Informationstheoretische Sicherheit für die Berechnung von Funktionen über unzuverlässige Übertragungskanäle

• Antragsteller: Dr.-Ing. Mario Goldenbaum
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280167202

Ein unverzichtbarer Bestandteil vielversprechender Technologien wie etwa Industrie 4.0, Smart Grids, 5G, Taktiles Internet, Mobile Crowd Sensing und E-Health, wird die zuverlässige, effiziente und insbesondere sichere Berechnung von Funktionen sein, die von räumlich verteilter Information abhängen. Dabei kann es sich im Einzelnen um die Berechnung der maximalen Rauchgaskonzentration innerhalb von Gebäuden aus Gründen der Brandschutzüberwachung handeln, um den maximalen Frequenzdrift in einem Smart Grid, den mittleren Geräuschpegel in einem Stadtgebiet, die optimale Ressourcenverteilung in einem 5G Mobilfunknetz, oder die Stellgröße in einem vernetzten Regelungssystem. Da diesbezüglich die zuverlässige und effiziente Übertragung von Rohdaten allein nicht mehr von höchster Priorität ist, besteht verglichen mit existierenden Netzwerklösungen ein Paradigmenwechsel bevor. Derzeit existiert eine Vielzahl von Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der verteilten Berechnung von Funktionen über Kommunikationskanäle und -netze sowie auf dem Gebiet der sicheren Multiparty-Computation. Bezüglich Letzterem sind jedoch fast alle derzeit verfügbaren Resultate aus einer konventionellen kryptographischen Perspektive, so dass nur sehr wenige Arbeiten existieren die einen informationstheoretischen Sicherheitsansatz (Shannonschen Ansatz, physical layer security Ansatz) verfolgen. Diese wiederum gehen ausnahmslos davon aus, dass die Kommunikation zwischen Sendern und Empfängern über "rauschfreie Kanäle mit unendlicher Kapazität" erfolgt. Mit anderen Worten, die eigentliche Kommunikation spielt bei der Entwicklung von sicheren Verfahren zur Funktionsberechnung derzeit nur eine sehr untergeordnete Rolle. Für verteilte Berechnungsverfahren mit praktischer Relevanz sind diese Annahmen jedoch unangemessen, da sich die Kommunikationspartner neben konkreten Sicherheitsanforderungen auch mit Kanaleinflüssen (z.B. Rauschen, Fading, Interferenz) und Beschränkungen hinsichtlich der Kommunikation (z.B. Sendeleistung, Bandbreite) befassen müssen. Daraus folgt unmittelbar, dass die fundamentalen informationstheoretischen Grenzen der effizienten Funktionsberechnung über unzuverlässige Übertragungskanäle unter zusätzlichen Sicherheitsanforderungen noch unbekannt sind, was ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge und trade-offs verhindert. Ein tiefes Verständnis der Zusammenhänge ist jedoch unverzichtbar um entsprechende Bedingungen ableiten zu können anhand derer sich sichere Funktionsberechnungen über unzuverlässige Kanäle garantieren lassen (in bestimmten Grenzen). Da unsichere oder gar manipulierte Berechnungsergebnisse in jeder der oben genannten Technologien katastrophale Konsequenzen haben können, besteht das primäre Ziel dieses Forschungsvorhabens darin, die Grundlagen für eine solide Informationstheorie der sicheren Funktionsberechnung über unzuverlässige Übertragungskanäle zu schaffen und anhand dieser optimale Strategien zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor H. Vincent Poor, Ph.D.