DE19501004A1 - Verfahren zum Betrieb eines Datenübertragungssystems aus einem Transponder und einem Lesegerät - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Datenübertragungssystems aus einem Transponder und einem Lesegerät

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 0 521 547 A1 bekannt.
Zur Übermittlung verschlüsselter elektronischer Daten sind Datenübertragungssysteme aus einer batteriebetrie­ benen (IR-/Hf-) Fernbedienung als Sendemodul und einem geeigneten Empfängermodul gebräuchlich. Daneben werden neuerdings auch Datenübertragungssysteme aus Transponder und Lesegerät eingesetzt, bei denen durch induktive Kopplung zunächst eine Energieübertragung zwischen Lesegerät und Transponder und anschließend eine Daten­ übertragung zwischen Transponder (Sender) und Lesegerät (Empfänger) vorgenommen wird. Derartige Datenübertra­ gungssysteme kommen insbesondere im Kfz-Bereich als Kombination aus elektronischem Schlüssel (Transponder) und elektronischem Schloß (Lesegerät) zur Bedienung von Schließanlagen und Diebstahlsicherungen in Form von Wegfahrsperren in zunehmendem Maße auf den Markt.
Die Datenübertragung im RF-Bereich (typ. 100 kHz bis 450 kHz) zwischen dem im wesentlichen aus einem Inte­ grierten Schaltkreis (IC) und einer Spule bestehenden Transponder und dem Lesegerät kann auf zweierlei Weise erfolgen: entweder unidirektional mittels eines Fest­ code-Transponders, der bei jedem Auslesevorgang (bei jeder Datenübertragung) einen in einem Festwertspeicher (PROM) des ICs programmierten gleichbleibenden Code als Paßwort überträgt oder bidirektional mittels eines "Read/Write"-Transponders, der bei jedem Auslesevorgang (bei jeder Datenübertragung) einen in einem Schreib-/ Lesespeicher (EEPROM) des ICs abgespeicherten variablen Code als Paßwort überträgt und nach erfolgreicher Au­ thentifizierung vom Lesegerät einen neuen Code erhält und in das EEPROM einträgt.
Nachteilig hierbei ist, daß bei einer Festcode-Daten­ übertragung durch unbefugtes Auslesen des Codes ein Mißbrauch leicht möglich ist (beispielsweise kann ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechend programmierten Transponder-Nachbau beliebig oft gestartet werden), während bei einer Wechselcode-Datenübertragung ein Miß­ brauch durch unbefugtes Auslesen zwar weitgehend ausge­ schlossen ist, diese jedoch wesentlich kostspieliger ist und aufgrund des relativ hohen Energiebedarfs eine eingeschränkte Reichweite aufweist.
Bei dem in der EP 0 521 547 beschriebenen Verfahren wird durch eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem in einem Kraftfahrzeug angeordneten Lesegerät und dem Transponder bei jeder Datenübertragung ein Verifi­ zierungsvorgang durchgeführt, indem nach der Aktivie­ rung des Lesegeräts von diesem als Lesegerät-Nachricht ein Lesegerät-Paßwort im Klartext zum Transponder über­ tragen wird, dieses Lesegerät-Paßwort vom Transponder empfangen, mit einem im Transponder gespeicherten Transponder-Festcode verglichen und eine Verifizierung vom Transponder hinsichtlich einer Übereinstimmung von Lesegerät-Paßwort und Transponder-Festcode vorgenommen wird; im Falle deren Übereinstimmung wird anschließend zusätzlich eine weitere Verifizierung im Lesegerät durchgeführt, indem als Transponder-Nachricht ein Transponder-Paßwort im Klartext zum Lesegerät übertra­ gen und dieses im Lesegerät auf Übereinstimmung mit ei­ nem im Lesegerät abgespeicherten Lesegerät-Festcode überprüft wird. Da die Übertragung der Daten (Paßworte) immer im Klartext erfolgt, ist ein Schutz vor Mißbrauch durch unbefugtes Abhören oder Auslesen nicht lückenlos gewährleistet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem eine hohe Mißbrauchsicherheit gegeben ist und eine kostengünstige Datenübertragung mit vorteilhaften Eigenschaften - insbesondere hinsichtlich Energiever­ brauch und Reichweite - ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Verifizierung der geheimen, nicht-auslesbaren Fest­ codes (Kommunikationsschlüssel) von Lesegerät und Transponder erfolgt durch eine bidirektionale Daten­ übertragung zwischen Lesegerät und Transponder mittels kryptologischer Protokolle; d. h. die Übereinstimmung von Lesegerät-Festcode und Transponder-Festcode wird durch Austausch verschlüsselter Lesegerät-Nachrichten bzw. Transponder-Nachrichten indirekt überprüft und ve­ rifiziert. Die Übertragung der Nachrichten, deren Über­ prüfung und der Verifizierungsvorgang kann unterschied­ lich erfolgen:
  • - als Lesegerät-Nachricht wird zunächst eine einma­ lig gültige Lesegerät-Zufallszahl an den Transpon­ der übertragen, beispielsweise generiert durch ei­ nen als Pseudozufallsgenerator fungierenden Algo­ rithmus; vom Transponder wird aus dieser Lesege­ rät-Zufallszahl und des als Schlüssel fungierenden Transponder-Festcodes mittels eines abgespeicher­ ten Algorithmus oder durch elektronische Verknüp­ fung ein Transponder-Geheimtext generiert und die­ ser als erste Transponder-Nachricht an das Lesege­ rät übertragen. Im Lesegerät wird entweder durch gleiche Vorgehensweise wie im Transponder ein Lesegerät-Geheimtext generiert oder umgekehrt die erste Transponder-Nachricht wieder entschlüsselt, wobei hierfür jeweils der Lesegerät-Festcode als Schlüssel dient; eine Verifizierung wird entweder hinsichtlich einer Übereinstimmung des übertrage­ nen Transponder-Geheimtextes mit dem Lesegerät-Ge­ heimtext durchgeführt oder hinsichtlich einer Übereinstimmung des entschlüsselten Ergebnisses mit der Lesegerät-Zufallszahl.
  • - Durch weitere Authentifizierungsprotokolle zwi­ schen Lesegerät und Transponder kann die Abhörsi­ cherheit noch gesteigert werden: im Transponder kann eine eigene Transponder-Zufallszahl erzeugt und mit der vom Lesegerät übermittelten Lesegerät- Zufallszahl zu einer Geheim-Zufallszahl verknüpft werden; diese Geheim-Zufallszahl wird mit dem Transponder-Festcode als Schlüssel zum Transpon­ der-Geheimtext verschlüsselt. Die Transponder-Zu­ fallszahl wird anhand einer zweiten Transponder- Nachricht dem Lesegerät entweder im Klartext über­ mittelt oder mit einem Transponder-Schlüssel ver­ schlüsselt übertragen; im Lesegerät wird bei Kenntnis der Transponder-Zufallszahl (ggf. nach Entschlüsselung mit einem Lesegerät-Schlüssel) un­ ter Heranziehung der Lesegerät-Zufallszahl die Ge­ heim-Zufallszahl generiert, diese Geheim-Zufalls­ zahl mit dem Lesegerät-Festcode zum Lesegerät-Ge­ heimtext verschlüsselt und dieser auf Übereinstim­ mung mit dem Transponder-Geheimtext überprüft oder umgekehrt der Transponder-Geheimtext mit dem Lese­ gerät-Festcode entschlüsselt und das Ergebnis auf Übereinstimmung mit der Geheim-Zufallszahl über­ prüft.
Nach der erfolgreichen Authentifizierung zwischen Transponder und Lesegerät können die mit dem Lesegerät über Kommunikationsleitungen verbundenen Steuergeräte freigeschaltet werden - vorzugsweise durch bidirektio­ nale Kommunikation in kryptologischen Protokollen; bei­ spielsweise dienen die Daten auf den Kommunikationslei­ tungen als Steuersignal zur Verriegelung/Entriegelung der Wegfahrsperre eines Kraftfahrzeugs im Motorsteuer­ gerät: wird die Zündung ausgeschaltet und bleibt sie beispielsweise mehr als 15 Sekunden ausgeschaltet, wer­ den sämtliche Steuergeräte und das Lesegerät gesperrt; danach muß das oben beschriebene Verfahren der krypto­ logischen Datenübertragung wiederholt werden. Das Lese­ gerät kann auch Bestandteil eines weiteren Steuergeräts des Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise Bestandteil des Motorsteuergeräts.
Da bei jeder Datenübertragung ein Verifizierungsvorgang durch bidirektionale, geheime Kommunikation mittels kryptologischer Protokolle zwischen Lesegerät und Transponder durchgeführt wird, ist eine hohe Abhörsi­ cherheit bzw. Sicherheit vor Mißbrauch (infolge unbe­ fugten Auslesens) gegeben; durch die Verwendung eines Festcodes im Lesegerät und im Transponder (beispiels­ weise in einem PROM abgelegt) kann zudem gleichzeitig ein kostengünstiges Übertragungsverfahren mit geringem Energiebedarf und demzufolge relativ großer Reichweite realisiert werden.
Das Verfahren wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert: in der Figur ist ein Datenübertra­ gungssystem für ein "kryptologisches" Datenübertra­ gungsverfahren dargestellt.
Gemäß der Figur besteht der Transponder 1 aus der Spule 11 zur Energieübertragung und Datenübertragung sowie aus dem integrierten Schaltkreis (IC) 10; der IC 10 enthält eine Steuereinheit 12 zur Spannungsversorgung und Ablaufsteuerung, eine Speichereinheit 13 - in die­ ser ist (beispielsweise in einem PROM) der nicht-aus­ lesbare, geheime Transponder-Festcode TFC gespeichert -, einen Zufallsgenerator 14 - von diesem wird (bei­ spielsweise durch einen bestimmten Algorithmus) die Transponder-Zufallszahl TZZ generiert - und eine Ver­ schlüsselungseinheit 15 zur Generierung des Transpon­ der-Geheimtextes TGT aus der Lesegerät-Zufallszahl LZZ oder aus der durch Verknüpfung von Lesegerät-Zufalls­ zahl LZZ und Transponder-Zufallszahl TZZ gewonnenen Ge­ heim-Zufallszahl GZZ mit dem Transponder-Festcode TFC als Schlüssel. Das Lesegerät 2 besteht aus der Spule 21, die gleichzeitig zur Energieübertragung und zur Da­ tenübertragung dient, aus der Steuereinheit 22 zur Ab­ laufsteuerung, aus dem Zufallsgenerator 24 zur Generie­ rung der Lesegerät-Zufallszahl LZZ, aus der Speicher­ einheit 23 zur Speicherung des geheimen, nicht-ausles­ baren Lesegerät-Festcodes LFC und aus der Verschlüsse­ lungseinheit 25 zur Generierung des Lesegerät-Geheim­ textes LGT aus der Lesegerät-Zufallszahl LZZ oder aus der durch Verknüpfung von Lesegerät-Zufallszahl LZZ und Transponder-Zufallszahl TZZ gewonnenen Geheim-Zufalls­ zahl GZZ mit dem Lesegerät-Festcode LFC als Schlüssel.
Nach der Aktivierung des Lesegeräts 2 - beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug durch Betätigung des Türgriffs oder durch Einschalten der Zündung - wird als Lesege­ rät-Nachricht LN die im Zufallsgenerator 24 beispiels­ weise kryptologisch erzeugte Lesegerät-Zufallszahl LZZ von der Spule 21 - nach der Aktivierung des Transpon­ ders 1 infolge induktiver Energieübertragung von der Lesegerät-Spule 21 zur Transponder-Spule 11 - dem Transponder 1 übermittelt (bei der kryptologischen Er­ zeugung der Lesegerät-Zufallszahl LZZ wird in der Spei­ chereinheit 23 ein Zähler abgespeichert, der vom Zu­ fallsgenerator 24 mit dem Lesegerät-Festcode LFC als Schlüssel zur Lesegerät-Zufallszahl LZZ verschlüsselt wird; nach Inkrementierung des Zählers wird der neue Zählerstand in der Speichereinheit 23 abgespeichert und hierdurch die Einmaligkeit der Lesegerät-Zufallszahl LZZ sichergestellt). Mit dem in der Speichereinheit 13 des Transponders 1 abgespeicherten Transponder-Festcode TFC wird durch die Verschlüsselungseinheit 15 entweder die Lesegerät-Zufallszahl LZZ oder die durch Verknüp­ fung von Lesegerät-Zufallszahl LZZ und der vom Zufalls­ generator 14 generierten Transponder-Zufallszahl TZZ (beispielsweise durch eine bitweise XOR-Verknüpfung der Zufallszahlen LZZ und TZZ) gewonnene Geheim-Zufallszahl GZZ zum Transponder-Geheimtext TGT verschlüsselt. Die­ ser Transponder-Geheimtext TGT wird als erste Transpon­ der-Nachricht TN1 an das Lesegerät 2 übertragen, von der Spule 21 des Lesegeräts 2 empfangen und von der Steuereinheit 22 des Lesegeräts 2 durch Vergleich mit einem im Lesegerät 2 aus dem generierten Lesegerät-Ge­ heimtext LGT verifiziert, der entweder durch Verschlüs­ selung der vom Zufallsgenerator 24 erzeugten Lesegerät- Zufallszahl LZZ oder durch Verschlüsselung mit der vom Lesegerät 2 aus Lesegerät-Zufallszahl LZZ und Transpon­ der-Zufallszahl TZZ mit dem in der Speichereinheit 23 gespeicherten Lesegerät-Festcode LFC als Schlüssel ge­ nerierten Geheim-Zufallszahl GZZ gewonnen wurde. Zur Generierung der Geheim-Zufallszahl GZZ vom Lesegerät 2 muß dem Lesegerät 2 die Transponder-Zufallszahl TZZ be­ kannt sein; diese wird vom Transponder 1 an das Lesege­ rät 2 vor der oder anschließend an die erste Transpon­ der-Nachricht TN1 (Transponder-Geheimtext TGT) durch eine zweite Transponder-Nachricht TN2 entweder im Klar­ text oder mittels eines Transponder-Schlüssels ver­ schlüsselt (in diesem Fall muß sie vom Lesegerät 2 mit­ tels eines Lesegerät-Schlüssels entschlüsselt werden) übermittelt - der Transponder-Schlüssel bzw. Lesegerät- Schlüssel wird vorzugsweise unterschiedlich von den beiden als erster Schlüssel verwendeten Festcodes (Transponder-Festcode TFC bzw. Lesegerät-Festcode LFC) gewählt.
Bei einer Übereinstimmung von Transponder-Geheimtext TGT und Lesegerät-Geheimtext LGT wird die Datenübertra­ gung als gültig verifiziert; daraufhin kann das Lesege­ rät 2 über ein codierbares Ausgangssignal AS die (bei­ spielsweise über Kommunikationsleitungen angeschlosse­ nen) Steuergeräte - vorzugsweise in bidirektionalen kryptologischen Protokollen - freischalten.

Claims (16)

1. Verfahren zum Betrieb eines Datenübertragungssystems aus einem Transponder (1) und einem Lesegerät (2), wo­ bei zur verifizierbaren Datenübertragung zwischen Lese­ gerät (2) und Transponder (1)
  • - das Lesegerät (2) nach seiner Aktivierung eine Lesegerät-Nachricht (LN) aussendet,
  • - der Transponder (1) nach seiner Aktivierung die Lesegerät-Nachricht (LN) empfängt und eine erste Transponder-Nachricht (TN1) an das Lesegerät (2) überträgt,
  • - ein Verifizierungsvorgang mittels eines im Trans­ ponder (1) gespeicherten Transponder-Festcodes (TFC) und eines im Lesegerät (2) gespeicherten Le­ segerät-Festcodes (LFC) durchgeführt wird,
  • - vom Lesegerät (2) nach erfolgreicher Verifizierung ein codierbares Ausgangssignal (AS) ausgegeben werden kann,
dadurch gekennzeichnet:
  • - Lesegerät-Festcode (LFC) bzw. Transponder-Festcode (TFC) werden dem Lesegerät (2) bzw. dem Transpon­ der (1) als geheime und nicht-auslesbare Identifi­ kationsnummern zugeordnet,
  • - Lesegerät-Festcode (LFC) und Transponder-Festcode (TFC) werden mittels kryptologischer Protokolle bei der bidirektionalen Datenübertragung zwischen Lesegerät (2) und Transponder (1) verifiziert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - vom Lesegerät (2) als Lesegerät-Nachricht (LN) eine im Lesegerät (2) generierte variable Lesege­ rät-Zufallszahl (LZZ) ausgesendet wird,
  • - im Transponder (1) unter Verwendung der Lesegerät- Zufallszahl (LZZ) und des als Schlüssel dienenden Transponder-Festcodes (TFC) ein Transponder-Ge­ heimtext (TGT) generiert wird,
  • - der Transponder-Geheimtext (TGT) als erste Trans­ ponder-Nachricht (TN1) vom Transponder (1) an das Lesegerät (2) übertragen wird,
  • - im Lesegerät (2) unter Verwendung der Lesegerät- Zufallszahl (LZZ) und des als Schlüssel dienenden Lesegerät-Festcodes (LFC) ein Lesegerät-Geheimtext (LGT) generiert wird,
  • - ein Verifizierungsvorgang vom Lesegerät (2) durch­ geführt wird, indem die Übereinstimmung von Trans­ ponder-Geheimtext (TGT) und Lesegerät-Geheimtext (LGT) überprüft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - vom Lesegerät (2) als Lesegerät-Nachricht (LN) eine im Lesegerät (2) generierte variable Lesege­ rät-Zufallszahl (LZZ) ausgesendet wird,
  • - im Transponder (1) unter Verwendung der Lesegerät- Zufallszahl (LZZ) und des als Schlüssel dienenden Transponder-Festcodes (TFC) ein Transponder-Ge­ heimtext (TGT) generiert wird,
  • - der Transponder-Geheimtext (TGT) als erste Trans­ ponder-Nachricht (TN1) vom Transponder (1) an das Lesegerät (2) übertragen wird,
  • - im Lesegerät (2) unter Verwendung des als Schlüs­ sel dienenden Lesegerät-Festcodes (LFC) der Trans­ ponder-Geheimtext (TGT) entschlüsselt wird,
  • - ein Verifizierungsvorgang vom Lesegerät (2) durch­ geführt wird, indem die Übereinstimmung der aus dem entschlüsselten Transponder-Geheimtext (TGT) gewonnenen Lesegerät-Zufallszahl (LZZ) und der im Lesegerät (2) generierten Lesegerät-Zufallszahl (LZZ) überprüft wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Transponder-Geheimtext (TGT) durch Verschlüsselung der Lesegerät-Zufallszahl (LZZ) mit dem Transponder-Festcode (TFC) als Schlüssel generiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lesegerät-Geheimtext (LGT) durch Verschlüsse­ lung des Lesegerät-Festcodes (LFC) mit der Lesegerät- Zufallszahl (LZZ) generiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Transponder-Geheimtext (TGT) durch Verschlüsselung einer Geheim-Zufallszahl (GZZ) mit dem Transponder-Festcode (TFC) als Schlüssel generiert wird, die durch Verknüpfung von Lesegerät-Zufallszahl (LZZ) und einer im Transponder (1) generierten varia­ blen Transponder-Zufallszahl (TZZ) erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Transponder (1) generierte Transponder-Zu­ fallszahl (TZZ) vom Transponder (1) mittels einer zwei­ ten Transponder-Nachricht (TN2) an das Lesegerät (2) übertragen wird, und daß entweder der Lesegerät-Geheim­ text (LGT) durch Verschlüsselung der vom Lesegerät (2) aus der Verknüpfung von Lesegerät-Zufallszahl (LZZ) und Transponder-Zufallszahl (TZZ) generierten Geheim-Zu­ fallszahl (GZZ) mit dem Lesegerät-Festcode (LFC) als Schlüssel erzeugt wird oder der Transponder-Geheimtext (TGT) vom Lesegerät (2) mittels des Lesegerät-Festcodes (LFC) entschlüsselt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im Transponder (1) generierte Transponder-Zu­ fallszahl (TZZ) mittels der zweiten Transponder-Nach­ richt (TN2) im Klartext an das Lesegerät (2) übertragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im Transponder (1) generierte Transponder-Zu­ fallszahl (TZZ) mittels der zweiten Transponder-Nach­ richt (TN2) verschlüsselt an das Lesegerät (2) übertra­ gen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transponder-Zufallszahl (TZZ) vom Transponder (1) mit einem Transponder-Schlüssel verschlüsselt wird, und daß die zweite Transponder-Nachricht (TN2) vom Lesegerät (2) mit einem Lesegerät-Schlüssel entschlüs­ seit wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Transponder-Schlüssel bzw. Lesegerät-Schlüssel vom Transponder-Festcode (TFC) bzw. Lesegerät-Festcode (LFC) abweichende Schlüssel gewählt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lesegerät-Zufallszahl (LZZ) und/oder die Transponder-Zufallszahl (TZZ) kryp­ tologisch erzeugt werden, indem ein in einer Speicher­ einheit (23, 13) von Lesegerät (2) bzw. Transponder (1) abgespeicherter Zähler durch einen Zufallsgenerator (24, 14) unter Verwendung des Lesegerät-Festcodes (LFC) bzw. des Transponder-Festcodes (TFC) als Schlüssel ver­ schlüsselt wird, und daß der inkrementierte Zähler als neuer Zählerstand in der Speichereinheit (23, 13) von Lesegerät (2) bzw. Transponder (1) abgespeichert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lesegerät-Nachricht (LN) nach der Aktivierung des Lesegeräts (2) in bestimmten zeitlichen Abständen ausgesendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aktivierung des Lesege­ räts (2) durch Betätigung eines Schaltelements erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aktivierung des Transpon­ ders (1) durch Energieübertragung infolge induktiver Kopplung vom Lesegerät (2) erfolgt.
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