CN102347837B - 在电机中生成挑战应答对的方法以及电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在电机中生成挑战应答对作为鉴权基础的方法。在此，电机具有至少一个定子和至少一个转子，其中，生成引起转子和定子之间的感应的电压或电流信号作为挑战，和与所引起的感应有关地确定参量作为应答。

Description

在电机中生成挑战应答对的方法以及电机

技术领域

本发明涉及一种用于在电机中生成挑战应答对的方法以及涉及一种电机。

背景技术

为了防止仿制的或伪造的技术单元，可以希望例如由客户安全地将单元鉴权为原始商品。可以被考虑用于安全鉴权的比较新的方法，基于对所谓物理不可克隆功能（PhysicalUnclonableFuntions,PUF）的使用。

在US2009/0083833中说明，如何可以通过用于鉴权的附加PUF模块以一系列电子单元（例如FPGA、RFID和ASIC）实施PUF。US7,681,103公开在采用PUF的情况下可靠地生成部件特定的值。

发明内容

根据独立权利要求的本发明基于电机中的感应能够实现电机、或电机是其组成部分的设备、或与电机相连接的设备的特别简单和成本低的鉴权。与另外的鉴权方法相比较，在此可以舍弃昂贵的附加的硬件组件，尤其是舍弃附加的PUF模块。对于本发明的若干所建议的扩展方案所需要的附加的部件是成本低的，并且可以简单地集成到已有的系统中。例如通过截获信号或中间连接硬件来回避本方法的方法，是耗费的、昂贵的，并且操纵常常是可以简单地证明的。

由从属权利要求的特征得出其它的优点和改进方案。

如果与电机的转子或定子中的电压有关地确定参量作为应答，则可以特别简单和成本低地实施本方法。另外，在一种优选的扩展方案中，例如在转子线圈或定子线圈的两个点之间的电压可以经由至这些点的两个接触被分接和被继续处理。由于使用附加的信息和本方法因此变得更鲁棒，在此特别有利的是,不仅将电压值、也就是例如电压幅度、而且附加地将电压的时间曲线一同计算在内。在硬件方面，该有利的扩展方案例如可以通过测量和继续处理电压（幅度和必要时时间曲线）的附加测量单元来实现。

优选可以由电机所具有的专门的信号发生器生成挑战信号。在此，可以成本低地实现该信号发生器，并根据方法来优化。

在一种有利的扩展方案中，例如通过位置传感器确定转子的位置，用于执行本方法。由此最佳地定义在生成挑战应答对时的条件，并使由当前的转子位置对结果的影响最小化。在一种特别安全的扩展方案中，由位置传感器的信号：转子处于确定的位置，来触发挑战的生成和应答的确定。附加于或替代于位置传感器，也可以手动执行该触发，例如以便节省必要时额外为此要设置的传感器的成本。为此例如在转子和定子上的两个点可以配备有标记。操作员于是可对标记（点）并排地定位，并因此提供所定义的转子位置和触发测量方法。

有利地可将对应答的确定考虑用于鉴权，其方式是，用所确定的应答和公共密钥来验证先前用秘密密钥签名的应答。由此实现一种要简单采用的和因此可成本低地实现的方法，如何可以（例如通过客户）鉴权具有电机的设备或车辆或电机，其方式是，提供公共密钥，并且利用电机/在电机中或利用设备或车辆/在设备或车辆中一起提供用秘密密钥签名的应答。

在另一有利的扩展方案中，利用挑战应答对生成秘密密钥（为此可考虑整个挑战应答对或只考虑应答）生成秘密密钥，并且利用该秘密密钥来验证鉴权消息。因此可以例如用较小的耗费在电机和相连接的设备之间建立安全的通信路径。

附图说明

图1展示具有用于生成或确定挑战应答对的装置的电机的示范性扩展方案，

图2展示示意的电压曲线（函数曲线V（t），随时间t的电压V），

图3示意地展示用于确定或处理电压曲线的方法的流程，

图4示意地展示用于鉴权电机的方法的流程，

图5展示具有通向所连接的设备的安全通信路径的电机，和

图6示意地展示用于在电机和与该电机相连接的设备之间建立安全通信路径的方法的流程。

具体实施方式

高质量产品的开发者和制造商必须常常深入研究产品剽窃的问题领域。虽然常常投入许多金钱到这种产品的研究和开发中，但是所述产品然后可以比较简单地被非法复制。该问题在此不仅局限于产品的制造商，而且由于大多显著降低的质量标准也可能涉及产品的买方。对于制造商和客户来说，因此值得追求的是，可以可靠地鉴权产品。以下说明，如何可以在电机中生成挑战应答对（Herausforderungs-Antwort-Paar），其可被用于鉴权电机或与电机相连接的设备。因此可将电机内的感应作用考虑为物理不能克隆功能（PhysicalUnclonableFunction,PUF）的基础。这里尤其是电动机和发电机也属于电机概念。本发明部分地借助电动机来说明，但是原则上同样也适用于另外的、尤其是旋转的电机。

为了防止仿制的或伪造的技术单元，可以希望例如由客户将单元安全地鉴权为原始商品。可以考虑用于安全鉴权的方法基于对所谓的物理不能克隆功能（PhysicalUnclonableFunctions,PUFs）的使用。

PUF是由部件的物理结构引起的功能，其中，结构具有许多由各个部件的相应精确的制造所确定的随机参数。在使用PUF用于鉴权时利用，通过变更例如物理系统的几何的和/或材料特定的参数在其制造时对确定的物理激励的确定的应答、所谓的挑战应答对（ChallengeResponsePairs,CRP），对于结构系列的确定的部件是表征性的。在此，将激励称为挑战（Challenge），将PUF的反应称为应答（Response）。为了使用PUF用于鉴权，请在文献中详尽讨论的密码方法（例如US2009/0083833和US7,681,103）参与。

本发明所基于的是，可将与电机中的感应有关的参量看作PUF。在制造电机时对于经由PUF的鉴权所需要的随机参数例如涉及定子和转子的几何特性（布置，大小）的变化，例如在转子和定子中线圈匝数的空间分布或轻微的不对称。

在图1中展示了用于在电机中生成挑战应答对的示范性扩展方案。利用所示的构造将PUF进行触发（挑战）和分析（应答）。为此在该具体的扩展方案中，将电机的线圈（这里为定子线圈2）与信号源1相连接。通过作为挑战来自信号源1的所确定的电压或电流信号，触发在定子线圈2和转子线圈3之间的感应作用。在图1中，通过分接在转子线圈3的两个点4和5之间的电压来测量该作用。由测量单元6接收和处理电压差（例如幅度和时间曲线）。测量单元6因此对于由信号发生器1所确定的挑战提供应答值。为了明确规定用于挑战应答对的该生成的条件，由位置传感器7记录转子线圈3的位置（或旋转的转子的位置），该位置传感器7可以既向信号发生器1、也向测量单元6在确定的预定义的转子位置时给出信号，并因此可以触发信号生成或测量。附加于或替代于位置传感器7，也可以手动执行这种触发，例如以便节省必要时额外为此要设置的传感器的成本。为此，例如转子和定子上的两个点可以配备有标记。操作员于是可将标记（点）并排地定位，并因此提供所定义的转子位置和触发测量方法。利用图1中的附图标记8示意地表示所表明的磁力线。

可以改变图1中的原理构造，例如其方式是将定子和转子的角色互换，或以便两个所示的线圈是转子的或替代地定子的两个线圈。也可以设想，测量与信号发生器相连接的线圈中的电压曲线。

在其之间测量电压差作为应答值的基础的点4和5被布置在线圈的随机的（但是因此对于该电机所确定的）位置处。为了可以提供更高数量的挑战应答对，可以提高点对的数量。确定的对的对于通过信号发生器1的确定的挑战的应答因此分别确定挑战应答对。

信号源1优选是电压源，该电压源例如可以生成可变长度和固定幅度的电压脉冲。如果通过位置传感器的信息或在替代的扩展方案中通过所述的手动确认转子在正确的位置处来触发，则信号产生器1生成信号，例如作为德尔塔（Delta）电压峰值。优选专门对于挑战应答对的生成来生成该信号，所述的方法因此也优选发生在正常运行之外。优选可以额外对于鉴权方法设置信号源1，同样也设置测量设备6。如果由于另外的应用应该存在相应的资源，则当然也可以采用这些资源。也许也可以额外设置位置传感器7；如果应存在相应的传感器技术，则又可以相应动用该传感器技术。

图2示意地展示在通过定子线圈2中的信号发生器1的电压脉冲之后在转子线圈3中的点4和5之间的所测量的电压差V的时间曲线V（t）。用V在此表示电压轴，用t表示图表的时间轴。例如指数地衰减的函数V（t）在幅度和时间曲线方面与转子和定子之间（根据图1在线圈2和3（包括线圈芯）之间）的感应作用以及其电阻特性有关，并因此又与已经说明的制造特点（几何形状、尺寸、材料）有关。如所述的那样，这些参数在不同的本来结构相同的设备之间变化，并因此可将函数V（t）采用为明确识别的基础。

此外，可以将来自图2的函数V（t）、也就是图1中的测量单元6所接收的测量信号转换成数字链。在图3中展示了可采用于测量或映射该函数的与时间有关的特性的示范性的软件流程图。在此前提是，在系统中（也就是在电机中或分配给该电机地）存在用于N个可能的项的存储表格和计数器。此外，存放对于所有可能的阈值计数器读数i=0…N的阈值阈值（i）。

在步骤31中启动时间计数器。

在步骤32中将i的初始值设置为0。

在步骤33中检验i小于N。如果这是这种情况，则转移到步骤34。如果不是这种情况，则向步骤38转移。

在步骤34中对于i小于N，读取当前的测量值V（t）。

在步骤35中检验，V（t）的值是否小于当前参数i的阈值。如果这是这种情况，则转移到步骤36。如果不是这种情况，方法则跳到步骤34，并从那里又跳到步骤35等等，只要直至满足V（t）小于阈值（i）的条件为止，并且然后转移到步骤36。

在步骤36中将时间计数器的值写入存储器的N个位置的第i个中。

在步骤37中将值i提高1。该方法在步骤37之后向步骤33转移。

在步骤38中连结（konkatenieren）来自存储器的N个时间值并且输出。

因此将所测量的信号持续地与当前的项、阈值（i）进行比较。如果该值小于阈值，则将当前的时间值存储在阵列“时间”中，并且变量“i”指向具有阈值的表格的下一项。如果处理了所有的项（i=N），则将表格“时间”的项的链接（连结（Konkatenation））作为表征电机的字符链、也就是作为PUF对挑战的应答来输出。

为了减少负面的噪声效应和提高方法的安全性，可以在采用模糊提取器（FuzzyExtractor）的情况下处理应答信号。模糊提取器的示例例如可以从以下的文章中获悉：YevgeniyDodis，JonathanKatz和LeonidReyzin：“Robustfuzzyextractorsandauthenticatedkeyagreementfromclosesecrets”，(inAdvancesinCryptology-CRYPTO’06,volume4117ofLectureNotesinComputerScience,pages232-250,Springer出版社,2006)。

在一种专门的实施形式中，基于其感应功能的PUF特性，可以进行电机本身的鉴权。在此，在该实施例中，应该例如验证，电机是否由确定的制造商制造。在图4中示意地展示了相应的方法。

在第一步骤41中，生成物理激励（电压，电流）作为挑战，例如如对于图1所说明的那样。

在步骤42中接受和继续处理基于激励的感应作用的PUF的应答，例如作为如对于图2所说明的数字链。因此也就是在步骤41和42中共同提供CRP。

在第三步骤43中用制造商的私人（秘密）密钥对应答签名。只要存在适当的计算资源，这可以在设备内部进行，或也可在外部进行。于是优选在电机中或在电机上或在含有电机的设备中或设备上提供因此所获得的签名。它可以例如被存放在专门的存储器中，或作为条形码被施加到电机或设备上。作为具体的示例，电动机可以安装在电动工具中，并将签名在外部安放在电动工具上。在另一示例中，电动机安装在车辆中，并且签名存放在车辆的存储器中。在对应答签名之前，在一种特别的扩展方案中，可将所述应答与适当的差错纠正码(ErrorcorrectionCode,ECC)相匹配。

优选可以在电机的制造商的工厂中或例如在授权的车间中由有限范围的授权人员来进行步骤41-43。

在步骤44-46中，例如由客户或由用于检验设备或电机的正确的制造商身份的海关进行电机的本来的鉴权。在步骤44中，检验人为此应用挑战、也就是物理激励。这例如可以通过以下方式进行，即利用为此所设置的操作元件，或通过信号输入端直接向电机给出用于触发激励的相应的信号、或激励。要么在这里自动触发正确的激励信号，要么在步骤41中例如通过利用签名存储或提供来把该值记录下来。

来自步骤44的挑战在电机中生成在步骤45中由检验者所确定的应答。例如如在步骤42中那样，进行应答的处理。利用该应答以及利用电机的制造商的公共密钥，检验者现在可以验证所提供的（例如所施加的或存储的）签名并从而在步骤46中验证电机的来源。

根据该实施例，总的来说可以因此对电机鉴权。这例如也可以被利用用于至少部分地电驱动的车辆或电动工具的鉴权。在需要时，可以任意经常地对于鉴权执行步骤44-46，这通过从步骤46至步骤44的虚箭头来表明。

图5借助示范性的构造展示，如何可以使用基于电机中的感应的物理不能克隆功能，来在电机和与该电机相连接的设备之间、例如在车辆中的电动机和相连接的控制设备之间设立安全的通信路径。

在此，在图5中展示了电机51（例如车辆中的电动机）以及与电机相连接的设备52（例如控制设备）。

将模糊提取器53和MAC计算或验证单元54分配给电机。模糊提取器的示例可从进一步上述的引文中获知。在此，这些单元53和54例如也可以集成在电路中、必要时也与其它的密码功能集成。单元53和54可以是电机的组成部分，或在外部和分配给该电机。

电机51的设备52可以经由通信连接发送（55）消息。如对于图1所说明的那样，给电机51分配在图5中没有明确展示的（或示意地附加给单元53的）装置，利用所述装置可以基于电机51中的感应确定挑战应答对。为此产生挑战（在图5中示意地用56表示），并因此引起感应。用57示意地表示电机51的应答。模糊提取器53基于挑战应答对（或基于应答）产生秘密密钥，如对于图6还要更详细地阐明的那样，并向MAC计算或验证单元54发送（58）该秘密密钥。因此可以检验由电机51所接收（55）的、用相同的秘密密钥在设备52中所确保的消息（鉴权添加物（Authentifizierungszusatz））。验证的结果例如导致由电机处理消息（59）或导致拒绝消息。

如果来自图5的电机51使用所述的安全路径用于与相连接的设备52通信，则所述电极具有高的安全性，使得所接收的信号真正源自所希望的设备，并且例如也未在途中被操纵。

图6示意地展示用于在电机和与该电机相连接的设备之间建立安全通信路径的方法的流程。

在步骤61中确定PUF-CRP（挑战应答对（Challenge-Response-Pair））（如例如对于图1所说明的那样），并从中产生秘密密钥。在此，可以在内部（例如在设备或电机中）或在外部进行密钥产生。对于在与控制设备相连接的车辆中的电动机的示例，可以有利地由控制设备本身实现密钥产生，因为控制设备通常按照标准具有对此所需要的硬件。例如在“YevgeniyDodis，JonathanKatz和LeonidReyzin的Robustfuzzyextractorsandauthenticatedkeyagreementfromclosesecrets(inAdvancesinCryptology-CRYPTO’06,volume4117ofLectureNotesinComputerScience,pages232-250,Springer出版社,2006)中或在US2009/0083833A1中说明，如何可以采用PUF，以便从中例如利用模糊提取器来产生密码密钥。

在步骤62中，将所产生的秘密密钥存放在设备中或存放在分配给设备的存储器中，优选在加密地例如通过专门硬件所保护的存储区域中，其中从该存储区域中不能简单地读出密钥。

步骤61和62可以说是本方法的初始化，并且例如在制造商的工厂中被经历。在以下的步骤63至67中发生鉴权或在电机和相连接的设备之间经由安全通信路径的安全通信。

为了鉴权设备，该设备可以向电机发送消息（步骤63），其中，用秘密密钥对消息进行加密，或消息优选配备有只能用秘密密钥生成的身份标签。这种身份标签可以以密码的方式用已知的方法例如在使用消息鉴权码（MessageAuthenticationCode,MAC）的情况下实现。因此由与电机相连接的设备产生身份标签（或由该设备对消息进行加密），设备为此具有适当的密码装置和硬件资源。

在优选的实施例中（电机=车辆中的电动机，设备=控制设备），例如在控制设备的开动（Hochfahren）或关闭（Herunterfahren）时，例如在发动机起动时或在控制设备和/或发动机空转中，（例如通过发送具有身份标签的消息）可以进行控制设备的鉴权。

在步骤64中，电机通过施加挑战信号（如对于图5所说明的那样）现在独立地生成预先规定的应答，并且类似于步骤61例如借助模糊提取器（参见图5）从中生成秘密密钥。该秘密密钥因此也是在步骤62中所存放的相同的秘密密钥。

电机在步骤65中利用MAC验证单元来检验身份标签的正确性（或对加密的消息进行解密），并因此检查设备的身份。按照该检验的结果，转移到步骤66（错误的身份），或转移到步骤67（正确的身份）。

如所说明的那样，在步骤65中在失败的验证的情况下，转移到步骤66。在该步骤中，现在可以对失败的鉴权规定不同的反应。例如可以不理睬指令或消息，可以输出差错信号，可以将电机和/或设备去活或转换到“故障安全模式（fail-safe-mode）”，或可以采取其它的措施。在与车辆中的电动机相连接的控制设备的情况下，例如可以在失败的鉴权的情况下激活驶离闭锁（Wegfahrsperre）。必要时可以用步骤66（暂且）终止在图6中所示的方法，但是也许（例如当输出仅一个差错信号时）也可以重新转移到步骤63，因此用由设备所接收的下一消息继续本方法。

在正确的验证或鉴权的情况下，在步骤67中接受和处理消息，或实施指令。一旦由相连接的设备经由安全通信路径接收和应该验证下一消息时，步骤67又转移到步骤63。

关于基于PUF对（首先较旧的）电机或与该电机相连接的设备的识别或鉴权的可能的问题，可能是关键地贡献于所选择的PUF的参数的由年龄决定的降级（Degradation）。如果在确定的时间或在确定的事件时通过当前的应答值来代替旧的应答值，或更新CRP，则在确定的情况下可以回避这点。

因此例如根据图5和6的实施例，电机可以生成新的CRP，并且独立地向另一设备发送从中所产生的秘密密钥。于是该秘密密钥被存放在那里，并对于其它的方法被使用用于在设备和电机之间创造安全通信路径。对于秘密密钥的该通信，电机和所分配的设备必要时还可以考虑旧的秘密密钥用于保险，只要该秘密密钥在两个设备中存在（存储）。可以每隔一定时间或在确定的持续时间之后，或者也与说明老化（Alterung）的参数有关地进行这种PUF-CRP更新。如果电机是车辆中的电动机和与之相连接的设备是所分配的控制设备，则例如可以在电运行的车辆中的发动机空转或控制设备空转时进行该PUF-CRP更新。

Claims (12)

1.用于在电机中生成挑战应答对作为鉴权基础的方法，其中，所述电机具有至少一个定子和至少一个转子，其特征在于，生成引起转子和定子之间的感应的电压或电流信号作为挑战，和与所引起的感应有关地确定参量作为应答。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，与转子或定子的线圈（3）的两个确定的点（4，5）之间的电压有关地来确定所述应答。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，所述应答与线圈（3）的确定的点（4，5）之间的电压的时间曲线和幅度有关。

4.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，确定转子的位置。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，如果确定出转子的确定的位置，则触发挑战的生成和应答的确定。

6.按照权利要求5的方法，其特征在于，由位置传感器（7）确定转子的确定的位置。

7.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，利用所确定的应答和公共密钥来验证先前用秘密密钥签名的应答。

8.按照权利要求1至6之一的方法，其特征在于，从所述挑战应答对中生成秘密密钥，和利用所述秘密密钥来验证鉴权消息。

9.具有至少一个定子和至少一个转子的电机，其特征在于，所述电机具有用于生成引起转子和定子之间的感应的电压或电流信号作为挑战的装置（1），和具有用于与所引起的感应有关地确定参量作为应答的装置（6）。

10.按照权利要求9的电机，具有可以确定转子的位置的位置传感器（7）。

11.按照以上权利要求之一的电机，具有用于确定电压的测量单元（6），其中，测量单元（6）与转子或定子的线圈（3）的至少两个点（4，5）相连接。

12.按照以上权利要求之一的电机，具有可以生成确定的电压或电流信号的信号单元（1）。