dbs-20240118.tex

% dbs-20240118.pdf - Lecture Slides on Databases and Information Security
% Copyright (C) 2024  Peter Gerwinski
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% README: Ausfallsicherheit

\documentclass[10pt,t]{beamer}

\usepackage{pgslides}

\newcommand{\vfilll}{\vspace{0pt plus 1filll}}

\newcommand{\underconstruction}{%
  \begin{picture}(0,0)
    \put(11,1.2){\makebox(0,0)[b]{\includegraphics[width=1.5cm]{Zeichen_123.pdf}}}
    \put(11,0.9){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{Änderungen\\vorbehalten}}}
  \end{picture}}

\title{Datenbanken und Datensicherheit}
\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski}
\date{18.\ Januar 2024}

\begin{document}

\maketitleframe

\nosectionnonumber{\inserttitle}

\begin{frame}

  \shownosectionnonumber

  \begin{itemize}
    \item[\textbf{1}] \textbf{Einführung}
      \hfill\makebox(0,0)[br]{\raisebox{2.25ex}{\url{https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/dbs}}}%
    \item[\textbf{2}] \textbf{Kurzeinführung Unix}
    \item[\textbf{3}] \textbf{Kurzeinführung TCP/IP}
    \item[\textbf{4}] \textbf{Relationale Datenbanken}
      \begin{itemize}
        \vspace*{-\smallskipamount}
        \item[\textbf{\dots}]
        \item[4.11] GUI-Zugriff
        \color{medgreen}
        \item[4.12] SQL Injection
        \item[4.13] Datensicherheit bei Datenbanken 
        \item[4.14] Sonstige Datenbanken
      \end{itemize}
    \item[\textbf{5}] \textbf{Kryptographie}
      \begin{itemize}
        \color{medgreen}
        \item[5.1] Einführung
        \item[5.2] Symmetrische Verschlüsselung
        \item[5.3] Asymmetrische Verschlüsselung
        \item[5.4] Signaturen
        \vspace*{-\smallskipamount}
        \item[\dots]
      \end{itemize}
    \item[\textbf{6}] \textbf{Netzwerksicherheit}
    \item[\textbf{7}] \textbf{Verfügbarkeit}
    \item[\textbf{8}] \textbf{Datenschutz}
  \end{itemize}

  \vfilll
  \underconstruction

\end{frame}

\setcounter{section}{3}
\section{Relationale Datenbanken}
\setcounter{subsection}{10}
\subsection{SQL Injection}

\begin{frame}[fragile]

  \showsection
  \showsubsection

  Problem:
  \begin{itemize}
    \item
      Ein böswilliger Benutzer gibt über eine Benutzerschnittstelle
      (z.\,B.\ ein Web-Interface) Daten ein (z.\,B.\ einen "`Namen"'),
      die Sonderzeichen enthalten, damit sie als SQL-Befehle ausgeführt werden.
    \item
      Literatur: \url{https://xkcd.com/327/}
  \end{itemize}

  \medskip

  Lösung: Die Benutzerschnittstelle prüft die Daten auf Sonderzeichen\\
  und ersetzt diese durch geeignete Escape-Sequenzen
  \begin{itemize}
    \item
      \lstinline[style=cmd]{'} durch \lstinline[style=cmd]{''} ersetzen
    \item
      Funktion \lstinline[style=cmd]{CHR()}
    \item
      Viele DBMS verstehen ein vorangestelltes \lstinline[style=cmd]{\}.
  \end{itemize}

  \medskip

  Bessere Lösung: \newterm{Prepared Statements}
  \begin{itemize}
    \item
      \url{https://www.postgresql.org/docs/current/sql-prepare.html}
    \item
      \url{https://www.w3schools.com/php/php_mysql_prepared_statements.asp}
  \end{itemize}

\end{frame}

\subsection{Datensicherheit bei Datenbanken}

\begin{frame}

  \showsection
  \showsubsection

  \begin{itemize}
    \item
      kein direkter Zugriff von außen auf die Datenbank
    \item
      feingranulare Benutzerrechte
    \item
      Software aktuell halten
    \item
      Prepared Statements
    \item
      Transportverschlüsselung
  \end{itemize}

\end{frame}

\subsection{Sonstige Datenbanken}

\begin{frame}

  \showsection
  \showsubsection

  \begin{itemize}
    \item
      Eingebettete Datenbanken:\\
      Berkeley DB, SQLite\\
      Software-Bibliothek, keine Client-Server-Struktur
    \item
      Nicht-relationale Datenbanken:\\
      dokumentenorientierte Datenbanken, noSQL\\
      Performanz wichtiger als Konsistenz\\
      \textarrow\ Applikationen stärker in Konsistenzprüfung eingebunden
  \end{itemize}

\end{frame}

\section{Kryptographie}
\subsection{Einführung}

\begin{frame}

  \showsection
  \showsubsection

  \textbf{Was ist Datensicherheit?}

  \smallskip

  \begin{minipage}[t]{0.24\textwidth}
    \begin{itemize}
      \item[] \strut
      \item Vertraulichkeit
      \item Integrität\\\strut
      \item Verfügbarkeit
    \end{itemize}
  \end{minipage}%
  \begin{minipage}[t]{0.25\textwidth}
    \begin{itemize}
      \item[] (CIA)
      \item[] (confidentiality)
      \item[] (integrity)\\\strut
      \item[] (availability)
    \end{itemize}
  \end{minipage}\quad
  \begin{minipage}[t]{0.45\textwidth}
    \begin{itemize}
      \item[] \strut
      \arrowitem {\only<2->{\color{red}}Verschlüsselung}
      \arrowitem Konsistenzprüfungen,\\
                 Prüfwerte, {\only<2->{\color{red}}Signaturen}
      \arrowitem Backups, Ausfallsicherheit
    \end{itemize}
  \end{minipage}

  \bigskip

  \begin{itemize}
    \item
      Identifizierbarkeit
      (Authentizität, Nichtabstreitbarkeit, Zurechenbarkeit)\\
      \textarrow\ {\only<2->{\color{red}}Passwörter},
                  {\only<2->{\color{red}}Signaturen}\\[\smallskipamount]
      bzw.
    \item
      Anonymität
      (plausible Abstreitbarkeit, Nichtzurechenbarkeit)\\
      \textarrow\ Pseudonymisierung, Anonymisierung,\\
      \phantom{\textarrow\ }{\only<2->{\color{red}}Verschlüsselung}, Steganographie
      \pause\hfill\textcolor{red}{\textarrow\ Kryptographie}
  \end{itemize}

\end{frame}

\subsection{Symmetrische Verschlüsselung}

\begin{frame}

  \showsection

  \textbf{Kryptographie}
  \begin{itemize}
    \item
      Verschlüsselung: symmetrisch, asymmetrisch, hybrid
    \item
      Hashes: Einwegfunktionen, Salt
    \item
      Signaturen, Zertifikate
    \item
      Schlüsselaustausch
  \end{itemize}

  \bigskip

  \showsubsection

  \vspace{-\medskipamount}

  \begin{itemize}
    \item
      Derselbe Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln
    \item
      Beispiele:
      {\only<6->{\color{red}}Cäsar-Chiffre},
      {\only<6->{\color{red}}Monoalphabetische Substitution}\pause,\\
      One Time Pad\visible<4->{,}\\
      \visible<4->{%
        \only<5->{\emph{spezielle }}Pseudozufallszahlengenerator\only<5->{en},
        Startwert als Schlüssel\only<5->{:}\\
        \visible<5->{
          {\only<6->{\color{red}}Enigma},
          {\only<6->{\color{red}}DES},
          {\only<6->{\color{orange}}3DES},
          {\only<6->{\color{orange}}RC4},
          IDEA,
          Blowfish,
          TwoFish,
          CAST,
          AES,
          \dots
        }
      }
    \pause
    \item
      Problem: Schlüsselaustausch
    \pause[7]
    \item
      Lösung: \newterm{asymmetrische Verschlüsselung}
  \end{itemize}

\end{frame}

\subsection{Asymmetrische Verschlüsselung}

\begin{frame}

  \showsubsection

  \vspace{-\medskipamount}

  \begin{itemize}
    \item
      verschiedene Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln:\\
      öffentlicher und privater Schlüssel
    \item
      Prinzip: mathematische Operation,\\
      einfach durchzuführen, schwer rückgängig zu machen
    \medskip
    \item
      Beispiel: $N = p \cdot q$ -- einfacher als Primfaktorzerlegung von $N$
      \textarrow\ RSA\\[\smallskipamount]
      $73 \cdot 97 = 7081$: geht notfalls noch im Kopf\\
      Primfaktorzerlegung von $7081$: mindestens schriftlich, besser mit Rechner
    \medskip
    \item
      Beispiel: $c = b^a$ -- einfacher als $a = \log_b c$
      \textarrow\ Diffie-Hellman, ElGamal\\[\smallskipamount]
      $7^5 = 16807$: geht notfalls noch im Kopf\\
      $\log_7 16807$: mindestens schriftlich, besser mit Rechner
    \medskip
    \arrowitem
      Details: Algorithmen und Datenstrukturen
    \pause
    \bigskip
    \item
      Nachteil: wesentlich aufwendiger und daher langsamer\\
      als symmetrische Verschlüsselung
    \arrowitem
      \newterm{hybride Verschlüsselung}: nur Schlüsselaustausch asymmetrisch,\\
      eigentliche Verschlüsselung symmetrisch
  \end{itemize}

\end{frame}

\subsection{Signaturen}

\begin{frame}

  \showsubsection

  \vspace{-\medskipamount}

  \begin{itemize}
    \item
      \newterm{kryptographische Hash-Funktion\/}:
      leicht auszurechnen, schwer zu manipulieren
    \item
      asymmetrisch: \newterm{Signatur}\\
      Hash-Wert mit privatem Schlüssel verschlüsseln,\\
      mit öffentlichem Schlüssel entschlüsseln
    \item
      symmetrisch: \newterm{Message Authentication Code\/} (MAC)\\
      z.\,B.\ Hash-Wert über Nachricht + geheimer Schlüssel
  \end{itemize}

  \pause
  \bigskip

  Angriffsmöglichkeit: \newterm{Man-in-the-middle\/}-Angriff\\
  Beim Schlüsselaustausch anderen Schlüssel unterschieben\\
  \textarrow\ Sorgfalt beim Schlüsselaustausch

  \pause
  \bigskip

  \textbf{Praxis-Beispiele}
  \begin{itemize}
    \item
      SSH
    \item
      HTTPS
    \item
      OpenPGP
  \end{itemize}

\end{frame}

\subsection{Authentifizierung}

\begin{frame}

  \showsubsection

  \begin{itemize}
    \item
      Zugangsdaten:\hfill
        \makebox(0,0)[tr]{%
          \begin{minipage}[t]{7cm}
            \vspace*{-0.5cm}
            \begin{center}
              \includegraphics[width=7cm]{Authentisieren-authentifizieren.png}\\
              \tiny
              Bild: \url{https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Authentisieren-authentifizieren.png}
            \end{center}
          \end{minipage}}\\
      Benutzername, Passwort
    \smallskip
    \item
      Problem:\\
      Zugangsdaten mitlesen
    \item
      Lösung:\\
      verschlüsselte Verbindung
    \only<1>{%
      \smallskip
      \item
        Problem:\\
        Zugangsdaten speichern
      \item
        Lösung:\\
        Hash-Wert statt Passwort\\
        speichern
      \smallskip
      \item
        Problem:\\
        gleiche Passwörter identifizierbar
      \item
        Lösung:\\
        \newterm{Salt}
    }
    \only<2->{%
      \item
        Lösung:\\
        \newterm{Challenge-Response-Authentifizierung}\\
        Beispiel: HTTP Digest
        \vfilll
        \begin{itemize}
          \item
            gemeinsamer geheimer Schlüssel (Passwort)
          \item
            Server schickt \newterm{Nonce\/} an Benutzer
          \item
            Benutzer schickt Hash über [Passwort + Nonce] an Server
          \item
            Server berechnet denselben Hash
            \textarrow\ Authentifizierung erfolgreich
          \item
            Nonce nur einmal verwenden!\\
            ("`number used once"')
        \end{itemize}
    }
  \end{itemize}

\end{frame}

\subsection{Quantencomputer}

\begin{frame}

  \showsubsection

  \begin{itemize}
    \item
      Prinzip: $2^n$ Berechnungen gleichzeitig\\
      ($n$ = Registerbreite)
    \arrowitem
      Klassisch schwierige Probleme werden einfacher.
    \item
      Beispiel: Primfaktorzerlegung:
      $\mathcal{O}(n^3)$
      statt $\mathcal{O}\bigl(2^{\sqrt{n\log n}}\bigr)$
    \item
      Problem für asymmetrische Verschlüsselungsalgorithmen,\\
      z.\,B.\ RSA (Primfaktorzerlegung), ElGamal (diskreter Logarithmus)
    \item
      weniger problematisch für symmetrische Verschlüsselungsalgorithmen
    \arrowitem
      Suche nach Post-Quanten-Kryptographie\\
      Beispiel: McEliece-Kryptosystem
    \arrowitem
      \newterm{Forward Secrecy}\\
      Kompromittierung betrifft nur zukünftige Kommunikation,\\
      nicht bereits vergangene.
      \vfilll
      Beispiel:
      \begin{itemize}
        \item
          RSA nur für Authentifizierung
        \item
          Austausch eines Sitzungsschlüssels via Diffie-Hellman
        \item
          Kommunikation über Sitzungsschlüssel (symmetrisch)
        \item
          Sitzungsschlüssel nur einmal verwenden!
      \end{itemize}
  \end{itemize}

\end{frame}

\section{Netzwerksicherheit}

\begin{frame}

  \showsection

  \begin{itemize}
    \item
      Firewall: nur bestimmte IP-Adressen / Ports / Inhalte zulassen
    \item
      VPN: verschlüsselte Verbindung von Netzwerken\\
      über ansonsten unsichere Verbidung (Internet)
    \item
      \newterm{Intrusion Detection System}
  \end{itemize}

  \bigskip

  Anonymität
  \begin{itemize}
    \item
      Beispiel: Tor -- Zwiebel-Routing
      \begin{itemize}
        \item
          Tor-Browser
        \item
          Tails
      \end{itemize}
    \item
      Beispiel: Corona-Warn-App
  \end{itemize}

  \bigskip

  Cross-Site-Scripting

\end{frame}

\begin{frame}

  \showsection

  Die menschliche Komponente
  \begin{itemize}
    \item
      Bequemlichkeit
    \item
      Social Engineering
      \begin{itemize}
        \item
          \newterm{Phishing}
        \item
          KI-Sprachmodelle
      \end{itemize}
  \end{itemize}

  \bigskip

  \begin{quote}
    Es gibt für jedes menschliche Problem\\
    immer eine wohl bekannte Lösung -\\
    sauber, einleuchtend, und falsch.
    \begin{flushright}
      \em
      Henry Louis Mencken, The Divine Afflatus, 1917\\
      \small\url{https://de.wikiquote.org/wiki/Lösung}
    \end{flushright}
  \end{quote}

\end{frame}

\section{Verfügbarkeit}

\begin{frame}

  \showsection

  Wann wird wirklich auf den Datentäger geschrieben?
  \begin{itemize}
    \item
      DBMS: Persistenz-Einstellungen
    \item
      \newterm{Write Ahead Log\/} (WAL)\\
      \newterm{Journaling-Dateisysteme}
    \item
      \newterm{CAP-Theorem}
  \end{itemize}

  Daten sicher aufbewahren
  \begin{itemize}
    \item
      Backup
    \item
      RAID
  \end{itemize}

  Hochverfügbarkeit
  \begin{itemize}
    \item
      allgemein: \newterm{High-Availability-Cluster}
    \item
      speziell: Datenbank-Cluster: Replikation über mehrere Server
  \end{itemize}

\end{frame}

\section{Datenschutz}

\begin{frame}

  \showsection

  \begin{itemize}
    \item
      Schutz vor mißbräuchlicher Datenverarbeitung
    \item
      informationelle Selbstbestimmung
    \item
      Persönlichkeitsrecht
    \item
      Privatsphäre
  \end{itemize}

  \bigskip

  Datenmißbrauch ermöglicht hohe Gewinne
  \begin{itemize}
    \arrowitem
      viel Interesse an persönlichen Daten
    \arrowitem
      "`Datenschutz hemmt den Fortschritt!"'%
      \begin{picture}(0,0)
        \color{red}\thicklines
        \put(-2.54,0.1){\line(1,0){2.54}}
      \end{picture}\,
      die persönliche Bereicherung
  \end{itemize}

  \bigskip

  \begin{itemize}
    \item
      DSGVO
  \end{itemize}

\end{frame}

\end{document}