EP3234853A1

EP3234853A1 - Verfahren und vorrichtung zum sicheren speichern von daten und zum zugreifen auf diese daten

Info

Publication number: EP3234853A1
Application number: EP15813691.1A
Authority: EP
Inventors: Rainer Urian
Original assignee: Giesecke and Devrient Mobile Security GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Mobile Security GmbH
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-10-25
Also published as: US20170351867A1; WO2016096117A1; DE102014018889A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Speichern von Daten D mittels eines portablen Datenträgers auf einem Terminal, wobei auf dem portablen Datenträger ein Attributvektor A und ein Masterkey MK hinterlegt sind. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: das Ableiten eines Schlüssels K aus einem Prädikat P und dem Masterkey MK mittels einer Schlüsselableitungsfunktion KDF, wobei das Prädikat P eine Boolesche Funktion des Attributvektors A ist; das Verschlüsseln der Daten D mit dem Schlüssel K; und das Abspeichern der verschlüsselten Daten D zusammen mit dem Prädikat P auf dem Terminal. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zugreifen mittels eines portablen Datenträgers auf verschlüsselte Daten D bereitgestellt. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: das Extrahieren des Prädikats P aus den verschlüsselten Daten und dem Prädikat P; das Anwenden des Prädikats P auf den Attributvektor A; und falls der Attributvektor A das Prädikat P erfüllt, das Ableiten des Schlüssels K aus dem Prädikat P und dem Masterkey MK mittels der Schlüsselableitungsfunktion KDF und das Entschlüsseln der verschlüsselten Daten D.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum sicheren Speichern von Daten und zum Zugreifen auf diese Daten

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Speicherung von Daten sowie der Zu- greifens auf diese Daten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sicheren Speichern von Daten und zum Zugreifen auf diese Daten. Hintergrund der Erfindung

Mehr und mehr Daten stehen in digitaler Form zur Verfügung. Diese Daten müssen gespeichert werden, und zwar in der Regel sicher. Das sichere Speichern von Daten kann als ein Gebiet der Kryptographie betrachtet werden, bei dem der Klartext, die Daten, in verschlüsselter Form an den Benutzer an einem Punkt in der Zukunft geschickt werden.

In einer sicheren Umgebung kann eine Zugriffskontrollmechanismus ohne weiteres umgesetzt werden. In einer unsicheren Umgebung (z.B. in der Cloud) ist dies nicht mehr möglich, da der Zugriffskontrollmechanismus nicht mehr vertrauenswürdig ist.

Vor diesem Hintergrund stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum sicheren Speichern von Daten, und zwar insbesondere zum sicheren Speichern von Daten in unsicheren Umgebungen bereitzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorstehenden Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den ab- hängigen Ansprüchen definiert. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum sicheren Speichern von Daten D mittels eines portablen Datenträgers auf einem Terminal bereitgestellt, wobei auf dem portablen Datenträger ein Attributvektor A und ein Masterkey MK hinterlegt sind. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: das Ableiten eines Schlüssels K aus einem Prädikat P und dem Masterkey MK mittels einer Schlüsselableitungsfunktion KDF, wobei das Prädikat P eine Boolesche Funktion des Attributvektors A ist; das Verschlüsseln der Daten D mit dem Schlüssel K; und das Abspeichern der ver- schlüsselten Daten D zusammen mit dem Prädikat P auf dem Terminal.

Vorzugsweise wird der Schlüssel K nach dem Verschlüsseln der Daten D mit dem Schlüssel K vernichtet. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem Masterkey MK um einen globalen Masterkey.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Zugreifen mittels eines portablen Datenträgers auf verschlüsselte Daten D be- reitgestellt, die mittels eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung auf einem Terminal gespeichert worden sind. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: das Extrahieren des Prädikats P aus den verschlüsselten Daten und dem Prädikat P; das Anwenden des Prädikats P auf den Attributvektor A; und falls der Attributvektor A das Prädikat P erfüllt, das Ableiten des Schlüssels K aus dem Prädikat P und dem Masterkey MK mittels der Schlüsselableitungsfunktion KDF und das Entschlüsseln der verschlüsselten Daten D. Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum sicheren Speichern von Daten D mittels eines portablen Datenträgers auf einem Terminal bereitgestellt, wobei auf dem portablen Datenträger ein Prädikat P und ein Masterkey MK hinterlegt sind. Dabei umfasst das Verfahren die fol- genden Schritte: das Ableiten eines Schlüssels K aus einem Attributvektor A und dem Masterkey MK mittels einer Schlüsselableitungsfunktion KDF, wobei das Prädikat P eine Boolesche Funktion des Attributvektors A ist; das Verschlüsseln der Daten D mit dem Schlüssel K; und das Abspeichern der verschlüsselten Daten D zusammen mit dem Attributvektor A auf dem Ter- minal.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Zugreifen mittels eines portablen Datenträgers auf verschlüsselte Daten D bereitge- stellt, die mittels eines Verfahrens nach dem dritten Aspekt der Erfindung auf einem Terminal gespeichert worden sind. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: das Extrahieren des Attributvektors A aus den verschlüsselten Daten D und dem Attributvektor A; das Anwenden des Prädikats P auf den Attributvektor A; und falls der Attributvektor A das Prädikat P erfüllt, das Ableiten des Schlüssels K aus dem Attributvektor A und dem Masterkey MK mittels der Schlüsselableitungsfunktion KDF und das Entschlüsseln der verschlüsselten Daten D. Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein portabler Datenträger bereitgestellt, der dazu ausgestaltet ist, gemäß einem Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung oder dem dritten Aspekt der Erfindung Daten D auf einem Terminal zu speichern oder gemäß einem Verfahren nach dem zweiten Aspekt der Erfindung oder dem vierten Aspekt der Erfindung auf Daten D auf einem Terminal zuzugreifen.

Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein Terminal bereitgestellt, das dazu ausgestaltet ist, dass Daten D gemäß einem Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung oder nach dem zweiten Aspekt der Erfindung auf dem Terminal gespeichert werden oder dass auf Daten D auf dem Terminal gemäß einem Verfahren nach dem zweiten Aspekt der Erfindung oder dem vierten Aspekt der Erfindung zugegriffen wird. Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele und Ausführungsalternativen hervor. Es wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen portablen Datenträgers in Kommunikation mit einem Terminal,

Figur 2 die Schritte eines Verfahrens zum Abspeichern von Daten mit dem portablen Datenträger von Figur 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

Figur 3 die Schritte eines Verfahrens zum Abspeichern von Daten mit dem portablen Datenträger von Figur 1 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen portablen Datenträgers in Form einer Chipkarte 20 in Kommunikation mit einer externen Instanz in Form eines Termi- nals 10.

Der in Figur 1 dargestellte portable Datenträger in Form einer Chipkarte 20 ist dazu ausgestaltet mit dem Lesegerät 10 Daten auszutauschen. Als ein Austausch von Daten wird hier eine Signalübertragung, eine wechselseitige Steuerung und in einfachen Fällen auch eine Verbindung zwischen dem Le- segerät 10 und der Chipkarte 20 verstanden. In der Informationstheorie wird ein Datenaustausch insbesondere durch das Sender-Empfänger-Modell geprägt: Daten bzw. Informationen werden in Zeichen kodiert und dann von einem Sender über einen Übertragungskanal an einen Empfänger übertragen. Dabei ist entscheidend, dass Sender und Empfänger dieselbe Kodierung verwenden, damit der Empfänger die Daten dekodieren kann.

Zur Datenübertragung bzw. Kommunikation zwischen der Chipkarte 20 und dem Terminal 10 weisen sowohl die Chipkarte 20 als auch das Terminal 10 geeignete Kommunikationsschnittstellen 22 und 12 auf. Die Schnittstellen 22 und 12 können beispielsweise so ausgestaltet sein, dass die Kommunikation zwischen diesen bzw. zwischen der Chipkarte 20 und dem Lesegerät 10 kontaktlos, d.h. über die Luftschnittstelle erfolgt, wie dies in Figur 1 durch den gezackten Pfeil angedeutet ist. Alternativ kann die Chipkarte 20 über die Schnittstelle 22 galvanisch, d.h. kontaktbehaftet, mit der Schnittstelle 12 des Terminals 10 verbunden werden. In diesem Fall ist die Schnittstelle 22 in der Regel als ein auf einer Seite der Chipkarte 20 angeordnetes Kontaktfeld mit Kontaktflächen zum Datenaustausch mit dem Terminal 10 ausgebildet.

Selbstverständlich werden von der vorliegenden Erfindung auch portable Datenträger in Form von Chipkarten umfasst, die sowohl eine Schnittstelle zur kontaktbehafteten als auch eine Schnittstelle zur kontaktlosen Kommunikation mit einem Terminal aufweisen und die dem Fachmann als Dual- Interface-Chipkarten bekannt sind. Neben der Schnittstelle 22 zur Kommunikation mit dem Terminal 10 um- fasst die Chipkarte 20 eine zentrale Prozessor- bzw. Recheneinheit (CPU; auch Prozessor genannt) 21, die in Kommunikationsverbindung mit der Schnittstelle 22 steht. Bekanntermaßen gehören zu den primären Aufgaben des Prozessors 21 das Ausführen von arithmetischen und logischen Funktio- nen und das Lesen und Schreiben von Datenelementen, wie dies durch eine auf dem Prozessor 21 ablaufende Softwareapplikation definiert wird. Der Prozessor 21 steht ferner mit einem flüchtigen Arbeitsspeicher (RAM) 23 und einem nichtflüchtigen wieder beschreibbaren Speicher 24 (in Figur 1 als "NVM" (non-volatile memory) bezeichnet) in Verbindung. Vorzugsweise handelt es sich bei dem nichtflüchtigen Speicher 24 um einen Flash-Speicher (Flash-EEPROM). Dabei kann es sich beispielsweise um einen Flash-Speicher mit einer NAND- oder einer NOR- Architektur handeln. Neben einem wieder beschreibbaren Teil kann der nichtflüchtige Speicher 24 ferner einen ROM aufweisen.

Bei der in Figur 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist in dem nichtflüchtigen Speicher 24 der Chipkarte 20 Programmcode gespeichert, der von dem Prozessor 21 ausgeführt werden kann. Insbesondere kann in dem nichtflüchtigen Speicher 24 der Chipkarte 20 Programmcode implementiert sein, durch den die Chipkarte 20 dazu ausgestaltet, die nachstehend im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 beschriebenen erfindungsgemäße Verfahren zum Speichern von Daten auf dem Terminal 10 durchzuführen. Bei dem Terminal 10 kann es sich beispielsweise um einen Cloud-Server handeln, der dazu ausgestaltet ist, dass auf diesem Daten gespeichert werden können.

Figur 2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform zum Abspeichern von Daten mit dem portablen Datenträger 20 auf dem Terminal 10 oder einem damit in Kommunikation stehenden Hintergrundsystem.

Schritt Sl von Figur 1 betrifft die Personalisierung des portablen Datenträgers 20, die in der Regel im Rahmen der Herstellung des portablen Datenträ- gers 20 durch den Hersteller oder anschließend durch den Herausgeber des portablen Datenträgers 20 vorgenommen wird. Gemäß Schritt Sl von Figur 2 werden bei der Personalisierung ein Attributvektor A, ein Masterkey MK sowie eine Schlüsselableitungsfunktion KDF ("key derivation function") auf dem portablen Datenträger 20 hinterlegt. Der Attributvektor A besteht vor- zugsweise aus wenigstens, in der Regel aber aus mehreren Komponenten, die jeweils eine bestimmte Eigenschaft (d.h. ein Attribut) des Benutzers des portablen Datenträgers 20 definieren. Attribute dieser Art sind beispielsweise Alter, Geschlecht, Körpergröße, Gewicht, Sicherheitsstatus, Dienstgrad, Abteilung und dergleichen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Master- key MK um einen globalen Masterkey, d.h.um einen Masterkey, der auf einer Vielzahl von portablen Datenträgern, wie dem portablen Datenträger 20 hinterlegt ist.

Der gemäß Schritt Sl von Figur 2 personalisierte Datenträger 20 kann erfin- dungsgemäß dazu verwendet werden, Daten D auf dem Terminal 10 oder einem damit in Kommunikation stehenden Hintergrundsystem sicher abzuspeichern. Hierzu wird in Schritt S2 von Figur 2 vom Terminal 10 ein Prädikat P bereitgestellt. Aus dem Masterkey MK und dem Prädikat wird vorzugsweise in der sicheren Umgebung, die durch den portablen Datenträger 20 bereitgestellt wird, mittels der Schlüsselableitungsfunktion KDF ein Schlüssel K abgeleitet. Wie dies nachstehend noch detaillierter beschrieben wird, handelt es sich bei dem Prädikat um eine Funktion, die als Argument den Attributvektor A hat und als Funktionswert den Wert 0 oder 1 liefert, also um eine Boolesche Funktion, die auf den Attributvektor A angewendet wird. Falls beispielhaft eine Komponente des Attributvektors A das Alter des Benutzers ist, könnte eine im Prädikat P implementierte Abfrage sein, ob der Besitzer bereits 18 Jahre alt ist, die von Prädikat mit 0 oder 1 beantwortet wird. In der Praxis könnte ein Prädikat P beispielsweise mittels TLV- Codierung als Bitstring hinterlegt sein. Vorzugsweise kann das Prädikat vom Benutzer des portablen Datenträgers 20 gewählt werden. Wie dies nachstehend im Detail beschrieben wird, kann der Benutzer des portablen Datenträgers 20 durch die Wahl eines geeigneten Prädikats P bestimmen, welche Personen (d.h. welcher durch den Attributvektor A bestimmte Personenkreis) auf die Daten D Zugriff haben.

In Schritt S3 von Figur 2 werden die Daten D mit dem Schlüssel K verschlüsselt und die verschlüsselten Daten ENC(D, K) zusammen mit dem Prädikat P auf dem Terminal 10 (oder einem damit in Kommunikation stehenden Hintergrundsystem) abgespeichert. Vorzugsweise wird nach der Verschlüsselung mit dem Schlüssel K dieser Schlüssel wieder gelöscht. Erfindungsgemäß kann die Verschlüsselung sowohl durch den portablen Datenträger 20 als auch das Terminal 10 durchgeführt werden. Zur gemeinsamen Abspeicherung der verschlüsselten Daten ENC(D, K) mit dem Prädikat P können diese vorzugsweise miteinander konkateniert werden, was in Figur 2 durch das Symbol " || " angedeutet ist. Nachdem die Daten D in den Schritten S2 und S3 von Figur 2 sicher abgespeichert worden sind, kann erfindungsgemäß mittels der Schritte S4 und S5 von Figur 2 wieder auf diese zugegriffen werden. In Schritt S4von Figur 2 wird das Prädikat P aus den in Schritt S3 auf dem Terminal 10 abgespeicherten Datenpaket extrahiert, das aus den verschlüsselten Daten ENC(D, K) und dem Prädikat P besteht. Anschließend wird das so extrahierte Prädikat P auf den Attributvektor A angewendet, der auf dem portablen Datenträger 20 hinterlegt ist. Wie bereits vorstehend beschrieben, handelt es sich bei dem Prädikat P um eine Boolesche Funktion, die mit dem Attributvektor A als Argument zwei Funktionswerte liefern kann, vorzugsweise 0 oder 1. Vorzugsweise bedeutet dabei P(A)=0, dass der Attributvektor A das Prädikat P nicht erfüllt, wohingegen P(A)=1 bedeutet, dass der Attributvektor A das Prädikat P erfüllt.

Erfindungsgemäß ist nun in Schritt S5 von Figur 2 vorgesehen, dass dann, wenn der Attributvektor A das Prädikat P nicht erfüllt (also im obigen Beispiel P(A)=0), ein Zugriff auf die Daten D verwehrt wird. Nur falls der Attributvektor A das Prädikat P erfüllt (also im obigen Beispiel P(A)=1) wird mit- tels der Schlüsselableitungsfunktion KDF aus dem auf dem portablen Datenträger 20 hinterlegten Masterkey MK und dem Prädikat P der Schlüssel K abgeleitet. Da dieser Schlüssel in Schritt S2 von Figur 2 abgleitet und dazu verwendet worden ist, die Daten D zu verschlüsseln, können die Daten D in Schritt S5 mit diesem Schlüssel wieder entschlüsselt werden, wodurch der Benutzer des portablen Datenträgers 20 wieder Zugriff auf die Daten D hat (oder ein Benutzer eines anderen portablen Datenträgers, dessen Attributvektor A' ebenfalls das Prädikat P erfüllt und der über den gleichen globalen Masterkey MK verfügt). Figur 3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zum Abspeichern von Daten mit dem portablen Datenträger 20 auf dem Terminal 10 oder einem damit in Kommunikation stehenden Hintergrundsystem. Die zweite bevorzugte Ausführungsform von Figur 3 unterscheidet sich von der ersten bevorzugten Ausführungsform von Figur 2 im Wesentlichen darin, dass in der zweiten bevorzugten Ausführungsform die Rollen des Prädikats P und des Attributvektors A miteinander vertauscht sind. Dabei kann in Schritt S3' von Figur 3, wie dargestellt, vorzugsweise der Attributvektor A oder alternativ das Prädikat P zur Ableitung des Schlüssels K verwendet werden (sowie bei der entsprechenden Ableitung in Schritt S5' von Figur 3). Da bis auf die Vertauschung der Rollen des Prädikats P und des Attributvektors A keine weiteren Unterschiede zwischen der in Figur 3 dargestellten zweiten bevorzugten Ausführungsform und der in Figur 2 dargestellten ersten bevorzugten Ausführungsform bestehen, kann auf die vorstehende Beschreibung der Schritte Sl bis S5 verwiesen werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum sicheren Speichern von Daten D mittels eines portablen Datenträgers (20) auf einem Terminal (10), wobei auf dem portablen Datenträger (20) ein Attributvektor A und ein Masterkey MK hinterlegt sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

das Ableiten eines Schlüssels K aus einem Prädikat P und dem Mas- terkey MK mittels einer Schlüsselableitungsfunktion KDF, wobei das Prädikat P eine Boolesche Funktion des Attributvektors A ist;

das Verschlüsseln der Daten D mit dem Schlüssel K; und

das Abspeichern der verschlüsselten Daten D zusammen mit dem Prädikat P auf dem Terminal (10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Verschlüsseln der Daten D mit dem Schlüssel K der Schlüssel K vernichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem Masterkey MK um einen globalen Masterkey handelt.

4. Verfahren zum Zugreifen mittels eines portablen Datenträgers (20) auf verschlüsselte Daten D, die mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3 auf einem Terminal (10) gespeichert worden sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

das Extrahieren des Prädikats P aus den verschlüsselten Daten und dem Prädikat P;

das Anwenden des Prädikats P auf den Attributvektor A; und falls der Attributvektor A das Prädikat P erfüllt, das Ableiten des Schlüssels K aus dem Prädikat P und dem Masterkey MK mittels der Schlüs- selableitungsfunktion KDF und das Entschlüsseln der verschlüsselten Daten D.

5. Verfahren zum sicheren Speichern von Daten D mittels eines portab- len Datenträgers (20) auf einem Terminal (10), wobei auf dem portablen Datenträger (20) ein Prädikat P und ein Masterkey MK hinterlegt sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

das Ableiten eines Schlüssels K aus einem Attributvektor A und dem Masterkey MK mittels einer Schlüsselableitungsfunktion KDF, wobei das Prädikat P eine Boolesche Funktion des Attributvektors A ist;

das Verschlüsseln der Daten D mit dem Schlüssel K; und

das Abspeichern der verschlüsselten Daten D zusammen mit dem Attributvektor A auf dem Terminal (10).

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei nach dem Verschlüsseln der Daten D mit dem Schlüssel K der Schlüssel K vernichtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei es sich bei dem Masterkey MK um einen globalen Masterkey handelt.

8. Verfahren zum Zugreifen mittels eines portablen Datenträgers (20) auf verschlüsselte Daten D, die mittels eines Verfahrens nach Anspruch 5, 6 oder 7 auf einem Terminal (10) gespeichert worden sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

das Extrahieren des Attributvektors A aus den verschlüsselten Daten

D und dem Attributvektor A;

das Anwenden des Prädikats P auf den Attributvektor A; und falls der Attributvektor A das Prädikat P erfüllt, das Ableiten des Schlüssels K aus dem Attributvektor A und dem Masterkey MK mittels der Schlüsselableitungsfunktion KDF und das Entschlüsseln der verschlüsselten Daten D.

9. Portabler Datenträger (20), der dazu ausgestaltet ist, gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 7 Daten D auf einem Terminal (10) zu speichern oder gemäß einem Verfahren nach Anspruch 5 oder 8 auf Daten D auf einem Terminal (10) zuzugreifen.

10. Terminal (10), das dazu ausgestaltet ist, dass Daten D gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 7 auf dem Terminal

(10) gespeichert werden oder dass auf Daten D auf dem Terminal (10) gemäß einem Verfahren nach Anspruch 5 oder 8 zugegriffen wird.