Privacy-preserving spatiotemporal multicast for mobile information services

Wozniak, Sander GND

Mobile devices have become essential for accessing information services anywhere at any time. While the so-called geographic multicast (geocast) has been considered in detail in existing research, it only focuses on delivering messages to all mobile devices that are currently residing within a certain geographic area. This thesis extends this notion by introducing a Spatiotemporal Multicast (STM), which can informally be described as a "geocast into the past". Instead of addressing users based on their current locations, this concept relates to the challenge of sending a message to all devices that have resided within a geographic area at a certain time in the past. While a wide variety of applications can be envisioned for this concept, it presents several challenges to be solved. In order to deliver messages to all past visitors of a certain location, an STM service would have to fully track all user movements at all times. However, collecting this kind of information is not desirable considering the underlying privacy implications, i.e., users may not wish to be identified by the sender of a message as this can disclose sensitive personal information. Consequently, this thesis aims to provide a privacy-preserving notion of STM. In order to realize such a service, this work first presents a detailed overview of possible applications. Based on those, functional, non-functional, as well as security and privacy objectives are proposed. These objectives provide the foundation for an in-depth literature review of potential mechanisms for realizing an STM service. Among the suggested options, the most promising relies on Rendezvous Points (RPs) for datagram delivery. In simple terms, RPs represent "anonymous mailboxes" that are responsible for certain spatiotemporal regions. Messages are deposited at RPs so that users can retrieve them later on. Protecting the privacy of users then translates to obfuscating the responsibilities of RPs for specific spatiotemporal regions. This work proposes two realizations: CSTM, which relies on cryptographic hashing, and OSTM, which considers the use of order-preserving encryption in a CAN overlay. Both approaches are evaluated and compared in detail with respect to the given objectives. While OSTM yields superior performance-related properties, CSTM provides an increased ability of protecting the privacy of users.

Mobilgeräte bilden heute die Grundlage allgegenwärtiger Informationsdienste. Während der sogenannte geografische Multicast (Geocast) hier bereits ausführlich erforscht worden ist, so bezieht sich dieser nur auf Geräte, welche sich aktuell innerhalb einer geografischen Zielregion befinden. Diese Arbeit erweitert dieses Konzept durch einen räumlich-zeitlichen Multicast, welcher sich informell als "Geocast in die Vergangenheit" beschreiben lässt. Dabei wird die Zustellung einer Nachricht an alle Nutzer betrachtet, die sich in der Vergangenheit an einem bestimmten Ort aufgehalten haben. Während eine Vielzahl von Anwendungen für dieses Konzept denkbar ist, so ergeben sich hier mehrere Herausforderungen. Um Nachrichten an ehemalige Besucher eines Ortes senden zu können, müsste ein räumlich-zeitlicher Multicast-Dienst die Bewegungen aller Nutzer vollständig erfassen. Aus Gründen des Datenschutzes ist das zentralisierte Sammeln solch sensibler personenbezogener Daten jedoch nicht wünschenswert. Diese Arbeit befasst sich daher insbesondere mit dem Schutz der Privatsphäre von Nutzern eines solchen Dienstes. Zur Entwicklung eines räumlich-zeitlichen Multicast-Dienstes erörtert diese Arbeit zunächst mögliche Anwendungen. Darauf aufbauend werden funktionale, nicht-funktionale, sowie Sicherheits- und Privatsphäre-relevante Anforderungen definiert. Diese bilden die Grundlage einer umfangreichen Literaturrecherche relevanter Realisierungstechniken. Der vielversprechendste Ansatz basiert hierbei auf der Hinterlegung von Nachrichten in sogenannten Rendezvous Points. Vereinfacht betrachtet stellen diese "anonyme Briefkästen" für bestimmte räumlich-zeitliche Regionen dar. Nachrichten werden in diesen so hinterlegt, dass legitime Empfänger sie dort später abholen können. Der Schutz der Nutzer-Privatsphäre entspricht dann der Verschleierung der Zuständigkeiten von Rendezvous Points für verschiedene räumlich-zeitliche Regionen. Diese Arbeit schlägt zwei Ansätze vor: CSTM, welches kryptografische Hashfunktionen nutzt, sowie OSTM, welches ordnungserhaltende Verschlüsselung in einem CAN Overlay einsetzt. Beide Optionen werden detailliert analytisch sowie empirisch bezüglich ihrer Diensteigenschaften untersucht und verglichen. Dabei zeigt sich, dass OSTM vorteilhaftere Leistungseigenschaften besitzt, während CSTM einen besseren Schutz der Nutzer-Privatsphäre bietet.

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Wozniak, Sander: Privacy-preserving spatiotemporal multicast for mobile information services. Ilmenau 2017.

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