Aus dem Labor: Informationstechnologie

Töte die Bots!
Software vereitelt böswillige Hacker

Kontext: Die als Würmer bekannten bösartigen Computerprogramme infizieren täglich mehr als 30.000 neue Computer. Unbemerkt von ihren Besitzern befolgen die kompromittierten Maschinen beispielsweise den Befehl, Spam zu versenden oder auf bestimmte Websites zuzugreifen. Wenn genügend dieser sogenannten Zombie-Maschinen gleichzeitig einen bestimmten Webserver kontaktieren, können sie diesen außer Betrieb setzen. Professionelle Hacker haben die Bedrohung durch solche verteilten Denial-of-Service-Angriffe genutzt, um Geld von Unternehmen zu erpressen. Im vergangenen Jahr wurde der Geschäftsführer eines Unternehmens angeklagt, Hacker dafür bezahlt zu haben, Zombies einzusetzen, um die Websites von Wettbewerbern zu zerstören. Die Zombies umgehen die Abwehr eines Webservers, indem sie sich als legitime Benutzer tarnen und dann den Zugriff auf den Server blockieren, indem sie nicht nur seine Netzwerkbandbreite, sondern auch seine CPU, Arbeitsspeicher, Festplattenspeicher und Datenbankressourcen überlasten. Jetzt haben Forscher des MIT, der Princeton University und Akamai Technologies unter der Leitung von Dina Katabi Kill-Bots entwickelt, ein cleveres, einfaches und kostengünstiges Mittel, um Freund von Feind zu unterscheiden. Im Gegensatz zu anderen Produkten weist es die Systemressourcen eines Servers erst dann zu, wenn ein Benutzer als legitim bestätigt wurde.

Ende des Moores Law

10 neue Technologien

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 2005



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Methoden und Ergebnisse: Kill-Bots, eine Software-Modifikation des Betriebssystems eines Servers, greifen immer dann ein, wenn eine Website vom Verkehr überflutet zu werden droht. Die Software fordert die Anforderer auf, ein einfaches grafisches Rätsel zu lösen, bevor sie Zugriff auf Serverressourcen wie Pufferspeicher gewährt. Menschen können diese Rätsel leicht lösen; Zombies können das überhaupt nicht. Adressen, die wiederholt den Zugriff auf die Site anfordern, ohne das Rätsel zu lösen, werden automatisch auf die schwarze Liste gesetzt. Wenn die Last auf dem Webserver abnimmt, stellt er die Ausgabe von Rätseln ein und akzeptiert Anfragen von nicht auf der Blacklist aufgeführten Adressen, sodass auch echte Benutzer, die das Rätsel nicht gelöst haben, Zugriff erhalten.
In Experimenten hat ein Kill-Bots-geschützter Webserver erfolgreich fünfmal so viele Zugriffe ertragen wie ein ungeschützter Webserver. Nicht nur der Webserver blieb online, sondern geschützte Websites behielten auch auf dem Höhepunkt des Angriffs schnelle Reaktionszeiten bei.

Warum es wichtig ist: Sorgen über verteilte Denial-of-Service-Angriffe machen sich breit. Die meisten Abwehrmechanismen von Webservern verwenden Authentifizierungsverfahren, die leicht überlistet werden können und von replizierten Inhalten, mehreren CPUs und zusätzlicher Bandbreite abhängen, die alle Geld kosten. Kill-Bots ist viel billiger und kann einfach eingesetzt werden; Es erfordert keine Änderungen in den Webbrowsern der Benutzer und funktioniert mit der sehr großen Anzahl von Webservern, auf denen Linux ausgeführt wird. Obwohl Kill-Bots legitime Benutzer gelegentlich fälschlicherweise als Zombies einstufen, ermöglicht es, angegriffene Websites verfügbar zu bleiben, und verspricht so, das Web für Geschäfte offen zu halten, während es Dieben und Vandalen den Weg versperrt.

Quelle: Kandula, S., et al. 2005. Botz-4-Sale: Überlebende organisierter DDoS-Angriffe, die Flash-Massen nachahmen. Vortrag auf dem 2. Symposium über Design und Implementierung vernetzter Systeme. 2.–4. Mai. Boston, MA.

Entthronung des Transistors
Ein neuer molekularer Logikschalter

Kontext: Die Begriffe Halbleiter und Computer sind ineinander verwoben; Eine bessere Halbleiterfertigung hat es ermöglicht, jedes Jahr Chips mit kleineren und schnelleren Schaltungen auf den Markt zu bringen. Aber in einem Jahrzehnt kann die Miniaturisierung von Siliziumtransistoren physikalische Grenzen erreichen, die weitere Verbesserungen verhindern. Also haben Ingenieure von Hewlett-Packard ein molekulares Gerät entwickelt, das das Herz des Computers der Zukunft sein könnte.

Methoden und Ergebnisse: Die von Phil Kuekes und seinen HP-Kollegen vorgeschlagenen Schaltungen basieren auf einer Kreuzschiene: einer Anordnung gekreuzter Metalldrähte, die durch eine einzelne Molekülschicht getrennt sind. Wie ein Transistor kann eine Kreuzschiene zwischen einem hoch- und niedrigleitenden Zustand geschaltet werden, um Informationen zu speichern. Kuekes zeigt, wie man Crossbars so verbindet, dass sie nicht nur Daten speichern, sondern auch verrauschte Daten wiederherstellen und eine logische Operation namens Inversion anwenden, die Binärwerte vertauscht 0 s für eins s und eins s für 0 S. Die Kreuzschienen können mit anderen Komponenten verbunden werden, um die gesamte Logikfamilie zu erzeugen, die für die Berechnung benötigt wird. Die Forscher müssen noch alle diese Fähigkeiten in einem eigenständigen Computergerät kombinieren, und sie haben noch keinen Weg gefunden, molekulare Übergänge herzustellen, die Zustände schnell und zuverlässig genug umschalten, um mit Siliziumtransistoren zu konkurrieren. Dennoch haben sie zum ersten Mal gezeigt, dass Crossbars alle Funktionen erfüllen können, die Transistoren ausführen können.

Warum es wichtig ist: Die HP-Forscher haben den Weg zu einem Computerchip ohne konventionelle Transistoren geebnet. Das Verfahren zur Herstellung ihrer Crossbars ist kostengünstig und könnte im Prinzip zu Logikelementen führen, die noch kleiner sind als diejenigen, die aus den fortschrittlichsten Siliziumtransistoren bestehen, was schnellere und effizientere Computerchips ermöglichen würde. Aber selbst wenn die Leistung und Zuverlässigkeit von Crossbars die von Transistoren übertrifft, fehlt ihnen möglicherweise immer noch die Kraft, um mit der etablierten Halbleiterindustrie zu konkurrieren. Crossbars können stattdessen ihre ersten Anwendungen anderswo finden, beispielsweise in flexiblen Logikgeräten oder Displays.

Quelle: Kuekes, P.J., D.R. Stewart und R.S. Williams. 2005. Der Crossbar-Latch: Logikwertspeicherung, Wiederherstellung und Inversion in Crossbar-Schaltungen. Zeitschrift für Angewandte Physik 97: 034301.

Helleres Silizium
Auf dem Weg zu effizienteren optischen Geräten

Kontext: Silizium ist gut darin, Elektronen um Chips herumzutransportieren, aber viel schlechter als die meisten anderen Halbleiter bei der Manipulation von Licht. Dieser Mangel hat dazu geführt, dass optische Chips, die Informationen effizienter übertragen als elektrische Chips, von einer breiteren Verwendung abgehalten wurden. Silizium-Nanokristalle, einige wenige Siliziumatome, die mit einer Oxidschicht bedeckt sind, emittieren Licht effizienter als Bulk-Silizium, aber Bauelemente, in die sie eingebaut sind, verschleißen schnell und sind für die meisten Anwendungen immer noch zu ineffizient. Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Harry Atwater von Caltech die Fähigkeit von Silizium verbessert, Licht zu emittieren, was einer Branche Auftrieb gibt, die nach neuen Wegen zur Herstellung schnellerer Chips sucht.

Methoden und Ergebnisse: In einer herkömmlichen Leuchtdiode (LED) treffen Elektronen, die durch einen halbleitenden Kristall wandern, auf Elektronenlöcher – oder Lücken, die durch fehlende Elektronen im Kristall hinterlassen werden – und verlieren Energie, die als Licht emittiert wird. Dieser Ansatz funktioniert jedoch nicht gut bei Silizium-Nanokristall-LEDs, bei denen Elektronen, die sich zu den Löchern bewegen, mit Atomen im Kristall kollidieren und sie verdrängen können, was die Leistung beeinträchtigt.
Frühere Silizium-LEDs verwendeten separate Elektroden, um Löcher und Elektronen in Silizium-Nanokristalle zu injizieren. Aber Atwater und Kollegen fanden heraus, wie man beides über eine einzige Elektrode injiziert. In ihrem Gerät sitzt eine dünne Schicht aus Silizium-Nanokristallen auf einer Elektrode, die abwechselnd Elektronen und Löcher hinzufügt. Dies verhindert, dass Elektronen heftig über den Kristall schießen und ihn beschädigen. Durch die Eliminierung eines der Eintritts- und Austrittspunkte für Elektronen hat die Caltech-Gruppe außerdem Geräte hergestellt, die einfacher herzustellen sind und eine konsistentere Leistung aufweisen.

Warum es wichtig ist: Die neue LED kann mit Standardgeräten gebaut werden, die in eine Chip-Fertigungslinie integriert werden könnten. Seine Leistung ist jedoch immer noch niedrig genug, um seine Verwendung einzuschränken. Um die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Siliziumchips zu verbessern, müsste die LED schneller ein- und ausschalten; um in einem Display von Nutzen zu sein, müsste es weniger Strom verbrauchen. Nichtsdestotrotz hat die Halbleiterindustrie viel Übung darin, die Leistung von Siliziumchips zu verbessern. Die Probleme von Geschwindigkeit und Kraft dürfen nicht lange ungelöst bleiben.

Quelle: Walters, R.J., G.I. Bourianoff und H.A. Atwater. 2005. Feldeffekt-Elektrolumineszenz in Silizium-Nanokristallen. Naturmaterialien 4: 143-146.

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