In this thesis I describe my research activities and results of the last 4 years. I also provide an outlook and guidelines on how to proceed with our project, that we named SEDNS - Security-Enhanced Domain Name System. This project’s ambitions are to complement DNS, the Domain Name System, in a way that allows us to keep using it in the future. The main reason for this strategy is, that it has proven to be difficult to change any part of the Internet infrastructure, such as parts of the protocols stack or well established Internet authorities, like ICANN or IANA. The main problems of DNS are twofold. (1) The DNS protocol does not contain any measures to prevent data from being tampered with. (2) Furthermore, it is difficult to configure DNS correctly since most of the configuration is done within the DNS data itself, e.g., delegating authority. It is well known that DNS problems lead to reduced availability of Internet-based services in many different ways. In this thesis, I present four main results. All of them contribute to improvements and deeper understanding of DNS’ dependability issues. First, I discuss, how well established cryptographic tools can be used to enhance DNS’ security without getting into the same problems that prevent DNSSEC from being globally deployed. These problems are explained as well. This is an important topic for the Internet and DNS community, since at the moment most of the protocol improvements are connected to DNSSEC. Second, I thoroughly discuss the technique that was used in the recent years to overcome any problems related to client-server architectures, i.e., peer-to-peer systems. Such solutions have been proposed to improve DNS’ availability and reduce configuration effort. I show, that those systems do not keep up with the expectations, neither as client side tools nor as server infrastructure replacement. To reach this conclusion, a novel DHT scheme has been developed. The evaluation of it is shown as well. Third, results of our DNS data mining show that it is useful to improve the quality of DNS data and therefore, to protect clients from malicious or erroneous information. And fourth, an outlook is presented, which combines all the results of the first three points to suggest an architecture that indeed can improve our supply with DNS data, omitting the shortcomings of the classical client-server-architecture and its peer-to-peer replacements. Note, that although the development of future DNS standards and protocols is subject to political struggle, e.g., on whether or not an international organization should maintain the root zone instead of the USA, this thesis focuses only on technical aspects. / In dieser Dissertation beschreibe ich meine Forschungsaktivitäten und Ergebnisse der letzten 4 Jahre. Ich gebe auch einen Ausblick und Hinweise, wie unser Project, das wir SEDNS - Security-Enhanced Domain Name System genannt haben, fortgesetzt werden sollte. Die Ambitionen dieses Projektes sind, DNS, das Domain Name System, zu in einer Art und Weise zu erweitern, die es uns erlauben soll, dieses System auch in der Zukunft weiter zu benutzen. Der Hauptgrund für diese Strategie ist, dass es sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen hat, Teile der Internet-Infrastruktur, wie zum Beispiel Teile des Protokollstapels oder gut etablierte Internet-Behörden wie ICANN oder IANA, zu ändern bzw. auszutauschen. Daher wollen wir nicht versuchen, DNS komplett zu ersetzen. DNS hat zwei Hauptprobleme: (1) Das DNS Protokoll bietet keinerlei Möglichkeiten, Daten vor Verfälschung zu schützen, und (2) es ist schwierig, DNS korrekt zu konfigurieren, weil ein Großteil der Konfiguration direkt innerhalb der DNS Daten selbst stattfindet, wie zum Beispiel die Delegation von Verantwortungsbereichen, und diese oft nicht global konsistent und korrekt sind. Diese Probleme sind umso bedeutender, weil es allgemein bekannt ist, dass DNS Probleme auf verschiedene Art und Weisen zu reduzierter Verfügbarkeit von wichtigen Internet-basierten Diensten führen. In dieser Arbeit präsentiere ich vier Hauptergebnisse. Zuerst diskutiere ich, wie gut etablierte kryptographische Werkzeuge benutzt werden können um die Sicherheit von DNS zu verbessern, ohne dabei auf dieselben Probleme zu stoßen, die DNSSEC davon abhalten, weltweit benutzt zu werden. Diese Probleme werden dabei erläutert. Es handelt sich dabei um ein wichtiges Thema für die Internet- und DNS-Community, weil im Moment die meisten Weiterentwicklungen des DNS Protokolls mit DNSSEC zusammenhängen. Als zweites diskutiere ich im Detail die Technik, die in den vergangenen Jahren benutzt wurde um Probleme beliebiger Client-Server Anwendungen zu überwinden: Peer-to-Peer Systeme. Derartige Lösungen wurden vorgeschlagen, um DNS' Verfügbarkeit zu verbessern und Konfigurationsaufwand zu reduzieren. Ich zeige allerdings, dass solche Lösungen nicht die in sie gesetzten Erwartungen erfüllen, weder als Client-seitige Tools noch als Ersatz für die Server-Infrastruktur. Um diesen Schluss zu ziehen, wurde ein neues, auf die Bedürfnisse von DNS zugeschnittenes DHT Schema entwickelt und evaluiert im Vergleich zu DNS und existierenden Systemen. Als drittes werden DNS Data Mining Ergebnisse präsentiert, die zeigen, wie sinnvoll es ist, die Qualität der DNS Daten zu verbessern, und somit Clients vor bösartigen oder fehlerhaften Informationen zu schützen. Als viertes wird ein Ausblick präsentiert, der die Ergebnisse der vorherigen drei Punkte kombiniert und eine Architektur vorschlägt, die unsere Versorgung mit DNS Daten tatsächlich verbessern kann und die Nachteile der klassischen Client-Server-Architektur und ihrer Peer-to-Peer Nachfolger vermeidet. Zu beachten ist, dass obwohl die Entwicklung zukünftiger DNS Standards und Protokolle Gegenstand politischer Konflikte ist, z.B. darüber ob anstelle der USA eine internationale Organisation die Root-Zone verwalten sollte, diese Arbeit nur auf die technischen Aspekte ausgerichtet ist.

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In this thesis I describe my research activities and results of the last 4 years. I also provide an outlook and guidelines on how to proceed with our project, that we named SEDNS - Security-Enhanced Domain Name System. This project’s ambitions are to complement DNS, the Domain Name System, in a way that allows us to keep using it in the future. The main reason for this strategy is, that it has proven to be difficult to change any part of the Internet infrastructure, such as parts of the protocols stack or well established Internet authorities, like ICANN or IANA. The main problems of DNS are twofold. (1) The DNS protocol does not contain any measures to prevent data from being tampered with. (2) Furthermore, it is difficult to configure DNS correctly since most of the configuration is done within the DNS data itself, e.g., delegating authority. It is well known that DNS problems lead to reduced availability of Internet-based services in many different ways. In this thesis, I present four main results. All of them contribute to improvements and deeper understanding of DNS’ dependability issues. First, I discuss, how well established cryptographic tools can be used to enhance DNS’ security without getting into the same problems that prevent DNSSEC from being globally deployed. These problems are explained as well. This is an important topic for the Internet and DNS community, since at the moment most of the protocol improvements are connected to DNSSEC. Second, I thoroughly discuss the technique that was used in the recent years to overcome any problems related to client-server architectures, i.e., peer-to-peer systems. Such solutions have been proposed to improve DNS’ availability and reduce configuration effort. I show, that those systems do not keep up with the expectations, neither as client side tools nor as server infrastructure replacement. To reach this conclusion, a novel DHT scheme has been developed. The evaluation of it is shown as well. Third, results of our DNS data mining show that it is useful to improve the quality of DNS data and therefore, to protect clients from malicious or erroneous information. And fourth, an outlook is presented, which combines all the results of the first three points to suggest an architecture that indeed can improve our supply with DNS data, omitting the shortcomings of the classical client-server-architecture and its peer-to-peer replacements. Note, that although the development of future DNS standards and protocols is subject to political struggle, e.g., on whether or not an international organization should maintain the root zone instead of the USA, this thesis focuses only on technical aspects. / In dieser Dissertation beschreibe ich meine Forschungsaktivitäten und Ergebnisse der letzten 4 Jahre. Ich gebe auch einen Ausblick und Hinweise, wie unser Project, das wir SEDNS - Security-Enhanced Domain Name System genannt haben, fortgesetzt werden sollte. Die Ambitionen dieses Projektes sind, DNS, das Domain Name System, zu in einer Art und Weise zu erweitern, die es uns erlauben soll, dieses System auch in der Zukunft weiter zu benutzen. Der Hauptgrund für diese Strategie ist, dass es sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen hat, Teile der Internet-Infrastruktur, wie zum Beispiel Teile des Protokollstapels oder gut etablierte Internet-Behörden wie ICANN oder IANA, zu ändern bzw. auszutauschen. Daher wollen wir nicht versuchen, DNS komplett zu ersetzen. DNS hat zwei Hauptprobleme: (1) Das DNS Protokoll bietet keinerlei Möglichkeiten, Daten vor Verfälschung zu schützen, und (2) es ist schwierig, DNS korrekt zu konfigurieren, weil ein Großteil der Konfiguration direkt innerhalb der DNS Daten selbst stattfindet, wie zum Beispiel die Delegation von Verantwortungsbereichen, und diese oft nicht global konsistent und korrekt sind. Diese Probleme sind umso bedeutender, weil es allgemein bekannt ist, dass DNS Probleme auf verschiedene Art und Weisen zu reduzierter Verfügbarkeit von wichtigen Internet-basierten Diensten führen. In dieser Arbeit präsentiere ich vier Hauptergebnisse. Zuerst diskutiere ich, wie gut etablierte kryptographische Werkzeuge benutzt werden können um die Sicherheit von DNS zu verbessern, ohne dabei auf dieselben Probleme zu stoßen, die DNSSEC davon abhalten, weltweit benutzt zu werden. Diese Probleme werden dabei erläutert. Es handelt sich dabei um ein wichtiges Thema für die Internet- und DNS-Community, weil im Moment die meisten Weiterentwicklungen des DNS Protokolls mit DNSSEC zusammenhängen. Als zweites diskutiere ich im Detail die Technik, die in den vergangenen Jahren benutzt wurde um Probleme beliebiger Client-Server Anwendungen zu überwinden: Peer-to-Peer Systeme. Derartige Lösungen wurden vorgeschlagen, um DNS' Verfügbarkeit zu verbessern und Konfigurationsaufwand zu reduzieren. Ich zeige allerdings, dass solche Lösungen nicht die in sie gesetzten Erwartungen erfüllen, weder als Client-seitige Tools noch als Ersatz für die Server-Infrastruktur. Um diesen Schluss zu ziehen, wurde ein neues, auf die Bedürfnisse von DNS zugeschnittenes DHT Schema entwickelt und evaluiert im Vergleich zu DNS und existierenden Systemen. Als drittes werden DNS Data Mining Ergebnisse präsentiert, die zeigen, wie sinnvoll es ist, die Qualität der DNS Daten zu verbessern, und somit Clients vor bösartigen oder fehlerhaften Informationen zu schützen. Als viertes wird ein Ausblick präsentiert, der die Ergebnisse der vorherigen drei Punkte kombiniert und eine Architektur vorschlägt, die unsere Versorgung mit DNS Daten tatsächlich verbessern kann und die Nachteile der klassischen Client-Server-Architektur und ihrer Peer-to-Peer Nachfolger vermeidet. Zu beachten ist, dass obwohl die Entwicklung zukünftiger DNS Standards und Protokolle Gegenstand politischer Konflikte ist, z.B. darüber ob anstelle der USA eine internationale Organisation die Root-Zone verwalten sollte, diese Arbeit nur auf die technischen Aspekte ausgerichtet ist.