Secure Operating Systems

Der Forschungsbereich Sichere Betriebssysteme verfügt über langjährige Erfahrung im Bereich der Plattformsicherheit. Die Mitarbeitenden des Bereichs beschäftigen sich u.a. mit dem Design und der Umsetzung sicherer Prozesse für das Bootstrapping und Update moderner, insbesondere eingebetteter, Systeme. Darüber hinaus entwickeln sie sichere Architekturen, die fortschrittliche Sicherheitstechnologien wie Trusted Execution Environments (TEEs) bzw. sichere Koprozessoren einbinden. Neben der Integrität spielen auch die Vertraulichkeit und Ausfallsicherheit der untersuchten Plattformen eine entscheidende Rolle. Hier entwickelt der Forschungsbereich neue Methoden um verschiedene Zielplattformen widerstandsfähig gegen physische Angreifer im Feld zu machen.

Betriebssysteme oder Operating Systems bilden die Grundlage praktisch jedes IT-Systems. Sie dienen als Schnittstelle zwischen Hardware und Anwendungssoftware oder Apps. Durch ihre privilegierte Position kommt ihnen in Bezug auf die Sicherheit eines Systems eine besonders wichtige Rolle zu. Der Forschungsbereich Sichere Betriebssysteme beschäftigt sich mit der Sicherheit aller Arten von Betriebssystemen und kann in diesem Bereich auf langjährige Erfahrung zurückgreifen. Im Fokus der Forschung stehen insbesondere die Sicherheit und die Sicherheitsfeatures Linux-basierter Systeme. Hier arbeiten die Forscher des Bereichs an neuen Architekturen und Features. Ziel ist insbesondere die Härtung von Betriebssystemkernen gegen verschiedenste Angriffe sowie die Härtung der Gesamtsysteme.

Um Ressourcen und Kosten einzusparen, wird in vielen Bereichen dazu übergegangen, mehrere physische Systeme in ein System zu integrieren. Da die integrierten Geräte oft unterschiedliche sicherheitskritische Aufgaben erfüllen, müssen die jeweiligen funktionalen Gruppen im verbleibenden physischen System voneinander isoliert werden. Virtualisierung ist eine mögliche Technik um eine solche Isolation zu erreichen. Der Bereich Sichere Betriebssysteme kann auf langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Evaluierung und Verbesserung von Virtualisierungstechniken zurückblicken. Insbesondere im Kontext von Linux-basierten Systemen analysieren und verbessern die Forscherinnen und Forscher verschiedene Möglichkeiten der Virtualisierung, z.B. in Form von Containern oder Kernel-based Virtual Machines (KVM), und entwickeln neue Methoden und Architekturen unter Verwendung von Virtualisierung.

Eine Vielzahl an Verwundbarkeiten von Software und daraus entstehender, teilweise massiver, Sicherheitsprobleme in modernen IT-Systemen entstehen durch die Verwendung von unsicheren Programmiersprachen. Gerade im Bereich der hardwarenahen Software, wo Geschwindigkeit und direkter Zugriff auf das System entscheidend sind, werden häufig unsichere Sprachen wie C/C++ verwendet. Der Forschungsbereich Sichere Betriebssysteme entwickelt Konzepte und Methoden, um diesen Problemen, insbesondere im Kontext der Betriebssystementwicklung, zu begegnen. Dafür analysieren die Mitarbeitenden des Bereichs bestehende Sicherheitsmechanismen und entwickeln, auch unter Einbeziehung neuartiger Hardwarefeatures, neue Mechanismen zum Schutz von hardwarenaher Software, z.B. in Form von Compiler-Erweiterungen für Control-Flow Integrity (CFI) und Memory Safety.

Die Aufgaben hardwarenaher Software, insbesondere im Betriebssystemkontext, sind oft hochkomplex. Darüber hinaus kommen in der Entwicklung häufig unsichere Programmiersprachen zum Einsatz. Dieser Umstand führt häufig zu stark fehlerbehaftetem Quellcode in der Entwicklung. Zur Abschwächung möglicher Konsequenzen sind ausführliche Sicherheitstests essentiell. Der Forschungsbereich Sichere Betriebssysteme kann auf reichhaltige Erfahrung im Bereich automatisierter Sicherheitstests für Softwarekomponenten und ganze IT-Systeme zurückgreifen und entwickelt u.a. neue Methoden für statische Code-Analyse und für dynamische Tests, insbesondere Fuzzing.

Die Mitarbeitenden des Forschungsbereich Sichere Betriebssysteme verfügen über langjährige Erfahrung mit Softwarearchitekturen für eingebettete Systeme im Automobil. Der Schwerpunkt liegt hier auf leistungsfähigen Steuergeräten und den darauf eingesetzten Softwarearchitekturen. AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture) verfolgt das Ziel, eine offene und standardisierte Softwarearchitektur für elektronische Steuergeräte im Fahrzeug (ECUs) zu entwickeln. Die AUTOSAR Adaptive Platform adressiert dabei u.a. Linux-basierte Systeme etwa im Bereich Infotainment oder Fahrerassistenzsysteme.

Mobile Endgeräte und Anwendungen sind heutzutage omnipräsent. Sie durchdringen die moderne Arbeitswelt, steuern Industrieanlagen, medizinische Geräte, werden für Bezahlvorgänge genutzt und müssen dabei hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen. Die Mitarbeitenden des Forschungsbereichs Sichere Betriebssysteme haben langjährige und vielfältige Erfahrung mit Betriebssystemen und sicherheitskritischen Anwendungen für mobile Endgeräte. 2012 entwickelten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Forschungsbereichs ein Attestierungsprotokoll für Baseband-Stacks, 2013 eine Betriebssystemlevel-Virtualisierung auf Android-Basis und 2014 TrustID, eine Lösung zum Ableiten von digitalen Identitäten des nPAs.

Eingebettet Systeme finden sich in immer mehr Gegenständen unseres Alltags. Solche eingebetteten Systeme übernehmen vielfältige, anspruchsvolle und teilweise sicherheitskritische Aufgaben. Der Forschungsbereich Sichere Betriebssysteme entwickelt sichere eingebetettete Plattformen mit speziell gehärtetem Kernel und Betriebssystem-Stack, Hardware Security Tokens, Trusted Execution Environments und Virtualisierung für starke Isolation. Ziel dabei ist der zuverlässige und sichere Betrieb (vernetzter) eingebetteter Systeme und die Integration von Sicherheitsfeatures in diese, zumeist in ihren Ressourcen limitierten, Geräte.

Trusted Computing beschreibt Technologien und Lösungsansätze zur Verbesserung der IT-Sicherheit durch Hardwarerweiterungen und die zugehörigen Softwarelösungen. In der Trusted Computing Group (TCG) haben sich mehrere große Hardwarehersteller und Softwareanbieter zusammengeschlossen und entwickeln gemeinsam konkrete Strategien zur Sicherung von Systemen, Netzwerken und Anwendungen.

Das Fraunhofer AISEC ist Mitglied der TCG und entwickelt Lösungen, um kritische Daten und Systeme vor der wachsenden Zahl an Angriffen zu schützen und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften durch hardware- und softwarebasierte Lösungen sicherzustellen. Dafür bündelt das Fraunhofer AISEC Kompetenzen aus verschiedenen Fachgebieten.