Verteilte Datenbanken und IT-Sicherheit

Erklären Sie, was eine verteilte Datenbank ist, und nennen Sie zwei Vorteile gegenüber einer zentralen Datenbank (Verfügbarkeit, Skalierbarkeit) sowie eine Komplikation, die dadurch entsteht (Konsistenz zwischen den Kopien).

Die Abbildung zeigt einen Dienst, dessen Daten auf drei Knoten repliziert sind; einer davon ist ausgefallen und mit dem Fragezeichen markiert. Erklären Sie, was mit dem Dienst geschieht, solange der Knoten ausgefallen ist, was das System bei seiner Wiederherstellung tun muss und welche Eigenschaft verteilter Systeme hier genutzt wird.

Erklären Sie, was Datenreplikation ist und wodurch sie sich von einer Datensicherung unterscheidet: Welches Problem löst jeweils die eine und die andere (Ausfall eines Knotens im laufenden Betrieb gegenüber Verlust oder Beschädigung von Daten) und warum braucht ein seriöser Dienst beides?

Ein Onlineshop repliziert seine Datenbank in zwei weit voneinander entfernten Rechenzentren. Nach einem Netzausfall zwischen beiden nimmt jedes Rechenzentrum weiterhin Bestellungen an. Analysieren Sie das dabei auftretende Konsistenzproblem (CAP-Theorem: Konsistenz, Verfügbarkeit und Partitionstoleranz), welche Option Sie für den Warenbestand und welche für die Kundenkommentare wählen würden, und begründen Sie den Unterschied.

Eine globale Plattform, die soziales Netzwerk und Bezahlsystem für Mikrotransaktionen verbindet, repliziert ihre Datenbanken auf Knoten in Europa, Amerika und Asien. Ein unvorhergesehener Ausfall der Seekabel isoliert die Region Europa vorübergehend vom Rest der Kontinente. Wenden Sie das CAP-Theorem an, um die betrieblichen Folgen vorherzusagen, falls das System die Verfügbarkeit (AP-Systeme) gegenüber der strikten Konsistenz (CP-Systeme) priorisiert. Begründen Sie technisch und wirtschaftlich, warum für den Wiedergabezähler eines Videos ein Modell mit eventueller Konsistenz gewählt werden sollte, während für das Guthaben des digitalen Wallets der Nutzer das Blockieren nicht synchronisierter Transaktionen zwingend ist, und analysieren Sie dabei das Risiko des Double-Spending.

Definieren Sie in je einem Satz diese häufigen Bedrohungen: Phishing, Ransomware, Denial-of-Service-Angriff (DoS) und Datenleck. Geben Sie an, welche davon vor allem den Faktor Mensch angreift.

Sie erhalten eine E-Mail, die scheinbar von Ihrer Bank stammt: Sie fordert dringend, über einen Link „Ihr Konto zu verifizieren“. Nennen Sie mindestens vier Anzeichen, die auf einen Phishing-Versuch hindeuten (Absender, tatsächlicher Link, Dringlichkeit, Fehler, Anhänge), und beschreiben Sie Schritt für Schritt, was Sie tun sollten.

Vergleichen Sie Phishing (E-Mail), Smishing (SMS) und Vishing (Sprachanruf): Welchen Kanal nutzt jeweils welches Verfahren, welchen typischen Vorwand verwenden sie (zurückgehaltenes Paket, unerwartete Gutschrift, dringender technischer Support) und welche gemeinsame Verhaltensregel macht alle drei unwirksam?

Ein „Wartungstechniker“ ruft am Empfang an und behauptet, er brauche das WLAN-Passwort der Schulleitung, um den Drucker zu reparieren. Erklären Sie, was Pretexting (Social Engineering) ist, welche Anzeichen den Anruf verdächtig machen und welches Überprüfungsverfahren es geben sollte (Zugangsdaten niemals telefonisch weitergeben, Identität über einen offiziellen Kanal überprüfen).

Beschreiben Sie die typische Kette eines Ransomware-Angriffs: Eindringen (E-Mail mit Anhang oder offen zugänglicher Fernzugriff), Ausführung und Verschlüsselung der Dateien, Lösegeldforderung. Bestimmen Sie, an welchen Gliedern sich die Kette unterbrechen lässt und mit welcher konkreten Maßnahme jeweils.

Erklären Sie die Grundidee der Verschlüsselung: lesbare Daten ohne den Schlüssel in unlesbare umwandeln. Unterscheiden Sie zwischen der Verschlüsselung gespeicherter Daten (ruhende Daten) und der Verschlüsselung der Kommunikation (Daten bei der Übertragung, wie bei HTTPS) und was jeweils geschützt wird.

Erklären Sie die Risiken offener öffentlicher WLAN-Netze (Abfangen von Daten, gefälschter Zugangspunkt mit ähnlichem Namen) und wie ein VPN sie verringert (verschlüsselter Tunnel bis zum VPN-Server). Was schützt das VPN nicht (das infizierte Gerät selbst, Phishing)?

Erklären Sie die „3-2-1“-Regel für Datensicherungen: Wie viele Kopien, auf wie vielen unterschiedlichen Speichermedien und wo muss mindestens eine davon liegen? Warum schützt eine Kopie auf derselben, ständig angeschlossenen externen Festplatte nicht vor Ransomware?

Erklären Sie, was ein Passwortmanager leistet und warum er es ermöglicht, für jeden Dienst ein langes, eigenes Passwort zu verwenden. Welches Risiko bündelt er (das Master-Passwort) und wie wird es verringert?

Sicherheitsupdates schließen bereits bekannte Schwachstellen. Erklären Sie, was eine „Zero-Day“-Schwachstelle ist, warum die Zeit zwischen der Veröffentlichung des Patches und seiner Installation kritisch ist und welche Update-Richtlinie Sie für eine Schule empfehlen würden.

Erklären Sie, was eine Firewall tut: Welche Regeln wendet sie auf den eingehenden und ausgehenden Datenverkehr an, worin unterscheidet sich die Firewall des Routers von der des einzelnen Rechners und warum hebt „alles offen aus Bequemlichkeit“ ihre Funktion auf?

Erklären Sie das Prinzip der mehrschichtigen Verteidigung (Defense in Depth): Warum genügt eine einzelne Sicherheitsmaßnahme nie und wie werden bei einem Ransomware-Angriff mehrere Schichten kombiniert (Perimeter-Firewall, Zwei-Faktor-Authentifizierung, Verschlüsselung der Daten, Datensicherungen, Schulung der Mitarbeitenden)?

Vergleichen Sie die Authentifizierungsfaktoren: etwas, das man weiß (Passwort), etwas, das man besitzt (Handy, Karte), und etwas, das man ist (Fingerabdruck). Erklären Sie, warum zwei Faktoren derselben Art keine echte Zwei-Faktor-Authentifizierung sind und warum der SMS-Code der schwächste zweite Faktor ist (SIM-Swapping), aber trotzdem besser als nichts.

Ein Kreiskrankenhaus wird an einem Freitagnachmittag Opfer eines Ransomware-Angriffs: Die OP-Monitore verlieren die Verbindung zu den zentralen Servern und die digitalen Patientenakten sind verschlüsselt, dazu eine Nachricht, die 2,5 BTC innerhalb von 48 Stunden fordert. Der Ärztliche Direktor schlägt vor, das Lösegeld sofort zu zahlen, „um Leben zu retten“, während der Leiter der Haustechnik vorschlägt, die Stromversorgung des Serverraums abrupt zu kappen. Bewerten Sie beide Vorschläge kritisch und begründen Sie ihre technischen, ethischen und forensischen Risiken. Entwerfen Sie anschließend das Protokoll für Eindämmung, Aufrechterhaltung der Patientenversorgung und Wiederherstellung, das das technische Team ausführen muss, wobei die Patientensicherheit Vorrang hat und eine vollständige Wiederherstellung ohne erneute Infektion gewährleistet wird.

Eine Bank führt eine strenge Sicherheitsmaßnahme ein: Für jede Aktion in ihrer mobilen App (auch für die bloße Abfrage des Kontostands) muss der Kunde ein Passwort mit 16 Zeichen eingeben, eine Gesichtserkennung bestehen und einen per SMS gesendeten Code eintippen. Drei Monate später steigen die Kundenabgänge um 28 % und die Störungsmeldungen wegen gesperrter Konten schnellen in die Höhe; außerdem stellt sich heraus, dass viele Nutzer ihre Passwörter in unverschlüsselten Notizen auf dem Handy speichern. Analysieren Sie, warum diese Richtlinie zu einer paradoxen Verschlechterung der Sicherheit geführt hat, und entwerfen Sie eine risikobasierte, adaptive Authentifizierungsstrategie. Begründen Sie, welche Authentifizierungsfaktoren (Wissen, Besitz, Sein) Sie in drei verschiedenen Fällen verlangen würden: Abruf üblicher Kontobewegungen, Ausführung einer internationalen Überweisung von 5.000 € von einem neuen Gerät aus und Änderung der mit dem Konto verknüpften Telefonnummer.

Die Schulleitung Ihrer Schule beschließt die folgende Sicherheitsrichtlinie für die Konten der Lehrkräfte und Schüler: „Passwörter haben genau 8 Zeichen, müssen zwingend Groß- und Kleinbuchstaben, Zahlen und seltene Sonderzeichen kombinieren, laufen unabänderlich alle 30 Tage ab, und die Verwendung von Passwortmanagern ist strengstens untersagt.“ Widerlegen Sie diese Richtlinie technisch und psychologisch, indem Sie vorhersagen, welche Verhaltensmuster die Nutzer annehmen werden und welchen Angriffsvektoren die Schule dadurch ausgesetzt ist. Entwerfen Sie anschließend eine alternative, aktuelle Passwortrichtlinie nach den Empfehlungen von IT-Sicherheitsbehörden (unter Betrachtung von Entropie, Länge gegenüber Komplexität, risikobasiertem Ablauf und Multi-Faktor-Authentifizierung) und begründen Sie, wie jede Änderung reale Schwachstellen verringert.

Ein lokaler Onlinehändler mit fünf Beschäftigten speichert personenbezogene Daten und Bankdaten von 12.000 Kunden auf einem lokalen Server, der ohne Segmentierung mit dem Internet verbunden ist. Bei einem Audit werden im letzten Jahr folgende Probleme festgestellt: zwei zeitweilige Verbindungsausfälle während Rabattaktionen (geschätzte Verluste von 800 € pro Stunde), tägliche automatisierte SQL-Injection-Versuche gegen die Datenbank, Administrator-Zugangsdaten, die in einer für die gesamte Belegschaft zugänglichen Tabelle geteilt werden, und das Fehlen vom Netz getrennter Datensicherungen. Erstellen Sie eine semiquantitative Risikomatrix: Weisen Sie jeder dieser Bedrohungen eine begründete Punktzahl für Eintrittswahrscheinlichkeit (1 bis 5) und Auswirkung (1 bis 5) zu, berechnen Sie das sich ergebende inhärente Risiko und entwerfen Sie die vorrangigen technischen und organisatorischen Maßnahmen, um die beiden kritischsten Risiken mit einem begrenzten Budget von 2.500 € zu behandeln.

Der Support eines Onlinehandelsunternehmens stellt an einem Montag um 08:00 Uhr fest, dass ein Angreifer wegen einer Sicherheitslücke im Web-Zahlungssystem eine Datenbank mit Namen, Anschriften, Ausweisnummern und Kreditkartennummern von 25.000 Kunden entwendet hat. Der Vertriebsleiter schlägt vor, den Datenabfluss nicht öffentlich zu machen, um eine Reputationskrise und die wirtschaftlichen Verluste durch abwandernde Kunden zu vermeiden, und argumentiert, der technische Fehler sei um 11:00 Uhr bereits behoben worden. Bewerten Sie den Vorschlag des Vertriebsleiters rechtlich und aus sicherheitstechnischer Sicht: Bestimmen Sie die Pflichten und unverlängerbaren Fristen der DSGVO gegenüber der Aufsichtsbehörde und den betroffenen Personen, stufen Sie das Risiko für die Rechte der Nutzer ein und prognostizieren Sie die Sanktionen und rechtlichen Verantwortlichkeiten, denen das Unternehmen bei vorsätzlichem Verschweigen des Vorfalls gegenübersteht.

Eine Kläranlage steuert ihre Pumpen und Chemikaliendosierer über alte speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), deren Betriebssysteme keine Patches des Herstellers mehr erhalten und keinen Neustart ohne Unterbrechung des Betriebs zulassen. Damit das technische Personal am Wochenende von zu Hause aus Alarme prüfen kann, hat das Unternehmen ein 4G-Modem direkt an denselben Switch angeschlossen, an dem die SPS und die Verwaltungsrechner für die Abrechnung hängen. Stellen Sie die Prioritäten der industriellen IT-Sicherheit (CIA-Triade: Verfügbarkeit, Integrität und Vertraulichkeit) denen einer Büroumgebung im Unternehmen gegenüber, prognostizieren Sie, welche kritischen Angriffsvektoren die aktuelle Konfiguration einführt, und entwerfen Sie eine sichere Architektur auf Basis der Segmentierung in Zonen und Conduits (Purdue-Modell / ISA-95). Legen Sie dabei die nötigen Schutzelemente fest, um einen sicheren Fernzugriff zu ermöglichen, ohne die Steuerungen dem Internet auszusetzen.

Herausforderung des Themas. Stellen Sie sich vor, Sie beraten eine lokale Energiegemeinschaft bei der Modernisierung und Absicherung ihres intelligenten Stromnetzes. Sie entwerfen einen integrierenden technischen Vorschlag in drei Phasen:

1. Erfassung und Big Data: Rufen Sie das Portal des Übertragungsnetzbetreibers (in Deutschland z. B. die SMARD-Plattform der Bundesnetzagentur) auf und laden Sie die stündlichen Daten der realen Stromlast der letzten $7$ Tage herunter. Importieren Sie sie in LibreOffice Calc, berechnen Sie den Mittelwert und erstellen Sie ein Diagramm, in dem Sie die maximale Verbrauchsspitze kennzeichnen (z. B. $> 65\text{ GW}$).

2. Vorhersage mit KI: Erklären Sie begründet, welchen Algorithmus des überwachten Lernens Sie verwenden würden, um mit diesen Daten und Wettervariablen ein Modell zu trainieren, um die Nachfrage vorherzusagen und Lasten auszugleichen.

3. Verteiltes Netz und IT-Sicherheit: Entwerfen Sie eine Architektur auf Basis der Blockchain mit Smart Contracts, die es den Nachbarn ermöglicht, sichere Transaktionen über Photovoltaik-Überschüsse ohne Zwischenhändler zu erfassen. Analysieren Sie zwei Angriffsvektoren (wie Identitätsfälschung bei IoT-Zählern oder DDoS-Angriffe) und schlagen Sie Gegenmaßnahmen auf Basis asymmetrischer Verschlüsselung und Netzwerksegmentierung vor.

Erstellen Sie einen zweiseitigen Kurzbericht mit dem Diagramm und Ihren technischen Begründungen.

Bewertet werden:

• Sorgfältige Datenbeschaffung beim Netzbetreiber und deren analytische Aufbereitung in LibreOffice.

• Technische Stimmigkeit bei der Wahl des KI-Modells und des verteilten Konsensmechanismus.

• Realistische Diagnose der Cyberbedrohungen und Belastbarkeit der vorgeschlagenen Schutzmaßnahmen.