CN1381019A - 消耗时间间隔与数据载体的功率消耗相适配的数据载体 - Google Patents

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Abstract

在用于具有基站的通信数据(KD1,KD2)通信的数据载体中,具有对通信的通信数据(KD1,KD2)进行处理的处理装置(4),以及具有电压供给装置(5),其被安排以在充电时间间隔(TL)直到接通瞬时(te1,te2,te3)期间接收施加给数据载体的外部供给电压(UEXT),并且其在开始于接通瞬时(te1,te2,te3)的消耗时间间隔(TV1,TV2,TV3)期间,适合于将内部供给电压(UINT)提供给从外部供给电压(UEXT)分离的处理装置(4),当内部供给电压(UINT)降到阈值电压(US)以下时,处理装置(4)适合于从中断瞬时(tu1,tu2,tu3)中断处理,直到接通瞬时(te1,te2,te3),现在提供了时间测量装置(12),该时间测量装置适合于测量定义为从接通瞬时(te1,te2,te3)直到中断瞬时(tu1,tu2,tu3)的时间间隔的处理时间间隔(TP1,TP2,TP3),并且电压供给装置(5)被配置成使消耗时间间隔(TV1,TV2,TV3)适配于被测量的处理时间间隔(TP1,TP2,TP3)。

Description

消耗时间间隔与数据载体的功率消耗相适配的数据载体
本发明涉及用于具有基站的通信数据的通信的数据载体，具有对通信的通信数据进行处理的装置，并且具有电压供给装置，该电压供给装置被安排以在充电时间间隔直到接通瞬时期间接收施加给数据载体的外部供给电压，并且其在始于接通瞬时的消耗时间间隔期间，适合于将内部供给电压提供给与外部供给电压分离的处理装置，当内部供给电压降到阈值电压以下时，处理装置适合于从中断瞬时中断处理，直到接通瞬时。
在开头段落所阐述的这类数据载体可从文件WO 00/26868中得知并由智能卡的转发器形成。公知的数据载体适合于借助智能卡的接触板(contact pad)从基站或者是向基站交换通信数据。数据载体具有处理装置，用于处理借助接触板接收的或者是借助接触板待要输出的通信数据。
处理装置然后执行处理程序，其中对存储器装置进行读和写访问的过程中，普通算术运算、用于加密和解密保密信息或数据的密码算术运算、以及执行另外的处理步骤。数据载体的功率消耗依赖于被执行的处理步骤以及正在处理的数据的位组合而有所不同。
为了防止黑客在单个处理步骤中通过可在接触板探测的功率消耗的分析来窃取被处理的保密数据，公知的数据载体具有特殊的电压供给装置。这些电压供给装置包括一个电容器，在充电时间间隔期间，该电容器借助接触板由外部供给电压进行充电直到在接通瞬时达到接通电压。随后，从外部供给电压分离的电容器在消耗时间间隔期间将内部供给电压提供给处理装置。
在消耗时间间隔随后的放电时间间隔期间，电容器放电到最小电压，于是它被再充电。这保证内部功率消耗从借助接触板可测量确定的外部功率消耗中分离。
当在消耗时间间隔期间，内部供给电压减小到低于中断瞬时的阈值电压时，处理装置就中断处理程序的执行。因此，它防止了可导致错误的计算或存储的结果的、储存在电容器中的功率不足以完成利用高功率消耗的处理步骤。
对公知的数据载体，已经证明的缺点是，在具有高功率消耗的处理步骤期间，处理装置进行的处理在接通瞬时后就相对快地被中断，并且固定的预定消耗时间间隔的余下部分未被用作用于处理程序执行的处理时间。由于这个原因，具有高功率消耗的处理步骤要求相对长的处理时间，这是一个主要的缺点。
本发明的一个目的是提供一种数据载体，其中具有高功率消耗的处理步骤有基本较短的处理时间，而同时保持保密数据不被窃取的高度安全性。根据本发明，为了实现这种在开头段落所阐述的这类数据载体的目的，提供了时间测量装置，其适合于对定义为从接通瞬时直到中断瞬时的时间间隔的处理时间间隔进行测量，并且电压供给装置配置成将消耗时间间隔适配于测量的处理时间间隔。
因此，实现了消耗时间间隔被测量并连续地被减小直到基本上整个消耗时间间隔被用作处理时间间隔。当一些具有高功率消耗的处理步骤再次由具有较低功率消耗的处理步骤跟随时，消耗时间间隔就被延长直到基本上整个消耗时间间隔被再次用作处理时间间隔。
这具有的优点是，数据载体的处理时间间隔与消耗时间间隔之间的比率可大大地提高，特别是对具有高功率消耗的处理步骤，其使得处理程序以更高的速度被执行。因为在根据本发明的数据载体中，处理装置在每一个处理时间间隔中也执行多个处理步骤，内部功率消耗保持与可借助接触板来探测的外部功率消耗的分离，其具有保密信息不可被窃取的优点。
如权利要求2中限定的载体具有的优点是，实现了消耗时间间隔对处理时间间隔的可靠而缓慢的适配，结果是消耗时间间隔逐步缩短。
如权利要求3中限定的载体具有的优点是，当直至跨过阈值电压都是可能的整个处理时间间隔没有被用于处理步骤的执行时，消耗时间间隔就被迅速地延长。
如权利要求4中限定的载体具有的优点是，黑客不能探测内部功率消耗中的任何模式(pattern)。
如权利要求5中限定载体具有的优点是，消耗时间间隔已经从正开始到直接紧随待执行的处理步骤被适配。
本发明现在将在后面参考一实施例详细地进行描述，该实施例通过实例给出，但是本发明不只限于此实例。
图1示出了用于借助接触板进行通信数据接触-接合(contact-bound)通信的智能卡，该卡具有用于处理时间间隔测量的时间测量装置。
图2示出了智能卡的作为时间的函数的外部供给电压和内部供给电压以及出现在图1中的智能卡的作为时间的函数的开关信息。
图1示出了包括数据载体2和接触板3的智能卡1。数据载体2适合于提供具有基站的通信数据KD1和KD2的接触-接合通信。基站可能是例如用于发放现金的自动交易机。在这种接触-接合通信期间，通信数据KD1和KD2借助智能卡1的接触板3和基站的接触板来进行传送，二者均遵从标准ISO7816。数据载体2借助接触板3从基站获得外部供给电压UEXT。
数据载体2包括处理装置4，用于处理从基站接收的通信数据KD1和待传送给基站的通信数据KD2。处理装置4包括一个80C51型的微处理器、一个用于加密和解密保密信息或数据的协处理器、用于存储处理程序的存储器装置(ROM)和中间存储器装置(RAM)。
由数据载体2处理的或存储在存储器装置中并在处理期间读出的通信数据KD1和KD2可包括保密信息，如例如银行代码。该保密信息对称之为黑客的非授权人应是无法被读取的。
为了预防这一点，数据载体2具有电压供给装置5，其在处理装置4处理保密信号期间，将电压供给装置5产生的内部供给电压UINT从外部供给电压UEXT分离。因此，防止了黑客在处理程序的单个处理步骤的执行期间通过分析数据载体2的功率消耗来推断可在接触板3被探测的处理装置4的功率消耗。如果这种推断是可能的，则在存储器处理步骤期间，例如借助内部数据总线从微处理器向存储器装置传输的保密数据就可能被窃取，因为在此存储器处理步骤期间处理装置4的功率消耗依赖于保密数据的数字“1”比特和“0”比特。
电压供给装置5包括一个第一开关6和一个电容器7，其用作功率储存装置。第一开关6和第二开关8的开关位置由电压控制装置9通过第一开关信息SI1或第二开关信息SI2的供给进行控制，其在图2B和2C中进行图解说明并且将在此后进行阐述。
图2A示出了作为时间的函数外部供给电压UEXT和内部供给电压UINT，内部供给电压UINT在具有周期时间间隔TZ的电压供给周期中具有周期性。在周期时间间隔TZ1的开始处，从瞬时t1开始，电压控制装置9不将第一开关信息SI1提供给第一开关6，但是它们将第二开关信息SI2提供给第二开关8。因此，第一开关6是打开的而第二开关8是关闭的，其结果是外部供给电压UEXT在充电时间间隔TL被提供给电容器7直到第一个接通瞬时te1，此时电容器7已被充电到接通电压UE。
在第一电压供给周期的第一消耗时间间隔期间，在第一接通瞬时te1储存在电容器7中的功率用作处理装置4的功率存储装置以及数据载体2的另外的功率消耗装置。为了在处理程序的执行期间将处理装置4从外部供给电压UEXT分离，电压控制装置9在第一接通瞬时te1停止第二开关信息SI2的供给。
因此，第一开关6和第二开关8都是打开的，并且电容器7将内部供给电压UINT提供给处理装置4和数据载体2的另外的功率消耗装置。内部供给电压UINT的电压值此时依赖于数据载体2的功率消耗连续地降低。
数据载体2包括适配于测量内部供给电压UINT的瞬时电压值的电压测量级10。在第一消耗时间间隔TV1期间的第一中断瞬时tu1，当内部供给电压UINT降至阈值电压US以下时，电压测量级10适合于将中断信息UI提供给数据载体2的时钟发生装置11。从接收到中断信息UI直至达到下一个，即第二个接通瞬时，时钟发生装置11不把时钟信号CLK提供给处理装置4。
因此，在第一消耗时间间隔TV1期间的第一中断瞬时tu1，处理装置4在第一周期时间间隔TZ1期间从第一接通瞬时te1直至达到第一中断瞬时tu1为止执行处理程序，并且当内部供给电压UINT降至阈值电压US以下时，中断处理程序的执行。因此，防止了具有高功率消耗的处理步骤在第一中断瞬时tu1之后利用电容器7中可用的剩余功率启动，并由于不足的供给电压UINT而不能完成，其可导致错误的计算或存储结果。
在瞬时t2处的第一消耗时间间隔TV1期满之后，电压控制装置9将第一开关信息SI1提供给第一开关6，其结果是电容器7在放电时间间隔TE期间放电直到在瞬时t3达到一个最小的电压UM。电压供给装置5的第一供给电压周期的第一周期时间间隔TZ1在瞬时t3结束。
将电容器7放电直到达到最小的电压UM所具有的优点在于，在第一电压供给周期之后，在随后的第二电压供给周期的充电时间间隔T1期间黑客不能在第一电压供给周期期间从处理装置的功率消耗得出任何结论(conclusion)。
如上所述的电压供给装置5的操作对黑客的分析企图提供了最大的抗扰性，但是为了执行处理程序，在第一周期时间间隔TZ1期间对处理装置4实际可用的第一处理时间间隔TP相对短。在随后的电压供给周期期间，利用如此短的处理时间间隔TP，处理程序的执行，特别是在几个连续的具有高功率消耗的处理步骤情况中，将需要相对长的时间，这可能是一个缺点。
数据载体2现在具有适合于测量第一接通瞬时te1与第一中断瞬时tu1之间的处理时间间隔TP1的测量装置12。时间测量装置12由计数器构成，其在第一接通瞬时te1由电压测量级10启动并在第一中断瞬时tu1停止。
因此由计数器确定的计数被用到电压测量级10作为计数器信息CI并由电压测量级10进行求值。电压测量级10随后将适配信息AI提供给电压控制装置9，以便适配于第二消耗时间间隔TV2。依靠适配信息AI，提供第一开关信息SI1的瞬时将被改变，因为随后的第二电压供给周期在电压控制装置9中被改变。
因此，实现了对每个电压供给周期的处理时间间隔TP的测量，并且减小了一个电压供给周期的消耗时间间隔TV直到基本上整个消耗时间间隔TV被用作处理时间间隔TP。当在具有高功率消耗的处理步骤的一些电压供给周期之后，再次有低功率消耗的处理步骤的电压供给周期出现时，消耗时间间隔TV被延长直到基本上整个消耗时间间隔TV被再次用作处理时间间隔TP。
这具有的优点是，处理时间间隔TP与数据载体2的每个电压供给周期的周期时间间隔TZ之间的比率，特别是在具有高功率消耗的处理步骤的情况中，可大大地提高，其使得处理程序以更高的速度被执行。由于处理装置4在每个电压供给周期期间执行多个处理步骤，单个处理步骤的内部功率消耗与可在接触板被确定的外部的功率消耗保持分离，其有利地防止了黑客对保密数据的检索。
应当注意，也可使消耗时间间隔TV等于处理时间间隔TP，即电容器7在放电时间间隔TE期间可在中断瞬时tu之后被立即放电。然而，这会具有大的缺点，即处理时间间隔TV对可被黑客探测的周期时间间隔TZ有直接的影响，其结果是有关处理装置4的功率消耗的结论可被截取。因此，根据本发明，消耗时间间隔TV逐步接近处理时间间隔TP，但是两个时间间隔几乎从不具有相同的值。
因此，实现了消耗时间间隔TV的长度适配于功率消耗，该功率消耗依赖于进行中的周期时间间隔TZ的处理步骤的算术操作。因此，可被黑客探测的数据载体2的功率消耗也依赖于相关算术操作类型的功率消耗，但是可探测的功率消耗对任何由算术操作处理的保密数据不存在依赖性。
很显然从图2知，电压控制装置9第一开关6和第二开关8，以使第二消耗时间间隔TV2仅仅大约为第二处理时间间隔TP2的两倍长。在第二处理时间间隔TP2期间，处理装置4因此执行大约与在第一处理时间间隔TP1期间同样多的处理步骤，第二周期时间间隔TZ2优选地随后比第一周期时间间隔TZ1短。
响应于在第二电压供给周期期间由时间测量装置12确定的计数器信息CI，电压测量级10将另外的适配信息AI提供给电压控制装置9，以便在第三电压供给周期期间第三消耗时间间隔TV3的进一步减小。这具有的优点是，第三消耗时间间隔TV3相对于第二消耗时间间隔TV2进一步减小并且适配于数据载体2中处理装置4以及另外的功率消耗装置的功率消耗。
在图2A中没有示出的并且紧随第三电压供给周期的第四电压供给周期期间，处理装置4消耗的功率大大低于在第三电压供给周期中消耗的功率。其结果是，已经降低到一个相对短长度的第四消耗时间间隔，在外部供给电压UINT降到阈值电压US以下之前结束。随后，电压测量级10将适配信息AI提供给电压控制装置9，以便将用于随后的第五电压供给周期的第五消耗时间间隔延长到储存在存储器装置中的额定消耗时间间隔长度。
这具有的优点是，当处理装置4不能利用直至降至阈值电压US以下都是可能的整个处理时间间隔TP时，消耗时间间隔TV就被很快地延长，用于执行处理程序的处理步骤。
应当注意，当在消耗时间间隔期间，内部供给电压UINT还没有降到阈值电压US以下时，电压供给装置5可适配于将消耗时间间隔延长到一个从多个可能的额定消耗时间间隔中随机选取的消耗时间间隔。这将具有的优点是，黑客不能探测到内部功率消耗的任何模式。
应当注意，在处理程序的处理步骤的执行期间，存储器装置可适合于储存的处理装置4的功率消耗的功率信息特征，并且电压供给装置5适合于根据被储存用于后面待执行的处理步骤的功率信息来限定消耗时间间隔TV。因此，在处理程序的执行期间的数据载体的功率消耗可由被授权这样做的人进行一次分析，并且相应的功率信息可被储存在数据载体中。这将具有的优点是，消耗时间间隔已经从正开始到直接跟随的处理步骤被适配并因此总将具有一个最佳值。
应当注意数据载体可通过一集成电路来形成，使得数据载体可被廉价地制造。应当注意根据本发明的数据载体也可适合于提供通信数据的非接触通信，而在此情形中黑客可用场传感器来分析数据载体的功率消耗。这种数据载体的电压供给装置有利地防止了这一点，并且根据本发明在无接触通信的数据载体中，时间测量装置的提供还将另外具有上文所述的优点。

Claims (5)

1.一种数据载体(2)，用于具有基站的通信数据(KD1，KD2)的通信，具有
-处理装置(4)，用于通信的通信数据(KD1，KD2)的处理，以及具有
-电压供给装置(5)，其被安排用于在充电时间间隔(TL)直到接通瞬时(te1，te2，te3)期间接收施加给数据载体的外部供给电压(UEXT)，并且其在开始于接通瞬时(te1，te2，te3)的消耗时间间隔(TV1，TV2，TV3)期间，适合于将内部供给电压(UINT)提供给从外部供给电压(UEXT)分离的处理装置(4)，当内部供给电压(UINT)降到阈值电压(US)以下时，处理装置(4)适合于从中断瞬时(tu1，tu2，tu3)直到接通瞬时(te1，te2，te3)中断处理，
其特征在于提供了时间测量装置(12)，该装置适合于测量处理时间间隔(TP1，TP2，TP3)，其定义为从接通瞬时(te1，te2，te3)直到中断瞬时(tu1，tu2，tu3)的时间间隔，并且电压供给装置(5)适合于使消耗时同间隔(TV1，TV2，TV3)适配于被测量的处理时间间隔(TP1，TP2，TP3)。
2.如权利要求1的数据载体(2)，其特征在于当消耗时间间隔(TV1，TV2，TV3)比处理时间间隔(TP1，TP2，TP3)长时，电压供给装置(5)适合逐步减小消耗时间间隔(TV1，TV2，TV3)。
3.如权利要求1中的数据载体(2)，其特征在于当在消耗时间间隔(TV1，TV2，TV3)期间内部供给电压(UINT)没有降到阈值电压(US)以下时，电压供给装置(5)适合于将消耗时间间隔(TV1，TV2，TV3)延长到额定的消耗时间间隔。
4.如权利要求1中的数据载体(2)，其特征在于当在消耗时间间隔(TV1，TV2，TV3)期间内部供给电压(UINT)没有降到阈值电压(US)以下时，电压供给装置(5)适合于将消耗时间间隔(TV1，TV2，TV3)延长到一个从多个可能的额定消耗时间间隔中以随机方式选取的消耗时间间隔。
5.如权利要求1中的数据载体(2)，其特征在于存储器装置适合于在处理程序的处理步骤的执行期间储存处理装置(4)的功率消耗的功率信息特征，并且电压供给装置(5)适合于根据储存的用于下一个待执行的处理步骤的功率信息来定义消耗时间间隔(TV1，TV2，TV3)。
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