Informatik – verlässlich & sicher

Wie alle technischen Systeme können auch die von der Informatik entwickelten Systeme Funktionsfehler aufweisen oder in ihrer Funktion behindert oder manipuliert werden, falls dies nicht durch geeignete Maßnahmen verhindert wird. Sicherheit und Verlässlichkeit sind besonders in den Bereichen Gesundheit, Verkehr sowie Zahlungsverkehr von größter Wichtigkeit. Denn hier betrifft der Schutz von Leib und Leben, aber auch die Absicherung finanzieller Risiken jeden einzelnen. Überall, wo technische Systeme in diesen Bereichen zum Einsatz kommen, hängt der erfolgreiche Einsatz maßgeblich vom Vertrauen der Nutzer ab. Die Informatik formuliert hier technische und formale Faktoren für Vertrauenswürdigkeit. Für Software-Technik sind beispielsweise Korrektheit, Safety (Sicherheit gegenüber Mensch und Umwelt), Dienstgüte (Performanz, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit), Security (Sicherheit gegenüber Angriffen) und Privacy (Einhaltung von Datenschutzbestimmungen) Qualitätsfaktoren.

Ein weiterer Punkt ist es, Software vor dem Einsatz nicht nur zu testen, sondern mittels einer Verifikation Sicherheit und Verlässlichkeit zu optimieren. Forschung ist hier, auch im Hinblick auf ihre industrielle Anwendbarkeit, notwendig. Zu diesem Themenfeld gehört auch die Robustheit von Systemen im Krisenfall. Auch unter außergewöhnlichsten Bedingungen müssen sie funktionieren. Auch hier ist Forschung nötig.

Besonders im digitalen Umgang mit Geld müssen die Systeme jedoch nicht nur verlässlich, sondern auch sicher gegen böswillige Zugriffe sein. Dabei überlisten neue Techniken immer wieder die gängigen kryptographischen Verfahren. Daher müssen zur angfristigen Sicherung neue Entwurfsmethoden in den Blick rücken, die die Gesamtanwendung berücksichtigen und nicht bei den Einzelverfahren stehen bleiben.

Forschungsbedarf: Verifikation

Von Computersystemen wird erwartet, dass sie verlässlich und sicher sind. Doch allein noch so ausgiebiges Testen von Software genügt nicht. Und je mehr sich die Gesellschaft auf das Funktionieren der diversen Systeme verlässt, desto größer wird die Tragweite von Fehlern.

Zusätzlich werden Softwaresysteme immer komplexer und größer. So schnell, dass die Suche nach Fehlern kaum Schritt halten kann. Daher wendet sich die Informatik immer mehr der so genannten Verifikation, der mathematischen Spezifikation des Verhaltens von Software zu-. Dazu beweist sie formal Eigenschaften über die Spezifikation, zum Beispiel in einem interaktiven Theorembeweiser. Anschließend extrahieren die Informatikerinnen und Informatiker das Programm aus der Spezifikation. Dieses Verfahren ist in der Hardwareindustrie schon heute weit verbreitet, in der Softwareindustrie wird es nur äußerst selten angewendet. Dabei ist die Machbarkeit dieses Verfahrens erfolgreich nachgewiesen.

Wir erwarten, dass in 10 bis 15 Jahren formale Verifikation von Programmen eine selbstverständliche Methode zur Qualitätssicherung geworden ist. Damit Deutschland auf diesem Gebiet Schritt halten kann, muss die Forschung vorangetrieben werden und die Rahmenbedingungen in der Softwareindustrie verändert werden. Wer nicht in der Lage ist, nachweislich zuverlässige und sichere Software zu produzieren, muss auch die aus Fehlern entstehenden Kosten tragen.

Forschungsbedarf: Informationssicherheit

Immer mehr Geschäftsabläufe, Verwaltungstätigkeiten und Privatangelegenheiten erledigen wir in elektronischer Form. Die Informationssicherheit soll die Zuverlässigkeit dieser Abläufe selbst im Falle eines Angriffs garantieren. Nicht nur die Netzwerke von Regierungen und Firmen sind hierbei von Angriffen bedroht, sondern auch Heimanwender. Die bekanntesten Bedrohungen sind hier Computerviren, Würmer, Trojanische Pferde sowie Phishing. Die sichere und fehlerfreie Implementierung von Systemen ist in diesem Zusammenhang eine Herausforderung für die Informatik. Ein Problem in diesem Umfeld ist beispielsweise die Bedienbarkeit von Sicherheitsmechanismen, für die es bisher noch keine intuitiven Mensch-Maschine-Schnittstellen gibt.

Zusätzlich bedrohen neue Technologien wie Quantencomputer und neuartige Algorithmen die zurzeit eingesetzten kryptographischen Verfahren, und stellen damit die Informationssicherheit in Frage. Langfristig sichere Verfahren zur Verschlüsselung, für den Schlüsselaustausch oder für digitale Signaturen sind daher ein wichtiges zu lösendes Problem.

Um Sicherheitsmechanismen vor ihrer Verwendung wissenschaftlich untersuchen zu können, benötigt man Sicherheitsmodelle, in denen Schutzziele und Angriffe modelliert werden. Sicherheitsmodelle dürfen nicht zu abstrakt sein, da sonst Angriffe übersehen werden, und sie dürfen nicht zu detailliert sein, weil sonst Analysen in dem Modell zu komplex werden. Realistische und dennoch handhabbare Sicherheitsmodelle zu finden, ist eine große Herausforderung für die Informatik. Anzustreben sind maschinenverifizierbare Sicherheitsbeweise, um menschliche Fehler ausschließen zu können. Wie dies in realistischen Sicherheitsmodellen möglich ist, ist eine Frage an die zukünftige Informatik.

Da das Funktionieren unserer Wirtschaft immer stärker von der Kommunikationsinfrastruktur abhängt, ist die störungsfreie Verfügbarkeit ein wichtiges Schutzziel. Hier sind realistische Bedrohungsmodelle und geeignete Gegenmaßnahmen, etwa gegen Denial-of-Service-Angriffe, offene Probleme. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass die Verfügbarkeit mit anderen Schutzzielen in Konflikt stehen kann (Fluchttüren) und eine anwendungsabhängige Risikoanalyse nötig ist. In Zukunft werden deshalb Risikomodelle benötigt, die Bedrohungen bewerten. Über die Entwicklung und Evaluierung hinaus braucht eine verlässliche Informationssicherheit konkrete Realisierungen. Oft zeigen sich bestimmte Probleme erst in der realen Umsetzung. Auch in der Miniaturisierung liegt eine Herausforderung, denn für immer kleinere Kommunikationsgeräte müssen effiziente und stromsparende kryptographische Verfahren gefunden werden.

Auch der Datenschutz wird in Zukunft ein immer größeres Problem darstellen, da viele für sich genommen harmlose Informationen zusammengenommen die Erstellung eines Persönlichkeitsprofils gestatten. Die Gewährleistung der informationellen Selbstbestimmung ist eine wichtige Herausforderung, bei der Lösungen durch die Informatik unverzichtbar sind. Eine weitere große Herausforderung für die Informatik ergibt sich durch den elektronischen Handel mit Mediendaten. Bisher gibt es etwa noch keinen Mechanismus, der sowohl Privatkopien ermöglicht als auch den Handel mit kopierten Daten unterbindet.

Forschungsbedarf: Vertrauenswürdige Software

Die Informatik muss in einer immer mehr von elektronischen Kommunikations- und Haushaltsgeräten durchdrungenen Gesellschaft nicht nur die Grundlagen das verlässliche Funktionieren geben, sondern den Nutzern außerdem Vertrauen geben. Dabei beschäftigt sie sich insbesondere mit technischen und formalen Faktoren für Vertrauenswürdigkeit. Dazu gehören aus Sicht der Software-Technik viele Qualitätsdimensionen von Software-Systemen wie Korrektheit, Safety (Sicherheit gegenüber Mensch und Umwelt), Dienstgüte (Performanz, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit), Security (Sicherheit gegenüber Angriffen) und Privacy (Einhaltung von Datenschutzbestimmungen).

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