Wie können eingebettete und vernetzte Systeme über lange Lebenszyklen hinweg sicher bleiben, angesichts sich wandelnder Bedrohungen wie leistungsfähiger Quantencomputer? Im DFG-Projekt Holistic Security Solutions for Software-Hardware Implementations (H3SI) befassen sich Forschende des Max-Planck-Instituts für Sicherheit und Privatsphäre, der Hochschule RheinMain, der Hochschule Darmstadt sowie der der Academia Sinica in Taiwan mit der Herausforderung langfristiger Sicherheit, indem sie verifizierbare, effiziente und anpassungsfähige kryptographische Lösungen mit einem besonderen Fokus auf eingebettete Systeme entwickeln.

Eingebettete Systeme sind ein zentraler Treiber der Digitalisierung in Industrie und Infrastruktur, sind jedoch häufig ressourcenbeschränkt und über Jahrzehnte im Einsatz. Ihre Sicherheit hängt entscheidend von der korrekten Implementierung und Nutzung kryptographischer Algorithmen und Kommunikationsprotokolle ab. Selbst starke Algorithmen können durch Implementierungsfehler, eine fehlerhafte Einbettung in Protokolle oder durch Seitenkanalangriffe wirkungslos werden. Viele Ansätze legen jedoch statisch die kryptographischen Algorithmen fest und sind nur eingeschränkt in der Lage, notwendige Aktualisierungen zu berücksichtigen, etwa wenn Algorithmen infolge von Fortschritten in der Kryptoanalyse oder durch die Fähigkeiten von Quantencomputern unsicher werden.

Ziel von H3SI ist es, die langfristige Sicherheit eingebetteter Systeme durch einen ganzheitlichen Ansatz zu verbessern, der kryptographische Implementierungen, Kommunikationsprotokolle und systemweite Sicherheitsanforderungen gemeinsam betrachtet. Ein zentraler Schwerpunkt liegt auf der Post-Quanten-Kryptographie (PQC), die voraussichtlich viele der heute eingesetzten kryptographischen Verfahren ablösen wird, jedoch insbesondere in eingebetteten Umgebungen erhebliche Herausforderungen hinsichtlich Effizienz und Integration mit sich bringt.

Im Rahmen des Projekts entwickeln wir ein sicheres Systementwurfsmodell, das zukünftige Änderungen an kryptographischen Algorithmen und Protokollen sowie deren Auswirkungen auf Sicherheit, Performance und Energieverbrauch explizit berücksichtigt. Dieses Modell wird durch Laufzeitrichtlinien und Verifikationsmechanismen ergänzt, um die korrekte Nutzung kryptographischer Primitive sicherzustellen. Darüber hinaus entwerfen und verifizieren wir formal langfristig sichere und Krypto-agile Kommunikationsprotokolle, einschließlich Migrations- und Fail-Safe-Mechanismen für den Übergang von klassischer zu Post-Quanten-Kryptographie.

Abschließend untersucht H3SI korrekte, sichere und effiziente Implementierungen kryptographischer Algorithmen mit einem starken Fokus auf Post-Quanten-Verfahren. Mithilfe moderner Verifikationstools zielt das Projekt darauf ab, formal verifizierte Implementierungen bereitzustellen, die gegen Seitenkanalangriffe resistent sind und sich für die Integration in sichere eingebettete Systeme eignen.