
Zugriff.
Da beim Ausfall einer Station oder einer inneren Leitung ein vollständiger Ring aller fehlerfreien
Stationen entsteht, lassen sich in beiden Fällen die Beweise für die Anonymität aus dem fehlerfreien
Fall direkt übernehmen. Beim Ausfall einer äußeren Leitung entstehen bezüglich der Anonymität des
Senders zwei RING-Netze mit je der halben Bandbreite. In Bild 5-9 führt eines der RING-Netze
halber Bandbreite durch Si-1 und das andere durch Si. Daß in beiden RING-Netzen halber Bandbreite
jeweils noch eine Station (nur) empfangen kann, ist irrelevant, da der Empfänger in den normalen
Ringzugriffsverfahren an den empfangenen Informationseinheiten nichts ändert. Wird aber – wie in
[Pfit_89 §3.1.4.3] beschrieben – ein Übertragungsrahmen von einer anderen Station als Duplexkanal
mit einer der Stationen Si-1 oder Si verwendet, so kann die gerufene Station in diesem Übertragungsrahmen
nur mit der Wahrscheinlichkeit 0,5 senden. Die Situation, daß eine nur in einem RING-Netz
halber Bandbreite liegende Station von einer anderen in einem Übertragungsrahmen zum Senden
aufgefordert wird, in dem sie nicht senden kann, mag ein seltenes Ereignis sein, kann aber die
Anonymität gegenüber der rufenden Partei aufheben. Aber dies ist nur ein spezieller Fall des generellen
Problems, daß ein Empfänger identifiziert werden kann, wenn er wegen des Ausfalls seiner
Teilnehmerstation nicht antworten kann und seine Teilnehmerstation die einzige ausgefallene ist und
der Sender dies weiß (vgl. den in §5.4.8 beschriebenen aktiven Verkettungsangriff über Betriebsmittelknappheit).
Außerdem ist (wie beim Verfahren der By-Pass-Einrichtung) zu beachten, daß aus einem berücksichtigten
Angreifer im nicht fehlertoleranten Fall im fehlertoleranten Fall ein nicht berücksichtigter
Angreifer (gemäß Angreifermodell) wird. Kontrolliert der Angreifer die Stationen S1 und S4 (vgl.
Bild 5-9 mit i=2), so kann er den Ausfall der Leitung L3→4 vortäuschen oder abwarten. In beiden
Fällen sendet Station S2 sowohl an Station S3 als auch an S4 . Damit ist Station S2 durch den
Angreifer eingekreist und daher beobachtbar. Es sei angemerkt, daß bei manchen Ausfällen sogar eine
Station allein eine andere beobachten kann. Fällt S1 so aus, daß sie auf ihren beiden Ausgangsleitungen
dasselbe sendet, so kann die Station S3 die Station S2 allein beobachten.
Soll das BAUM-Netz durch überlagerndes Senden (wird in §5.4.5 erklärt) erweitert werden, so
müssen die Kollisionen verhindernden Schalter durch modulo-Addierer ersetzt werden. Wie in
[Pfit_89 Seite 105] ausführlich erklärt wird, entspricht jeder vom Angreifer nicht beobachteten
Leitung ein ausgetauschter Schlüssel bezüglich des überlagernden Sendens, was auch beim BAUM-
Netz – wie bei jedem Netz mit digitaler Signalregenerierung und auf die Übertragungstopologie abgestimmter
Überlagerungstopologie – gilt.
Bei Verwendung von modulo-Addierern statt Kollisionen verhindernden Schaltern kann mittels
überlagerndem Empfangen nicht nur bei allen Verkehrsarten ein gleich guter Durchsatz, sondern bei
manchen Verkehrsarten sogar mittels paarweisem überlagerndem Empfangen der doppelte Durchsatz
wie mit Kollisionen verhindernden Schaltern erzielt werden, vgl. §5.4.5.4. Dies spricht dafür,
Kollisionen verhindernde Schalter als durch das überlagernde Empfangen „überholt“ zu betrachten.
Eine genaue Beschreibung von Fehlertoleranz im RING-Netz, sowie viele Beispiele und Protokolle
sind in [Mann_85] zu finden. Ebenfalls dort wurde eine genaue Analyse der Zuverlässigkeitsverbesserung
durch die beschriebenen Fehlertoleranzverfahren vorgenommen. Die Ergebnisse sind äußerst
positiv.
Neuere Formeln zur Berechnung der Zuverlässigkeit sind in [Papa_86] zu finden.
Es ist bemerkenswert, daß das überlagernde Senden auf dem geflochtenen Ring so implementiert
werden kann, daß ein auch nach einem beliebigen Einzelfehler mit der ganzen Bandbreite der
einzelnen Leitungen arbeitendes DC-Netz entsteht [Pfit_89 Seite 264].
5.4.5 Überlagerndes Senden (DC-Netz): Schutz des Senders
Eine Kombination von By-Pass-Einrichtung und geflochtenem Ring ist möglich und zweckmäßig.
Nach einem ersten Überblick über das verallgemeinerte überlagernde Senden in §5.4.5.1 wird in
§5.4.5.2 die Senderanonymität definiert und bewiesen. Danach wird in §5.4.5.3 gezeigt, wie mittels
Knack-Schnapp-Verteilung auch die Empfängeranonymität gewährleistet werden kann.
In §5.4.5.4 wird mit dem überlagernden Empfangen ein Verfahren eingeführt, das eine wesentlich
effizientere Nutzung des überlagernden Sendens erlaubt.
Schließlich werden in §5.4.5.5 einige Überlegungen zur Optimalität des überlagernden Sendens
bezüglich Senderanonymität, sowie zu seinem Aufwand und zu möglichen Implementierungen angestellt.
Abschließend werden in §5.4.5.6 Fehlertoleranz-Verfahren für das DC-Netz beschrieben.
5.4.4.2 Kollisionen verhinderndes Baumnetz (BAUM-Netz)
Fast alle im Teilnehmeranschlußbereich bereits vorhandenen Breitbandkabel sind baumförmig verlegt.
Ein aus pragmatischen Gründen, nämlich ihrer Benutzung, wichtiges Beispiel für die Idee
„Unbeobachtbarkeit angrenzender Leitungen und Stationen sowie digitale Signalregenerierung“ ist
deshalb ein Kollisionen verhinderndes Baumnetz (BAUM-Netz) [Pfit_86 Seite 357].
Die inneren Knoten des Baumnetzes werden mit Kollisionen verhindernden Schaltern
(collision-avoidance circuits in [Alba_83], collision-avoidance switches in [SuSY_84]) ausgerüstet.
Ein Kollisionen verhindernder Schalter schaltet einen aus Richtung der Blätter kommenden Informa-