Unpredictable hardware faults and software bugs lead to application crashes, incorrect computations, unavailability of internet services, data losses, malfunctioning components, and consequently financial losses or even death of people. In particular, faults in microprocessors (CPUs) and memory corruption bugs are among the major unresolved issues of today. CPU faults may result in benign crashes and, more problematically, in silent data corruptions that can lead to catastrophic consequences, silently propagating from component to component and finally shutting down the whole system. Similarly, memory corruption bugs (memory-safety vulnerabilities) may result in a benign application crash but may also be exploited by a malicious hacker to gain control over the system or leak confidential data. Both these classes of errors are notoriously hard to detect and tolerate. Usual mitigation strategy is to apply ad-hoc local patches: checksums to protect specific computations against hardware faults and bug fixes to protect programs against known vulnerabilities. This strategy is unsatisfactory since it is prone to errors, requires significant manual effort, and protects only against anticipated faults. On the other extreme, Byzantine Fault Tolerance solutions defend against all kinds of hardware and software errors, but are inadequately expensive in terms of resources and performance overhead. In this thesis, we examine and propose five techniques to protect against hardware CPU faults and software memory-corruption bugs. All these techniques are hardware-assisted: they use recent advancements in CPU designs and modern CPU extensions. Three of these techniques target hardware CPU faults and rely on specific CPU features: ∆-encoding efficiently utilizes instruction-level parallelism of modern CPUs, Elzar re-purposes Intel AVX extensions, and HAFT builds on Intel TSX instructions. The rest two target software bugs: SGXBounds detects vulnerabilities inside Intel SGX enclaves, and “MPX Explained” analyzes the recent Intel MPX extension to protect against buffer overflow bugs. Our techniques achieve three goals: transparency, practicality, and efficiency. All our systems are implemented as compiler passes which transparently harden unmodified applications against hardware faults and software bugs. They are practical since they rely on commodity CPUs and require no specialized hardware or operating system support. Finally, they are efficient because they use hardware assistance in the form of CPU extensions to lower performance overhead.

The digital transformation facilitates new forms of collaboration between companies along the supply chain and between companies and consumers. Besides sharing information on centralized platforms, blockchain technology is often regarded as a potential basis for this kind of collaboration. However, there is much hype surrounding the technology due to the rising popularity of cryptocurrencies, decentralized finance (DeFi), and non-fungible tokens (NFTs). This leads to potential issues being overlooked. Therefore, this thesis aims to investigate, highlight, and address the current weaknesses of blockchain technology: Inefficient consensus, privacy, smart contract security, and scalability. First, to provide a foundation, the four key challenges are introduced, and the research objectives are defined, followed by a brief presentation of the preliminary work for this thesis. The following four parts highlight the four main problem areas of blockchain. Using big data analytics, we extracted and analyzed the blockchain data of six major blockchains to identify potential weaknesses in their consensus algorithm. To improve smart contract security, we classified smart contract functionalities to identify similarities in structure and design. The resulting taxonomy serves as a basis for future standardization efforts for security-relevant features, such as safe math functions and oracle services. To challenge privacy assumptions, we researched consortium blockchains from an adversary role. We chose four blockchains with misconfigured nodes and extracted as much information from those nodes as possible. Finally, we compared scalability solutions for blockchain applications and developed a decision process that serves as a guideline to improve the scalability of their applications. Building on the scalability framework, we showcase three potential applications for blockchain technology. First, we develop a token-based approach for inter-company value stream mapping. By only relying on simple tokens instead of complex smart-contracts, the computational load on the network is expected to be much lower compared to other solutions. The following two solutions use offloading transactions and computations from the main blockchain. The first approach uses secure multiparty computation to offload the matching of supply and demand for manufacturing capacities to a trustless network. The transaction is written to the main blockchain only after the match is made. The second approach uses the concept of payment channel networks to enable high-frequency bidirectional micropayments for WiFi sharing. The host gets paid for every second of data usage through an off-chain channel. The full payment is only written to the blockchain after the connection to the client gets terminated. Finally, the thesis concludes by briefly summarizing and discussing the results and providing avenues for further research. / Die digitale Transformation ermöglicht neue Formen der Zusammenarbeit zwischen Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette, sowie zwischen Unternehmen und Verbrauchern. Neben dem Austausch von Informationen auf zentralen Plattformen wird die Blockchain-Technologie häufig als mögliche Grundlage für diese Art der Zusammenarbeit angesehen. Allerdings gibt es auch durch die steigende Popluarität von Cryptowährungen, Decentralized Finance (DeFi) und non-fungible Tokens (NFTs) einen großen Hype um die Technologie. Dieser führt dazu, dass mögliche Probleme übersehen werden. Daher sollen in dieser Thesis die derzeitigen Schwachstellen der Blockchain-Technologie aufgezeigt und ausgewählte Maßnahmen zur Verbesserung aufgezeigt werden. Es werden dabei vier Schwachstellen betrachtet: Ineffizienter Konsens, Datenschutz, Sicherheit von Smart Contracts und Skalierbarkeit. Als Grundlage werden zunächst die vier zentralen Herausforderungen vorgestellt und die Forschungsziele definiert. Es folgt eine kurze Darstellung der Vorarbeiten für diese Arbeit. In den folgenden vier Teilen wird für jedes der vier Hauptproblembereiche von Blockchain ein spezifisches Problem beleuchtet: Ineffizienter Konsens, Datenschutz, Smart-Contract-Sicherheit und Skalierbarkeit. Mit Hilfe von Big-Data-Analytics wurden die Blockchain-Daten von sechs großen Blockchains extrahiert und analysiert, um potenzielle Schwachstellen in deren Konsens-Algorithmus zu identifizieren. Um die Sicherheit von Smart Contracts zu verbessern, wurden die Funktionalitäten von Smart Contracts klassifiziert, um Ähnlichkeiten in Struktur und Design zu identifizieren. Die sich daraus ergebende Taxonomie dient als Grundlage für künftige Standardisierungsbemühungen für sicherheitsrelevante Funktionen, wie z. B. sichere mathematische Funktionen und Orakeldienste. Um die Annahmen von Datenschutz in Frage zu stellen, wurden Konsortialblockchains aus der Angreiferperspektive untersucht. Es wurden vier Blockchains mit falsch konfigurierten Knoten betrachtet mit dem Ziel so viele Informationen wie möglich aus diesen Knoten zu extrahieren. Schließlich wurden Lösungen für die Skalierbarkeit von Blockchain-Anwendungen verglichen und einen Entscheidungsprozess entwickelt, der als Leitfaden für die Verbesserung der Skalierbarkeit ihrer Anwendungen dient. Aufbauend auf dem Skalierbarkeitsframework werden potenzielle Anwendungen für die Blockchain-Technologie vorgestellt. Zunächst wurde einen Token-basierter Ansatz für die Abbildung eines unternehmensübergreifenden Wertstroms entwickelt. Da sich hier nur auf einfache Token anstelle von komplexen Smart-Contracts gestützt wurde, sollte die Rechenlast im Netzwerk im Vergleich zu anderen Lösungen deutlich geringer sein. Die beiden anderen Lösungen nutzen die Auslagerung von Transaktionen und Berechnungen aus der Hauptblockchain heraus. Der erste Ansatz nutzt Secure Multiparty Computation, um das Matching von Angebot und Nachfrage für Produktionskapazitäten in ein vertrauensfreies Netzwerk auszulagern. Erst wenn das Matching erfolgt ist, wird die Transaktion in die Haupt-Blockchain geschrieben. Der zweite Ansatz nutzt das Konzept von Payment Channel Networks, um hochfrequente bidirektionale Micropayments für WiFi-Sharing zu ermöglichen. Der Host wird für jede Sekunde der Datennutzung über einen Off-Chain-Chanel bezahlt. Die vollständige Zahlung wird erst dann in die Blockchain geschrieben, wenn die Verbindung zum Client beendet wird. Zum Abschluss der Arbeit werden die Ergebnisse zusammengefasst, diskutiert und Mög-lichkeiten für weitere Forschungsarbeiten aufgezeigt.

Dieser Flyer stellt Maßnahmen und Projekte für mehr Informationssicherheit im Freistaat Sachsen vor. Redaktionsschluss: 28.02.2017

Eine Welt digitaler Techniken im weitesten Sinne verändert die Kommunikationsbeziehungen, die sozialen Beziehungen der Menschen untereinander und damit auch die sozialen Verhältnisse der Menschen in der Gesellschaft in fundamentaler Weise. Wir stehen ganz offensichtlich erst an der Schwelle des Verstehens dieser komplexen und alle Lebensbereiche verändernden Revolution. Die technischen Möglichkeiten, die unser Leben ja auch erleichtern können und schöner und klüger machen, werden in großer Geschwindigkeit erweitert, immer neue Schwellen des Mach- und Denkbaren werden permanent überschritten. Redaktionsschluss: April 2015

Unpredictable hardware faults and software bugs lead to application crashes, incorrect computations, unavailability of internet services, data losses, malfunctioning components, and consequently financial losses or even death of people. In particular, faults in microprocessors (CPUs) and memory corruption bugs are among the major unresolved issues of today. CPU faults may result in benign crashes and, more problematically, in silent data corruptions that can lead to catastrophic consequences, silently propagating from component to component and finally shutting down the whole system. Similarly, memory corruption bugs (memory-safety vulnerabilities) may result in a benign application crash but may also be exploited by a malicious hacker to gain control over the system or leak confidential data. Both these classes of errors are notoriously hard to detect and tolerate. Usual mitigation strategy is to apply ad-hoc local patches: checksums to protect specific computations against hardware faults and bug fixes to protect programs against known vulnerabilities. This strategy is unsatisfactory since it is prone to errors, requires significant manual effort, and protects only against anticipated faults. On the other extreme, Byzantine Fault Tolerance solutions defend against all kinds of hardware and software errors, but are inadequately expensive in terms of resources and performance overhead. In this thesis, we examine and propose five techniques to protect against hardware CPU faults and software memory-corruption bugs. All these techniques are hardware-assisted: they use recent advancements in CPU designs and modern CPU extensions. Three of these techniques target hardware CPU faults and rely on specific CPU features: ∆-encoding efficiently utilizes instruction-level parallelism of modern CPUs, Elzar re-purposes Intel AVX extensions, and HAFT builds on Intel TSX instructions. The rest two target software bugs: SGXBounds detects vulnerabilities inside Intel SGX enclaves, and “MPX Explained” analyzes the recent Intel MPX extension to protect against buffer overflow bugs. Our techniques achieve three goals: transparency, practicality, and efficiency. All our systems are implemented as compiler passes which transparently harden unmodified applications against hardware faults and software bugs. They are practical since they rely on commodity CPUs and require no specialized hardware or operating system support. Finally, they are efficient because they use hardware assistance in the form of CPU extensions to lower performance overhead.

Kleinstunternehmen stellen einen wesentlichen Teil einer jeden Volkswirtschaft dar. Dabei können Kleinstunternehmen, insbesondere Handwerksbetriebe aufgrund ihrer begrenzten finanziellen und infrastrukturellen Bedingungen zumeist komplexe und kostenintensive industrielle Lösungen für mittlere und größere Unternehmen nicht verwenden. Zudem ist die IT-Sicherheit auch kein Bestandteil der Meisterausbildung bei Handwerkern. Privatlösungen hingegen sind nicht umfangreich genug, um alle geschäftlichen Anforderungen zu genügen. Dennoch müssen sie ihre IT-Komponenten vor internen und externen Angriffen und Ausfällen schützen, um ihre Existenz aufgrund eines IT-Sicherheitsvorfalls nicht zu gefährden. Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption einer mehrdimensionalen halbautomatischen IT-Sicherheitsmessmethode, welche den Stand der IT-Sicherheit feststellt, taxiert und in der Auswertungsableitung eine Steigerung ermöglicht. Eine Anforderung dieser Arbeit ist der Entwicklungsrahmen, welcher von deutschen industriellen Anforderungen und IT-Sicherheitsrahmenbedingungen flankiert wird. Schwerpunktmäßig liegt der Fokus auf der Beschreibung und Ausgestaltung des Vorgehensmodells. Diese Methode wird anwendungsorientiert in ein IT-Tool, samt zielgruppenorientierter textlicher Gestaltung prototypisch umgesetzt. Dabei werden die Ergebnisse der Datenerhebungen im Rahmen von definierten IT-Sicherheitsniveaus eingestuft. Dem Anwender wird als Ergebnis die festgestellte interne gegenüber der externen Perspektive, sowie die Resultate einer automatischen Messung der IT-Sicherheit dargestellt. Zudem resultieren als Ableitung konkrete Maßnahmen, um eine höhere IT-Sicherheitsstufe zu erhalten. Im Rahmen der abschließenden Evaluation konnte über eine Studie gezeigt werden, dass das entwickelte Artefakt, beispielsweise eine Steigerung der IT-Sicherheit, das initiale Ziel dieser Arbeit, erreicht wurde. Darüber hinaus stellten sich, neben den Gesamtmessdaten wie etwa die Software- und die IT-Ausstattung der Studienteilnehmer, auch Aspekte der IT-Sicherheit heraus, welche besonders oft eine hohe bzw. niedrige Bewertung innerhalb der Studie erhielten. Das entwickelte Artefakt wurde innerhalb von Handwerkern als Kleinstunternehmer evaluiert und kann auf weitere Bereiche angewendet werden.:Bibliographische Beschreibung II Vorwort III Inhaltsverzeichnis IV Abbildungsverzeichnis VI Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI 1 Einleitung und thematische Grundlagen 1 1.1 Arbeitsdefinitionen 1 1.2 Erläuterung der Ausgangssituation 4 1.3 Definieren von Forschungsmethoden 11 1.4 Aufbau und Forschungsfragen 12 1.5 Stand der Forschung 14 1.5.1 Definition des Untersuchungsumfangs 14 1.5.2 Konzeption des Themas 15 1.5.3 Literatursuche 21 1.5.4 Literaturanalyse und -synthese 24 1.5.5 Forschungsagenda 28 2 Entwicklung der Methode 29 2.1 Grundlagen des Methoden Engineering 29 2.2 Definition des Referenzunternehmen, Organisatorisch 30 2.3 Konzeption der Methode 31 3 Modell Realisierung 40 3.1 Das IT-Tool 40 3.2 Definition des Referenzunternehmen, Technisch 45 3.3 Fragebogen und Checkliste 46 3.3.1 Datenbasis und Fragenraumstrukturierung 46 3.3.2 Methodik der Konzeption 48 3.4 Das Software-Tool 50 3.4.1 Softwareauswahl 51 3.4.2 Test der Aktualitätsprüfungssoftware 53 3.4.3 Weitere Ansätze 56 3.5 Ausgabe des IT-Tools 57 3.5.1 Skalierung 57 3.5.2 Gegenüberstellung 58 3.5.3 Ableitung von Maßnahmen 59 3.5.4 Beispiel Bereich in der Auswertung 59 4 Evaluation 60 4.1 Studienaufbau 60 4.2 Datenaufbereitung und Datenbereinigung 63 5 Ergebnisse 70 5.1 Datenanalyse 70 5.1.1 Fragebogen 71 5.1.2 Checkliste 76 5.1.3 PC-Messung 82 5.1.4 Erweiterte Messung 84 5.1.5 Gesamtkennzahl 84 5.2 Probandenbetrachtung 85 5.2.1 Gesamtkennzahl 86 5.2.2 Mitarbeiterkaskadenklassen. 88 5.2.3 Gewerkskohorten 88 5.3 Weitere Datenbetrachtung 89 5.3.1 Software- und Treiber Aktualität 89 5.3.2 Vorzeichentest 90 5.3.3 Multidimensionale Skalierung mit k-Means 91 6 Diskussion 96 6.1 Die Messdaten 96 6.2 Forschungshypothesen und Forschungsfrage 3 99 6.3 Explorativen Datenauswertung 103 6.4 Durchschnittsprofil 104 6.5 Prüfung des Referenzunternehmen zu den Messdaten 107 7 Zusammenfassung 109 Literaturverzeichnis XII 8 Anhang XXV Selbständigkeitserklärung LII

Security is a relatively new topic in the automotive industry. In the former days, the only security defense methods were the engine immobilizer and the anti-theft alarm system. The rising connection of vehicles to external networks made it necessary to extend the security effort by introducing security development processes. These processes include, amongothers, risk analysis and treatment steps. In parallel, the development of ISO/SAE 21434 and UN-ECE No. R155 started. The long development cycles in the automotive industry made it necessary to align the development processes' early designs with the standards' draft releases. This work aims to design a new consistent, complete and efficient security development process, aligned with the normative references. The resulting development process design aligns with the overall development methodology of the underlying, evaluated development process. Use cases serve as a basis for evaluating improvements and the method designs. This work concentrates on the left leg of the V-Model. Nevertheless, future work targets extensions for a holistic development approach for safety and security.:I. Foundation 1. Introduction 2. Automotive Development 3. Methodology II. Meta-Functional Aspects 4. Dependability as an Umbrella-Term 5. Security Taxonomy 6. Terms and Definitions III. Security Development Process Design 7. Security Relevance Evaluation 8. Function-oriented Security Risk Analysis 9. Security Risk Analysis on System Level 10. Risk Treatment IV. Use Cases and Evaluation 11. Evaluation Criteria 12. Use Case: Security Relevance Evaluation 13. Use Case: Function-oriented Security Risk Analysis 14. Use Case: System Security Risk Analysis 15. Use Case: Risk Treatment V. Closing 16. Discussion 17. Conclusion 18. Future Work Appendix A. Attacker Model Categories and Rating Appendix B. Basic Threat Classes for System SRA Appendix C. Categories of Defense Method Properties

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