AI-Security und AI-Safety

Einleitung

Der Hype um KI und große Sprachmodelle (LLMs) ist ungebrochen. Täglich erscheinen neue Modelle und Produkte, beflügelt durch Fortschritte in Forschung und Entwicklung. Dabei entstehen unweigerlich neue Fachbegriffe, sowohl zur Kategorisierung und Klassifizierung von Methoden und Ergebnissen, als auch mit dem Ziel einen neuen Begriff zu prägen und sich im Markt abzuheben.

Mit dabei sind AI-Safety und AI-Security, die häufig miteinander verwechselt, synonym verwendet oder auch bewusst vermischt werden. Um Marketing-Buzzwords von sachlichen Inhalten unterscheiden zu können, ist ein Verständnis dieser Begriffe jedoch wichtig, sowohl für Entscheidende als auch Anwendende. Die Problematik wird zusätzlich verstärkt durch die weit verbreitete pauschale Übersetzung der Wörter „safety“ und „security“ als „Sicherheit“. In der IT-Branche führt dies seit jeher zu Missverständnissen.

Es mag kleinlich klingen und hat auf den ersten Blick nicht direkt etwas mit KI zu tun, aber Begriffe leiten unsere Wahrnehmung und gerade diese Unterscheidung führt oft zu Verständnisschwierigkeiten oder gar fehlerhaften Regelungen. Um sich dessen bewusst zu werden, reicht es an typische Diskussionen bei Risikoanalysen oder die Definition von Sicherheitsmaßnahmen im Kontext von IT-Sicherheit zu denken. Beispielsweise könnte bei modernen und vernetzten medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern die Priorisierung von Sicherheitsmaßnahmen gegen unbefugten Zugriff (Security) zu Lasten der Zuverlässigkeit und sicheren Funktion (Safety) des Geräts gehen. AI-Security und AI-Safety sind ebenfalls von der Gefahr der Verwechslung und unscharfer Abgrenzung betroffen.

Dazu noch eine Warnung zum KI-Begriff – dieser wird im aktuellen Hype-Zyklus oft mit den großen Sprachmodellen oder zumindest generativer KI gleichgesetzt. Es gibt jedoch noch viele andere Arten von KI-Modellen. Das gesamte Forschungsfeld des Machine Learnings umfasst viel mehr als neuronale Netze. Diese Tatsache wird relevant, wenn es um konkrete Safety- und Security-Probleme von KI geht, von denen manche – aber längst nicht alle – spezifisch großen Sprachmodellen oder generativer KI zugeordnet sind.

Was sind AI-Security und AI-Safety?

Grundlegend arbeiten diverse Organisationen – sowohl staatlich als auch nicht-staatlich – daran, neue Begriffe mit allgemein anerkannten Definitionen zu versehen. Material dazu gibt es bspw. von internationalen Konsortien, der Cloud Security Alliance, NIST, Fraunhofer-Instituten, dem DLR und vielen mehr. Diese Ansätze sind in der Regel sinnvoll und gut gemeint, aber nicht immer übereinstimmend. Bis sich der aufgewirbelte Staub vom KI-Hype gelegt hat, besteht damit die Gefahr, dass sich unterschiedliche Definitionen im Sprachgebrauch etabliert haben.

Um sich in solchen Details nicht zu verlieren, können die Begriffe übergreifend wie folgt verstanden werden:

AI-Security: Wie bei klassischer IT-Security geht es um die Absicherung von KI-gestützten Anwendungen gegenüber bösartigen Akteuren. Die klassischen Schutzziele Verfügbarkeit, Vertraulichkeit und Integrität sind auch hier anwendbar. Diese beziehen sich sowohl auf die Trainingsdaten, die KI-Modelle selbst (welche größtenteils aus gigantischen Zahlen-Matrizen und einigen Metadaten bestehen), den Quelltext mit dem die Trainingsdaten aufbereitet und Modelle erzeugt werden sowie Ein- und Ausgaben von Benutzerinteraktionen. Wenn die KI externe Schnittstellen bedienen darf, gelten die Schutzziele auch für die Bedienung dieser Schnittstellen. AI-Security kann damit als Erweiterung der IT-Security verstanden werden und baut auf den gleichen Prinzipien und Methoden auf.

AI-Safety: AI-Safety dient dazu, ungewollte sowie unerwünschte und für Menschen direkt oder indirekt schädliche Auswirkungen durch die Nutzung von KI-Systemen zu verhindern. Das Konzept kann als eigenes Forschungsgebiet aufgefasst werden, welches zwar nicht neu ist, aber angefeuert durch den LLM-Hype stark an Bedeutung und damit einhergehender Aktivität gewonnen hat. Leider finden sich ausgerechnet hier die unterschiedlichsten Definitionen, die zum Teil AI-Security implizit abdecken oder gar beide Begriffe synonym verwenden. In vielen öffentlichen Beiträgen und Veröffentlichungen werden die Begriffe jedoch verwendet ohne diese zu definieren oder auf eine Referenz zu verweisen. Dabei wurde der Begriff selbst bereits 2011 von Roman Yampolskiy geprägt und 2015 im Artikel „Artificial Intelligence Safety and Cybersecurity“ treffend vereinfacht als „Safe Human Problem“ bezeichnet.

Die beiden Konzepte sind nicht disjunkt und unabhängig, sondern beeinflussen sich gegenseitig. Die Sicherstellung von AI-Safety bedingt, dass KI-gestützte Anwendungen sowohl gegenüber bösartigen Akteuren als auch ungewollten Aktivitäten abgesichert werden. Gleiches gilt übrigens auch für IT-Security und IT-/OT-Safety. Es gilt, dass die meisten Bedrohungen nicht auf die KI-Technologien selbst zielen, sondern auf die Applikationen und Plattformen, auf denen diese betrieben werden sowie die zum Training genutzten Daten. Direkte Angriffe auf KI-Technologien umfassen im Kontext von LLMs beispielsweise „Jailbreaking“. Dabei werden Instruktionen und vorgegebene Verhaltensweisen ausgehebelt, um das Modell z. B. zur Ausgabe von ethisch und rechtlich unerwünschten Inhalten zu veranlassen. Gegen diese Angriffsarten gibt es bisher wiederum keine zuverlässigen Sicherheitsmaßnahmen, da sie auf Eigenschaften basieren, die sich aus der grundlegenden Funktionsweise von LLMs bzw. neuronalen Netzen ergeben.

Probleme der AI-Safety

Die Probleme bzw. (je nach persönlicher Auffassung) auch Herausforderungen, denen wir bei AI-Safety gegenüberstehen, umfassen sowohl technische als auch ethische und philosophische Aspekte. Manche der Angriffe gegen KI-Systeme basieren auf den gleichen Eigenschaften von neuronalen Netzen, welche auch zu den unten beschriebenen Problemen führen. Dass es keine zuverlässigen Lösungen gibt, spielt Angreifern in die Hände und zeigt die Zusammenhänge zwischen AI-Safety und AI-Security. Daher ist es wichtig, diese Probleme zumindest oberflächlich zu kennen.

Alignment: Entsprechen die Verhaltensmuster bzw. Ausgaben eines KI-Modells den Wertevorstellungen der Menschheit oder (auch weniger dramatisch) den eigenen Unternehmensvorgaben? Zu diesem Problem gibt es eine Vielzahl an Gedankenexperimenten. Ein KI-Modell bekommt eine Aufgabe bzw. eine Zielstellung: „Löse die Energieprobleme der Menschheit“. Ohne sorgfältig und spezifisch zu beschreiben, wie dieses Ziel erreicht werden soll, denn dafür ist die KI schließlich da, ist aber nicht klar welche Mittel zum Erreichen des Ziels erlaubt sind. Existiert die Menschheit nicht mehr, gibt es auch keine Energieprobleme mehr. Das mag ein bekanntes plakatives Beispiel sein, deckt aber Alignment in seinen Grundzügen ab. Spielerisch verdeutlicht: Was macht eine vollkommen handlungsautonome KI mit der Aufgabe Büroklammern zu produzieren? Eventuell ist das Problem mit der richtigen Kombination aus Trainingsverfahren und Trainingsdaten behandelbar. Eine einfache Lösung gibt es dafür bisher jedoch nicht.

Bias: Wir wünschen uns von einer KI, dass diese neutral, faktenbasiert und vorurteilsfrei Ergebnisse erzeugt. Bezogen auf die sogenannten „Foundation Models“ (OpenAIs GPT-Familie, Anthropics Claude, Meta AIs Llama, Googles Gemini usw.), also Modelle, die ein grundlegendes Verständnis unserer Welt bzw. dem Wissen der Menschheit haben, ist das nicht möglich. Jeder Mensch besitzt ein inhärentes Bias, geprägt durch sein Umfeld und seine erlebten Erfahrungen, die sich wiederum von jedem anderen Menschen unterscheiden. Dieses Bias schlägt sich damit auch auf die Aufzeichnungen von Wissen oder kulturellen Werken nieder, die wiederum die Basis von Trainingsdaten darstellen. Entsprechend wird ein Bias den Modellen durch die Trainingsdaten beigebracht. Bias in Trainingsdaten zu finden und auszugleichen ist wiederum nicht trivial. Der Großteil der öffentlich bekannten Trainingsdaten ist bspw. auf Englisch und dadurch bereits durch die Sprache „vorbelastet“. Hinzu kommt, dass ein Bias relativ vom Betrachter ist. Befragt eine nutzende Person in Deutschland ChatGPT zu einem typischen Mittagessen einer Familie, erwartet er wahrscheinlich eine andere Beschreibung als eine Person in Südkorea. Eine für alle Nutzenden gleichermaßen korrekte Antwort gibt es nicht. Diese Beschreibung und Herleitung von Bias mag philosophisch klingen, die Auswirkungen in der Praxis sind jedoch sehr real.

Erklärbarkeit: Wie der Begriff andeutet, geht es dabei um das Verständnis und die Nachvollziehbarkeit der internen Entscheidungswege und Prozesse, die zum Ergebnis eines gewählten KI-Modells geführt haben. Dabei wird einem eine Kerneigenschaft von neuronalen Netzen, wozu LLMs gehören, zum Verhängnis: die Komplexität. Die hochdimensionalen und nichtlinearen Strukturen bzw. mathematischen Abläufe machen solch anspruchsvolle Aufgaben wie das Verständnis natürlicher Sprache überhaupt erst möglich. Genau diese Komplexität erschwert die Erklärbarkeit. Hier gibt es verhaltene Fortschritte in der Forschung, von einer generellen Lösung sind wir aber noch weit entfernt. Mit dabei ist ein kürzlich veröffentlichter Artikel von OpenAI, der die Herausforderung dieses Problems gut darstellt: „[…] neural networks are not designed directly; we instead design the algorithms that train them. The resulting networks are not well understood and cannot be easily decomposed into identifiable parts. This means we cannot reason about AI-Safety the same way we reason about something like car safety.“. Es lohnt sich im verlinkten Artikel einen genaueren Blick auf die „Limitations“ zu werfen.

Halluzination: Die Eigenart von LLMs, falsche Informationen als korrekte Fakten darzustellen, ist ebenfalls ein bekanntes Problem. Die KI-Modelle werden mit diversen Trainingsdaten aus verschiedensten Quellen trainiert. Selbst hochgradig kuratierte Datensätze enthalten Fakten (bspw. Wikipedia) gemischt mit Fiktion (bspw. Sci-Fi-Romane), anderenfalls wären die Modelle nicht so vielseitig einsetzbar. Auf mathematischer Ebene lernt das Modell lediglich, welche Begriffe und Konzepte häufig gemeinsam vorkommen und wählt die wahrscheinlichste Fortführung einer Text-Sequenz. Leider ist der Begriff „Halluzination“ ungünstig gewählt. Dieser bezieht sich eigentlich auf eine verzerrte bzw. falsche Wahrnehmung der Umwelt. Im Kontext von KI-Modellen liegt das Problem aber eher in falschen Aussagen und Ergebnissen, basierend auf falsch etablierten Zusammenhängen, für die es keine entsprechende Grundlage in den Trainingsdaten gibt. Vereinfacht gesagt handelt es sich um eine falsche Erinnerung, nicht eine falsche Wahrnehmung. Auf wissenschaftlicher Ebene wird daher der Begriff „Konfabulation“ bevorzugt – ausgeborgt aus der Psychopathologie.

Keines dieser Probleme lässt sich mit Tricks in der Softwareentwicklung oder zusätzlichen Werkzeugen auf einfachem Wege lösen. Deshalb sind sie weiterhin Gegenstand intensiver Forschung.

Bekannte Sicherheitsmaßnahmen und ihre Grenzen

Wesentlich mehr Kontrolle und Einfluss besteht hingegen bei typischen „Security“-Themen. Hier kommt der gesamte Baukasten von bekannten Sicherheitsmaßnahmen zum Tragen. KI-Produkte sind in der Praxis Software-Lösungen. Ob als Webanwendung, API-Schnittstelle oder native Desktop-Anwendung – es gibt etablierte Methoden zur Absicherung und entsprechende Möglichkeiten dies zu verifizieren. Gleiches gilt selbstverständlich für die Trainingsdaten. Wo kommen diese her? Wie werden sie aufbereitet? Wie sieht es mit Integritätssicherung aus? Das Signieren von Dokumenten, Source Code-Paketen und Applikationen beispielsweise ist etablierter Stand der Technik und sollte entsprechend auch für Modelle und Trainingsdaten umgesetzt werden.

Ähnlich sieht es auch die NSA, welche in der Veröffentlichung „Deploying AI Systems Securely“ schreibt: „AI systems are software systems“. Diese Aussage kann noch weiter gefasst werden. Wie im Research-Blog-Beitrag „LLMs sind auch nur (schützenswerte) Informationen“ beschrieben, sind LLMs bzw. KI-Software-Systeme im Allgemeinen letztlich auch „nur“ Informationen und auch als solche zu schützen und abzusichern. Als Leserübung: Ersetzen Sie in den Empfehlungen der NSA die Begriffe „AI model“ und „AI system“ durch „software“ oder „application“.

Ohne grundlegende Änderungen der Technologien von LLMs lassen sich hingegen KI-spezifische Angriffe wie bspw. Jailbreaking nicht zuverlässig verhindern. Produkte wie „AI-Firewalls“, die auf Basis von Schlüsselwörtern, Heuristiken oder sogar zusätzlichen Sprachmodellen die Ein- und Ausgabe ungewollter Inhalte verhindern sollen, sind bestenfalls Trostpflaster mit gutem Marketing. Statt das eigentliche Problem zu lösen, versuchen sie den ungewollten Eintritt zu erkennen und zu unterdrücken. Es ergibt sich ein endloser Kampf, um neue Nuancen und Varianten von ungewollten Inhalten abzufangen.

Sicherheitsuntersuchungen von KI – was steckt drin?

Bedingt durch den Hype gibt es jedoch den Wunsch nach einfachen Lösungen für den „sicheren“ Betrieb von KI-Anwendungen. Wie dargestellt, gehen jedoch die Meinungen, Definitionen und Auffassungen von „Sicherheit“ auseinander. Es gibt am Markt immer mehr Produkte und Dienstleistungen, die genau diese Lösungen mit Bezug auf AI-Safety versprechen und dafür einen breite Palette an Begrifflichkeiten verwenden.

Für Sicherheitsuntersuchungen wird dabei bspw. “Adversarial Testing” und „AI Red Teaming“ verwendet. Die Benennung ist nicht zufällig und stellt bewusst Assoziationen mit bekannten und etablierten Vorgehensweisen von Sicherheitsuntersuchungen dar. Was dabei konkret getan bzw. abgedeckt wird, ist stark unterschiedlich und sollte daher stets im Detail geprüft bzw. abgefragt werden. Dies kann die Eingabe und Entwicklung verschiedener Prompts sein, gegebenenfalls unter Einbezug von Domänen-Experten. So kann die Effektivität von etwaigen „Guardrails“ geprüft sowie das Modell hinsichtlich Bias und der Einhaltung ethischer Vorgaben untersucht werden. Weiterführend können aber auch konkrete Methoden des maschinellen Lernens (mit oder ohne direkten Zugriff auf das Modell, vergleichbar mit Black-Box und White-Box-Tests) angewendet werden, um unerwünschte Verhaltensweisen gezielter als über manuelle Texteingaben bzw. starre Benchmarks zu ermitteln. Darüber hinaus können auch klassische Schwachstellen-Scans, Web- und Infrastruktur-Penetrationstests sowie Code-Audits mit einbezogen werden. Aus dieser breiten Mischung sollte erkenntlich sein, dass die Grenzen zwischen AI-Security und AI-Safety fließend sind und die Begriffe allein noch keinen vollumfänglichen Aufschluss geben, was damit gemeint ist. Dadurch aufkommende Missverständnisse können sowohl für Auftragnehmende als auch Auftraggebende negative Folgen haben. Entsprechend sollte vorab ein genaues gemeinsames Verständnis sichergestellt werden.

Ausblick

In den kommenden Jahren werden sich Standards und Frameworks zur Sicherheitsuntersuchung von KI-Modellen etablieren. Es ist zu hoffen, dass dadurch ein einheitlicheres Verständnis der Begriffe AI-Security und AI-Safety, der zugehörigen Probleme sowie der damit einhergehenden Sicherheitsmaßnahmen entsteht. Bis dahin soll dieser Beitrag nützliche Informationen zum Verständnis und zur besseren Einordnung der Begrifflichkeiten rund um „KI-Sicherheit“ vermitteln.