WO1996032791A1 - Verfahren zum rechnergestützten austausch kryptographischer schlüssel zwischen einer benutzercomputereinheit u und einer netzcomputereinheit n - Google Patents
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Definitions
- a security mechanism used for security is the encryption of the transmitted data. So that the data can be encrypted in a communication relationship between two communication partners, steps have to be carried out before the transmission of the own data, which prepare the encryption. The steps can e.g. B. consist in the fact that the two communication partners agree on an encryption algorithm and, if necessary, the common secret keys are agreed.
- the encryption security mechanism is of particular importance in mobile radio systems, since the transmitted data in these systems can be intercepted by any third party without any particular additional outlay. This leads to the requirement to make a selection of known security mechanisms and to combine these security mechanisms in a suitable manner, and to specify communication protocols that ensure the security of information technology systems.
- Asymmetrical methods for computer-aided exchange of cryptographic keys are known.
- Asymmetric methods that are suitable for mobile radio systems are (A. Aziz, W. Diffie, "Privacy and Authentication for Wellbeing Local Area Networks", IEEE Personal Communications, 1994, pp. 25 to 31) and (M. Beller, "Proposed Authentication and Key Agreement Protocol for PCS", Joint Experts Meeting on Privacy and Authentication for Personal Communications, P&A JEM 1993, 1993, pp. 1 to 11).
- the method described in expressly relates to local networks and places higher computing power requirements to the computer units of the communication partners during the key exchange.
- more transmission capacity is required in the method than in the method according to the invention, since the length of the messages is longer than in the method according to the invention.
- the problem of the invention is to specify a method for computer-aided exchange of cryptographic keys which avoids the disadvantages mentioned above.
- a significant advantage of the method according to the invention is that, compared to a symmetrical encryption algorithm, the very computationally intensive modular exponentiation only has to be carried out twice on each side, which enables a significantly higher protocol processing speed.
- Figures la, b is a flowchart illustrating the inventive method according to claim 1;
- Figures 2a, b is a sketch illustrating the inventive method according to claim 3.
- FIGS. 1a, b and 2a, b The invention is further explained on the basis of FIGS. 1a, b and 2a, b.
- FIGS. 1 a, b show a sketch of the sequence of the method according to the invention according to claim 1. This method assumes that a trustworthy public network key g s is available in a user computer unit U. It is also assumed that a trusted public user key g u is available in a network computer unit N.
- the method according to the invention described in FIGS. 1 a, b begins with the generation of a first random number t in the network computer unit N.
- a first value g fc is formed from the first random number t by a generating element g of a finite group in the network computer unit N.
- Asymmetric methods are based essentially on two problems of complexity theory, the problem of factoring complex numbers efficiently and the discrete logarithm problem (DLP).
- the DLP consists in that exponentiations can be carried out efficiently in suitable computing structures, but that no efficient algorithms are known for the reversal of this operation, the logarithm.
- Such computational structures are to be understood under the finite groups described above. These are e.g. B. the ultimate group of a finite body (e.g.
- the first message M1 is encoded in the network computer unit N and transmitted to the user computer unit U. In the user computer unit U is decoded the first message M1.
- a second random number r is formed in the user computer unit U. From the second random number r, a second value g r is calculated by the generating element g in accordance with the selected computing structure described above.
- a public network key that is available in the user computer unit is exponentiated with the second random number r and thus forms a first intermediate key
- An identity information IMUI of the user computer unit U is encrypted with the first intermediate key K1 using an encryption algorithm Enc.
- the encrypted identity information IMUI forms a first encrypted term VT1.
- a second intermediate key K2 is calculated in the user computer unit U by exponentiating the first value g fc with a secret user key u.
- a session key K is calculated by the bit-wise application of the exclusive-OR function on the first intermediate key K1 and the second intermediate key K2.
- a first answer A is formed by encrypting a user constant constu, which is known to both the user computer unit U and the network computer unit N, with the session key K using a function f.
- the function f can e.g. B. be a symmetrical encryption function or a hash function or a one-way function.
- a one-way function is to be understood as a function in which it is not possible to calculate a suitable input value for a given function value.
- a hash function is to be understood as a compressing one-way function, with a hash function an arbitrarily long input string being mapped to an output string of a fixed length.
- freedom from collisions is required for the one-way function or hash function in this context, ie it must not be possible to find two different input character sequences which result in the same output character string.
- Known hash functions are e.g. B. the MD2 algorithm or the MD5 algorithm.
- a second message M2 is then formed in the user computer unit U, the second message M2 containing at least the second value g r , the first encrypted term VT1 and the first response A.
- the second message M2 is encoded in the user computer unit U and transmitted to the network computer unit N.
- the second value g r transmitted in the second message M2 enables the network computer unit N to form the first intermediate key Kl itself without the first intermediate key Kl having to be transmitted. This is achieved since only the user computer unit U and the network computer unit N are in possession of the first intermediate key Kl.
- the first answer A serves to verify the session key, which the network computer unit N can also form as described below, without the session key K having to be transmitted.
- the second message M2 is decoded in the network computer unit N.
- the first intermediate key K 1 is then calculated in the network computer unit N by exponentiating the second value g r with a secret network key s. It is thus possible for the network computer unit N to decrypt the transmitted first encrypted Ter VTl using the first intermediate key K1 calculated in the previous.
- the decryption of the first encrypted term VT1 is carried out and the user computer unit U is thus identified as the sender of the second message M2.
- the second intermediate key K2 in the network computer unit N is formed from the exponentiation of a public user key g u , which is available in the network computer unit N in a trustworthy manner, with the first random number t.
- the session key K is calculated in the network computer unit N as well as in the user computer unit U by bitwise exclusive-OR combination of the first intermediate key K1 with the second intermediate key K2.
- the first answer A is checked using the function f.
- the check can be carried out in different ways.
- the explicit authentication of the user computer unit (U) is achieved by the first answer (A), since, apart from the network computer unit (N), only the user computer unit (U) knows the session key (K). If the function f is implemented by a symmetrical encryption function, it is possible to check the first answer A in two ways:
- the user constant constu known to the network computer unit N can be encrypted with the session key K using the function f in the network computer unit N and the result can be compared directly with the first response A. If the result agrees with the first answer A, the correctness of the key K is guaranteed.
- the function f is implemented by a hash function, the decryption of the first answer A is naturally not possible. It is therefore only possible in this case to design the check in such a way that the user constant constu and the session key K using the function f provide a result which is compared with the first answer A.
- a network constant constn is then encrypted in the network computer unit N with the checked session key K using the function f and forms a second response B.
- a third message M3 is formed in the network computer unit N and contains at least the second response B.
- the third message M3 is encoded in the network computer unit N and transmitted to the user computer unit U.
- the third message M3 is decoded in the user computer unit U and the second response is then checked in a corresponding manner, as was described above for the first response A in the network computer unit N.
- a user certificate CertU and a network certificate CertN are provided to exchange the public network key g s and the public user key g ⁇ , it can be advantageous if the user computer unit U of the network computer unit N is present in the presence of several trustworthy certification bodies communicates from which certification authority the user computer unit U can verify a network certificate CertN.
- the certification message has at least one identity information of a certification computer unit, from which the network computer unit N can receive a network certificate CertN, which can be verified by the user computer unit U.
- the network computer unit N After the network computer unit N has obtained the network certificate CertN from the certification computer unit CA, the network certificate CertN is transmitted to the user computer unit U.
- a user certificate CertU is in turn determined in the user computer unit U and, instead of the identity information IMUI of the user computer unit U, is encrypted with the first intermediate key K1 using the encryption function Enc to the first encrypted Ter VT1.
- the transmission of the user certificate CertU is thus made possible without the identity of the user computer unit U being disclosed to an unauthorized third party during the transmission of the second message M2.
- the user certificate CertU obtained thereby is verified by the network computer unit N. In this way, a trustworthy exchange of the network certificate CertN and the user certificate CertU is achieved.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch kryptographischer Schlüssel, bei dem die Länge der übertragenen Nachrichten wesentlich reduziert und die Sicherheitseigenschaften des Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren erheblich erweitert werden. In einer Netzcomputereinheit und in einer Benutzercomputereinheit werden ein erster Zwischenschlüssel und ein zweiter Zwischenschlüssel abhängig von generierten Zufallszahlen gebildet. Ein Sitzungsschlüssel wird durch eine bitweise Exklusiv-Oder-Verknüpfung des ersten Zwischenschlüssels und des zweiten Zwischenschlüssels berechnet. Die Schlüssel werden niemals in Klartext übertragen. Durch Verwendung einer Funktion, die z.B. eine symmetrische Verschlüsselungsfunktion, eine Hash-Funktion oder eine Einwegfunktion sein kann, authentifizieren sich die Netzcomputereinheit und die Benutzercomputereinheit gegenseitig.
Description
Beschreibung
Verfahren zum rechnergestützten Austausch kryptographischer Schlüssel zwischen einer Benutzercomputereinheit U und einer Netzco putereinheit N
Informationstechnische Systeme unterliegen verschiedenen Be¬ drohungen. So kann z. B. übertragene Information von einem unbefugten Dritten abgehört und verändert werden. Eine wei¬ tere Bedrohung bei der Kommunikation zweier Kommunikations- partner liegt in der Vorspiegelung einer falschen Identität eines Kommunikationspartners.
Diesen und weiteren Bedrohungen wird durch verschiedene Si- cherheitsmechanismen, die das informationstechnische System vor den Bedrohungen schützen sollen, begegnet. Ein zur Siche¬ rung verwendeter Sicherheitsmechanismus ist die Verschlüsse¬ lung der übertragenen Daten. Damit die Daten in einer Kommu¬ nikationsbeziehung zwischen zwei Kommunikationspartnern ver¬ schlüsselt werden können, müssen vor der Übertragung der ei- gentliehen Daten erst Schritte durchgeführt werden, die die Verschlüsselung vorbereiten. Die Schritte können z. B. darin bestehen, daß sich die beiden Kommunikationspartner auf einen Verschlüsselungsalgorithmus einigen und ggf. die gemeinsamen geheimen Schlüssel vereinbart werden.
Besondere Bedeutung gewinnt der Sicherheitsmechanismus Ver¬ schlüsselung bei Mobilfunksystemen, da die übertragenen Daten in diesen Systemen von jedem Dritten ohne besonderen zusätz¬ lichen Aufwand abgehört werden können.
Dies führt zu der Anforderung, eine Auswahl bekannter Sicher¬ heitsmechanismen so zu treffen und diese Sicherheitsmechanis¬ men geeignet zu kombinieren, sowie Kommunikationsprotokolle zu spezifizieren, daß durch sie die Sicherheit von informa¬ tionstechnischen Systemen gewährleistet wird.
Es sind verschiedene asymmetrische Verfahren zum rechnerce- stützen Austausch kryptographischer Schlüssel bekannt. Asym- metrische Verfahren, die geeignet sind für Mobilfunksysteme, sind (A. Aziz, W. Diffie, "Privacy and Authentication for Wi- reless Local Area Networks", IEEE Personal Communications, 1994, S. 25 bis 31) und (M. Beller, "Proposed Authentication and Key Agreement Protocol for PCS", Joint Experts Meeting on Privacy and Authentication for Personal Communications, P&A JEM 1993, 1993, S. 1 bis 11).
Das in (A. Aziz, W. Diffie: "Privacy and Authentication in Wireless Local Area Networks", IEEE Personal Communications, 1994, S. 25 bis 31) beschriebene Verfahren bezieht sich aus¬ drücklich auf lokale Netzwerke und stellt höhere Rechenlei¬ stungsanforderungen an die Computereinheiten der Kommunika¬ tionspartner während des Schlüsselaustauschs. Außerdem wird in dem Verfahren mehr Übertragungskapazität benötigt als in dem erfindungsgemäßen Verfahren, da die Länge der Nachrichten größer ist als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Das in (M. Beller, "Proposed Authentication and Key Agreement Protocol for PCS", Joint Experts Meeting on Privacy and Au- thentication for Personal Communications, P&A JEM 1993, 1993, Pages 1 bis 11) hat einige grundlegende Sicherheitsmechanis¬ men nicht integriert. Die explizite Authentifikation des Net¬ zes durch den Benutzer wird nicht erreicht. Außerdem wird ein vom Benutzer an das Netz übertragener Schlüssel vom Netz
nicht an den Benutzer bestätigt. Auch eine Zusicherung der Frische (Aktualität) des Schlüssels für das Netz ist nicht vorgesehen. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht in der Beschränkung auf das Rabin-Verfahren bei der implizi- ten Authentifizierung des Schlüssels durch den Benutzer. Dies schränkt das Verfahren in einer flexibleren Anwendbarkeit ein. Außerdem ist kein Sicherheitsmechanismus vorgesehen, der die Nichtabstreitbarkeit von übertragenen Daten gewähr¬ leistet. Dies ist ein erheblicher Nachteil vor allem auch bei der Erstellung unanfechtbarer Gebührenabrechnungen für ein
Mobilfunksystem. Auch die Beschränkung des Verfahrens auf den National Institute of Standards in Technology Signature Stan¬ dard (NIST DSS) als verwendete Signaturfunktion schränkt das Verfahren in seiner allgemeinen Verwendbarkeit ein.
Das Problem der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum rechnergestützten Austausch kryptographischer Schlüssel an¬ zugeben, das die oben genannten Nachteile vermeidet.
Dieses Problem wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichten Vorteile liegen vor allem in dem Bereich einer höheren Sicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu bekannten Ver¬ fahren und in einer erheblichen Reduktion der Länge der über¬ tragenen Nachrichten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden folgende Sicherheitsmechanismen realisiert:
- Gegenseitige explizite Authentifizierung von dem Benutzer und dem Netz, d. h. die gegenseitige Verifizierung der be¬ haupteten Identität, - Schlüsselvereinbarung zwischen dem Benutzer und dem Netz mit gegenseitiger impliziter Authentifizierung, d. h. daß
durch das Verfahren erreicht wird, daß nach Abschluß der Prozedur ein gemeinsamer geheimer Sitzungsschlüssel zur Verfügung steht, von dem jede Partei weiß, daß nur das au¬ thentische Gegenüber sich ebenfalls im Besitz des geheimen Sitzungsschlüssels befinden kann,
- Zusicherung der Frische (Aktualität) des Sitzungsschlüssels für den Benutzer und das Netz,
- gegenseitige Bestätigung des Sitzungsschlüssels von dem Be¬ nutzer und dem Netz, d. h. die Bestätigung, daß das Gegen- über tatsächlich im Besitz des vereinbarten geheimen Sit¬ zungsschlüssels ist,
- Benutzeranonymität, d. h. Vertraulichkeit der Identität des Benutzers gegenüber Dritten,
- Nichtabstreitbarkeit von Daten, die vom Benutzer an das Netz gesendet wurden, durch den Benutzer.
- Senden eines Zertifikats für den öffentlichen Schlüssel des Netzes vom Netz an den Benutzer,
- Senden eines Zertifikats für den öffentlichen Schlüssel des Benutzers von der Zertifizierungsinstanz an das Netz,
Außerdem liegt ein erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß ein im Vergleich zu einem symmetrischen Verschlüsselungsalgorithmus die sehr rechenintensive modulare Exponentiation nur zwei Mal auf jeder Seite durchgeführt werden muß, was eine wesentlich höhere Protokollabarbeitungs¬ geschwindigkeit ermöglicht.
Die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Pa- tentanspruch 3 realisiert zusätzlich einen weiteren Sicher- heitsmechanismus, den Austausch von Zertifikaten für öffent¬ liche Schlüssel zwischen dem Benutzer und dem Netz.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem sehr leicht an unterschiedliche Anforderungen anpaßbar, da es sich nicht auf bestimmte Verschlüsselungsalgorithmen beschränkt.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Zeichnungen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, die im folgenden näher beschrieben werden.
Es zeigen
Figuren la, b ein Ablaufdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 1 darstellt; Figuren 2a, b eine Skizze, die das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 3 darstellt.
Anhand der Figuren la, b und 2a, b wird die Erfindung weiter erläutert.
In den Figuren la, b ist durch eine Skizze der Ablauf des er¬ findungsgemäßen Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 darge¬ stellt. Bei diesem Verfahren wird vorausgesetzt, daß in einer Benutzercomputereinheit U ein vertrauenswürdiger öffentlicher Ne zschlύssel gs verfügbar ist. Außerdem wird vorausgesetzt, daß in einer Netzcomputereinheit N ein vertrauenswürdiger öffentlicher Benutzerschlüssel gu verfügbar ist.
Das in den Figuren la, b beschriebene erfindungsgemäße Ver- fahren beginnt mit einer Generierung einer ersten Zufallszahl t in der Netzcomputereinheit N. Aus der ersten Zufallszahl t wird von einem erzeugenden Element g einer endlichen Gruppe in der Netzcomputereinheit N ein erster Wert gfc gebildet.
Asymmetrische Verfahren beruhen im wesentlichen auf zwei Problemen der Komplexitätstheorie, dem Problem zusammenge¬ setzte Zahlen effizient zu faktorisieren, und dem diskreten Logarithmusproblem (DLP) . Das DLP besteht darin, daß in ge- eigneten Rechenstrukturen zwar Exponentiationen effizient durchgeführt werden können, daß jedoch für die Umkehrung dieser Operation, das Logarith ieren, keine effizienten Algo¬ rithmen bekannt sind. Solche Rechenstrukturen sind unter den oben bezeichneten endlichen Gruppen zu verstehen. Diese sind z. B. die ultiplikative Gruppe eines endlichen Körpers (z.
B. Multiplizieren modulo p, wobei p eine große Primzahl ist), oder auch sogenannte "elliptische Kurven" . Elliptische Kurven sind vor allem deshalb interessant, weil sie bei gleichem Sicherheitsniveau wesentlich kürzere Sicherheitsparameter erlauben. Dies betrifft die Länge der öffentlichen Schlüssel, die Länge der Zertifikate, die Länge der bei der Sitzungs¬ schlüsselvereinbarung auszutauschenden Nachrichten sowie die Länge von digitalen Signaturen, die jeweils im weiteren be¬ schrieben werden. Der Grund dafür ist, daß die für ellipti- sehe Kurven bekannten Logarithrnierverfahren wesentlich weni¬ ger effizient sind als die für endliche Körper. Eine große Primzahl in diesem Zusammenhang bedeutet, daß die Größe der Primzahl so gewählt werden muß, daß die Logarithmierung so aufwendig ist, daß sie nicht in vertretbarer Zeit durchge- führt werden kann. Vertretbar bedeutet in diesem Zusammenhang einen Zeitraum entsprechend der Sicherheitspolitik für das informationstechnische System von mehreren Jahren bis Jahr¬ zehnten und länger.
Nach der Berechnung des ersten Wertes gt wird eine erste
Nachricht Ml gebildet, die mindestens den ersten Wert gfc auf¬ weist. Die erste Nachricht Ml wird in der Netzcomputereinheit N codiert und an die Benutzercomputereinheit U übertragen. In
der Benutzercomputereinheit U wird die erste Nachricht Ml de¬ codiert.
Außerdem wird in der Benutzercomputereinheit U eine zweite Zufallszahl r gebildet. Aus der zweiten Zufallszahl r wird ein zweiter Wert gr von dem erzeugenden Element g entspre¬ chend der gewählten im vorigen beschriebenen Rechenstruktur berechnet.
Ein öffentlicher Netzschlüssel, der in der Benutzercomputer¬ einheit verfügbar ist, wird potenziert mit der zweiten Zu¬ fallszahl r und bildet somit einen ersten Zwischenschlüssel
Kl.
Mit dem ersten Zwischenschlüssel Kl wird unter Verwendung ei¬ nes Verschlüsselungsalgorithmus Enc eine Identitätsangabe IMUI der Benutzercomputereinheit U verschlüsselt. Die ver¬ schlüsselte Identitätsangabe IMUI bildet einen ersten ver¬ schlüsselten Term VTl.
Außerdem wird in der Benutzercomputereinheit U ein zweiter Zwischenschlüssel K2 berechnet, indem der erste Wert gfc mit einem geheimen Benutzerschlüssel u potenziert wird.
Ein Sitzungsschlüssel K wird berechnet durch die bitweise An¬ wendung der Funktion Exklusiv-Oder auf den ersten Zwischen¬ schlüssel Kl und den zweiten Zwischenschlüssel K2. Eine erste Antwort A wird gebildet durch Verschlüsselung einer Benut¬ zerkonstanten constu, die sowohl der Benutzercomputereinheit U als auch der Netzcomputereinheit N bekannt ist, mit dem Sitzungsschlüssel K unter Verwendung einer Funktion f.
Die Funktion f kann z. B. eine symmetrische Verschlüsse¬ lungsfunktion sein oder eine Hash-Funktion oder eine Einweg-
funktion. Unter einer Einwegfunktion ist in diesem Zusammen¬ hang eine Funktion zu verstehen, bei der es nicht möglich ist, zu einem gegebenen Funktionswert einen passenden Ein¬ gangswert zu berechnen. Unter einer Hash-Funktion ist eine komprimierende Einwegfunktion zu verstehen, wobei bei einer Hash-Funktion eine beliebig lange Eingangszeichenfolge auf eine Ausgangszeichenfolge fester Länge abgebildet wird. Des weiteren wird für die Einwegfunktion bzw. Hash-Funktion in diesem Zusammenhang Kollisionsfreiheit gefordert, d. h.es darf nicht möglich sein, zwei verschiedene Eingangszeichen¬ folgen zu finden, die dieselbe Ausgangszeichenfolge ergeben. Bekannte Hash-Funktionen sind z. B. der MD2-Algorithmus oder der MD5-Algorithmus.
In der Benutzercomputereinheit U wird anschließend eine zwei¬ te Nachricht M2 gebildet, wobei die zweite Nachricht M2 min¬ destens den zweiten Wert gr, den ersten verschlüsselten Term VT1 und die erste Antwort A enthält. Die zweite Nachricht M2 wird in der Benutzercomputereinheit U codiert und an die Netzcomputereinheit N übertragen.
Durch den in der zweiten Nachricht M2 übertragenen zweiten Wert gr ist es der Netzcomputereinheit N möglich, den ersten Zwischenschlüssel Kl selbst zu bilden, ohne daß der erste Zwischenschlüssel Kl übertragen werden muß. Dies wird er¬ reicht, da nur die Benutzercomputereinheit U und die Netz¬ computereinheit N im Besitz des ersten Zwischenschlüssels Kl sind.
Die erste Antwort A dient zur Verifizierung des Sitzungs¬ schlüssels, den die Netzcomputereinheit N wie im weiteren beschrieben auch bilden kann, ohne daß der Sitzungsschlüssel K übertragen werden müßte.
Nach Empfang der zweiten Nachricht M2 wird die zweite Nach¬ richt M2 in der Netzcomputereinheit N decodiert. Anschließend wird der erste Zwischenschlüssel Kl in der Netzcomputerein¬ heit N berechnet, indem der zweite Wert gr potenziert wird mit einem geheimen Netzschlüssel s. Damit ist es der Netz- Computereinheit N möglich, den übertragenen ersten ver¬ schlüsselten Ter VTl zu entschlüsseln mit dem in vorigen be¬ rechneten ersten Zwischenschlüssel Kl.
Die Entschlüsselung des ersten verschlüsselten Terms VTl wird durchgeführt und damit wird die Benutzercomputereinheit U au¬ thentifiziert als Sender der zweiten Nachricht M2. Aus der Potenzierung eines öffentlichen Benutzerschlüssels gu, der in vertrauenswürdiger Weise in der Netzcomputereinheit N verfügbar ist, mit der ersten Zufallszahl t wird der zweite Zwischenschlüssel K2 in der Netzcomputereinheit N gebildet .
Der Sitzungsschlüssel K wird in der Netzcomputereinheit N ebenso, wie in der Benutzercomputereinheit U, durch bitweise Exklusiv-Oder-Verknüpfung des ersten Zwischenschlüssels Kl mit dem zweiten Zwischenschlüsεel K2 berechnet.
Mit Hilfe des Sitzungsschlüssels K wird unter Verwendung der Funktion f die erste Antwort A überprüft. Die Überprüfung kann, je nachdem welcher Art die Funktion f ist, auf unter¬ schiedliche Weise geschehen.
Die explizite Authentifikation der Benutzercomputereinheit (U) wird durch die erste Antwort (A) erreicht, da, außer der Netzcomputereinheit (N) nur die Benutzercomputereinheit (U) den Sitzungsschlüssel (K) kennt.
Wenn die Funktion f durch eine symmetrische Verschlüsse¬ lungsfunktion realisiert wird, ist es möglich, die Überprü¬ fung der ersten Antwort A auf zwei Arten durchzuführen:
Die der Netzcomputereinheit N bekannte Benutzerkonstante constu kann mit dem Sitzungsschlüssel K unter Verwendung der Funktion f in der Netzcomputereinheit N verschlüsselt werden und das Ergebnis kann mit der ersten Antwort A direkt vergli¬ chen werden. Bei Übereinstimmung des Ergebnisses mit der er- sten Antwort A ist die Korrektheit des Schlüssels K gewänr- leistet.
Es ist jedoch auch möglich, die erste Antwort A mit dem in der Netzcomputereinheit N berechneten Sitzungsschlüssel K zu entschlüsseln, und eine dadurch erhaltene entschlüsselte Be¬ nutzerkonstante constu' mit der bekannten Benutzerkonstante constu zu vergleichen. Bei Übereinstimmung der Benutzerkon¬ stante constu mit der entschlüsselten Benutzerkonstante con¬ stu' ist ebenso die Korrektheit des Sitzungsschlüssels K ga- rantiert.
Wird die Funktion f durch eine Hash-Funktion realisiert, so ist die Entschlüsselung der ersten Antwort A naturgemäß nicht möglich. Somit ist es in diesem Fall nur möglich, die Über- prüfung so zu gestalten, daß die Benutzerkonstante constu und der Sitzungsschlüssel K unter Anwendung der Funktion f ein Ergebnis liefert, das mit der ersten Antwort A verglichen wird.
Anschließend wird in der Netzcomputereinheit N eine Netzkon¬ stante constn mit dem überprüften Sitzungsschlüssel K unter Verwendung der Funktion f verschlüsselt und bildet eine zweite Antwort B.
In der Netzcomputereinheit N wird eine dritte Nachricht M3 gebildet, die mindestens die zweite Antwort B enthält. Die dritte Nachricht M3 wird in der Netzcomputereinheit N codiert und an die Benutzercomputereinheit U übertragen.
In der Benutzercomputereinheit U wird die dritte Nachricht M3 decodiert und im Anschluß daran die zweite Antwort in ent¬ sprechender Weise überprüft, wie dies im vorigen für die er¬ ste Antwort A in der Netzcomputereinheit N beschrieben wurde.
Für den Fall, daß in der Benutzercomputereinheit U der öf¬ fentliche Netzschlüssel gs und in der Netzcomputereinheit N der öffentliche Benutzerschlüssel gu nicht bekannt sind bzw. nicht in vertrauenswürdiger Weise vorliegen, wird eine Wei- terbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Patentan¬ spruch 3 verwendet. Diese Weiterbildung der Erfindung ist in den Figuren 2a, b dargestellt.
Wenn zum Austausch des öffentlichen Netzschlüεsels gs und des öffentlichen Benutzerschlüssels gυ die Verwendung eines Be¬ nutzerzertifikats CertU und eines Netzzertifikats CertN vor¬ gesehen sind, so kann es vorteilhaft sein, wenn bei Vorhan¬ densein mehrerer vertrauenswürdiger Zertifizierungsinstanzen die Benutzercomputereinheit U der Netzcomputereinheit N mit- teilt, von welcher Zertifizierungsinstanz die Benutzercompu¬ tereinheit U ein Netzzertifikat CertN verifizieren kann.
Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß zu Beginn des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens eine Zertifizierungsnachricht von der Benutzercomputereinheit U an die Netzcomputereinheit N über¬ tragen wird. Die Zertifizierungsnachricht weist in diesem Zu¬ sammenhang mindestens eine Identitätsangabe einer Zertifi¬ zierungscomputereinheit auf, von der die Netzcomputereinheit
N ein Netzzertifikat CertN erhalten kann, das von der Benut¬ zercomputereinheit U verifiziert werden kann.
Nachdem die Netzcomputereinheit N das Netzzertifikat CertN von der Zertifizierungscomputereinheit CA beschafft hat, wird das Netzzertifikat CertN an die Benutzercomputereinheit U übertragen.
Dies geschieht dadurch, daß der ersten Nachricht Ml zusätz- lieh das Netzzertifikat CertN beigefügt wird. In der Benut¬ zercomputereinheit U wird nach der Decodierung der ersten Nachricht Ml in diesem Fall das Netzzertifikat CertN verifi¬ ziert und somit hat die Benutzercomputereinheit U einen ver¬ trauenswürdigen öffentlichen Netzschlüssel gs erhalten.
In der Benutzercomputereinheit U wiederum wird ein Benutzer¬ zertifikat CertU ermittelt, und anstelle der Identitätsangabe IMUI der Benutzercomputereinheit U mit dem ersten Zwischen¬ schlüssel Kl unter Verwendung der Verschlüsselungsfunktion Enc zu dem ersten verschlüsselten Ter VTl verschlüsselt. So¬ mit wird die Übertragung des Benutzerzertifikats CertU ermög¬ licht, ohne daß die Identität der Benutzercomputereinheit U an einen unbefugten Dritten bei der Übertragung der zweiten Nachricht M2 offenbart wird. Nach Entschlüsselung des ersten Terms VTl in der Netzcomputereinheit N wird das dadurch er¬ haltene Benutzerzertifikat CertU von der Netzcomputereinheit N verifiziert. Auf diese Weise ist ein vertrauenswürdiger Austausch von Netzzertifikat CertN und dem Benutzerzertifikat CertU erreicht.
Claims
1. Verfahren zum rechnergestützten Austausch kryptographi- scher Schlüssel zwischen einer Benutzercomputereinheit (U) und einer Netzcomputereinheit (N) ,
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) eine erste Zufalls¬ zahl (t) generiert wird,
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) aus der ersten Zu¬ fallszahl (t) mit Hilfe eines erzeugenden Elements (g) ei- ner endlichen Gruppe ein erster Wert (gt ) berechnet wird,
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) eine erste Nachricht (Ml) gebildet wird, die mindestens den ersten Wert (gt) aufweist,
- bei dem die erste Nachricht (Ml) von der Netzcomputerein- heit (N) an die Benutzercomputereinheit (U) übertragen wird,
- bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) eine zweite Zu¬ fallszahl (r) generiert wird,
- bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) aus der zweiten Zufallszahl (r) ein zweiter Wert (gr) mit Hilfe des erzeu¬ genden Elements (g) einer endlichen Gruppe gebildet wird,
- bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) ein erster Zwi¬ schenschlüssel (Kl) berechnet wird in der Weise, daß ein öffentlicher Netzschlüssel (gs) potenziert wird mit der zweiten Zufallszahl (r) ,
- bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) ein zweiter Zwi¬ schenschlüssel (K2) berechnet wird in der Weise, daß der erste Wert (gfc) potenziert wird mit einem geheimen Benut¬ zerschlüssel (u) , - bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) ein Sitzungs¬ schlüssel (K) berechnet wird durch Verknüpfung des ersten Zwischenschlüssels (Kl) mit dem zweiten Zwischenschlüssel (K2), - bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) eine zweite Nachricht (M2) gebildet wird, die mindestens den zweiten Wert (gr) aufweist,
- bei dem die zweite Nachricht (M2) von der Benutzercomputer- einheit (U) an die Netzcomputereinheit (N) übertragen wird,
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) der erste Zwischen¬ schlüssel (Kl) berechnet wird in der Weise, daß der zweite Wert (gr) potenziert wird mit einem geheimem Netzεchlüssel (s) , - bei dem in der Netzcomputereinheit (N) der zweite Zwi¬ schenschlüssel (K2) berechnet wird, indem ein öffentlicher Benutzerschlüssel (gu) potenziert wird mit der ersten Zu¬ fallszahl (t) , und
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) der Sitzungsschlüs- sei (K) berechnet wird durch die Verknüpfung des ersten
Zwischenschlüssels (Kl) mit dem zweiten Zwischenschlüssel (K2) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, - bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) ein erster ver¬ schlüsselter Term (VTl) berechnet wird durch Verschlüsse¬ lung einer Identitätsangabe (IMUI) der Benutzercomputerein¬ heit (U) mit dem ersten Zwischenschlüssel (Kl) unter Ver¬ wendung einer Verschlüsselungsfunktion (Enc) , - bei dem die zweite Nachricht (M2) zusätzlich mindestens den ersten verschlüsselten Term (VTl) aufweist,
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) der erste verschlüs¬ selte Term (VTl) entschlüsselt wird, und
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) die Identitätsangabe (IMUI) der Benutzercomputereinheit (U) überprüft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
- bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) ein Sitzungs¬ schlüssel (K) berechnet wird durch bitweise Exklusiv-Oder- Verknüpfung des ersten Zwischenschlüssels (Kl) mit dem zweiten Zwischenschlüssel (K2), und
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) der Sitzungsschlüs¬ sel (K) berechnet wird durch bitweise Exklusiv-Oder-Ver- knüpfung des ersten Zwischenschlüssels (Kl) mit dem zweiten Zwischenschlüssel (K2) .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) eine erste Ant- wort (A) gebildet wird durch Anwendung einer Funktion (f) auf eine Benutzerkonstante (constu) und den Sitzungsschlüs¬ sel (K) gebildet wird,
- bei dem die zweite Nachricht (M2) zusätzlich mindestens die erste Antwort (A) aufweist, und - bei dem in der Netzcomputereinheit (N) die erste Antwort (A) überprüft wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) eine zweite Antwort (B) berechnet wird durch Anwendung der Funktion (f) auf ei¬ ne Netzkonstante (constn) und den Sitzungsschlüssel (K) gebildet wird,
- bei dem eine dritte Nachricht (M3) von der Netzcomputerein¬ heit (N) zu der Benutzercomputereinheit (U) übertragen wird, wobei die dritte Nachricht (M3) mindestens die zweite Antwort (B) enthält, und
- bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) die zweite Ant¬ wort (B) überprüft wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zu Beginn des Verfahrens eine Zertifizierungsnach¬ richt von der Benutzercomputereinheit (U) an die Netzcompu¬ tereinheit (N) übertragen wird, wobei die Zertifizierungs¬ nachricht mindestens eine Identitätsangabe einer Zer- tifizierungscomputereinheit enthält, die ein Netzzertifikat (CertN) liefert, das von der Benutzercomputereinheit (U) ve¬ rifiziert werden kann.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
- bei dem die erste Nachricht (Ml) zusätzlich ein Netzzerti¬ fikat (CertN) des öffentlichen Netzschlüssels (gs) der Netzcomputereinheit (N) aufweist,
- bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) das Netzzertifi- kat (CertN) verifiziert wird,
- bei dem in der Benutzercomputereinheit (U) der erste ver¬ schlüsselte Term (VTl) gebildet wird durch Verschlüsselung eines Benutzerzertifikats (CertU) eines öffentlichen Benut¬ zerschlüssels (gu) der Benutzercomputereinheit (U) mit dem ersten Zwischenschlüssel (Kl) unter Verwendung einer Ver¬ schlüsselungsfunktion (Enc) , und
- bei dem in der Netzcomputereinheit (N) das Benutzerzertifi¬ kat (CertU) verifiziert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
- bei dem die Funktion (f) einen symmetrischen Verschlüsse¬ lungsalgorithmus, einen Hash-Algorithmus oder eine Einweg¬ funktion darstellt,
- bei dem die Überprüfung der ersten Antwort (A) in der Netz- Computereinheit (N) darin besteht, daß die Funktion (f) auf die Benutzerkonstante (constu) und den in der Netzcomputereinheit (N) berechneten Sitzungsschlüssel (K) angewendet wird und das Ergebnis mit der ersten Antwort (A) auf Übereinstimmung geprüft wird, und - bei dem die Überprüfung der zweiten Antwort (B) in der Be¬ nutzercomputereinheit (U) darin besteht, daß die Funktion (f) auf die Netzkonstante (constn) und den in der Benutzercomputereinheit (U) berechneten Sitzungsschlüssel (K) angewendet wird und das Ergebnis mit der zweiten Antwort (B) auf Übereinstimmung geprüft wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, - bei dem die Funktion (f) einen symmetrischen Verschlüsse¬ lungsalgorithmus darstellt,
- bei dem die Überprüfung der ersten Antwort (A) in der Netz¬ computereinheit (N) darin besteht, daß die erste Antwort (A) in der Netzcomputereinheit (N) mit dem in der Netzcom- putereinheit (N) berechneten Sitzungsschlüssel (K) ent¬ schlüsselt wird und eine entschlüsselte Benutzerkonstante (constu') mit der Benutzerkonstante (constu) verglichen wird, und
- bei dem die Überprüfung der zweiten Antwort (B) in der Be- nutzercomputereinheit (U) darin besteht, daß die zweite
Antwort (B) in der Benutzercomputereinheit (U) mit dem in der Benutzercomputereinheit (U) berechneten Sitzungsschlüs¬ sel (K) entschlüsselt wird und eine entschlüsselte Netzkon¬ stante (constn') mit der Netzkonstante (constn) verglichen wird.
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