Fakultät für Informatik und Mathematik
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Das Aufzeichnen der Internetaktivität ist mit der Verknüpfung persönlicher Daten zu einer Schlüsselressource für viele kostenpflichtige und kostenfreie Dienste im Web geworden. Diese Dienste sind zum einen Webanwendungen, wie beispielsweise die von Google bereitgestellten Karten/Navigation oder Websuche, die täglich kostenlos verwendet werden. Zum anderen sind es alle Webseiten, die meist kostenlos Nachrichten oder allgemeine Informationen zu verschiedenen Themen bereitstellen. Durch das Aufrufen und die Nutzung dieser Webdienste werden alle Informationen, die im Webdienst verarbeitet werden, an den Dienstanbieter weitergeben. Dies umfasst nicht nur die im Benutzerkonto des Webdienstes gespeicherte Profildaten wie Name oder Adresse, sondern auch die Aktivität mit dem Webdienst wie das anklicken von Links oder die Verweildauer.
Darüber hinaus gibt es jedoch auch unzählige Drittparteien, welche zumeist im Hintergrund in die Webdienste eingebunden sind und das Benutzerverhalten der kompletten Webaktivität - Webseiten übergreifend - mitspeichern sowie auswerten. Der Einsatz verschiedener, in der Regel für den Benutzer verborgener Techniken, dient dazu das Online-Verhalten der Benutzer genau zu verfolgen und viele sensible Daten zu sammeln. Dieses Verhalten wird als Web-Tracking bezeichnet und wird hauptsächlich von Werbeunternehmen genutzt. Die gesammelten Daten sind oft personenbezogen und eine wertvolle Ressourcen der Unternehmen, um Beispielsweise passend zum Benutzerprofil personalisierte Werbung schalten zu können. Mit der Nutzung dieser personenbezogenen Daten entstehen aber auch weitreichendere Auswirkungen, welche sich unter anderem in Preisanpassungen für Benutzer mit speziellen Profilattributen, wie der Nutzung von teuren Endgeräten, widerspiegeln. Ziel dieser Arbeit ist es die Privatsphäre der Nutzer im Internet zu steigern und die Nutzerverfolgung von Web-Tracking signifikant zu reduzieren. Dabei stellen sich vier Herausforderungen, die jeweils einen Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit bilden: (1) Systematische Analyse und Einordnung eingesetzter Tracking-Techniken, (2) Untersuchung vorhandener Schutzmechanismen und deren Schwachstellen,(3) Konzeption einer Referenzarchitektur zum Schutz vor Web-Tracking und (4) Entwurf einer automatisierten Testumgebungen unter Realbedingungen, um die Reduzierung von Web-Tracking in den entwickelten Schutzmaßnahmen zu untersuchen. Jeder dieser Forschungsschwerpunkte stellt neue Beiträge bereit, um einheitlich das übergeordnete Ziel zu erreichen: der Entwicklung von Schutzmaßnahmen gegen die Preisgabe sensibler Benutzerdaten im Internet. Der erste wissenschaftliche Beitrag dieser Dissertation ist eine umfassende Evaluation eingesetzter Web-Tracking Techniken und Methoden, sowie deren Gefahren, Risiken und Implikationen für die Privatsphäre der Internetnutzer. Die Evaluation beinhaltet zusätzlich die Untersuchung vorhandener Tracking-Schutzmechanismen und deren Schwachstellen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind maßgeblich für die in dieser Arbeit neu entwickelten Ansätze und verbessern den bisherigen nicht hinreichend gewährleisteten Schutz vor Web-Tracking. Der zweite wissenschaftliche Beitrag ist die Entwicklung einer robusten Klassifizierung von Web-Tracking, der Entwurf einer effizienten Architektur zur Langzeituntersuchung von Web-Tracking sowie einer interaktiven Visualisierung des Auftreten von Web-Tracking im Internet. Dabei basiert der neue Klassifizierungsansatz, um Tracking zu identifizieren, auf der Entropie Messung des Informationsgehalts von Cookies. Die Resultate der Web-Tracking Langzeitstudien sind unter anderem 1.209 identifizierte Tracking-Domains auf den meistbesuchten Webseiten in Deutschland. Hierbei wurden innerhalb der Top 25 Webseiten im Durchschnitt 45 Tracking-Elemente pro Webseite gefunden. Der Tracker mit dem höchsten Potenzial zum Erstellen eines Benutzerprofils war doubleclick.com, da er 90% der Webseiten überwacht. Die Auswertung des untersuchten Tracking-Netzwerks ergab weiterhin einen detaillierten Einblick in die Tracking-Technik mithilfe von Weiterleitungslinks. Dabei haben wir 1,2 Millionen HTTP-Traces von monatelangen Crawls der 50.000 international meistbesuchten Webseiten analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass 11,6% dieser Webseiten HTTP-Redirects, verborgen in Webseiten-Links, zum Tracken verwenden. Dies wird eingesetzt, um den Webseitenverlauf des Benutzers nach dem Klick durch eine Kette von (Tracking-)Servern umzuleiten, welche in der Regel nicht sichtbar sind, bevor das beabsichtigte Link-Ziel geladen wird. In diesem Szenario erfasst der Tracker wertvolle Verbindungs-Metadaten zu Inhalt, Thema oder Benutzerinteressen der Website. Die Visualisierung des Tracking Ökosystem stellen wir in einem interaktiven Open-Source Web-Tool bereit. Der dritte wissenschaftliche Beitrag dieser Dissertation ist die Konzeption von zwei neuartigen Schutzmechanismen gegen Web-Tracking und der Aufbau einer automatisierten Simulationsumgebung unter Realbedingungen, um die Effektivität der Umsetzungen zu verifizieren. Der Fokus liegt auf den beiden meist verwendeten Tracking-Verfahren: Cookies (hierbei wird eine eindeutigen ID auf dem Gerät des Benutzers gespeichert), sowie Browser-Fingerprinting. Letzteres beschreibt eine Methode zum Sammeln einer Vielzahl an Geräteeigenschaften, um den Benutzer eindeutig zu (re- )identifizieren, ohne eine eindeutige ID auf dem Gerät zu speichern. Um die Effektivität der in dieser Arbeit entwickelten Schutzmechanismen vor Web-Tracking zu untersuchen, implementierten und evaluierten wir die Schutzkonzepte direkt im Chromium Browser. Das Ergebnis zeigt eine erfolgreiche Reduzierung von Web-Tracking um 44%. Zusätzlich verbessert das in dieser Arbeit entwickelte Konzept “Site Isolation” den Datenschutz des privaten Browsing-Modus, ermöglicht das Setzen eines manuellen Speicher-Zeitlimits von Cookies und schützt den Browser gegen verschiedene Bedrohungen wie CSRF (Cross-Site Request Forgery) oder CORS (Cross-Origin Ressource Sharing). Site Isolation speichert dabei den Status der lokalen Website in separaten Containern und kann dadurch diverse Tracking-Methoden wie Cookies, lokalStorage oder redirect tracking verhindern. Bei der Auswertung von 1,6 Millionen Webseiten haben wir gezeigt, dass der Tracker doubleclick.com das höchste Potenzial besitzt, den Nutzer zu verfolgen und auf 25% der 40.000 international meistbesuchten Webseiten vertreten ist. Schließlich demonstrieren wir in unserem erweiterten Chromium-Browser einen robusten Browser-Fingerprinting-Schutz. Der Test unseres Prototyps mittels 70.000 Browsersitzungen zeigt, dass unser Browser den Nutzer vor sogenanntem Browser-Fingerprinting Tracking schützt. Im Vergleich zu fünf anderen Browser-Fingerprint-Tools erzielte unser Prototyp die besten Ergebnisse und ist der erste Schutzmechanismus gegen Flash sowie Canvas Fingerprinting.
The processing of personal information is omnipresent in our data-driven society enabling personalized services, which are regulated by privacy policies. Although privacy policies are strictly defined by the General Data Protection Regulation (GDPR), no systematic mechanism is in place to enforce them. Especially if data is merged from several sources into a data-set with different privacy policies associated, the management and compliance to all privacy requirements is challenging during the processing of the data-set. Privacy policies can vary hereby due to different policies for each source or personalization of privacy policies by individual users. Thus, the risk for negligent or malicious processing of personal data due to defiance of privacy policies exists.
To tackle this challenge, a privacy-preserving framework is proposed. Within this framework privacy policies are expressed in the proposed Layered Privacy Language (LPL) which allows to specify legal privacy policies and privacy-preserving de-identification methods. The policies are enforced by a Policy-based De-identification (PD) process. The PD process enables efficient compliance to various privacy policies simultaneously while applying pseudonymization, personal privacy anonymization and privacy models for de-identification of the data-set. Thus, the privacy requirements of each individual privacy policy are enforced filling the gap between legal privacy policies and their technical enforcement.
This thesis distills technical requirements for an increased probative value and data protection compliance, and maps them onto cryptographic properties for which it constructs provably secure and especially private malleable signature schemes (MSS). MSS are specialised digital signature schemes that allow the signatory to authorize certain subsequent modifications, which will not negatively affect the signature verification result.
Legally, regulations such as European Regulation 910/2014 (eIDAS), ‘follow-up’ to longstanding Directive 1999/93/EC, describe the requirements in technology-neutral language. eIDAS states that, when a digital signature meets the full requirements it becomes a qualified electronic signature and then it “[...] shall have the equivalent legal effect of a handwritten signature [...]” [Art. 25 Regulation 910/2014]. The question of what legal effect this has with regards to the probative value that is assigned is actually not determined in EU Regulation 910/2014 but in European member state law. This thesis concentrates in its analysis on the — in this respect detailed — German Code of Civil Procedure (ZPO). Following the ZPO, a signature awards the signed document with at least a high probative value of prima facie evidence. For signed documents of official authority the ZPO’s statutory rules even award evidence with a legal presumption of authenticity. This increased probative value is also awarded to electronic documents bearing electronic signatures when those conform to the eIDAS requirements. The requirements centre around the technical security goals of integrity and accountability. Technical mechanisms use cryptographic means to detect the absence of unauthorized modifications (integrity) and allow to authenticate the signed document’s signatory (accountability).
However, the specialised malleable signature schemes’ main advantage is a cryptographic property termed privacy: An authorized subsequent modification will protect the confidentiality of the modified original. Moreover, the MSS will retain a verifiable signature if only authorized modifications were carried out. If these properties are reached with provable security the schemes are called private malleable signature schemes. This thesis analyses two forms of MSS discussed in existing literature: Redactable signature schemes (RSS) which allow subsequent deletions, and sanitizable signature schemes (SSS) which allow subsequent edits. These two forms have many application scenarios: A signatory can delegate that a later redaction might take place while retaining the integrity and authenticity protection for the still remaining parts. The verification of a signature on a redacted or sanitized document still enables the verifying entity to corroborate the signatory’s identity with the help of flanking technical and organisational mechanisms, e.g. a trusted public key infrastructure. The valid signature further corroborates the absence of unauthorized changes, because the MSS is still cryptographically protecting the signed document from undetected unauthorized changes inflicted by adversaries. Due to the confidentiality protection for the overwritten parts of the document following from cryptographic privacy the sanitization and redaction can be used to safeguard personal data to comply with data protection regulation or withhold trade-secrets.
The research question is: Can a malleable signature scheme be private to be compliant with EU data protection regulation and at the same time fulfil the integrity protection legally required in the EU to achieve a high probative value for the data signed?
Answering this requires to understand the protection requirements in respect to accountability and integrity rooted in Regulation 910/2014 and related legal texts. This thesis has analysed the previous Directive 1999/93/EC as well as German SigG and SigVO or UK and US laws. Besides that, legal texts, laws and regulations for the protection requirements of personal data (or PII) have been analysed to distill the confidentiality requirements, e.g. the German BDSG or the EU Regulation 2016/679 (GDPR). Moreover, an answer to the research question entails understanding the relevant difference between regular digital signature schemes, like RSASSA-PSS from PKCS-v2.2 [422], which are legally accepted mechanisms for generating qualified electronic signatures and MSS for which the legal status was completely unknown before the thesis. Especially as MSS allow the authorized entity to adapt the signature, such that it is valid after the authorized modification, without the knowledge or use of the signatory’s signature generation key. On verification of an MSS the verifying entity still sees a valid signature technically appointing the legal signatory as the origin of a document, which might — however — have undergone authorized modifications after the signature was applied.
The thesis documents the results achieved in several domains:
1. Analysis of legal requirements towards integrity protection for an increased probative value and towards the confidentiality protection for use as a privacy-enhancing-technique to comply with data protection regulation.
2. Definition of a suitable terminology for integrity protection to capture (a) the differences between classical and malleable signature schemes, (b) the subtleties among existing MSS, as well as (c) the legal requirements.
3. Harmonisation of existing MSS and their cryptographic properties and the analysis of their shortcomings with respect to the legal requirements.
4. Design of new cryptographic properties and their provably secure cryptographic instantiations, i.e., the thesis proposes nine new cryptographic constructions accompanied by rigorous proofs of their security with respect to the formally defined cryptographic properties.
5. Final evaluation of the increased probative value and data-protection level achievable through the eight proposed cryptographic malleable signature schemes.
The thesis concludes that the detection of any subsequent modification (authorized and unauthorized) is of paramount legal importance in order to meet EU Regulation 910/2014. Further, this thesis formally defined a public form of the legally requested integrity verification which allows the verifying entity to corroborate the absence of any unauthorized modifications with a valid signature verification while simultaneously detecting the presence of an authorized modification — if at least one such authorized modification has subsequently occurred. This property, called non-interactive public accountability (PUB), has been formally defined in this thesis, was published and has already been adopted by the academic community. It was carefully conceived to not negatively impact a base-line level of privacy protection, as non-interactive public accountability had to destroy an existing strong privacy notion of transparency, which was identified as a hinderance to legal equivalence arguments. With RSS and SSS constructions that meet these properties, the thesis can give a positive answer to the research question:
Private MSS can reach a level of integrity protection and guarantee a level of accountability comparable to that of technical mechanisms that are legally accepted to generate qualified electronic signatures giving an increased probative value to the signed document, while at the same time protect the overwritten contents’ confidentiality.