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Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

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  1. Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: DrIchWeißEsBesser 16.08.19 - 14:13

    Ich lese immer, dass es kompliziert ist, aber kann man nicht den Teil der CPU, der für die Erzeugung von Zufallszahlen zuständig ist, absichtlich "fehlerhaft" konstruieren?

    Mit fehlerhaft meine ich einen Algorithmus in Hardware gießen und diesen Hardwareabschnitt unter höhere Spannung setzten, so dass elektronische Anomalien wie das Überspringen/Durchschlagen von Elektronen zwischen den Leitungen provoziert wird. Das Ergebnis, das dabei hinten rauskommt, wäre dann nicht reproduzierbar und würde damit einer echten Zufallszahl entsprechen, oder?



    2 mal bearbeitet, zuletzt am 16.08.19 14:14 durch DrIchWeißEsBesser.

  2. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Geistesgegenwart 16.08.19 - 14:22

    DrIchWeißEsBesser schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Mit fehlerhaft meine ich einen Algorithmus in Hardware gießen und diesen
    > Hardwareabschnitt unter höhere Spannung setzten, so dass elektronische
    > Anomalien wie das Überspringen/Durchschlagen von Elektronen zwischen den
    > Leitungen provoziert wird. Das Ergebnis, das dabei hinten rauskommt, wäre
    > dann nicht reproduzierbar und würde damit einer echten Zufallszahl
    > entsprechen, oder?

    Naja "übertakten" muss man da nicht. Aber es gibt CPUs, ich meine sogar Intel, die verwenden u.a. (neben vielen anderen Entropiequellen) thermische Differenzen innerhalb der CPU.

  3. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: showdogg 16.08.19 - 14:40

    DrIchWeißEsBesser schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Das Ergebnis, das dabei hinten rauskommt, wäre
    > dann nicht reproduzierbar und würde damit einer echten Zufallszahl
    > entsprechen, oder?

    Das Ergebnis wäre vielleicht nicht eindeutig vorhersehbar - aber ich hätte die Befürchtung, dass bestimmte Muster in den Ergebnissen häufiger auftreten als andere, also der Zufall leidet.

    sd

  4. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: bummelbär 16.08.19 - 14:52

    Vielleicht ist Zufall "erzeugen" schon ein Widerspruch in sich und da es keine brauchbare Lösung gibt, baut man halt immer neue halbwegs brauchbare. So gibt es nicht nur eine die eigentlich keine ist, sondern viele die keine sind.

    Die von AMD ist eigentlich fast schon gut. Mal geht sie und mal nicht. Ist doch ne schöne zufällige Sache. Jetzt müsste man das nur noch nutzen können. ;-)

  5. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Agina 16.08.19 - 14:58

    DrIchWeißEsBesser schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Ich lese immer, dass es kompliziert ist, aber kann man nicht den Teil der
    > CPU, der für die Erzeugung von Zufallszahlen zuständig ist, absichtlich
    > "fehlerhaft" konstruieren?
    >
    > Mit fehlerhaft meine ich einen Algorithmus in Hardware gießen und diesen
    > Hardwareabschnitt unter höhere Spannung setzten, so dass elektronische
    > Anomalien wie das Überspringen/Durchschlagen von Elektronen zwischen den
    > Leitungen provoziert wird. Das Ergebnis, das dabei hinten rauskommt, wäre
    > dann nicht reproduzierbar und würde damit einer echten Zufallszahl
    > entsprechen, oder?
    Das Problem dabei ist, wenn sich dann zeigt, dass die Hardwarerevsion XY nur 4 Punkte hat, wo diese "Überspannung" überspringt, wäre der Zufall dann auch wieder kaputt.
    Es reicht ja nicht, dass hinten eine "nicht reproduzierbare" Zahl rauskommt, sondern dass die Zahlen wirklich zufällig sind. Wenn dir die CPU immer nur die 3, die 6, die 7 und die 18, auch wenn nicht reproduzierbar, ausspuckt hat sich bei möglichen 20 Zahlen der Zufall von 1/20 zu 1/4 verschlechtert wodurch dann der darauf basierende Schlüssel nicht mehr 1.000.000 Tage braucht um berechnet zu werden sondern nur noch 200.000 Tage. Beides wäre zwar derzeit sicher aber wenn dann noch weitere Lücken hinzukommen ist man irgendwann bei 1.000 Tagen und dann werden die CPUs/GPUs immer schneller und dann gilt es irgendwann als knackbar.

    Wenn du eine Zahlenmenge von 20 hast, muss bei einer bestimmten Anzahl an Versuchen halt jede Zahl quasi genau zu 1/20 rausgekommen sein. Wenn eine Zahl dann "nur" 1/25 kam aber andere zu 1/15, ist irgendwas falsch und die Sicherheit ist herabgesetzt.

  6. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Geistesgegenwart 16.08.19 - 15:02

    Agina schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Wenn du eine Zahlenmenge von 20 hast, muss bei einer bestimmten Anzahl an
    > Versuchen halt jede Zahl quasi genau zu 1/20 rausgekommen sein. Wenn eine
    > Zahl dann "nur" 1/25 kam aber andere zu 1/15, ist irgendwas falsch und die
    > Sicherheit ist herabgesetzt.

    Das tun sogar die (cryptografisch ungeeigneten) Linear Congruential Generator (LCG). Tatsächlich ist auch die Verbundwahrscheinlichkeit wichtig. Also z.B. auf eine 5 muss auch mit einer wahrscheinlichkeit von 1/20 jede andere Zahl folgen. Hier offenbaren sich in den meisten Pseudozufallszahlengeneratoren schwächen.

    Nicht vergessen, was der Computer erzeugt heisst "Pseudozufallszahl" und eben nicht Zufallszahl. Hierfür bräuchte man ganz andere Entropiequellen. Fun Fact am Rande: Cloudflare setzt eine Wand aus Lavalampen ein die mittels Kameras abgefilmt werden, um Entropie zu erzeugen. Also um in der Lage zu sein, "bessere" Zufallszahlen zu generieren: https://blog.cloudflare.com/lavarand-in-production-the-nitty-gritty-technical-details/



    1 mal bearbeitet, zuletzt am 16.08.19 15:03 durch Geistesgegenwart.

  7. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Kleba 16.08.19 - 15:21

    Geistesgegenwart schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Fun Fact am Rande: Cloudflare setzt eine Wand aus Lavalampen ein die
    > mittels Kameras abgefilmt werden, um Entropie zu erzeugen. Also um in der
    > Lage zu sein, "bessere" Zufallszahlen zu generieren: blog.cloudflare.com

    Witzig! Hab mir den Beitrag gerade durchgelesen. Aber keine schlechte Idee für eine weitere Entropiestufe.

  8. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: yumiko 16.08.19 - 15:42

    Kleba schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Geistesgegenwart schrieb:
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    > > Fun Fact am Rande: Cloudflare setzt eine Wand aus Lavalampen ein die
    > > mittels Kameras abgefilmt werden, um Entropie zu erzeugen. Also um in
    > der
    > > Lage zu sein, "bessere" Zufallszahlen zu generieren: blog.cloudflare.com
    >
    > Witzig! Hab mir den Beitrag gerade durchgelesen. Aber keine schlechte Idee
    > für eine weitere Entropiestufe.

    Tatsächlich sind Lavalampen eine gängige Lösung für echte Zufallszahlen in der IT.
    Vermutlich aber deswegen, weil die so gut untersucht wurde. Man weiß also: funktioniert.
    Bei anderen Methoden müsste man erst selbst forschen.

  9. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Agina 16.08.19 - 15:52

    yumiko schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Kleba schrieb:
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    > > Geistesgegenwart schrieb:
    > >
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    > > > Fun Fact am Rande: Cloudflare setzt eine Wand aus Lavalampen ein die
    > > > mittels Kameras abgefilmt werden, um Entropie zu erzeugen. Also um in
    > > der
    > > > Lage zu sein, "bessere" Zufallszahlen zu generieren:
    > blog.cloudflare.com
    > >
    > > Witzig! Hab mir den Beitrag gerade durchgelesen. Aber keine schlechte
    > Idee
    > > für eine weitere Entropiestufe.
    >
    > Tatsächlich sind Lavalampen eine gängige Lösung für echte Zufallszahlen in
    > der IT.
    > Vermutlich aber deswegen, weil die so gut untersucht wurde. Man weiß also:
    > funktioniert.
    > Bei anderen Methoden müsste man erst selbst forschen.
    Nein, sie sind evtl. ein Teil um mehr Zufall hinzuzufügen aber als alleinige Lösungen taugt das Ding nicht als Zufallszahlgenerator. Dafür ist es viel zu berechenbar. Vor allem viele Zahlen in Kurzer Zeit sind damit komplett Grütze. Wenn man nur einmal am Tag eine Zufallszahl braucht, mag es brauchbar sein.

  10. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Eheran 16.08.19 - 17:44

    >Dafür ist es viel zu berechenbar.
    Na dann zeig mal. Also nicht nur irgendeine beliebige Animation oder Lavalampe, sondern eine Lavalampe neben der Modelllampe - und beide verhalten sich ausgehen vom Start gleich. Ausgeschlossen.

  11. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: x2k 17.08.19 - 00:10

    Man könnte ja auch per CPU zufallszahl einen Fernsehsender heraussuchen und dann echte zahlen mit dem Datenstrom generieren den man da Grade empfängt. Ist vermutlich steomsparender als lavalampen zu Filmen.

    Mal nebenbei bekommt man bei der CPU basierten Funktion einfach nur eine zahl wenn man die Funktion aufruft oder deffiniert man vorher einen Bereich in dem sich die Zahl bewegen soll?

  12. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: freddx12 17.08.19 - 08:14

    Agina schrieb:
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    > yumiko schrieb:
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    > > Kleba schrieb:
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    > > > Geistesgegenwart schrieb:
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    > > > > Fun Fact am Rande: Cloudflare setzt eine Wand aus Lavalampen ein die
    > > > > mittels Kameras abgefilmt werden, um Entropie zu erzeugen. Also um
    > in
    > > > der
    > > > > Lage zu sein, "bessere" Zufallszahlen zu generieren:
    > > blog.cloudflare.com
    > > >
    > > > Witzig! Hab mir den Beitrag gerade durchgelesen. Aber keine schlechte
    > > Idee
    > > > für eine weitere Entropiestufe.
    > >
    > > Tatsächlich sind Lavalampen eine gängige Lösung für echte Zufallszahlen
    > in
    > > der IT.
    > > Vermutlich aber deswegen, weil die so gut untersucht wurde. Man weiß
    > also:
    > > funktioniert.
    > > Bei anderen Methoden müsste man erst selbst forschen.
    > Nein, sie sind evtl. ein Teil um mehr Zufall hinzuzufügen aber als
    > alleinige Lösungen taugt das Ding nicht als Zufallszahlgenerator. Dafür ist
    > es viel zu berechenbar. Vor allem viele Zahlen in Kurzer Zeit sind damit
    > komplett Grütze. Wenn man nur einmal am Tag eine Zufallszahl braucht, mag
    > es brauchbar sein.

    Die Lavalampen verändern sich ständig unf unberechenbar. Anhand der Pixel bzw der Farbwerte der Pixel der Kamerabilder werden Zufallszahlen berechnet. Das ist absolut random und taugt definitiv

  13. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Geistesgegenwart 17.08.19 - 08:37

    x2k schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Man könnte ja auch per CPU zufallszahl einen Fernsehsender heraussuchen und
    > dann echte zahlen mit dem Datenstrom generieren den man da Grade empfängt.
    > Ist vermutlich steomsparender als lavalampen zu Filmen.
    >
    > Mal nebenbei bekommt man bei der CPU basierten Funktion einfach nur eine
    > zahl wenn man die Funktion aufruft oder deffiniert man vorher einen Bereich
    > in dem sich die Zahl bewegen soll?

    Ähm - wenn du meinst, über eine TV Karte (egal ob analog oder DVB-T) ein Fernsehsender zu empfangen ist das unsinn, weil jeder andere (gerade bei DVB-T) den exakt gleichen Bitstrom empfangen kann. Die Zahlen wären also vorhersehbar. SElbst ein analoges Signal das bei jedem Empfang ein rauschen hat, wäre ungeeignet weil zumindest 80-90% des Datenstroms rekonstruierbar ist (sowas reicht oft für Seitenkanalangriffe auf Zufallszahlen).

    Aber ja, es gibt Ansätze einfach das weiße Rauschen aus der Atmosphäre zu verwenden bei TV Karten, oder aber eine zugeklappte Webcam und das Rauschen des Bildsensonrs zu verwenden. Problematisch ist dass das "rauschen" hier durch Hardwareeigenschaften wieder charakterisiert wird. Hat man z.B. von der Webcam ein Bild, kann man das Rauschen wieder zu gut nachstellen.

  14. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: minora 17.08.19 - 09:36

    @Geistesgegenwart, nur am Rande: gibt auch cryptografisch sichere (CS)PRNGs. ChaCha mit 20 Runden wäre so einer.
    C++ Implementierung: gist.github.com/imneme/f0fe8877e4deb3f6b9200a17c18bf155

  15. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Geistesgegenwart 17.08.19 - 11:14

    minora schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > @Geistesgegenwart, nur am Rande: gibt auch cryptografisch sichere
    > (CS)PRNGs. ChaCha mit 20 Runden wäre so einer.
    > C++ Implementierung:
    > gist.github.com/imneme/f0fe8877e4deb3f6b9200a17c18bf155

    Natürlich gibt es die, aber jeder (CS)PRNGs ist nur sicher wenn du ihn auch mit Entropie fütterst. Wenn du keine Entropiequelle hast (oder die Entropie aus der Quelle gering ist) ist jeder PRNGs dazu verdammt vorhersagbare Zahlen zu liefern.

  16. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Bonita.M 17.08.19 - 11:27

    > ...Cloudflare setzt eine Wand aus Lavalampen ein die mittels Kameras
    > abgefilmt werden, um Entropie zu erzeugen. Also um in der Lage zu sein,
    > "bessere" Zufallszahlen zu generieren: blog.cloudflare.com

    Naja, das ist wohl eher ein Marketing-Gag. Die Bewegungen der Flüssigkeiten in dem Lampen sind so langsam, dass die dem Bedarf an Entropie-Geschwindigkeit sicher nicht entsprechen. Daher setzen die das als zusätzliche Entropie-Quelle ein.

  17. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: mifritscher 19.08.19 - 08:50

    Oft wird thermisches Rauschen an einer Diode verwendet - das produziert ganz guten Zufall und ist recht einfach zu handeln. Das Problem bei diesen CPUs war anscheinend, dass der Zufallszahlengenerator nach Standby/Suspend nicht richtig initialisiert wurde, und er sagte, dass alles ok sei, aber nur -1 (Vermutlich: Alle bits gesetzt) rauskam.

  18. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: Wiki-Nger 19.08.19 - 11:51

    Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Zufall auf Hardwareebene zu erzeugen. Mit Zufall ist hier gemeint, dass aus Sicht der Quantenphysik keine genau genug messbaren lokalen Variablen existieren, die eine Vorhersage ermöglichen würden. Der Punkt ist, dass man Zufall nicht beweisen kann, aber man konnte mit quantenmechanischen Experimenten ausschließen, dass es "versteckte" lokale Variablen gibt, die das Ergebnis beeinflussen, wobei nicht-lokale Variablen definitionsgemäß überlichtschnelle Kommunikation voraussetzen, was wiederum aus Sicht der Relativitätstheorie problematisch sein kann.

    Lange Rede, kurzer Sinn, hier sind einige praktische Möglichkeiten:

    – radioaktiver Zerfall – abgesehen vom fragwürdigen Einsatz radioaktiver Materialien würde ein solches Gerät auch relativ sperrig ausfallen
    – IR-Strahlung: Wann genau Teilchen die durch Brownsche Molekularbewegung angeregt sind, ein IR-Photon "abschießen" ist praktisch unvorhersehbar. Man müsste zumindest die exakte Position und Geschwindigkeit der Teilchen zum Zeitpunkt X kennen, aber das ist unmöglich wegen Heisenbergs Unschärferelation, ganz abgesehen davon, dass die Teilchen sich selbst in der Quantenmechanik auch noch zufällig verhalten können.
    – Z-Diode: Das ist ein Diodentyp der üblicherweise bewusst in Sperrrichtung betrieben wird. Diese Dioden ertragen beschädigungsfrei das Erreichen der Durchbruchspannung, solange die Stromstärke durch z.B. einen geeigneten Widerstand begrenzt wird. Der Clou ist, dass, wenn man gerade so die Durchbruchspannung anlegt, es zufällig ist, ob die Diode leitfähig wird oder nicht. Das beruht u.a. auf dem "Lawineneffekt", wo vereinfacht gesagt ein einzelnes Teilchen im Bereich der Durchbruchspannung ein Elektron befördern kann, was dazu führen kann, dass andere Teilchen ebenfalls leitfähig werden usw. Wenn man dann noch einen Kondensator einbaut, so dass die Diode automatisch in den nicht leitfähigen Zustand zurückkehrt, kann man damit hochwertiges "weißes Rauschen" erzeugen. Man kann für digitale Zwecke z.B. die zeitlichen Abstände zwischen einzelnen "Lawinen" mit einer präzisen Uhr messen, und anhand der erwarteten statistischen Verteilung auf eine Gleichverteilung normalisieren.

    Meine Vermutung ist, dass die Z-Diode am einfachsten in einen CPU-Chip integrierbar ist (muss auch nicht zwingend auf dem Die sein), aber ich bin auch kein Mikroelektronik-Experte…

  19. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: netzwerkadmin 19.08.19 - 15:02

    DrIchWeißEsBesser schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Ich lese immer, dass es kompliziert ist, aber kann man nicht den Teil der
    > CPU, der für die Erzeugung von Zufallszahlen zuständig ist, absichtlich
    > "fehlerhaft" konstruieren?
    >
    > Mit fehlerhaft meine ich einen Algorithmus in Hardware gießen und diesen
    > Hardwareabschnitt unter höhere Spannung setzten, so dass elektronische
    > Anomalien wie das Überspringen/Durchschlagen von Elektronen zwischen den
    > Leitungen provoziert wird. Das Ergebnis, das dabei hinten rauskommt, wäre
    > dann nicht reproduzierbar und würde damit einer echten Zufallszahl
    > entsprechen, oder?

    Überspringen/Durchschlagen klingt nach echt langlebiger Hadrware die du gerne hättest....

    Abgesehen davon muss es nicht nur nicht reproduzierbar sein sondern auch einen entsprechenden Range haben, wenn du nur 1-10 raus bekommst und das ganz zufällig verteilt ist ist das zwar Zufall aber kryptografisch unbrauchbar genauso wie du keine zu grossen Häufungen haben solltest

    Kryptografisch sichere Zufallszahlen zu erzeuegn ist deswegen so schwer weil Maschinen nicth dafür ausgelegt sind und speziell zur Bootzeit auch kein grundrauschen existiert im System, später dann ist es kein problem mehr alle möglichen Schaltzustände mir xor zu verknüpfen und so ziemlich sicher nicht vorhersagbare Zahlen zu bekommen

  20. Re: Wieso ist die Erzeugung von echten Zufallszahlen auf Hardwareebene kompliziert?

    Autor: mifritscher 19.08.19 - 18:22

    Das ist v.a. bei virtuellen Maschinen ein Problem, die keinen ausreichenden Zugang zur "Physik" außenrum haben.

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