Cryptography

Kryptografische Verfahren sind das Rückgrat der digitalen Gesellschaft: Sie schützen persönliche Daten, sichern Kommunikationsinfrastrukturen und gewährleisten die Integrität kritischer Prozesse. Am Fraunhofer SIT decken wir das gesamte Spektrum der kryptografischen Forschung ab – von der Grundlagenforschung über neuartige Verschlüsselungsparadigmen bis hin zur praxisnahen Sicherheitsanalyse eingesetzter Protokolle und Systeme. Beispiele für Anwendungsfelder unserer Arbeit in diesem Forschungsfeld ist die IT-Sicherheit im Gesundheitswesen, in der Bioinformatik sowie in der kommunalen Verwaltung.

Zukunftssichere Kryptografie

Mit dem Aufkommen leistungs­fähiger Quantencomputer stehen viele der heute eingesetzten kryptografischen Verfahren vor dem Aus. Wir entwickeln und analysieren Post-Quanten-Kryptografie auf Basis mathematisch schwer lösbarer Probleme – insbesondere gitterbasierte Verfahren (Lattice-based Cryptography), die auch Quantenangriffen standhalten.

Darüber hinaus befassen sich unsere Forschenden in besonders sicherheitskritischen Bereichen auch mit QKD, Quantum Key Distribution, um den Austausch kryptografischer Schlüssel mit Hilfe der Quantenphysik abzusichern. Die eigentlichen Daten werden allerdings mit herkömmlichen Verschlüsselungsverfahren geschützt.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die homomorphe Verschlüsselung: Sie ermöglicht Berech­nungen direkt auf verschlüsselten Daten, ohne diese jemals im Klartext zu verarbeiten. Für das Gesundheitswesen bringt diese Technologie wichtige grundlegende Veränderungen: Klinische Analysen, KI-gestützte Diagnostik und epidemiologische Auswertungen lassen sich so durchführen, ohne dass Daten von Patientinnen und Patienten die sichere Verschlüsselung verlassen müssen – weder beim Verarbeitenden noch in der Cloud-Umgebung. Unsere Forschung untersucht, wie diese Verfahren effizient und praxistauglich eingesetzt werden können, etwa in der medizinischen Bildverarbeitung oder der Bioinformatik.

Krypto-Agilität

Um kryptografische Verfahren stets aktuell und sicher zu halten, müssen diese regelmäßig angepasst und erneuert werden. Um dies möglichst einfach und schnell umsetzen zu können, sollte direkt beim Aufsetzen von Systemen berücksichtigt werden, dass Kryptografie ausgetauscht werden muss. Dieser Ansatz nennt sich Krypto-Agilität. Unsere Forschenden geben praktische Anleitungen, wie Organisationen krypto-agil werden oder Datenbestände sicher migrieren können.

Sicherheitsanalysen kryptografischer Protokolle

Mathematisch korrekte Kryptografie bietet keinen absoluten Schutz, wenn Protokolle fehlerhaft spezifiziert oder implementiert sind. Wir analysieren systematisch die Sicherheit kryptografischer Protokolle im realen Einsatz: Von verschlüsselter E-Mail-Kommunikation über TLS bis hin zu den spezialisierten Kommunikationsstandards des Gesundheitswesens.

Medizinische Einrichtungen verfügen neben der Office-IT über eine wenig beachtete weitere Angriffs­fläche: die medizintechnischen Kommunikationsprotokolle selbst. Weit verbreitete Standards wie DICOM und HL7 sowie deren Implementierungen weisen Sicherheitslücken auf, die wir mit eigens entwickelten Werkzeugen zur Schwachstellensuche in Produktivumgebungen systematisch untersuchen. In der Praxis werden Daten in diesen Protokollen heute meist noch unverschlüsselt übertragen. Deswegen nutzen wir Erkenntnisse aus der Analyse allgemeiner kryptografischer Protokolle für Empfehlungen  zur Verbesserung von Standards und Implementierungen.