Verifikation von Zeitinformationen in drahtlosen Kommunikationssystemen

Die Synchronisation von Uhren ist in industriellen, privaten und öffentlichen Kommunikationsnetzen von elementarer Wichtigkeit. Alle Server und Endgeräte müssen in einem Netzwerk direkten Zugriff auf die aktuelle Systemzeit haben, damit zum Beispiel Zeitstempel korrekt generiert und auf ihre Gültigkeit geprüft werden können. Die Verteilung der aktuellen Systemzeit kann mit unterschiedlichen Technologien erfolgen. So können in drahtlosen Zeitverteildiensten gleichzeitig Zeitinformationen an viele Millionen Teilnehmer gesendet werden. Zu dieser Kategorie von Kommunikationsnetzen zählen Zeitzeichendienste, Navigationssysteme und auch Datendienste, wie die Funkrundsteuertechnik. In allen Kommunikationsnetzen wird die Systemzeit regelmäßig an alle User verteilt. Hierbei spielte die Datensicherheit bisher nur eine untergeordnete Rolle. Mögliche Schäden durch Angriffe auf Zeitverteildienste wurden in der Vergangenheit meist vernachlässigt. Jedoch besteht die Gefahr von Hackerangriffen.

Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Verifikation von Zeitinformationen in drahtlosen Kommunikationssystemen. Zunächst werden unterschiedliche Zeitverteilsysteme untersucht und eine Sicherheitsanalyse durchgeführt. Als Ergebnis der Sicherheitsanalyse wird ein Katalog von Sicherheitsanforderungen für drahtlose Zeitverteildienste definiert und darauf aufbauend ein Verifikationsverfahren für Zeitinformationen vorgestellt, dass auf dem Vergleich zwischen einer physikalischen und einer logischen Differenzzeit basiert. Für die physikalische Differenzzeit wird die Zeit zwischen zwei korrekt aufeinanderfolgend empfangenen Zeitzeichen in einem Empfänger gemessen. Diese physikalische Differenzzeitmessung erfolgt mit einem oder mehreren Digitalzählern. Hierbei wird das Taktsignal für die Digitalzähler direkt aus dem modulierten Empfangsdatenstrom zurückgewonnen. Die logische Differenzzeit wird aus den Zeitinformationen in den Zeitzeichen berechnet. Über den direkten Vergleich von physikalischer und logischer Differenzzeit wird die Verifikation der Zeitinformationen durchgeführt. Ist das Ergebnis des Vergleichs zwischen der physikalischen und der logischen Differenzzeit gleich „Null“ oder kleiner als ein zuvor definierter Grenzwert, so ist die Verifikationsprüfung der zuletzt empfangenen Zeitinformation erfolgreich.

Das hier vorgestellte Verifikationsverfahren für Zeitinformationen in drahtlosen Kommunikationssystemen wurde so konzipiert, dass die Verifikation der empfangenen Zeitinformation alleine im Empfänger erfolgt. Somit muss nur die Firmware im Empfänger um die Funktionalität des Verifikationsverfahrens erweitert werden. Dies ermöglicht die Integration des Verifikationsverfahrens in alle drahtlosen und drahtgebundenen Zeitverteilsysteme, in denen ein kontinuierliches Taktsignal für die physikalische Differenzzeitmessung aus dem modulierten Empfangssignal extrahiert werden kann.

Als Testimplementierungen für das Verifikationsverfahren wurde je ein Laborprototyp für den Zeitzeichendienste DCF77 und die Funkrundsteuertechnik entwickelt. Mit diesen Prototypen konnte abschließend das Verhalten des hier vorgestellten Verifikationsverfahrens in zwei realen Zeitverteilsystemen einem Praxistest unterzogen werden.