Privacy-Enhancing-Technologies für die Informationssicherheit in Edge-Cloud-Anwendungen

Abstract

Edge-Cloud-Systeme ermöglichen Anwendungen, die auf Basis von Daten intelligenter Objekte und Infrastrukturen wirtschaftliche Mehrwerte schaffen und gesellschaftliche Herausforderungen adressieren. Dies bedarf häufig eines Teilens von Daten mit Partnern in etablierten Wertschöpfungsnetzwerken oder entlang des Edge-Cloud-Kontinuums. Eine fundamentale Anforderung ist dabei die Sicherstellung des Schutzes sensibler betrieblicher und personenbezogener Informationen. Während die lokale Datenverarbeitung an der Edge ein grundlegendes Maß an Datenschutz und Informationssicherheit ermöglicht, reicht ein ausschließlicher Rückgriff auf diese Maßnahme oftmals nicht aus, um diese Anforderungen bei gleichzeitiger Erzielung der Mehrwerte datengetriebener Anwendungen zu erfüllen. Beispielsweise besteht häufig die Notwendigkeit, schützenswerte Daten an zentraler Stelle, beispielsweise der Cloud, zu aggregieren, um zu reichhaltigen Erkenntnissen zu gelangen oder die Integrität der verwendeten Daten sicherzustellen. An dieser Stelle rücken Privacy-Enhancing-Technologies (PET) in den Fokus, die Mechanismen umfassen, um Datenschutz, Informationssicherheit und Datensouveränität „by-Design“ in Systemarchitekturen zu integrieren. Bei PET handelt es sich um eine Klasse von individuellen Werkzeugen, die jeweils spezifische Informationssicherheitsanforderungen und -risiken in Edge-Cloud-Systemen adressieren können. Für Praktiker ergibt sich die Herausforderung, auf Basis der spezifischen Bedarfe ihrer Anwendungen und der verfügbaren PET-Werkzeuge passende PET-Strategien zu entwickeln, die eine Realisierung der Edge-Cloud-Anwendung unter Berücksichtigung der Anforderungen und Risiken für die Informationssicherheit ermöglichen. Diese Orientierungshilfe unterstützt Praktiker bei der Entwicklung eigener PET-Strategien für Edge-Cloud-Anwendungen. Sie bietet Hilfestellungen bei der Identifikation von Informationssicherheitsanforderungen und -risiken, der Auswahl passender PET-Werkzeuge und deren Integration in das Anwendungsdesign. Zentrales Element der Studie ist hierbei die Analyse von PET-Werkzeugen in Edge-Cloud-Anwendungskontexten. Die Orientierungshilfe zeigt, wie PET-Werkzeuge zur Umsetzung von Informationssicherheit beitragen können, welche Voraussetzungen für ihren Einsatz in spezifischen Szenarien geschaffen werden müssen und welche Implikationen sich aus dem Praxiseinsatz der PET-Werkzeuge ergeben. Dazu beruft sich die Orientierungshilfe auf die Erkenntnisse der Early-Adopter von Edge-Cloud-Systemen und PET aus den Projekten des Technologieprogramms „Edge Datenwirtschaft“ des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR). Die Inhalte dieser Orientierungshilfe adressieren insbesondere Systemarchitektinnen und -architekten und Datenschutzbeauftragte, die Datenverarbeitungsprozesse in Edge-Cloud-Systemen datenschutzkonform gestalten müssen. Ausgehend von der Darstellung möglicher Risiken wie physischen Angriffen und Cyberangriffen, unsicherer Datenhoheit, Insiderbedrohungen und Fehlkonfigurationen sowie Anforderungen wie Datenminimierung, Integrität, Zweckbindung und die Verhinderung von Datenabflüssen „by-Design“ in Edge-Cloud-Anwendungen analysiert diese Orientierungshilfe fünf konkrete PET-Werkzeuge in praxisnahen Anwendungsszenarien: § Hardware-Schlüssel für die sichere Authentifizierung ohne personenbezogene Daten in der Lebensmittelwirtschaft, § Federated-Learning für kollaboratives KI-Training ohne Rohdatenweitergabe in der industriellen Fertigung, § Compute-to-Data zur Ausführung von Analysen in der Umgebung des Dateneigentümers in der industriellen Fertigung, § Zero-Knowledge-Proofs für datenbasierte Nachweise ohne Offenlegung sensibler Daten in der Energiewirtschaft, § Trusted-Execution-Environments für vertrauliche Berechnungen in isolierten Hardware-Umgebungen in der Energiewirtschaft. Zudem präsentiert die Studie vier Handlungsfelder und zugehörige Handlungsempfehlungen für den erfolgreichen Einsatz von PET-Werkzeugen in Edge-Cloud-Anwendungen: 1) Aufbau vertrauenswürdiger Partnerökosysteme und Schaffung notwendiger Anreizmechanismen, 2) Schaffung betrieblicher Voraussetzungen für den PET-Einsatz inklusive Schulung und Akzeptanzförderung, 3) Sicherstellung technischer Validität und Integrationsfähigkeit der PET in den Anwendungskontext, 4) Gewährleistung regulatorischer Konformität der PET-gestützten Edge-Cloud-Anwendung. Im Zuge der steigenden Relevanz von Edge-Cloud-Systemen und dem Teilen von Daten zur Generierung von Datenwertschöpfung bei mindestens gleichbleibenden Anforderungen an Datenschutz und Informationssicherheit wird der Einsatz von PET zu einem entscheidenden Erfolgsfaktor. PET ermöglichen nicht nur die Einhaltung regulatorischer Vorgaben, sondern schaffen die Grundlage für vertrauensbasierte Kooperationen in komplexen Edge-Cloud-Ökosystemen. Unternehmen, die zukünftig gemeinsam datengetriebene Wertschöpfung betreiben wollen, sollten sich aktiv mit PET beschäftigen.