Die Biometrie ist im Allgemeinen eine wissenschaftliche Disziplin zur Messungen und Analyse von Lebewesen. In der Cyber-Sicherheit finden Zunehmens mittels biologischer Merkmale eine Identifikation und Authentifizierung statt. Biometrische Authentisierung verwendet physiologische oder verhaltenstypische, also personengebundene Charakteristika. Der prinzipielle Vorteil von biometrischen Verfahren für die Identifikation und Authentifizierung liegt darin, dass biometrische Merkmale nicht unmittelbar gestohlen und im Allgemeinen nur schwer kopiert werden können. Außerdem lassen sich biometrische Merkmale auf viele Arten messen. Die unterschiedlichen Verfahren messen die Gesichtserkennung, den Fingerabdruck, das Tippverhalten an einer Tastatur, die Fingergeometrie, das Fingerlängenverhältnis oder die Handgeometrie. Darüber hinaus zählen die Stimmanalyse, die Erfassung der Unterschriftendynamik, des Netzhautmusters, des Irismusters oder des genetischen Codes (DNA-Analyse) zu den biometrische Verfahren. Außerdem können diese Verfahren je nach Anwendungsfall auch in unterschiedlichen Kombinationen zum Einsatz kommen.
Biometrische Verfahren erfüllen unterschiedliche Aufgaben und kommen in verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz.
1. Personenidentifikation: Feststellung der Identität
Eine Art der Nutzung ist die Feststellung der Identität. Bei der Personenidentifikation wird festgelegt, um welche Person es sich handelt. Bei der Identifikation erfasst das System zunächst die aktuellen biometrischen Daten einer Person. Anschließend vergleicht es diese mit den zuvor gespeicherten biometrischen Referenzdaten einer Vielzahl von Individuen (1:n-Vergleich). Diese Referenzdaten sind beispielsweise in einer zentralen Datenbank gespeichert. Es findet somit eine Vielzahl von Vergleichen statt. Die Person wird als dasjenige Individuum identifiziert, dessen biometrischer Referenzdatensatz mit dem aktuellen biometrischen Datensatz der Person innerhalb der gewählten Toleranzgrenzen übereinstimmt.
2. Personenverifikation: Bestätigung der Identität
Personenverifikation bedeutet „Bestätigung der Identität“. Die Personenverifikation entscheidet die Frage, ob es sich bei einer Person um diejenige handelt, für die sie sich ausgibt.
Bei der Verifikation erfasst das System die aktuellen biometrischen Daten einer Person und vergleicht sie mit den im Vorfeld erfassten biometrischen Referenzdaten desjenigen Individuums, als das sich die Person ausgibt (1:1-Vergleich). Dabei findet ein Vergleich zweier Datensätze statt. Stimmen die beiden Datensätze innerhalb der gewählten Toleranzgrenzen miteinander überein, bestätigt das System, dass die Person tatsächlich diejenige ist, für die sie sich ausgibt. Die Referenzdaten sind in der Regel lokal, zum Beispiel in einer Smartcard, sicher gespeichert.
Beide Anwendungsklassen beginnen mit einem Enrollment. Im Enrollment-Prozess registriert das System die Nutzer. Dabei verknüpft es die biometrischen Referenzdaten mit den Metadaten der Person, beispielsweise Vorname, Name, Geburtsdatum und Geburtsort. Zunächst erfassen geeignete Sensoren die biometrischen Daten einer Person. Das System extrahiert aus den Bilddaten Informationen, mit denen es die biometrischen Merkmale vermessen kann. Diese können zu einer einzigartigen Kombination der Informationen in einem Template zusammengefasst und einer Identität zugeordnet werden. Durch das Speichern dieser Zuordnung registriert das System die Nutzer. Da diese Daten als Vergleichsgrundlage herangezogen werden, müssen diese sorgfältig aufgenommen werden, da es sonst beim Authentisierungsprozess zu einer schlechten oder sogar zu keiner Übereinstimmung führen würde. Insbesondere muss die Sicherheit der erfassten Daten gewährleistet werden, da ein Entwenden der Daten zu großen Sicherheitsrisiken führen würde.
Beim Authentisierungsprozess erfasst und analysiert das System dieselben biometrischen Merkmale des Nutzers erneut. Da die Bedingungen beim Erfassen der Daten im Enrollment und der aktuellen Präsentation sehr unterschiedlich sein können, ist eine absolute Übereinstimmung der Daten nicht möglich. So können kleine Verletzungen an der Fingerkuppe zu einem leicht veränderten Fingerabdruck führen, die nicht den Referenzdaten aus dem Enrollment-Prozess gleichen. Daher vergleicht das System die Daten anhand einer hinreichende Übereinstimmung der Daten, die es in einem Score ausdrückt. Ein vorher festgelegter Akzeptanzschwellwert bestimmt, ob der Score ausreichend ist, um die Identifikation oder Verifikation anhand der Daten zu bestätigen.
Eigenschaften des verwendeten biometrischen Merkmals
In der Praxis werden biometrische Merkmale in passive und aktive Merkmale aufgeteilt.
Aktive biometrische Merkmale (Beipiele)
Unterschriftdynamik
Schreibverhalten
Tippverhalten an der Tastatur
Stimmerkennung
Lippenbewegung beim Sprechen
Gestik/Mimik beim Sprechen
Bewegung (Gangartzyklus und weitere Tätigkeiten)
Passive biometrische Merkmale (Beipiele)
Fingerabdruck (Daktylogramm)
Irismuster
Retinamuster
Form des Ohrs
Handgeometrie
Venenmuster auf dem Handrücken
Geruch
Thermogramm
DNA
Es werden auch Kombinationen von aktiven und passiven Merkmalen verwendet, zum Beispiel die Erfassung des Gesichts und der Gesichtsdynamik beim Sprechen kombiniert mit der Stimmerkennung.
Notwendige Eigenschaften und Nutzbarkeit eines biometrischen Verfahrens
Damit ein Merkmal für ein biometrisches Verfahren verwendet werden kann, muss es die folgenden Eigenschaften besitzen:
1. Universalität Jede Person muss dieses biometrische Merkmal besitzen.
2. Einzigartigkeit/Einmaligkeit Das biometrische Merkmal muss einzigartig in dem Sinne sein, dass es bei verschiedenen Menschen hinreichend verschieden ist. Es dürfen keine zwei oder mehr Personen mit gleichem Merkmal existieren (Herausforderung: Zwillinge).
3. Konstanz Das Merkmal sollte sich im Laufe der Zeit möglichst wenig ändern. Kleinere Veränderungen können durch adaptive biometrische Verfahren ausgeglichen werden.
4. Merkmalsverbreitung Ein Merkmal sollte, um für biometrische Verfahren geeignet zu sein, bei möglichst vielen der potenziellen Nutzer vorhanden sein. Bestimmte Bevölkerungsgruppen, die meist auf einen kleinen Personenkreis beschränkt sind, weisen jedoch gewisse Merkmale nicht auf, von daher sind für sie einige Verfahren nicht geeignet. So besitzt zum Beispiel ein geringer Bevölkerungsanteil keine ausgeprägten Fingerabdruckstrukturen. In diesem Fall muss ein alternatives Verfahren zur Verfügung gestellt werden. Besteht die Gefahr des Verlustes oder der Nichtverwendbarkeit eines biometrischen Merkmals, sollte ebenfalls ein Ersatzsystem vorgesehen werden.
5. Erfassbarkeit Das verwendete biometrische Merkmal muss quantitativ messbar sein.
6. Möglichkeit zur willentlichen Beeinflussung durch den Nutzer Einige biometrische Merkmale bieten die Möglichkeit, neben dem Hauptmerkmal eine zusätzliche Information zu übermitteln. So besteht beim Fingerabdruckverfahren die Möglichkeit, mehrere Finger zu registrieren und je nach Wahl des entsprechenden Fingers dem System eine Zusatzinformation zu geben. Bei der Stimmerkennung, die typischerweise mit einem festen, frei wählbaren Schlüsselwort verbunden ist, besteht diese Möglichkeit durch Anlernen und Speichern verschiedener Schlüsselwörter ebenfalls. Diese Eigenschaft gewinnt besondere Bedeutung in Anwendungsszenarien, in denen mit einer Erpressung des Merkmalsträgers gerechnet werden muss. Der Erpresste kann auf diese Weise einen stillen Alarm auslösen, ohne dass der Erpresser dies erkennt.
Falschakzeptanz und Falschrückweisung biometrischer Verfahren
Die wichtigsten Fehler bei biometrischen Verfahren sind die Falschakzeptanz und die Falschrückweisung.
1. Falschakzeptanzrate (FAR – engl. False Acceptance Rate) bezeichnet den Fall, dass eine nicht berechtigte Person aufgrund ähnlicher biometrischer Charakteristika akzeptiert wird. Die Falschakzeptanz gilt somit als ein Komfortmerkmal der biometrischen Verfahren, da das System eher einer unberechtigten Person Zutritt gestattet, als einer berechtigten der Zutritt verweigert.
2. Falschrückweisungsrate (FRR – engl. False Rejection Rate) bedeutet entsprechend, dass einer berechtigten Person der Zugang verweigert wird, weil die Übereinstimmungserfordernisse biometrischer Charakteristika sehr rigide gehandhabt werden. Die Falschrückweisung gilt somit als ein Sicherheitsmerkmal der biometrischen Verfahren, da das System eher einer berechtigten Person den Zutritt verweigert, als einer unberechtigten Zutritt gestattet. FRR = fälschlich zurückgewiesene Zugriffe/berechtigte Zugriffsversuche
Die Übereinstimmungserfordernisse bei biometrischen Merkmalen müssen immer einen gewissen Spielraum offenhalten. Der Fingerabdruck zum Beispiel kann durch äußere oder physiologische Temperaturschwankungen oder unterschiedliche Stimmungen der Person (Nervosität, Aufregung) geringfügige Abweichungen aufweisen, die toleriert werden sollten. Ebenso muss das System Rückstände von Staub, Schmutz oder Fett auf der Haut berücksichtigt. Die Wahrscheinlichkeit der Falschakzeptanz und der Falschrückweisung müssen in eine akzeptable Relation zum Sicherheitslevel gebracht werden. Deshalb lassen sich aus biometrischen Merkmalen kein kryptografischer Schlüssel ableiten. Ein solcher beruht persistent auf einer genauen mathematischen Berechnung, die keine Schwankungen zulässt.
Diskussion der Akzeptanzraten von biometrischen Verfahren Bei der Diskussion der unterschiedlichen Akzeptanzraten können die praktischen Herausforderungen von biometrischen Verfahren dargestellt werden. Die Betrachtung der Werte der Falschakzeptanzrate (FAR) in der Abbildung beginnt ganz rechts unten (100 %). In diesem Zustand wird vom biometrischen Verfahren jeder Nutzer akzeptiert. Da kein autorisierter Nutzer abgewiesen wird, liegt die Falschrückweisungsrate (FRR) bei 0 %. Da jeder unautorisierte Zugriff akzeptiert wird, liegt die FAR bei 100 %.
Je weiter das System den Toleranzwert verkleinert, desto seltener akzeptiert es unautorisierte Zugriffsversuche. Dadurch sinkt die FAR. Gleichzeitig weist das System autorisierte Nutzer häufiger zurück, wodurch die FRR steigt. Bei einem Toleranzwert von 0 % geht die FRR gegen 100 % und die FAR gegen 0 %. Die jeweilige Anwendung bestimmt, wie hoch das System die Toleranz eines biometrischen Verfahrens einstellt und welche Fehlerrate es minimiert. Je kritischer die Sicherheit für ein IT-System ist, desto eher akzeptieren Nutzer fälschliche Abweisungen, zum Beispiel in einem Hochsicherheitsbereich. Dagegen ist bei IT-Systemen, die als Massenanwendung eingesetzt werden sollen, die Nutzerakzeptanz, die bei häufiger fälsch fälschlicher Rückweisung sinkt, von größerer Bedeutung, da hier der Komfort oberste Priorität hat.
Vor- und Nachteile biometrischer Systeme
Die Vorteile gegenüber Authentisierungsverfahren, die auf Wissen oder Besitz funktionieren, liegen auf der Hand. Im Gegensatz zu Passwörtern oder Chipkarten können biometrische Merkmale nicht vergessen oder übertragen werden. Zudem können Passwörter mithilfe sehr unterschiedlicher Angriffsmethoden leicht kompromittiert werden.
Die Nachteile biometrischer Systeme zeigen sich hingegen beim Verlust eines Merkmals. Beispielsweise kann der Verlust eines Fingers oder Auges kann die bisherigen Referenzdaten unbrauchbar machen. Das System muss für diese Fälle Ausweichmöglichkeiten vorsehen, damit es für diesen Personenkreis dennoch nutzbar ist. Das Entwenden der Referenzdaten biometrischer Merkmale kann ebenfalls weitreichende Folgen haben. Dabei ist nicht nur das System betroffen, von dem die Daten entwendet wurden, sondern alle biometrischen Systeme, die dasselbe Merkmal zur Authentisierung nutzen. Wurden die Daten einmal entwendet, können sie nicht wie Passwörter oder Smartcards neu erstellt werden.
Die Biometrie ist im Allgemeinen eine wissenschaftliche Disziplin zur Messungen und Analyse von Lebewesen. In der Cyber-Sicherheit finden Zunehmens mittels biologischer Merkmale eine Identifikation und Authentifizierung statt.
Author
Prof. Norbert Pohlmann
Publisher Name
Institut für Internet-Sicherheit – if(is)
Publisher Logo
Biometrie Prof. Dr. Norbert Pohlmann - Cyber-Sicherheitsexperten
