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Entwurf und Realisierung von Sicherheitsmechanismen für eine Infrastruktur für digitale Bibliotheken
(2002)
Angesichts der überragenden Bedeutung der modernen Kommunikationstechnik in allen Lebensbereichen kommt auch den digitalen Bibliotheken ein wachsendes Gewicht zu. Dabei spielen nicht nur die platzsparende Speicherung, sondern auch die schnelle Datenübermittlung und der unmittelbare Zugang zu den Dokumenten eine wichtige Rolle. Da eine solche Bibliothek über ein offenes Netz betrieben wird, erhalten in diesem Zusammenhang Sicherheitsaspekte ein essentielles Gewicht. Die vorliegende Diplomarbeit geht diesen Fragen nach und zeigt Wege auf, wie die bestehenden Sicherheitsrisiken minimiert werden können. Ziel dieser Arbeit war daher der Entwurf und die Realisierung von Sicherheitsmechanismen für eine Infrastruktur für digitale Bibliotheken. Dabei wurde speziell auf die INDIGO-Infrastruktur eingegangen; sie stellt eine verteilte Infrastruktur für digitale Bibliotheken dar. Der erste Teil dieser Diplomarbeit enthält eine Einführung in die Grundlagen der INDIGO-Infrastruktur und der Sicherheit. In Kapitel [*] wurden die INDIGO-Infrastruktur und ihre Komponenten erläutert; in Kapitel [*] folgte anschließend die Beschreibung einiger kryptographischer Verfahren und Sicherheitsprotokolle. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Sicherheitsmechanismen für die INDIGO-Infrastruktur entworfen. In dieser Entwurfsphase erfolgte zunächst in Kapitel [*] die Sicherheitsanalyse der Infrastruktur. Basierend auf dieser Analyse wurden in Kapitel [*] Sicherheitskonzepte für diese Infrastruktur entwickelt. Während der gesamten Entwurfsphase standen die Sicherheitsanforderungen Vertraulichkeit, Authentizität, Integrität, Verbindlichkeit und die Autorität stets im Mittelpunkt des Interesses. Im dritten und letzten Teil der Arbeit wurden die Sicherheitsmechanismen für die INDIGO-Infrastruktur realisiert. Dabei wurden die in Abschnitt [*] beschriebenen Sicherheitsrichtlinien der Infrastruktur implementiert. Die Beschreibung der Implementierung erfolgte in Kapitel [*]. Die wichtigsten Modifikationen des INDIGO-Servers betrafen folgende Punkte: * Sicherung und Aufbau der verbindlichen Kommunikationskanäle durch den Einsatz von SSL- bzw. TLS-basierten Server-zu-Server Verfahren. * Realisierung von Sicherheitsmechanismen zur Verifikation der digital signierten Dokumente und Dokumentmethoden. * Erweiterung des INDIGO-Servers um feingranuliert konfigurierbare Zugriffsmechanismen, die verteilt auf drei unterschiedliche Ebenen den Zugriff der Anwender (bzw. Dokumentmethoden) auf seine Ressourcen kontrollieren. Neben den Modifikationen des INDIGO-Servers wurden zwei neue Clients zur Kommunikation mit dem INDIGO-Server und eine Anwendung zur Erzeugung der digitalen Signatur der Dokumente entwickelt. Ferner wurden einige neue Metadokumente und Dokumentmethoden erstellt, um die neuen Eigenschaften der Infrastruktur zu demonstrieren. Bei der Realisierung der Sicherheitsmechanismen wurde größter Wert auf die Abwärtskompatibilität, Konfigurierbarkeit und Modularität gelegt. Die Abwärtskompatibilität zur ursprünglichen Infrastruktur wird beispielsweise erreicht, indem die bereits existierenden Metadokumente und Dokumentmethoden bei dem modifizierten Server auch verwendet werden können. Diese müssen - falls nötig - minimal um die digitale Signatur der Autoren ergänzt werden. Das Sicherheitsverhalten des INDIGO-Servers läßt sich beliebig über seine Konfigurationsdatei ändern (Konfigurierbarkeit). Alle wichtigen Sicherheitsmechanismen des modifizierten Servers lassen sich den Wünschen des Betreibers anpassen. Dadurch ist sichergestellt, daß jeder Betreiber den Server seinen jeweiligen Sicherheitsbedürfnissen entsprechend betreiben kann. Der Betreiber kann beispielsweise über die Einstellung seiner Konfigurationsdatei bestimmen, ob die Clients sich bei der Kommunikation mit seinem Server identifizieren müssen. Zudem kann er beispielsweise festlegen, ob die Dokumentmethoden, die keine korrekte digitale Signatur besitzen, ausgeführt werden dürfen oder nicht. Die Konfigurierbarkeit des Servers hinsichtlich der Sicherheitsmechanismen geht sogar so weit, daß man den Server im Normalmodus betreiben kann; in diesem Modus sind alle Sicherheitsmechanismen des Servers ausgeschaltet. Die Modularität hinsichlich der Sicherheitsmechanismen wurde bei der Implementierung durch die Verteilung dieser Mechanismen auf die unterschiedlichen und eigenständigen Klassen erzielt, die jeweils eine wohldefinierte Eigenschaft und Aufgabe besitzen. Diese Vorgehensweise führt dazu, daß bei einer Weiterentwicklung des Servers um neue Sicherheitsdienste nur die wenigen betroffenen Klassen modifiziert werden müssen, ohne daß der gesamte Server davon betroffen ist. So kann der INDIGO-Server beispielsweise um den Authentisierungsdienst Kerberos [Stei88] erweitert werden, in dem nur die entsprechende Authentisierungsklasse des Servers (IndigoAuthorization-Klasse) ergänzt wird.
Immer mehr Hersteller bringen kleine mobile Endgeräte (PDAs1) auf den Markt, die via WLAN2 (IEEE 802.11), Bluetooth oder UMTS3 drahtlos Kontakt mit der Außenwelt aufnehmen können. Dabei werden neben zunehmend höheren Übertragungsraten auch große Fortschritte in der Miniaturisierung erzielt. Viele PDAs besitzen bereits eingebaute Funknetzwerk-Karten, bei vielen läßt sich eine solche Karte einfach zusätzlich in das Gerät einstecken. Durch die steigende Rechenleistung der Geräte und die gleichzeitig steigenden Übertragungsraten der Funkverbindungen entstehen diverse neue Anwendungsmöglichkeiten, die allerdings noch wenig ausgenutzt werden. Es überwiegen die Standardaufgaben der PDAs, wie die Termin und die Adressenverwaltung. Ein eventuell vorhandener Zugang zu Netzwerken wird meist ebenfalls nur für Standardanwendungen verwendet, wie z.B. die Synchronisation von Daten mit einem Server, der Zugang zum World Wide Web oder zum Versenden von e-Mails. Der herkömmliche Zugang zu Netzwerken ist meist ortsgebunden. Im sogenannten Infrastruktur-Modus ist man auf eine Basisstation (Access-Point) angewiesen. Bewegt man sich in Bereichen, in denen kein solcher Access-Point zur Verfügung steht, kann eine Netzwerkverbindung nicht hergestellt werden. Die Mobilität des Benutzers ist auf die Funkreichweite seines Geräts zu dieser Basisstation beschränkt. Die Bezeichnung „mobil“ trifft also nur auf das Endgerät, nicht auf die Basisstation zu. Genutzt werden üblicherweise die gleichen Dienste wie in einem kabelgebundenem Netz, nämlich Server des Intra-, bzw. Internets. Die eigenständige Vernetzung mobiler Geräte untereinander, der sogenannte Ad-hoc-Modus, eröffnet neuartige Anwendungsgebiete. Ursprünglich dafür gedacht, zwei Stationen schnell und einfach über Funk miteinander zu verbinden, können durch eine Erweiterung beliebig viele Stationen zu einem spontanen und mobilen Netzwerk zusammengefaßt werden (mobiles Ad-hoc Netzwerk, MANET). Eine zentral verwaltete Infrastruktur entfällt dabei vollständig. Die Aufgaben des Routings muß jede einzelne der beteiligten Stationen übernehmen. Auf diese Weise erhöht sich die Funkreichweite aller beteiligten Stationen, da nicht ein zentraler Access-Point, sondern jeder beliebige Teilnehmer in Reichweite den Zugriff auf das Netzwerk ermöglicht. Es muß dabei allerdings davon ausgegangen werden, daß sich die Stationen in einem solchen Netz ständig bewegen, das Netz verlassen oder neu hinzukommen können. Somit verändert sich andauernd die Netzwerktopologie und ein kontinuierliches und selbstständiges Neuorganisieren des Netzes wird notwendig. Man spricht daher von selbstorganisierenden mobilen Netzen. Der Informationsfluß in Ad-hoc Netzen ist üblicherweise ein anderer als in Festnetzen. Es entsteht eine eher interessensbezogene Kommunikation, weniger eine, die auf dem Wissen von bekannten Endpunkten im Netzwerk basiert. In Ad-hoc Netzwerken können Endpunkte und Adressen aufgrund der sich permanent ändernden Nutzerzusammensetzung naturgemäß nicht bekannt sein. Stattdessen gibt jeder Nutzer Informationen über seine Interessen und seine Angebote im Netzwerk bekannt. Findet sich ein zu diesem Interessensprofil passendes Angebot, so kommt eine Verbindung zustande. Die Flexibilität der PDAs, ihre Mobilität und ihre ständig steigende Leistung lassen die Entwicklung von mobilen Ad-hoc-Anwendungen sinnvoll erscheinen. MANET Netzwerke sind in ihrer Auslegung flexibel und schnell, genau so, wie es die modernen PDAs sind. Es eröffnet sich durch durch beides eine große Zahl neuer und innovativer Anwendungsmöglichkeiten. Eine davon, das so genannte E-Learning, soll im Folgenden näher betrachtet werden. E-Learning ist ein Beispiel für eine Anwendung in Ad-hoc Netzen, die besonders geeignet erscheint, die Beweglichkeit ihrer Anwender in vielerlei Hinsicht zu unterstützen. Durch die Eigenschaft, geeignete Kollaborationspartner und Informationen schnell und gezielt im Netzwerk finden zu können, wird ein spontaner Wissensaustausch über die bisher bestehende Grenzen hinaus möglich. Es werden im Rahmen dieser Diplomarbeit Mechanismen behandelt, die dem Anwender die Nutzung von kollaborativen Anwendungen wie dem E-Learning ermöglichen und ihn bei dessen Nutzung unterstützen sollen.
Configuration, simulation and visualization of simple biochemical reaction-diffusion systems in 3D
(2004)
Background In biological systems, molecules of different species diffuse within the reaction compartments and interact with each other, ultimately giving rise to such complex structures like living cells. In order to investigate the formation of subcellular structures and patterns (e.g. signal transduction) or spatial effects in metabolic processes, it would be helpful to use simulations of such reaction-diffusion systems. Pattern formation has been extensively studied in two dimensions. However, the extension to three-dimensional reaction-diffusion systems poses some challenges to the visualization of the processes being simulated. Scope of the Thesis The aim of this thesis is the specification and development of algorithms and methods for the three-dimensional configuration, simulation and visualization of biochemical reaction-diffusion systems consisting of a small number of molecules and reactions. After an initial review of existing literature about 2D/3D reaction-diffusion systems, a 3D simulation algorithm (PDE solver), based on an existing 2D-simulation algorithm for reaction-diffusion systems written by Prof. Herbert Sauro, has to be developed. In a succeeding step, this algorithm has to be optimized for high performance. A prototypic 3D configuration tool for the initial state of the system has to be developed. This basic tool should enable the user to define and store the location of molecules, membranes and channels within the reaction space of user-defined size. A suitable data structure has to be defined for the representation of the reaction space. The main focus of this thesis is the specification and prototypic implementation of a suitable reaction space visualization component for the display of the simulation results. In particular, the possibility of 3D visualization during course of the simulation has to be investigated. During the development phase, the quality and usability of the visualizations has to be evaluated in user tests. The simulation, configuration and visualization prototypes should be compliant with the Systems Biology Workbench to ensure compatibility with software from other authors. The thesis is carried out in close cooperation with Prof. Herbert Sauro at the Keck Graduate Institute, Claremont, CA, USA. Due to this international cooperation the thesis will be written in English.