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Mit Licht gegen Hacker

Gehen Daten auf Reisen, werden sie im Rechner zu elektrischen Signalen. Für Hacker sind diese einfach zu entschlüsseln. Licht soll sie stoppen.

Unsere Welt besteht zum großen Teil aus Daten. Wie sie vor Angriffen geschützt werden, ist deshalb eine wichtige Frage.
Unsere Welt besteht zum großen Teil aus Daten. Wie sie vor Angriffen geschützt werden, ist deshalb eine wichtige Frage. © picture alliance / Zoonar

Unsere Welt wird digitaler – und damit auch angreifbarer. Ob das Smartphone in der Hosentasche, der Computer im Arbeitszimmer oder die App-gesteuerte Heizungsanlage im Keller: Immer mehr Geräte sind miteinander vernetzt. Doch dieses Netz hat Löcher. Es sind Sicherheitslücken, die Hacker nutzen, um oft unbemerkt in Computersysteme einzudringen. Immer häufiger werden Firmen, Kommunen oder auch Privatleute Opfer solcher Cyberattacken. Ein deutsches Konsortium aus Industrie sowie Universitäts- und Wissenschaftsinstituten will die digitale Welt in Zukunft sicherer machen. Auch Dresdner Forscher sind dabei. Sie setzen auf Licht.

Es klingt gigantisch. Bis zum Jahr 2025 steigt die Zahl der Geräte für das sogenannte Internet der Dinge, kurz IoT, weltweit von 30 auf 75 Milliarden Stück. Für Industrie und Wirtschaft ist IoT schon heute die Zukunft. Immer mehr Unternehmen setzen auf diese Technologie und immer mehr Geräte und auch virtuelle Gegenstände sind miteinander verbunden und tauschen Informationen aus. Doch mit normalen Sicherheitsvorkehrungen sind solche Systeme und ihre sensiblen Daten nicht gänzlich vor der missbräuchlichen Nutzung durch Dritte zu schützen.

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Ausgefeilte Algorithmen und aufwendige Verschlüsselungstechnologie müssen zum Einsatz kommen. Die Technik dafür ist teuer und verbraucht viel Energie. „Mit einer Erweiterung dieser siliziumbasierten Technologien um photonische, also lichtbasierte, Spezialkomponenten können wir diesem Dilemma begegnen“, sagt Marcus Pietzsch. Er arbeitet am Dresdner Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS und koordiniert das neue Gemeinschaftsprojekt Silhouette.

Zum Konsortium gehören unter anderem weitere Fraunhofer-Institute und auch das Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (IAVT) und die Gruppe für Integrierte Photonische Bauelemente (IPB) des Instituts für Nachrichtentechnik der TU Dresden. In den nächsten drei Jahren wollen die Wissenschaftler Lösungen entwickeln, die nicht nur der Wirtschaft, sondern auch den Endverbrauchern mehr Sicherheit bieten. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit rund zwölf Millionen Euro.

Im Projekt entstehen neue optische Bauelemente für Chips, deren Gehäuse und Schaltkreise. Durch die Datenübertragung per Licht wird ein Angriff für Hacker nahezu unmöglich.
Im Projekt entstehen neue optische Bauelemente für Chips, deren Gehäuse und Schaltkreise. Durch die Datenübertragung per Licht wird ein Angriff für Hacker nahezu unmöglich. © TU Dresden

Das Problem ist die aktuelle Verschlüsselung der Daten. Zwar sind sie in den Glasfaserkabeln mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs. Knackpunkt ist aber der Weg von der Glasfaser-Autobahn bis hin zum Computer. „Je näher wir dem Rechner kommen, in dem die Daten verarbeitet werden, desto mehr wird die Übertragung elektrisch“, erklärt Karlheinz Bock, Professor und Leiter des IAVT.

Während die Fernübertragung der Daten mittels Glasfaserkabel über Licht funktioniert, arbeiten zentrale Recheneinheiten und Speicher noch elektrisch. Letztere bieten damit auch Angriffspunkte für Hacker. „Nur die photonischen Übertragungskanäle können kaum abgefangen werden und bieten dadurch eine deutlich höhere Abhörsicherheit“, fügt Bock hinzu.

Um die Prozessoren vor Angreifern zu sichern, sollen deshalb im Forschungsprojekt lichtbasierte Lösungen entstehen, die sie zusätzlich schützen. An der TU Dresden werden dafür spezielle optische Bestandteile für Chips, deren Gehäuse und Schaltkreise entwickelt. „Wir werden verschiedene photonische Elemente auf einer Siliziumnitrid-Plattform entwerfen“, erläutert Kambiz Jamshidi, Leiter der Forschungsgruppe IPB und Professor an der TU Dresden, die Pläne. Anschließend werden diese vom Fraunhofer IPMS hergestellt.

Die Hacker bleiben draußen

Diese Komponenten machen es Hackern schwer, die Daten zu entschlüsseln. Die Systeme würden Zufallsbits erzeugen, die für eine sichere Kommunikation erforderlich sind. „Sinnbildlich könnte man sagen, wir nehmen Angreifern den Schlüssel weg, mit dem sie eindringen und Daten klauen könnten“, sagt Bock. Der Datenstrom sei für Hacker in Echtzeit nicht mehr einsehbar. „Ein schnelles und unbemerktes Entschlüsseln wird unmöglich. Dafür bräuchten Angreifer schon Quantencomputer.“

Wichtig ist allen Beteiligten, dass die entwickelten Lösungen später im Kleinen wie im Großen funktionieren. „Wir versuchen deshalb, verschiedene elektrische und optische Bauteile in einem System mittels skalierbarer Fertigungsprozesse miteinander zu verbinden“, sagt Krzysztof Niewęgłowski, Forschungsgruppenleiter im IAVT. Auf diesem Weg könnten bereits bestehende digitale Komponenten um lichtbasierte Schnittstellen erweitert werden.

Denn ein besonderes Augenmerk des Projekts liegt auf der zeitnahen Anwendbarkeit der neuen Technologie. „Derzeit ist es noch schwierig, hybride elektro-optische Schaltungen kostengünstig und in großer Stückzahl zu produzieren“, erklärt Marcus Pietzsch. Mithilfe der Expertise aller Projektpartner sollen deshalb Prototypen entstehen, die bereits Merkmale sicherer und massentauglicher Serienprodukte haben.

Für Karlheinz Bock und seine Mitstreiter ist es höchste Zeit, die digitale Infrastruktur krisenfest zu machen. Nicht zuletzt die Angriffe auf Kommunen oder Medienhäuser in Deutschland haben in den vergangenen Monaten gezeigt, welchen enormen Schaden Cyberattacken anrichten können. „Dass jetzt mit solch einem breit aufgestellten Forschungsverbund nach einer Lösung gesucht wird, ist wichtig.“ Nicht zuletzt wäre das auch gute Werbung für den Forschungsstandort Sachsen.

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