DE10254396A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verschlüsseln von Daten - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Verschlüsseln von Daten

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verschlüsseln von Daten zwischen einem Prozessor (10) und einem Speicher (20) angegeben, bei denen unnötige Schreibvorgänge durch Wiederverschlüsselung vermieden sind, wodurch der Energieverbrauch gesenkt wird. Bei einem Schreibvorgang wird ein Index (IND), der anzeigt, welcher von mehreren geheimen Schlüsseln zur Datenverschlüsselung verwendet wird, in einem Schlüsselzustandsspeicher (22), der ein spezieller Speicherbereich ist, aufgezeichnet, und beim Lesen von Daten wird dieser im Schlüsselzustandsspeicher abgespeicherte Index gelesen und zur Entschlüsselung verwendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschlüsseln von Daten, die zwischen einem Prozessor und einem Speicher angewandt werden.
  • Verschlüsselungssysteme dienen dazu, ein System im Inneren gegen Angriffe von außen zu schützen. Zum Beispiel ist es in der derzeitigen Informationsgesellschaft, in der intelligente Karten in weitem Umfang verteilt sind, wesentlich, persönliche Information und Bankkonteninformation von Benutzern, wie sie in den intelligenten Karten gespeichert sind, zu schützen. Da derartige Information nach einem speziellen Operationsprozess in einen vorbestimmten Speicher eingespeichert wird, kann derselbe das Angriffsziel externen Angreifer bilden.
  • Bei zwischen einem Prozessor und einem Speicher verwendeten Datenverschlüsselungsverfahren wurden ein Speicher-Verwürfelungsverfahren, ein Bus-Verwürfelungsverfahren und ein Verfahren mit dynamischer Verschlüsselung verwendet.
  • Beim Speicher-Verwürfelungsverfahren wird, wenn Daten in einen Speicher eingespeichert werden, die Speicherposition für die Daten dadurch geändert, dass eine durch einen bestimmten Algorithmus veränderte Adresse anstelle der ursprünglichen Adresse verwendet wird. Demgemäß können externe Angreifer den Speicherinhalt nicht erfassen.
  • Beim Bus-Verwürfelungsverfahren werden Busse zwischen einem Prozessor und einem Speicher nicht sequenziell ausgerichtet. Selbst wenn externe Angreifer die Busse anzapfen, können sie den Businhalt nicht entschlüsseln.
  • Da jedoch die oben genannten Verfahren beim Chipdesign statisch festgelegt werden, können Daten durch empirische Vorgehensweise von Angreifern angezapft werden. Um gegenüber derartigen statischen Verwürfelungsverfahren eine Verbesserung zu erzielen, wurde im US-Patent Nr. 5,987,572 ein dynamisches Verschlüsselungsverfahren vorgeschlagen.
  • Beim dynamischen Verschlüsselungsverfahren wird Wiederverschlüsselung verwendet. Während keine Speicherzugriffsanforderung vorliegt, werden Daten entsprechend einer Spezifizierung durch einen Zeiger aus einem Speicher ausgelesen, unter Verwendung eines ersten geheimen Schlüssels entschlüsselt, unter Verwendung eines zweiten geheimen Schlüssels verschlüsselt und dann wieder gemäß der Spezifizierung durch den Zeiger in den Speicher eingeschrieben. Beim dynamischen Verschlüsselungsverfahren werden also Daten im durch einen Zeiger spezifizierten Speicherbereich unter Verwendung zweier verschiedener geheimer Schlüssel verschlüsselt.
  • Hierbei hält der Wiederverschlüsselungsprozess, wie er ausgeführt wird, um Information eines geheimen Schlüssels zu erneuern, wenn keine Speicherzugriffsanforderung erzeugt wird, lediglich die Datenverschlüsselung aufrecht. Daher wird bei einem vom Prozessor ausgeführten Datenverschlüsselungsvorgang keine Wiederverschlüsselung benötigt.
  • Bei EEPROMs, wie sie üblicherweise bei intelligenten Karten verwendet werden, besteht eine beschränkte Anzahl von Schreibvorgängen. Durch überflüssige Wiederverschlüsselungen wird die Lebensdauer derartiger Karten verkürzt. Außerdem wird der Energieverbrauch von Chips durch häufige Wiederverschlüsselung erhöht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verschlüsselung von Daten zu schaffen, bei denen Speicherschreiboperationen aufgrund überflüssiger Verschlüsselung bei dynamischer Datenverschlüsselung zwischen einem Prozessor und einem Speicher vermieden sind.
  • Diese Aufgabe ist hinsichtlich der Vorrichtung durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 8 gelöst.
  • Beim Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird zur Datenverschlüsselung in einem speziellen Speicherbereich eines Speichers beim Einschreiben von Daten ein Index aufgezeichnet, der anzeigt, welcher von mehreren geheimen Schlüsseln verwendet wurde, und beim Lesen verschlüsselter Daten wird der gespeicherte Index gelesen und zur Entschlüsselung verwendet.
  • Wenn die Erfindung bei EEPROMs angewandt wird, kann deren Lebensdauer verlängert werden, da weniger Umschreibvorgänge durch neue Verschlüsselung erforderlich sind.
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die nur veranschaulichend angegeben sind und demgemäß für die Erfindung nicht beschränkend sind, besser zu verstehen sein.
  • Fig. 1 ist ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen einer Vorrichtung zum Verschlüsseln von Daten zwischen einem Prozessor und einem Speicher gemäß der Erfindung;
  • Fig. 2 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Datenverschlüsselungsprozesses zwischen einem Prozessor und einem Speicher gemäß der Erfindung;
  • Fig. 3 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Datenentschlüsselungsprozesses zwischen einem Prozessor und einem Speicher gemäß der Erfindung;
  • Fig. 4 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Verschlüsseln von Daten zwischen einem Prozessor und einem Speicher gemäß der Erfindung;
  • Fig. 5 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Entschlüsseln von Daten zwischen einem Prozessor und einem Speicher gemäß der Erfindung.
  • Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 eine Vorrichtung zum Verschlüsseln von Daten und ein zugehöriges Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung detailliert beschrieben.
  • Gemäß der Fig. 1 verfügt die Vorrichtung zum Verschlüsseln von Daten über einen Prozessor 10 und einen Speicherblock 20. Der Prozessor 10 weist Folgendes auf: einen Kern 11 zum Speichern extern eingegebener Daten DATA; ein Verschlüsselungs/Entschlüsselungs-Modul 12 zum Verschlüsseln der im Kern 11 gespeicherten Daten DATA; eine Schlüsseltabelle 13 zum Speichern geheimer Schlüssel K1-Kn zur Daten-Verschlüsselung/Entschlüsselung sowie eine Datenverschlüsselungs-Steuereinheit 14 zum Erzeugen eines Indexes IND zum Auswählen eines geheimen Schlüssels Ki zur Daten-Verschlüsselung/Entschlüsselung. Der Speicherblock 20 weist Folgendes auf: ein Speicherzellenarray 21 zum Speichern von im Prozessor 10 verschlüsselten Daten EDATA sowie einen Schlüsselzustandsspeicher 22 zum Speichern des zur Datenverschlüsselung verwendeten Indexes IND.
  • Hierbei ist der Index IND, der die dynamische Datenverschlüsselungsinformation bildet, im Schlüsselzustandsspeicher 22 des Speicherblocks 20 gespeichert. D. h., dass der Index IND, der anzeigt, welcher der n geheimen Schlüssel K1-Kn zur Datenverschlüsselung verwendet wird, beim Schreiben von Daten im Schlüsselzustandsspeicher 22 aufgezeichnet wird. Außerdem wird der im Schlüsselzustandsspeicher 22 gespeicherte Index IND mit den verschlüsselten Daten EDATA gelesen und zur Datenentschlüsselung verwendet. Der Schlüsselzustandsspeicher 22 wird dadurch aufgebaut, dass zu jeder Minimalzugriffseinheit (im Allgemeinen 1 Byte des Speichers) eine 2 N-Bit-Zelle hinzugefügt wird. Eine Speicherzelle des Schlüsselzustandsspeichers weist dieselbe Konfiguration wie eine übliche Zelle auf.
  • Die Schlüsseltabelle 13 verfügt über ein Register oder eine Speicherzelle zum Speichern n geheimer Schlüssel K1-Kn.
  • Entsprechend dem von der Datenverschlüsselungs-Steuereinheit 14 bei der Verschlüsselung oder dem vom Schlüsselzustandsspeicher 22 des Speicherblocks 20 bei der Entschlüsselung ausgegebenen Index IND wird mittels eines N-auf-1-Multiplexers 15 ein geheimer Schlüssel Ki oder Km aus den n geheimen Schlüsseln K1-Kn ausgewählt und zur Ver- oder Entschlüsselung verwendet.
  • Es ist angenommen, dass n eine frei einstellbare Zahl ist, die entsprechend Spezifikationen des Systems gewählt wird, und dass die n geheimen Schlüssel K1-Kn vorab mittels eines Zufallszahlengenerators (nicht dargestellt) erzeugt werden.
  • Die Datenverschlüsselungs-Steuereinheit 14 bestimmt den Index IND des geheimen Schlüssels, wenn sie die tatsächliche Verschlüsselung ausführt, unter den in der Schlüsseltabelle 13 gespeicherten geheimen Schlüsseln. Hierbei verfügt die Datenverschlüsselungs-Steuereinheit 14 über ein 2N -Bit-Register 17 zum Speichern eines globalen Indexes sowie einen 2N-Bit-Inkrementierer 18.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Datenverschlüsselungs-Steuereinheit 14 einen 2N -Bit-Zufallszahlengenerator zum Erzeugen des Indexes IND aufweisen.
  • Bei einer Speicherschreiboperation wird ein im Bitregister 17 abgespeicherter Wert als Verschlüsselungsindex IND verwendet, er wird während einer folgenden Speicherschreiboperation im Inkrementierer 18 um +1 inkrementiert, und er wird in das Bitregister 17 eingespeichert. Entsprechend einer Operation nach dem Inkrementieren können auch die unter derselben Adresse abgespeicherten Daten an jeden Punkt der Speicherschreiboperation dynamisch unter Verwendung verschiedener geheimer Schlüssel verschlüsselt werden.
  • Der zur Verschlüsselung verwendete Index IND wird in den Schlüsselzustandsspeicher 22 des Speicherblocks 20eingespeichert, um den geheimen Schlüssel für die Entschlüsselung mit demjenigen für die Verschlüsselung in Übereinstimmung zu bringen.
  • Das Verschlüsselungs/Entschlüsselungs-Modul 12 verschlüsselt die Daten DATA des Prozessors 10, oder es entschlüsselt die im Speicher abgespeicherten Daten EDATA unter Verwendung des aus der Schlüsseltabelle 13 ausgewählten geheimen Schlüssels. Demgemäß wird bei jeder Verschlüsselung mittels des Indexes IND der Datenverschlüsselungs-Steuereinheit 14 ein anderer geheimer Schlüssel ausgewählt, um eine dynamische Datenverschlüsselung auszuführen.
  • Eine Verschlüsselungs/Entschlüsselungs-Einheit 16 führt eine Verschlüsselung/Entschlüsselung der Daten und des geheimen Schlüssels entsprechend einer logischen XOR-Operation aus. Da die logische XOR-Operation eine symmetrische Operation zum Entschlüsseln der verschlüsselten Daten EDATA durch den zur Verschlüsselung verwendeten geheimen Schlüssel ist, werden die ursprünglichen Daten genau wiederhergestellt.
  • Wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, wird bei einer Datenschreiboperation der Verschlüsselungsindex IND in der Datenverschlüsselungs-Steuereinheit 14 erzeugt. Hierbei wird der Verschlüsselungsindex IND durch den Inkrementierer 18 inkrementiert, damit er bei jeder Speicherschreiboperation einen anderen Wert aufweist, und er wird in das Bitregister 17 eingespeichert.
  • Entsprechend dem Index IND von der Datenverschlüsselungs- Steuereinheit 14 wählt der Multiplexer 15 den geheimen Schlüssel Ki zur Verschlüsselung unter den mehreren geheimen Schlüsseln K1-Kn aus, wie sie von der Schlüsseltabelle 13 ausgegeben werden. Unter Verwendung des ausgewählten geheimen Schlüssels Ki verschlüsselt die Verschlüsselungs/Entschlüsselungs-Einheit 16, die über ein XOR-Gatter verfügt, die im Kern 11 abgespeicherten Daten DATA. Die verschlüsselten Daten EDATA werden in das Speicherzellenarray 21 des Speicherblocks 20 eingeschrieben. Hierbei wird auch der zur Verschlüsselung verwendete Index IND in den Schlüsselzustandsspeicher 22 des Speicherblocks 20 eingespeichert.
  • Wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, werden bei einer Datenleseoperation die im Speicherzellenarray 21 des Speicherblocks 20 abgespeicherten verschlüsselten Daten EDATA als Erstes mit dem im Schlüsselzustandsspeicher 22 des Speicherblocks 20 gespeicherten Index IND gelesen. Entsprechend dem aus dem Schlüsselzustandsspeicher 22 des Speicherblocks 20 ausgelesenen Index IND wählt der Multiplexer 15 den geheimen Schlüssel Km aus der Schlüsseltabelle 13 aus, der für die verschlüsselten Daten EDATA verwendet wird.
  • Da derselbe Index IND als geheimer Schlüssel für die Verschlüsselung und die Entschlüsselung ausgewählt wird, wird für die Verschlüsselung/Entschlüsselung von Daten derselbe Schlüssel verwendet. Im Ergebnis werden die verschlüsselten Daten EDATA durch den Entschlüsselungsprozess genau in die ursprünglichen Daten DATA wiederhergestellt.
  • Gemäß der Fig. 4 erzeugt die Datenverschlüsselungs-Steuereinheit 14 den Verschlüsselungsindex IND (S1). Dann erzeugt sie einen Index IND' für den Gebrauch beim nächsten Mal. Entsprechend dem in der Datenverschlüsselungs-Steuereinheit 14 erzeugten Index IND wählt der Multiplexer 15 den geheimen Schlüssel Ki unter den in der Schlüsseltabelle 13 abgespeicherten mehreren geheimen Schlüsseln K1 - Kn aus (S2). Der zur Verschlüsselung verwendete Index IND wird in den Schlüsselzustandsspeicher 22 des Speicherblocks 20 eingespeichert (S3). Die eingegebenen Daten DATA werden unter Verwendung des ausgewählten geheimen Schlüssels Ki verschlüsselt (S4).
  • Die verschlüsselten Daten EDATA werden in das Speicherzellenarray 21 des Speicherblocks 20 eingespeichert (S5).
  • Gemäß der Fig. 5 werden die im Speicherzellenarray 21 des Speicherblocks 20 abgespeicherten verschlüsselten Daten EDATA gelesen (S11). Hierbei wird auch der im selben Schlüsselzustandsspeicher 22 des Speicherblocks 20 abgespeicherte Index IND gelesen (S12). Entsprechend dem Index IND wählt der Multiplexer 15 den geheimen Schlüssel Km unter den mehreren geheimen Schlüsseln K1-Kn zur Entschlüsselung aus (S13). Die verschlüsselten Daten EDATA werden un-cer Verwendung des ausgewählten geheimen Schlüssels Km entschlüsselt, und es werden die entschlüsselten Daten ausgegeben (S14).
  • Wie bereits erörtert, können mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung zum Verschlüsseln von Daten zwischen einem Prozessor und einem Speicher unnötige Schreibvorgänge durch Wiederverschlüsselung verhindert werden, wodurch der Energieverbrauch gesenkt wird. Dies erfolgt dadurch, dass ein Index, der anzeigt, welcher von mehreren geheimen Schlüsseln zur Datenverschlüsselung verwendet wurde, in einem Schlüsselzustandsspeicher, bei dem es sich um einen speziellen Speicherbereich handelt, beim Schreiben von Daten abgespeichert wird, während beim Lesen von Daten auch der im Schlüsselzustandsspeicher gespeicherte Index gelesen und zur Entschlüsselung verwendet wird.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Verschlüsseln von Daten zwischen einem Prozessor und einem Speicher,
wobei der Prozessor (10) Folgendes aufweist:
ein Modul (12) zum Verschlüsseln eingegebener Daten (DATA) oder zum Entschlüssen verschlüsselter Daten (EDATA);
eine Schlüsseltabelle (13) zum Speichern geheimer Schlüssel zur Daten-Verschlüsselung/Entschlüsselung; und
eine Steuereinrichtung (14) zum Erzeugen eines Indexes (IND) für den Verschlüsselungsvorgang des Moduls; und
wobei der Speicher (20) Folgendes aufweist:
ein Speicherzellenarray (21) zum Speichern von durch das Modul des Prozessors verschlüsselten Daten und
einen Schlüsselzustandsspeicher (22) zum Speichern des in der Steuereinrichtung des Prozessors erzeugten Indexes, und der zur Verschlüsselung der eingegebenen Daten verwendet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (20) Folgendes aufweist:
einen Multiplexer (15) zum Auswählen eines der in der Schlüsseltabelle (13) abgespeicherten geheimen Schlüssels und
eine Operationseinrichtung (16) zum Verschlüsseln eingegebener Daten oder zum Entschlüsseln verschlüsselter Daten, wie sie im Speicher abgespeichert sind, entsprechend dem vom Multiplexer ausgewählten geheimen Schlüssel.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplexer (15) einen der in der Schlüsseltabelle (13) gespeicherten geheimen Schlüssel entsprechend dem während der Verschlüsselung in der Steuereinrichtung (14) erzeugten Index auswählt und er einen der in der Schlüsseltabelle gespeicherten geheimen Schlüssel während der Entschlüsselung entsprechend dem im Schlüsselzustandsspeicher (22) des Speichers gespeicherten Index auswählt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Operationseinrichtung eine XOR-Operationseinrichtung (16) vorhanden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (14) Folgendes aufweist:
ein Register (17) zum Speichern eines globalen Indexes; und
eine Inkrementiereinrichtung (18) zum Inkrementieren des Werts des zur Verschlüsselung verwendeten Indexes und zum Einspeichern des Werts in das Register.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (14) einen Zufallszahlengenerator zum Erzeugen des Indexes aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlüsselzustandsspeicher (22) Speicherzellen aufweist, die mit denen identisch sind, die das Speicherzellenarray (21) bilden.
8. Verfahren zur Verschlüsselung und Entschlüsselung von Daten,
wobei ein Verschlüsselungsprozess Folgendes aufweist:
einen Indexerzeugungsschritt zum Erzeugen eines Indexes (IND);
einen Schlüsselauswählschritt zum Auswählen eines geheimen Schlüssels zur Verschlüsselung entsprechend dem Index;
einen Indexspeicherschritt zum Speichern des zur Verschlüsselung verwendeten Indexes in einem speziellen Speicherbereich des Speichers; und
einen Verschlüsselungsschritt zum Verschlüsseln eingegebener Daten (DATA) unter Verwendung des ausgewählten geheimen Schlüssels; und
wobei ein Entschlüsselungsprozess Folgendes aufweist:
einen Datenleseschritt zum Lesen verschlüsselter Daten (EDATA), die im Speicher abgespeichert sind;
einen Indexleseschritt zum Lesen des im Speicherbereich des Speichers abgespeicherten Indexes;
einen Geheimschlüssel-Auswählschritt zum Auswählen eines geheimen Schlüssels zur Entschlüsselung entsprechend dem Index;
einen Entschlüsselungsschritt zum Entschlüsseln der verschlüsselten Daten unter Verwendung des ausgewählten geheimen Schlüssels.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Indexerzeugungsschritt die folgenden Unterschritte aufweist:
- Speichern eines globalen Indexes; und
- Inkrementieren des Werts des Indexes, der für die folgende Verschlüsselung zu verwenden ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Indexerzeugungsschritt den Index durch einen Zufallszahlengenerator zufällig erzeugt.
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