In dieser Dissertation werden Methoden ausgearbeitet, die die Erkennung von Fehlverhalten in Vehicular Ad-hoc Netzwerken (VANETs) ermöglichen, sowie die Identifizierung der verantwortlichen Angreifer oder fehlerhaften Knoten. Das Ziel ist es, die störenden Netzwerkknoten langfristig von der aktiven VANET-Kommunikation auszuschließen. Fahrzeuge und Infrastruktureinheiten am Straßenrand nutzen die drahtlose Ad-hoc-Kommunikation um Informationen zur Verkehrssicherheit und Effizienz mit benachbarten Netzwerkknoten auszutauschen. Durch den konstanten Austausch von Statusinformationen sind Netzwerkknoten in der Lage ihr Umfeld in einem definierten Bereich wahrzunehmen. Bei potenzieller Gefahr können Fahrer rechtzeitig über bevorstehende Verkehrssituationen, wie zum Beispiel den plötzlichen Bremsvorgang eines voraus fahrenden Fahrzeugs oder ein nahendes Stauende, informiert werden. Die Knoten des VANETs verbreiten regelmäßig präzise Informationen bezüglich ihres eigenen Standortes und ihrer Bewegung innerhalb einer Funkreichweite von mehreren hundert Metern. Unter anderem wird die absolute Position, die Fahrtrichtung und die Geschwindigkeit in Verbindung mit einem Zeitstempel per Broadcast versendet. Durch die Ad-hoc-Kommunikation zwischen den Netzknoten werden im Besonderen verkehrssicherheitsrelevante Anwendungen ermöglicht, die eine niedrige Latenz beim Informationsaustausch voraussetzen und daher durch eine mobilfunkbasierte Kommunikation nicht realisiert werden könnten.

Der Schutz vor externen Angreifern wird in VANETs mit Hilfe von kryptographischen Verfahren sichergestellt. Nur registrierte Netzwerkknoten sind mit gültigen Schlüsseln und Zertifikaten ausgestattet, die von einer vertrauenswürdigen Zertifizierungsstelle ausgestellt werden. Interne Angreifer, die entsprechende Hardware, Software und gültige Schlüssel bzw. Zertifikate besitzen, stellen eine Bedrohung für das Netzwerk und den drauf basierenden Anwendungen dar. Ein Angreifer, der entweder gültige Schlüssel mit den dazugehörigen Zertifikates aus einer Kommunikationseinheit extrahiert oder eine Malware auf einem VANET-Knoten installiert hat, ist in der Lage gültige Nachrichten mit gefälschtem Inhalt zu senden. Diese Nachrichten werden dann von ahnungslosen Fahrzeugen akzeptiert und können zu Falschmeldungen und fehlerhaften Entscheidungen der Fahrer führen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Verarbeitung von gefälschten Informationen Einfluss auf die Verkehrssicherheit und Effizienz des gesamten Verkehrs im Kommunikationsbereich des Angreifers haben kann.

Die meisten existierenden Lösungen anderer Autoren im Bereich der Fehlverhaltenserkennung in VANETs basieren auf datenbezogenen Plausibilitäts- und Konsistenzprüfungen. Wir schlagen in dieser Dissertation neue Methoden und Konzepte vor, die das Verhalten von Nachbarknoten in VANETs unter Nutzung von positionsbezogenen Informationen bewerten. Da die meisten existierenden Lösungen nur in Simulationen unter Verwendung von theoretischen Annahmen getestet wurden, fehlen Erkenntnisse bezüglich der Fehlverhaltenserkennung unter realen Bedingungen. Dagegen konnten wir durch unsere Langzeitexperimente in einem Feldversuch neue Erkenntnisse bezüglich der lokalen Fehlverhaltenserkennung und Angreiferidentifizierung gewinnen. Basierend auf diesem Wissen wurde eine neuartige Strategie entwickelt, um den Gefahren durch interne Angreifer zu begegnen und um damit die langfristige Zuverlässigkeit der VANET-Kommunikation zu erhöhen: Die lokale Erkennung von Fehlverhalten durch Knoten des VANETs, die lokale kurzfristige Identifizierung potentieller Angreifer und die zentrale langfristige Identifizierung von Angreifern.

Der Ansatz zur lokalen Erkennung von Fehlverhalten auf VANET-Knoten nutzt verschiedene Informationsquellen. Primär sind das die empfangenen Datenpakete der Nachbarn, aber auch Messungen lokaler Sensoren werden zur Durchführung von Datenkonsistenzprüfungen und Plausibilitätsprüfungen verwendet. Sobald Inkonsistenzen oder ein unplausibles Bewegungsverhalten eines benachbarten Knotens detektiert wurden, wird dessen Verhalten lokal bewertet.

Bei der lokalen kurzfristigen Identifizierung potentieller Angreifer werden explizit die kurzzeitig gültigen und regelmäßig wechselnden pseudonymen Identifizierer der VANET-Knoten berücksichtigt, wie sie durch europäische Standards und internationale Industriegremien gefordert werden. Basierend auf Testergebnissen eines umfangreichen Feldtests werden Konzepte und Mechanismen zur lokalen Auswertung von verdächtigen Nachbarknoten vorgeschlagen. Die resultierende Vertrauenswürdigkeit der jeweiligen Nachbarknoten wird lokal verwendet, um Berichte über beobachtetes Fehlverhalten zu generieren. Diese Berichte werden anschließend zur einer zentralen Auswertungsbehörde übertragen, um langfristig verdächtige Knoten und damit mögliche Angreifer des VANETs zu identifizieren.

Der dritte Hauptbeitrag ist die Verarbeitung von Fehlverhaltensberichten für die zentrale langfristige Identifizierung von Angreifern. Wenn eine ausreichend große Anzahl von Berichten mit entsprechenden Beweisen von unabhängigen VANET-Knoten an die zentrale Auswertungsbehörde geschickt wurden, ist die Behörde berechtigt den möglichen Zusammenhang verschiedener pseudonymer Identifizierer von verdächtigen Knoten aus unterschiedlichen Fehlverhaltensberichten zu untersuchen. Dieser Schritt wird benötigt um Angreifer zu identifizieren, die ihre pseudonymen Identifizierer wechseln um ihr Fehlverhalten zu verschleiern. Der Prozess wird durch die zentrale Zertifizierungsstelle unterstützt unter Berücksichtigung der Anforderungen zum Schutz der Privatsphäre der Fahrzeugführer. Nach Auswertung der gemeldeten Fehlverhaltensberichte und der Bewertung der verdächtigen Knoten ist die zentrale Stelle in der Lage den Angreifer von der aktiven Teilnahme an der VANET-Kommunikation auszuschließen.

Basierend auf dem Wissen, das durch die praktischen Experimente erlangt wurde, haben wir ein effektives Konzept entwickelt, mit dem der sichere und langfristige Betrieb eines VANETs ermöglicht wird. Angreifer und fehlerhafte Knoten können reaktiv aus dem Netzwerk ausgeschlossen werden nachdem unabhängige Netzwerkknoten ihr Fehlverhalten erkannt haben und eine zentrale Stelle die Verursacher identifiziert hat. Dieses Konzept ist effektiver bezüglich des langfristigen Ausschlusses von Angreifern sowie der Minimierung von Falsch-Positiv Erkennungen im Vergleich zu Mechanismen, die nur auf VANET-Knoten eingesetzt werden. Durch die drohende Gefahr langfristig erkannt und aus dem Netzwerk ausgeschlossen zu werden, können potentielle Angreifer bereits im Voraus davon abgeschreckt werden Angriffe durchzuführen. Da die vorgeschlagenen Mechanismen auf der Erkennung von abnormalem Knotenverhalten basieren, sollten auch zukünftige Angriffsmethoden erkannt werden, die derzeit noch nicht bekannt sind.