Besser als Verschlüsselung: Neue Methode für mehr Sicherheit in der mobilen Kommunikation

Ihre Lauschabwehr setzt an der sogenannten physikalischen Schicht des Kommunikationssystems an. Sie hat Vorteile gegenüber Techniken, die auf höheren Kommunikationsebenen angesiedelt sind wie etwa kryptografische Verfahren.

Damit rückt die praktische und kommerzielle Anwendung von Techniken, die man bisher nur mit futuristischen Quantenkommunikations-Technologien in Verbindung brachte, in greifbare Nähe.

Physikalisch betrachtet befinden sich drahtlose Kommunikationskanäle im offenen Raum – sie werden von Radiowellen in der Atmosphäre getragen. Daher lässt sich der mobile Telefon- oder Datenverkehr abhören, ohne einen Draht oder ein Glasfaserkabel anzuzapfen. Ein Lauscher kann den Kanal eines legitimen Nutzers überwachen, stören oder abgehörte Informationen verwerten, um die Sicherheit einer Nachricht zu gefährden.

Kryptografische Verschlüsselung ist heute die letzte Verteidigungslinie in diesem Abwehrkampf. Man versucht, nicht autorisierten Empfängern das Dechiffrieren abgefangener Mitteilungen schwer bis unmöglich zu machen. Aber die Sicherheit kryptographischer Techniken gerät bei fortschreitender Rechenleistung von Computern immer mehr ins Hintertreffen.

Kein Empfang für Lauscher

Jetzt haben die TUM-Forscher Prof. Holger Boche und Dr. Rafael Schaefer ein Verfahren entwickelt, das die eigentlich sehr angreifbare physikalische Schicht verlässlich absichert. Ihre Methode verhindert, dass ein potentieller Mithörer die übertragene Nachricht überhaupt empfängt. Der Ausgangspunkt scheint alles andere als intuitiv: Die Methode benutzt zwei physikalische Kanäle, also Frequenzbereiche, die an sich nutzlos sind, da jeder für sich unbrauchbar ist, um eine Nachricht sicher zu übertragen.

Normalerweise wäre es sinnlos, zwei Kanäle jeweils mit einer Kapazität von Null zu verbinden. Null plus Null ergibt schlicht Null. Doch Schaefer erklärt: „In diesem Fall ist es, als erhielten wir bei der Addition von zwei Nullen ein positives Ergebnis. Wir sehen, dass wir das ganze System ‚super-aktivieren‘ können, das heißt, dass die Kombination zweier nutzloser Kanäle eine positive Kapazität für die sichere Übermittlung vertraulicher Nachrichten ergeben kann. “

Ähnliche Ergebnisse wurden bisher nur in Studien über die sogenannte Quantenkommunikation beschrieben. Diese ist allerdings für die heutige Technologie nicht direkt anwendbar. Boche resümiert: „Nach unserem Wissenstand ist es das erste Beispiel einer Superaktivierung – Null plus Null ist größer Null – in klassischen Kommunikationsszenarien.“ Boche und Schaefer ermittelten auch, wie sich die Kapazität eines abhörsicheren physikalischen Schichtkanals berechnet. In einem weiteren Schritt hin zur praktischen Anwendung beschrieben sie außerdem die Codestruktur und das optimale Transceiver-Design für die Umsetzung ihrer Methode.

Johann-Philipp-Reis-Preis für Rafael Schaefer

Für diese Forschungsarbeit hat der Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) kürzlich Rafael Schaefer den renommierten Johann-Philipp-Reis-Preis verliehen. Der Preis, der an den deutschen Erfinder des Telefons erinnert, zeichnet Forscher unter 40 Jahren für herausragende Beiträge auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik aus.

Ab Dezember 2013 setzt Schaefer seine Forschungsarbeit in den USA bei Vincent Poor, Professor für Elektrotechnik und Dekan der School of Engineering and Applied Sciences, an der Princeton Universität fort.

Diese Arbeit wurde zum Teil vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Publikationen:

Capacity Results and Super-Activation for Wiretap Channels with Active Wiretappers. Holger Boche and Rafael F. Schaefer. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, Vol. 8 No. 9, September 2013, pp. 1482-1496. DOI: 10.1109/TIFS.2013.2276049

Wiretap Channels with Side Information – Strong Secrecy Capacity and Optimal Transceiver Design. Holger Boche and Rafael F. Schaefer. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, Vol. 8 No. 8, August 2013, pp. 1397-1408. DOI: 10.1109/TIFS.2013.2271424

Kontakt:

Prof. Dr. Holger Boche
Technische Universität München
Lehrstuhl für Theoretische Informationstechnik
Tel.: +49 89 289 23240
boche@tum.de
http://www.lti.ei.tum.de/
Dr. Rafael Schaefer
rafael.schaefer@tum.de