Formal Foundations for Anonymous Communication

Mit jeder Online-Tätigkeit hinterlassen wir digitale Fußspuren. Unternehmen und Regierungen nutzen die privaten Informationen, die von den riesigen Datenmengen der Online-Spuren abgeleitet werden können, um ihre Nutzer und Büger zu manipulieren. Als Gegenmaßnahme wurden anonyme Kommunikationsnetze vorgeschlagen. Diesen fehlen jedoch umfassende formale Grundlagen und folglich ist der Vergleich zwischen verschiedenen Ansätzen nur sehr eingeschränkt möglich. Mit einer gemeinsamen Grundlage zwischen allen Forschern und Entwicklern von anonymen Kommunikationsnetzen können Missverständnisse vermieden werden und die dringend benötigte Entwicklung von den Netzen wird beschleunigt. Mit Vergleichbarkeit zwischen den Lösungen, können die für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Netze besser identifiziert und damit die Entwicklungsanstrengungen gezielter auf Projekte verteilt werden. Weiterhin ermöglichen formale Grundlagen und Vergleichbarkeit ein tieferes Verständnis für die Grenzen und Effekte der eingesetzten Techniken zu erlangen. Diese Arbeit liefert zuerst neue Erkenntnisse zu generellen Formalisierungen für anonyme Kommunikation, bevor sie sich dann auf die praktisch am meisten verbreitete Technik konzentriert: Onion Routing und Mix Netzwerke. Als erstes wird die Vergleichbarkeit zwischen Privatsphärezielen sichergestellt, indem sie formal definiert und miteinander verglichen werden. Dabei enteht eine umfangreiche Hierarchie von eindeutigen Privatsphärezielen. Als zweites werden vorgeschlagene Netzwerke analysiert, um deren Grundbausteine zu identifizieren und deren Schutz als Auswirkung in der Hierarchy zu untersuchen. Diese Grunlagen erlauben Konflikte und Schwachstellen in existierenden Arbeiten zu entdecken und aufzuklären. Genauer zeigt sich damit, dass basierend of derselben informalen Definition verschieden stark schützende formale Versionen entstanden sind. Weiterhin werden in dieser Arbeit die Notions genutzt um existierende Unmöglichkeitsresultate für anonyme Kommunikation zu vergleichen. Dabei wird nicht nur die erste vollständige Sicht auf alle bekannten Schranken für anonyme Kommunikationsnetze gegeben, sondern mit einem tiefgründigen Ansatz werden die existierenden Schranken auch gestärkt und zu praktischen, dem Stand der Kunst entsprechenden Netzen in Bezug gesetzt. Letztlich konnten durch die generellen Betrachtungen von vorgeschlagenen Netzwerken und ihren Grundbausteinen, insbesondere auch Angriffe auf die vorherrschende Klasse von anonymen Kommunikationsnetzen gefunden werden: auf Onion Routing und Mix-Netzwerke. Davon motiviert wurden als zweiter Teil dieser Arbeit die formalen Grundlagen und praktisch eingesetzten Lösungen for Onion Routing und Mix-Netzwerke untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die bereits erwähnten Angriffe teilweise auf eine fehlerhafte, aber weit verbreitete Beweisstrategie für solche Netze zurückzuführen sind und es wurde eine sichere Beweisstrategie als deren Ersatz vorgeschlagen. Weiterhin wurde die neue Strategie für ein vorgeschlagenes, aber bisher nicht weiter verwendetes Paketformat eingesetzt und dieses als sicher bewiesen. Dieses Paketformat unterstützt allerdings keine Rückantworten, was höchstwahrscheinlich der Grund ist, aus dem sich aktuelle Netze auf ein unsicheres Paketformat verlassen. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine konzeptuelle, sichere Lösung für Onion Routing mit Rückantworten entworfen. Als weitere verwandte Beiträge, zeigt die Arbeit Beziehungen von Teilen der generellen Ergebnisse für anonyme Kommunikationsnetze zu ähnlichen, aber bisher hauptsächlich getrennt betrachteten Forschungsbereichen, wie Privatsphäre auf der Bitübertragungsschicht, Kontaktnachverfolgung und privatsphäre-schützenden, digitalen Bezahlsystemen