Rapide Fortschritte in der Netzwerk- und Speichertechnologie haben dazu geführt, dass Informationen über viele verschiedene Quellen wie z.B. Personal Computer oder Datenbanken verstreut sind. Weil diese Informationen oft auch sehr heterogen sind, wurde gleichzeitig die Entwicklung effektiver Softwaretechniken zur Datensammlung und -integration vorangetrieben. Diese werden beispielsweise in Online-Katalogen von Bibliotheken oder in Internetsuchmaschinen eingesetzt und ermöglichen eine breitgefächerte Suche von Informationen unterschiedlichster Art und Herkunft. In sensiblen Anwendungsgebieten kann der Einsatz solcher Techniken aber zu einer Gefährdung der Privatsphäre der Datenhalter führen. Bei der Erforschung häufig auftretender Krankheiten beispielsweise sammeln und analysieren Wissenschaftler Patientendaten, um Muster mit hohem Erkrankungspotenzial zu erkennen. Dazu werden von den Forschern möglichst präzise und vollständige Daten benötigt. Der Patient hat dagegen großes Interesse am Schutz seiner persönlichen Daten. Dieser Interessenkonflikt zwischen Datenhaltern und Nutzern tritt auch in anderen Konstellationen wie beispielsweise in Internetdiensten auf, die die Eingabe von persönlichen Finanz- und Steuerdaten erfordern. Oft kann ein qualitativ höherwertiger Dienst angeboten werden, wenn persönliche Informationen preisgegeben werden. Über die hierzu notwendige Abwägung von Datenschutz und Dienstqualität sind sich nicht alle Datenhalter im Klaren und neigen zu Extremverhalten wie der Übermittlung aller persönlicher Daten oder gar keiner. Diese Dissertation erforscht den Grenzbereich zwischen den scheinbar konträren Interessen von Datenhaltern und Dienstnutzern. Dabei werden insbesondere die technischen Möglichkeiten zur Modellierung und Beschreibung dieses Bereiches betrachtet. Die erarbeiteten Techniken sollen den beteiligten Parteien ermöglichen, den bestehenden Konflikt unter Einbeziehung ihrer Präferenzen zur beiderseitigen Zufriedenheit zu lösen. Die Beiträge dieser Dissertation sind im Einzelnen: - Eine Klassifizierung von Dienstarchitekturen im Hinblick auf Datenschutzprobleme Verschiedene Dienstarchitekturen werden nach ihrer Datenschutzproblematik klassifiziert. Für jede Kategorie werden praktische Anwendungen erläutert. - Entwurf, Analyse und Implementierung einer verschlüsselungsbasierten Dienstarchitektur in einer nicht vertrauenswürdigen 2-Parteien-Umgebung Es werden Gründe für Vertrauen von Datenhaltern in Anbieter von netzbasierten Diensten dargestellt. Für Fälle, in denen dieses Vertrauen alleine nicht ausreicht, wird eine Datenschutz garantierende Dienstarchitektur abgeleitet, die auf einem modifizierten Verschlüsselungsalgorithmus basiert. Wichtige Datenbankoperationen und arithmetische Elemente werden auf die verschlüsselten Daten übertragen und in beispielhaften Diensten zum Einsatz gebracht. - Entwurf, Analyse und Implementierung einer aggregationsbasierten Dienstarchitektur in einer nicht vertrauenswürdigen 3-Parteien-Umgebung Am Beispiel eines den Datenschutz verletzenden Gesundheitsberichts wird gezeigt, wie Methoden des Operations Research dazu eingesetzt werden können, aus veröffentlichten Statistiken enge Intervalle für vertrauliche numerische Daten abzuleiten ("Intervallinferenz"). Zur Lösung des Interessenkonflikts zwischen Datenhaltern und Dienstnutzern wird die Verwendung eines sogenannten Datenschutzmediators vorgeschlagen. Dessen Kernkomponente ist die "Audit & Aggregate" Methodologie, die das Auftreten von Intervallinferenz aufdecken und verhindern kann. - Quantifizierung der Datenschutzabwägungen und Schlussfolgerungen für den elektronischen Handel Es werden verschiedene Ansätze zur Quantifizierung der Datenschutzabwägungen betrachtet und Schlussfolgerungen für den elektronischen Handel gezogen. Zusammengefasst versucht diese Arbeit, (a) die Wahrnehmung von Datenhaltern und Dienstnutzern für den bestehenden Interessenkonflikt zu erhöhen, (b) einen Rahmen zur Modellierung der Datenschutzabwägungen bereitzustellen und (c) Methoden zu entwickeln, die den Interessenkonflikt zur beiderseitigen Zufriedenheit beilegen können. / Recent developments in networking and storage technology have led to the dissemination of information over many different sources such as personal computers or corporate and public databases. As these information sources are often distributed and heterogeneous, effective tools for data collection and integration have been developed in parallel. These tools are employed e.g. in library search catalogues or in Internet search engines to facilitate information search over a wide range of different information sources. In more sensitive application areas however, the privacy of the data holders can be compromised. In medical disease research for example, scientists collect and analyze patient data for epidemiological characterizations and for the construction of predictive models. Whereas the medical researchers need patient data at the highest level of detail, patients are only willing to provide data when their privacy is guaranteed. This conflict of interest between the data holders and the users occurs in many different settings, for example in the use of web-based services that require confidential input data such as financial or tax data. The more accurate and rich the provided private information, the higher the quality of the provided service. Not all data holders are aware of this trade-off and for lack of knowledge tend to the extremes, i.e. provide no data or provide it all. This thesis explores the borderline between the competing interests of data holders and service users. In particular, we investigate the technical opportunities to model and describe this borderline. These techniques allow the two opposing parties to express their preferences and to settle the conflict with a solution that is satisfactory to both. The specific contributions of this thesis are the following: - Privacy classification of service architectures We present a privacy classification of different service architectures after the number of involved parties and the reactivity of the data provision. For each class, we provide examples of practical applications and explain their relevance by discussing preceding cases of real-world privacy violations. - Design, analysis and implementation of an encryption-based service architecture in an untrusted two-party environment We analyze the foundations of trust in web-based services and point out cases where trust in the service provider alone is not enough e.g. for legal requirements. For these cases, we derive a new privacy-preserving architecture that is based on an adapted homomorphic encryption algorithm. We map important database and arithmetic operations from plain data to encrypted data, and we present sample services that can be carried out within the framework. - Design, analysis and implementation of an aggregation-based service architecture in an untrusted three-party environment Using a privacy-compromising health report as a running example through the thesis, we show how mathematical programming can be used to derive tight intervals for confidential data fields from non-critical aggregated data. We propose a new class of privacy mediators that settle the conflict between data holders and service users. A core component is the "audit & aggregate" methodology that detects and limits this kind of disclosure called interval inference. - Quantification of the privacy trade-off and implications for electronic commerce and public policy We analyze several frameworks to quantify the trade-off between data holders and service users. We also discuss the implications of this trade-off for electronic commerce and public policy. To summarize, this thesis aims to (a) increase data holders'' and service users'' awareness of the privacy conflict, (b) to provide a framework to model the trade-off and (c) to develop methods that can settle the conflict to both parties'' satisfaction.

In dieser Arbeit werden die Mšglichkeiten sicherer Ausgliederung von Datenbanken und inhaltsbasiertem Routing an einen nicht voll vertrauenswŸrdigen Dienstanbieter betrachtet. Wir untersuchen die Grenzen der Sicherheit, die in diesem Szenario erreicht werden kšnnen. Sicherheit wird dabei unter Zuhilfenahme aktueller komplexitŠtstheoretischer Arbeiten definiert. Dies ermšglicht die Verwendung formaler Methoden zur Untersuchung der Bedingungen, unter denen verschiedene Grade von Sicherheit mšglich sind. Die BeitrŠge dieser Dissertation sind im Einzelnen: - Wir untersuchen die Eignung sog. Privacy-Homomorphismen, welche die AusfŸhrung von Operationen auf verschlŸsselten Daten erlauben. Dies dient der Entwicklung von Protokollen zur sicheren Datenbankausgliederung. Weiter beschreiben wir ein allgemeines Framework fŸr sichere Datenbankausgliederung, das auf sog. Volltextsuch-VerschlŸsselungsverfahren basiert. Ferner stellen wir einen Beweis fŸr die Sicherheit und Korrektheit vor. - Wir beschreiben ein neues Volltextsuch-VerschlŸsselungsverfahren, das im Vergleich zu bekannten Arbeiten eine grš§ere Anzahl verschiedener Operationen fŸr das Datenbank-Outsourcing-Problem ermšglicht und signifikant niedrigere Fehlerraten hat. - Wir schlagen einen Ansatz vor, um im Kontext der sicheren Datenbank-Auslagerung Blanko-Zugriffe auf die verschlŸsselten Daten zu verwalten. Verglichen mit existierenden Techniken ist unser Ansatz anwendbar auf generellere Szenarien, ist einfacher und hat Šhnliche Effizienzeigenschaften. - Wir untersuchen die Mšglichkeit des sicheren inhaltsbasierten Routings, in dem wir ein formales Sicherheitsmodell konstruieren, existierende AnsŠtze in diesem Modell bewerten und eine formale Analyse der Mšglichkeit von Vertraulichkeit durchfŸhren. Unser Sicherheitsmodell deckt die UnzulŠnglichkeiten der bestehenden AnsŠtze auf. Schlie§lich beschreiben wir ein inhaltsbasiertes Routingverfahren, welches das Modell erfŸllt. / This thesis considers the possibilities of secure outsourcing of databases and of content-based routing operations to an untrusted service provider. We explore the limits of the security that is achievable in these scenarios. When discussing security, we refer to the state of the art definitions from cryptography and complexity theory. The key contributions of the thesis are the following: - We explore the applicability of cryptographic constructs that allow performing operations over encrypted data, also known as privacy homomorphisms, for creating protocols that could enable secure database outsourcing. We also describe a framework for secure database outsourcing that is based on searchable encryption schemes, and prove its correctness and security. - We describe a new searchable encryption scheme that exceeds existing analogues with regard to certain parameters: compared to the existing works, the proposed scheme allows for performing a larger number of operations over a securely outsourced database and has significantly lower chances of returning erroneous results of a search. - We propose an approach for managing discretionary access to securely outsourced and encrypted databases. Compared to existing techniques, our approach is applicable to more general scenarios, is simpler and has similar performance characteristics. - We examine possibilities of performing a secure content-based routing by building a formal security model that describes a secure content-based routing system, evaluate existing approaches against this model, and provide an analysis of the possibilities for achieving confidentiality when performing the routing. Compared to the existing works, which fail in providing complete confidentiality, our security model considers shortcomings of these solutions. We also describe a content-based routing system that satisfies this model and to the best of our knowledge is the first of its kind to provide a complete confidentiality.

The United States Whistleblower Program’s inadequate protections have placed the privacy and confidentiality rights of United States taxpayers in a vulnerable state. By using the United States Whistleblower Program as an example, this paper seeks to illustrate the risk of eroding the confidentiality and privacy rights of the taxpayer, which is a risk that other national and international governments should likewise attempt to mitigate in their own whistleblower protection programs.

Diese Arbeit betrachtet zwei anspruchsvolle Probleme aus dem Bereich Computer- und Kommunikationssicherheit und Vertrauen. Beim Datenbank-Serviceprovider-Problem moechte ein Anwender seine Datenbank an einen Datenbank-Serviceprovider (DSP) uebergeben, damit dieser sie betreiben und ihm zur Verfuegung stellen kann. Er vertraut diesem DSP, und damit auch vertraglichen Abmachungen, nur bedingt und muss die Vertraulichkeit seiner Daten durch technische Massnahmen sicherstellen. Das zweite Problem ist das Verbreiten verlaesslicher Reputationsinformation ueber eine (moeglicherweise sehr grosse) Anzahl von Netzwerk-Knoten in einer Peer-to-Peer-Umgebung (P2P). Beide Probleme straeuben sich hartnaeckig gegen einfache Loesungen. Im Gegensatz zu traditionellen Sicherheitsproblemen in der Informatik hat der Gegner in beiden ein hohes Mass an Kontrolle ueber die Situation. Der nicht ausreichend vertrauenswuerdige DSP muss in der Lage sein, die Daten seines Kunden zu verarbeiten, ohne etwas ueber sie zu lernen, was intuitiv wie ein Widerspruch erscheint. In P2P-Anwendungen ist es wuenschenswert, dass Knoten anonym beitreten und jederzeit wieder austreten koennen, aber diese Anonymitaet erleichtert es, falsche Reputationsinformation zu verbreiten. Ein Knoten, der erstmalig in ein P2P-Netzwerk eintritt, muss den behaupteten Beobachtungen anderer Knoten vertrauen. Die Resultate dieser Arbeit sind keine Idealloesungen, und dennoch aufschlussreich in mehrerlei Hinsicht: Es werden gelockerte, aber immer noch nuetzliche Sicherheitsbegriffe fuer das DSP-Problem vorgeschlagen; es werden theoretische Grenzen des DSP-Loesungsraums gezogen; und die Auswirkung feindseligen Verhaltens in P2P-Reputationssystemen wird durch heuristische Methoden reduziert. Ein Nebeneffekt unserer Arbeit ist ein speziell fuer Reputationssysteme in P2P-Netzwerken geeignetes Simulations-Tool, das zum Vergleich und zum Fine-Tuning bestehender und zukuenftiger Forschungsarbeiten genutzt werden kann. / In this thesis we discuss two demanding problems from the field of computer and communication security that involve trust. The first is known as the database service provider problem: A database owner wants a database service provider (DSP) to host her database. She only trusts this DSP to a limited extent, so she does not want to rely solely on contractual solutions. It is therefore necessary to enforce confidentiality of her data by technical means. The second problem concerns a (potentially very large) number of network nodes in a peer-to-peer (P2P) environment. Both problems are notoriously hard because, other than in traditional computer security problems, the adversary has a lot of control over the situation. The untrusted DSP needs to be able to process the data without learning anything about it, which seems to be a contradiction. In P2P applications it is desirable that nodes can join anonymously, but anonymity makes it easy to spread false reputation information. A node that enters a P2P application network for the first time needs to trust the claimed observations of other nodes, independent of the rate of malicious behaviour. Our findings are not perfect solutions, but nevertheless instructive in several ways: We propose relaxed, but still practically useful, notions of security for the DSP problem; we identify theoretical limitations of the DSP solution space; and we gradually reduce the impact of adversarial behaviour in P2P reputation systems using heuristic methods. As a side effect of our work, we present a special-purpose framework for simulation of P2P reputation systems that can be used to compare and fine-tune previous and upcoming work.