Ein universelles Konzept zum flexiblen Informationsschutz in und mit Rechensystemen

256 Pages·1983·13.946 MB·German

by  Klaus R. Dittrich (auth.)

Informatik - Fachberichte
Band 1: Programmiersprachen. GI-Fachtagung 1976. Herausge Band 23: K.-H. Hauer, Portable Methodenmonitoren. Dialogsysteme
geben von H.-J. Schneider und M. Nagl. (vergriffen) zur Steuerung von Methodenbanken: Softwaretechnischer Aufbau
und Effizienzanalyse. XI, 209 Seiten. 1980.
Band 2: Betrieb von Rechenzentren. Workshop der Gesellschaft fur
Informatik 1975. Herausgegeben von A. Schreiner. (vergriffen) Band 24: N. Ryska, S. Herda, Kryptographische Verfahren in der
Datenverarbeitung. V, 401 Seiten. 1980.
Band 3: Rechnernetze und Datenfernverarbeitung. Fachtagung der
GI und NTG 1976. Herausgegeben von D. Haupt und H. Petersen. Band 25: Programmiersprachen und programmentwicklung. 6.
VI, 309 Seiten. 1976. Fachtagung, Danmstadt, 1980. Herausgegeben von H.-J. Hoff
mann. VI. 236 Seiten. 1980
Band 4: Computer Architecture. Workshop of the Gesellschaft fur
Informatik 1975. Edited by W. Handler. VIII, 382 pages. 1976. Band 26: F. Gattal, Datenverarbeitung im Hochschulbereich der
USA. Stand und Entwicklungstendenzen. IX, 199 Seiten. 1980.
Band 5: GI - 6. Jahrestagung. Proceedings 1976. Herausgegeben
von E. J. Neuhold. (vergriffen) Band 27: GI-NTG Fachtagung, Struktur und Betrieb von Rechen
systemen. Kiel, Marz 1980. Herausgegeben von G. Zimmermann.
Band 6: B. Schmidt, GPSS-FORTRAN, Version II. Einfuhrung in die IX, 286 Seiten. 1980.
Simulation diskreter Systeme mit Hilfe eines FORTRAN-Pro
grammpaketes, 2. Auflage. XIII, 535 Seiten. 1978. Band 28: Online-Systeme im Finanz- und Rechnungswesen.
Anwendergesprach, Berlin, April 1980. Herausgegeben von P.
Band 7: GMR-GI-GfK. Fachtagung Prozessrechner 1977. He Stahlknecht. X, 547 Seiten, 1980.
rausgegeben von G. Schmidt. (vergriffen)
Band 29: Erzeugung und Analyse von Bildern und Strukturen.
Band 8: Digitale Bildverarbeitung/Digital Image Processing. Gil
DGaO - DAGM Tagung, Essen, Mai 1980. Herausgegeben von
NTG Fachtagung, Munchen, Marz 1977. Herausgegeben von H.-H.
S. J. Poppl und H. Platzer. VII, 215 Seiten. 1980.
Nagel. (vergriffen)
Band 9: Modelle fUr Rechensysteme. Workshop 1977. Heraus Band 30: Textverarbeitung und Informatik. Fachtagung der GI,
gegeben von P. P. Spies. VI, 297 Seiten. 1977. Bayreuth, Mai 1980. Herausgegeben von P. R. Wossidlo. VIII,
362 Seiten. 1980.
Band 10: GI-7. Jahrestagung. Proceedings 1977. Herausgegeben
von H. J. Schneider. IX, 214 Seiten. 1977. Band 31: Firmware Engineering. Seminar veranstaltet von der
gemeinsamen Fachgruppe "Mikroprogrammierung" des GI Fach
Band 11: Methoden der Informatik fur'Rechnerunterstulztes Ent ausschusses 3/4 und des NTG-Fachausschusses 6 vom 12. - 14.
werfen und Konstruieren, GI-Fachtagung, Munchen, 1977. Heraus Marz 1980 in Berlin. Herausgegeben von W. K. Giloi. VII, 289 Seiten.
gegeben von R. Gnatz und K. Samelson. VIII, 327 Seiten. 1977. 1980.
Band 12: Programmiersprachen. 5. Fachtagung der GI, Braun Band 32: M. Kuhn, CAD Arbeitssituation. Untersuchungen zu den
schweig, 1978. Herausgegeben von K. Alber. VI, 179 Seiten. 1978. Auswirkungen von CAD sowie zur menschengerechten Gestaltung
Band 13: W. Steinmuller, L. Ermer, W. Schimmel: Datenschutz bei von CAD-Systemen. VII, 215 Seiten. 1980.
riskanten Systemen. Eine Konzeption entwickelt am Beispiel eines
medizinischen Informationssystems. X. 244 Seiten. 1978. Band 33: GI - 10. Jahrestagung. Herausgegeben von R. Wilhelm.
XV, 563 Seiten. 1980.
Band 14: Datenbanken In Rechnernetzen mit Kleinrechnern. Fach
tagung der GI, Karlsruhe, 1978. Herausgegeben von W. Stucky und Band 34: CAD-Fachgesprach. GI -10. Jahrestagung. Heraus
E. Holler. (vergriffen) gegeben von R. Wilhelm. VI, 184 Seiten. 1980.
Band 15: Organisation von Rechenzentren. Workshop der Gesell Band 35: B. Buchberger, F. Lichtenberger: Mathematik fur Infor
schaft fUr Informatik, Gottingen, 1977. Herausgegeben von D. Wall. matiker I. Die Methode der Mathematik. XI, 315 Seiten. 1980.
X, 310 Selten. 1978.
Band 36: The Use of Formal Specification of Software. Berlin,
Band 16: GI - 8. Jahrestagung, Proceedings 1978. Herausgegeben Juni 1979. Edited by H. K. Berg and W. K. Giloi. V, 388 pages. 1980.
von S. Schindler und W. K. Giloi. VI, 394 Seiten. 1978.
Band 37: Entwicklungstendenzen wissenschaftlicher Rechen
Band 17: Bildverarbeitung und Muslererkennung. DAGM Sympo zentren. Kolloquium, Gottingen, Juni 1980. Herausgegeben von
sium, Oberpfaffenhofen, 1978. Herausgegeben von E. Triendl. XIII, D. Wall. VII, 163 Seiten. 1980.
385 Seiten. 1978.
Band 38: Datenverarbeitung im Marketing. Herausgegeben von
Band 18: Virtuelle Maschinen. Nachbildung und Vervielfachung R. Thome. VIII, 377 pages. 1981.
maschinenorientierter Schnittstellen. GI-Arbeitsseminar. Munchen
1979. Herausgegeben von H. J. Siegert. X, 230 Seiten. 1979. Band 39: Fachtagung ProzeBrechner 1981. Munchen, Marz 1981.
Herausgegeben von R. Baumann. XVI, 476 Seiten. 1981.
Band 19: GI - 9. Jahrestagung. Herausgegeben von K. H. Bohling
und P. P. Spies. (vergriffen) Band 40: Kommunikation in verteilten Systemen. Herausgegeben
von S. Schindler und J.C.w. Schroder. IX, 459 Seiten. 1981.
Band 20: Angewandte Szenenanalyse. DAGM Symposium, Karls
ruhe 1979. Herausgegeben von J. P. Foith. XIII, 362 Seiten. 1979. Band 41: Messung, Modellierung und Bewertung von Rechen
systemen. GI-NTG Fachtagung. Julich, Februar 1981. Heraus
Band 21: Formale Modelle fur Informationssysteme. Fachtagung gegeben von B. Mertens. VIII, 368 Seiten. 1981.
der GI, Tutzing 1979. Herausgegeben von H. C. Mayr und B. E.
Meyer. VI, 265 Seiten. 1979. Band 42: W. Kilian, Personalinformationssysteme in deutschen
GroBunternehmen. XV, 352 Seiten. 1981.
Band 22: Kommunikation in verteilten Systemen. Workshop der
Gesellschaft fUr Informatik e.V .. Herausgegeben von S. Schindler Band 43: G. Goos, Werkzeuge der Programmiertechnik. GI-Arbeits
und J. C. W. SchrOder. VIII, 338 Seiten. 1979. tagung. Proceedings, Karlsruhe, Marz 1981. VI, 262 Seiten. 1981.
Informatik-Fachberichte
Herausgegeben von W. Brauer
im Auftrag der Gesellschaft fur Informatik (GI)
75
Klaus R. Dittrich
Ein universelles Konzept
zum flexiblen
In formationsschutz
in und mit Rechensystemen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York Tokyo 1983
Autor
Klaus R. Dittrich
Institut fUr Informatik II, UniversiUit Karlsruhe
Postfach 63 80, 0-7500 Karlsruhe
ISBN-13: 978-3-540-12697-3 e-ISBN-13: 978-3-642-69294-9
DOl: 10.1 007/978-3-642-69294-9
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek.
Dittrich, Klaus: Ein universelles Konzept zum flexiblen Infonnationsschutz in und mit
Rechensystemen / Klaus R Dittrich. -Berlin; Heidelberg; New York; Tokyo: Springer, 1983.
(Informatik-Fachberichte; 75)
NE:GT
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for other than private use, a fee is payable to "Verwertungsgesellschaft Wort", Munich.
© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1983
2145/3140-543210
Vorworl
Zur Verhinderung mi,sbrauchlicher oder fahrlassig falscher Verwendung der
durch sie verwalteten lnformationen (Schutz mil. Rechensystemen) mussen Re
chensysteme Schutzmechanismen enthalten. Diese konnen systemintern auch
zur Verbesserung der Zuverlassigkeit eingesetzt werden (Schutz in Rechen
systemen).
Solche Schutzma,snahmen wurden seit einiger Zeit vorwiegend fUr Betriebssy
sterne vorgeschlagen, wobei der Zuverlassigkeitsaspekt im Vordergrund stand.
In den letzten Jahren kamen Konzepte und Realisierungen fur Datenbanksy
sterne hinzu, die naturgema,s auf den Mi,sbrauchsschutz fUr die gespeicherten
Daten zugeschnitten sind. Gemeinsames Manko nahezu aller existierenden
Schutzmechanismen ist es jedoch, da,s die einzuhaltenden Schutzvorschriften
nur recht grob angegeben werden konnen und vor allem meist keine Moglichkeit
besteht, die Art der Benutzung gespeicherter Daten (in Form der auf ihnen
operierenden Programme) in die Schutzvorschriften einzubeziehen. Erst damit
aber kann man yom blo,sen Schutz gespeicherter Daten zum Schutz der durch
sie reprasentierten lnformationen kommen.
Vorliegende Arbeit schlagt ein Schutzkonzept vor, das diesem Manko abzuhelfen
versucht. Hierzu werden Daten und aIle darauf definierten Operatoren zu ~
Einheit zusammengefa,st (funktionale Moduln, Datenabstraktionen). Ein "zu
schutzendes" Rechensystem ist dann ausschlie,slich aus solchen Moduln aufzu
bauen. Der Aufruf jeder einzelnen Operation (Operator samt Parameter) wird
auf Zulassigkeit uberpruft, wodurch sehr differenzierte, flexible
Schutzvorschriften moglich sind. Der Einsatz des Konzepts ist fUr aBe Ebenen
der Software eines Rechensystems (Betriebssystem, Datenbanksystem, Anwen
dungssysteme) wie auch fur unterschiedliche Systemarchitekturen (zentral,
verteilt) moglich. Er kann sowohl dem lnformationsschutz als auch der
Zuverlassigkeil dienen.
1m einzelnen wird zunachst versucht, die heute weitgehend uneinheitlich
verwendeten Grundbegriffe im Zusammenhang mit Schutz wenigstens fUr den
Gebrauch in dieser Arbeit zu klaren. 1m zweiten Kapitel wird die Grobstruktur
von Schutzsystemen erlautert. Ein dort entwickeltes Beurteilungs- und
Klassifikationsschema wird anschlie,send benutzt, urn heute existierende
Schutzkonzepte zu besprechen. Dies fUhrt zu einem detaillierten Anforderungs
katalog fUr ein im obigen Sinne leistungsfahigeres Konzept. 1m dritten Kapitel
werden die einzelnen Beslandleile des Neuvorschlags syslemalisch erarbeilel;
es stellt den Haupttei! der Arbeit dar. Die restlichen Kapitel befassen sich mit
dem Zusammenhang zwischen Schutzsystem und zu schutzendem System,
besprechen Anwendungsmoglichkeiten fUr das entwickelte Schutzkonzept und
beurteilen es nach verschiedenen Kriterien. Au,serdem wird kurz auf einige
Gesichtspunkle einer durchgefUhrten Implemenlierung eingegangen.
Diese Arbeit slellt meine von der Fakultat fUr Informalik der Universitat
Karlsruhe (Technische Hochschule) genehmigte Dissertation dar (Gutachter
Prof. Dr. P.C. Lockemann, Prof. Dr. G. Goos; mundliche Prufung am 8. 12. 1982).
Die Entstehung einer solchen Abhandlung und die DurchfUhrung der ihr zu
grullde liegenden Untersuchungen ist nur durch die Unterslulzung vieler
moglich. Bei ihnen allen mochte ich mich - nicht nur, wei! es gute Ubung ist - an
dieser Stelle sehr herzlich bedanken, insbesondere bei
IV
- Herrn Prof. Dr. P.C. Lockemann, von dem vielerlei Anregungen und
Verbesserungsvorschlage kamen und der mir als Mitglied seiner Forschungs
gruppe von Anfang an ein Hochstmap an Vertrauen entgegenbrachte und mir
jede erdenkliche Freiheit in meinem Wirken gewahrte,
- Herrn Prof. Dr. G. Goos als Triebfeder des OSKAR-Projekts, der in der ihm
eigenen Art stets fur knappe, unkonventionelle, aber fundierte Wegweisung
gut war,
- den Projektkollegen K. Hug, P. Kammerer, D. Lienert, H. Mau und K.
Wachsmuth (sowie vormals Frau C. Gorg und J.L. Keedy), ohne deren
tatkraftige Entwurfs- und Implementierungsarbeit (hierbei durfen auch T.
Fischer und eine Reihe studentischer Hilfskrafte nicht unerwahnt bleiben)
die Basis fUr diese Arbeit gefehlt hatte, die aber auch - ohne dap sie dies
wohl immer bemerken konnten - durch oft hartnackige Debatten zur Klarung
von hier dargestellten Sachverhalten beigetragen haben,
- meinen Kollegen C. Eick, M. Klopprogge und H.C. Mayr fUr vielerlei Detail
disl<ussionen, bei denen Sie mich an ihrem Spezialwissen teilhaben liepen,
- allen genannten und den weiteren Institutsmitgliedern der vergangenen
Jahre fUr ihren Beitrag zu einer fUr mich allzeit ausgezeichneten
Arbeitsatmosphare, nicht zuletzt fUr ihren Beitrag zu den Unmengen aus
gezeichneten Backwerks und sonstiger Leckereien, die zusammen verzehrt
wurden und fUr die unabdingbare physiologische Grundlage intensiver
wissenschaftlicher Arbeit sorgten,
- den zahlreichen Studenten, die durch ihre eifrige Mitarbeit in Vorlesungen,
Seminaren und Arbeitsgemeinschaften das Umfeld dieser Arbeit zu erhellen
halfen, namentlich bei den Diplomanden Frau A. Schilling und W. Gotthard.
Auch einer anderen Gruppe von Personen, deren Beitrag oft nur allzu leicht viel
zu gering eingeschatzt wird, fUhle ich mich zu besonderem Dank verpflichtet.
Frau M. Just hat nicht einfach "nur" das (handschriftliche!) Manuskript "in die
Maschine gebracht", sondefn auch in der entscheidenden Phase aus eigenem
Antrieb jede nur denkbare Hilfe geleistet. Meiner Lebensgefahrtin Tina
schlieplich bin ich fUr weit mehr als ihre wertvolle Unterstutzung bei
Zeichnungen und Korrekturlesen dankbar. Sie zeigte sich verstandnisvoll, wenn
meine Arbeilswoche die 40 Slunden oft belrachtlich uberschrill, ubernahm
unaufgeforderl viele der mir "zuslehenden" Pflichlen im Haushalt und freule
sich mil mir uber jeden Forlschritt der Arbeil.
K. R. D.
1
1.1 KL~rung von Grundbegriffen 1
1.2 Schutzaufgaben in Rechensystemen 3
1.3 Lielsetzung 9
2 __ __ in __ __ Yng
~Qg[~liQn~lg ~£n~lL~QnlgQ!g ~g!cig~g=
QElgnQ~nKg~21gmgn
2.1 6rundLagen 11
?. 1 • 1 Grobstruktur yon SChutzsystemen 12
2 • 1 • 2 KLassifizierungs- und Beurteilungsschema fOr
operationate Schutzkonzepte 14
2.1.2.1 Charakteristische Merkmale 15
2.1.2.2 Auspr~gungsspektrum charakteristischer Merkmale 17
2.1.2.3 ZusammenstelLung 22
2.1. .5 Einordnung g~ng1ger Konzepte 23
2.2 OperationaLe Schutzkonzepte in Betriebssystemen 27
2.2.1 Konzepte fOr isolierende Systeme 28
2.2.2 Konzepte fOr atles oder nichts-Systeme 32
2.2.) Konzepte fOr gesteuerte Mehrfachbenutzung mit
vordefinierten Schutzformen 33
2.2.4 Konzepte fOr gesteuerte Mehrfachbenutzung mit
definierbaren Schutzformen
36
2.2.5 Beispiele
37
2.2.6 Zusammenfassung 42
2.3 Operationale Schutzkonzepte in Datenbanksystemen
43
2.3.1 Unterschiede zu Schutz in Betriebssystemen 44
2.3.2 Einzelkonzepte
45
2.3.2.1 Konzepte fOr aLles oder nichts-Systeme
48
2.3.2.( Konzepte fOr gesteuerte Mehrfachbenutzung mit
Yordefinierten Schutzformen
50
2.3.3 Zusammenfassung
52
2.4 existierender Konzepte und Konsequenzen
M~ngel 53
VI
58
3.1 Entwurfsentscheidungen 58
Festlegung der charakteristischen
j • "l..' Grunds~tzLiche
Eigenschaften 61
3.2.1 Objekte und Operatoren 61
3.2.2 Subjekte 85
3.7..3 PriviLegierungseinheiten 89
:1. 2.4 Verhinderung unerLaubter Aktivit~ten 90
3.2.5 Manipulation von SChutzumgebungen 93
3.7..5.1 Erzeugen eines Rechts 95
:1.2.5.2 Vernichten eines Rechts 95
3.1..5.3 Weitergabe eines Rechts ohne VerLust (Kopieren) 95
3.Z.5.4 Weitergabe eines Rechts mit VerLust (Ubargabe) 96
3.2.5.5 RQckruf eines weitergegebenen Rechts 96
3.3 MaBnahmen zur vereinfachten Handhabung 100
3.3.1 GlobaLautorisierung 103
3.3.2 Mehrfachrechte 104
3.3.3 leilrechtemengen 105
3.3.4 Autorisierungsoperatoren fOr Mengen von Rechten 106
:L4 Sicherung des Schutz systems 107
3.4. 1 Das SChutzsystem aLs Schutzobjekt 107
3.4.2 Sicherung des Autorisierungssystems 114
3.4.l.1 Rechteerzeugung 115
3.4.2.2 Rechteweitergabe und -vernichtung 116
3.4.2.3 RechterOckruf 120
3.4.3 Sonstige SicherungsmaBnahmen 123
3.4.4 ZusammensteLlung 124
3.5 GesamtObersicht 125
4 136
4. 1 Kopplung von UPC und Zielsystem 136
4.2 Aussagen Ober Sicherheitseigenschaften 139
4.3 Schutzstrategien im Zielsystem 147
VII
149
j.1 Verwendung in Hetriebssystemen 149
.5 .1.1 Integrierter Entwurf Betriebs-/Schutzsystem 150
'.1.1.1 Realisierung des Subsystemkonzepts 150
5.1.1.2 Anwandung an der Benutlerschnittstelle 155
).1 .1 . :\ Anwendung im Hetriebssystem seLbst 158
5.1.1.4 Repr~sentation und Behandlung von SUbsystemtypen 161
).1.l' Kombination des Schutz systems mit einem existie
renden Betriebssystem 166
Verwendung far langfristige DatenhaLtung 169
).?1 Dateisysteme 171
5.?'.2 Datenbanksysteme 175
).3 Verwendung in verteilten Rystemen 181
6 186
6 .1 ALLgemeiner Systemaufbau 186
6.? SUbsystems und Isolation 190
6. :~ Autorisierungs- und Uberwachungssystem 193
6.4 VerwaLtung von Schutzinformation 196
l 202
"(,1 lIniver"sal.it:tt 202
"1.7 Hexibi l it!lt 203
"I. :\ ~·intleit l ichkeit 204
1.4 Wirtschaftlichkeit 205
Si cherheit
L~ 211
1.6 Mogliche Folgeuntersuchungen 212
7.6.1 Verwendung von Schutzmechanismen zur
L~sung
schutzfremder Probleme 213
1.6.2 Mogliche Hardwareunterstutzung
216
"f.6."S ~rweiterungsmHglichkeiten 218
8 231
VIII
233
und Schreibweisen 235
~nbgng_~i ~e7eichnungen
240
jeder Art von Datenverarbeitung sind Regelungen einzuhalten,
B~i
die bestimmte verbieten oder erlauben.
Verarbeitungsaktivit~ten
man die Patenverarbeitung automatisierten Rechensyste
Ubertr~gt
men, so soLlten diese auch den Schutz vor
zweckm~Bigerweise
absichtLicher oder versehentLicher MiBachtung der bestehenden
Regelungen erLedigen. Hierzu mOssen die jeweils geLtenden
Vorschriften dem Rechensystem bekannt gemacht werden.
Ziel vorLiegender Arbeit ist, ein Konzept zur Verhindefung
oder faLscher von Rechensystemen,
miBbr~uchl;cher Aktivit~ten
das gegenOber bisherigen wei taus detailliertefe
Ans~tzen
Festlegungen hinsichtLich der von
ZuL~ssigk~it Aktivit~ten
gestattet und zudem einheitlicher aufgebaut ist.
Vor einer dieses noch sehr groben Themenumrisses
Pr~zisierung
foLgen im Abschnitt einige Bemerkungen den auftre
n~chsten 2U
tenden Grundbegriffen und anschlieBend anhand eines OberbLicks
Ober Schutzaufgaben in Rechensystemen eine Finordnung der hier
zu behandelnden TeiLaufgaben.
Begriffe wie Schut7, Sicherung, Sicherheit usw. werden im
lusammenhang mit unserer Thematik hochst uneinheitlich verwen
det. Wir bauen auf den in [DIT 81) entwickeLten auf:
Frkl~rungen
~ ~£nY!l ist die Verhinderung von Beeintr~chtigungen mit
Hilfe von Rechensystemen. sind dabei
Beeintr~chtigungen
sowohl solche, die
(a) das Rechensystem durch seine technische Beschaffen
heit, Konstruktion etc. verursachen kann,
aLs auch solche, die