DE10100346A1 - Verfahren zur Generierung eines Schlüssels - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Generierung eines Schlüssels in einem Kommunikationsendgerät, bei dem der Schlüssel unter Verwendung eines Zufallswerts gebildet wird. Hierbei wird der Zufallswert auf Basis eines vom Kommunikationsendgerät ermittelten, zufälligen Umgebungsparameters gewonnen. Darüber hinaus wird ein entsprechendes Kommunikationsendgerät beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung eines Schlüssels in einem Kommunikationsendgerät, bei dem der Schlüssel unter Verwendung eines Zufallswerts gebildet wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kommunikationsendgerät mit einer entsprechenden Einrichtung zur Generierung eines Schlüssels.

Zur Übermittlung von sicherheitsrelevanten Daten, beispiels­ weise beim Bezahlen per Kreditkarte oder beim Homebanking über das Internet oder auch mittels eines Mobilfunkgeräts, ist eine sichere Datenübertragung erforderlich, die zum einen eine Sicherheit gegen ein Ausspähen der Daten durch Unbefugte gewährleistet und zum anderen für den jeweiligen Empfänger die Authentizität der übermittelten Daten gewährleistet. Das heißt, es muss sichergestellt sein, dass die Daten während der Übertragung nicht in falsche Hände gelangen und miss­ braucht werden können, und dass die Daten nicht manipuliert wurden. Um eine solche sichere Übertragung zu gewährleisten, werden die Daten üblicherweise mit einem Schlüssel verschlüs­ selt und wieder entschlüsselt. Bei Verwendung eines asymmet­ rischen Verschlüsselungsverfahrens wird ein Schlüsselpaar - ein Schlüssel zum Ver- und ein Schlüssel zum Entschlüsseln - benötigt. Besonders sicher sind solche Verfahren dann, wenn für jede Sitzung, d. h. jede Datenverbindung, ein neuer Schlüssel bzw. ein neues Schlüsselpaar erzeugt wird, welches nur in dieser Sitzung verwendet wird (sogenannte Session Keys). Natürlich können prinzipiell die Schlüssel jederzeit vom Benutzer selbst, beispielsweise mittels einer Eingabe über eine Tastatur, frei definiert werden. Eine besonders ho­ he Sicherheit ist jedoch dann gegeben, wenn die Schlüssel au­ tomatisch nach einem Zufallsprinzip erzeugt werden. Hierzu kann in dem jeweiligen Kommunikationsendgerät ein Zufallsge­ nerator verwendet werden. Ein Nachteil solcher Zufallsgeneratoren besteht jedoch darin, dass sie in Wirklichkeit nur eine Kette von Pseudo-Zufallsfolgen produzieren. Im Übrigen müssen auch solche Zufallsgeneratoren üblicherweise zunächst durch Eingabe einer oder mehrerer (zufälliger) Zahlen initialisiert werden. Bei verschiedenen aus der Praxis bereits bekannten Homebanking-Verfahren im Internet werden die Schlüsselpaare daher durch ein zufälliges Bewegen der am Computer ange­ schlossenen Maus generiert. Hierzu wird der Benutzer inner­ halb eines Benutzerführungsdialogs aufgefordert, mehrmals die Maus möglichst willkürlich hin- und herzubewegen. Das heißt, es ist nach wie vor eine bewusst durchgeführte Aktion des je­ weiligen Benutzers erforderlich, um die Schlüssel zu erzeu­ gen. Dieses Verfahren hat außerdem den Nachteil, dass es nur dann funktioniert, wenn das jeweilige Kommunikationsendgerät eine Maus oder ein entsprechendes Gerät, beispielsweise einen Track-Ball, aufweist. Für mobile Kommunikationsendgeräte, insbesondere Hand-held-Geräte, die in der Regel keine derar­ tige Eingabevorrichtung aufweisen, kommt dieses Verfahren nicht in Frage.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu dem bekannten Stand der Technik zu schaffen, welche eine Generierung eines Schlüssels auf Basis eines zufälligen Wer­ tes erlaubt, der ohne bewusstes Zutun eines Nutzers gefunden wurde.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und ein Kommunikationsendgerät gemäß Anspruch 9 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Zufallswert dabei auf Basis eines vom Kommunikationsendgerät ermittelten zufälligen Umgebungs­ parameters gewonnen. Das heißt, es werden verschiedene, am jeweiligen Kommunikationsendgerät messbare oder sonst wie er­ mittelbare Größen oder Charakteristiken der zufälligen Umge­ bung herangezogen, um den Zufallswert zu ermitteln.

Bei diesen Umgebungsparametern kann es sich um Parameter der direkten physischen Umgebung, beispielsweise Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit etc. handeln, die mit einer spe­ ziellen separaten Messeinrichtung des Kommunikationsendgeräts gemessen werden. Eine weitere Alternative für die Ermittlung von Umgebungswerten ist beispielsweise eine Messung der Bewe­ gung des Geräts selbst mittels Beschleunigungsmessern im Ge­ rät oder auch über ein GPS-System oder dergleichen.

Es kann sich aber auch um Parameter handeln, die mit dem Be­ trieb des Kommunikationsendgeräts zusammenhängen, beispiels­ weise die aktuelle Netzspannung oder Netzfrequenz, einen Ak­ ku-Ladezustand oder Ähnliches. Ebenso können auch die genaue Zeit und das Datum als Umgebungsparameter angesehen werden.

Eine spezielle Form der Umgebungsparameter sind außerdem die Kommunikationssystemparameter, d. h. solche Parameter, die die "Umgebung" des Kommunikationsendgeräts bezüglich des Kommuni­ kationssystems beschreiben.

Hierunter fallen insbesondere Netzwerkparameter bzw. aktuelle Netzwerkeigenschaften, die z. B. davon abhängen, wo sich das Kommunikationsgerät aktuell innerhalb eines Netzwerks aufhält bzw. an welche weiteren Geräte das Kommunikationsendgerät an­ geschlossen ist oder mit denen es in Verbindung steht. Bei­ spiele hierfür sind der sogenannte "BS Colorcode", ein Initi­ alisierungscode für die vom Kommunikationsendgerät in einem Mobilfunknetz empfangenen Basisstationen, oder auch die "Se­ quenz Frame Numbers" der jeweiligen empfangenen Basisstation.

Eine weitere Form der Kommunikationssystemparameter sind die Kanalparameter, die die Eigenschaften des jeweils aktuell be­ nutzten Funkkanals beschreiben. Hierunter fallen beispiels­ weise die aktuellen Empfangspegel(RxLEV), die BER (Bit Error Rate), die BLER (Block Error Rate), die gemessenen Interfe­ renzen oder auch Signal-Rausch-Abstände.

Bei allen diesen Werten handelt es sich um Werte eines Mobil­ funknetzes, die vom aktuellen Standort des Kommunikationsend­ geräts und von den aktuellen Übertragungsbedingungen abhängen und die sich daher ständig verändern. Insbesondere bei vielen der Kommunikationssystemparameter besteht der Vorteil, dass diese Werte (wie beispielsweise die BS Colorcodes, die Se­ quenz Frame Numbers, die BERs und BLERs) ohnehin in regelmä­ ßigen Abständen oder sogar permanent ermittelt bzw. gemessen werden, damit der Funkbetrieb ordnungsgemäß aufrechterhalten werden kann. Es brauchen daher nur diese bereits für andere Zwecke ermittelten Werte zur Bildung des Zufallswerts heran­ gezogen zu werden. Eine spezielle Messung von Werten mit ei­ ner separaten Messeinrichtung, die lediglich zur Erzeugung des Zufallswerts dient, ist daher bei Verwendung dieser Para­ meter nicht erforderlich.

Je nach Art des Umgebungsparameters wird dieser entweder durch eine Messung ermittelt oder er wird von anderen Ein­ richtungen, wie beispielsweise eine Sequenz Frame Number von den jeweiligen Basisstationen, abgefragt.

Der Zufallswert kann im einfachsten Fall der ermittelte Para­ meter selbst sein. Ebenso kann der Zufallswert selbst im ein­ fachsten Fall direkt als Schlüssel dienen, so dass letztlich auch der ermittelte Umgebungsparameter direkt als Schlüssel verwendet werden kann. Zur Erhöhung der Sicherheit ist es je­ doch sinnvoll, wenn der Zufallswert mit einem Algorithmus aus dem ermittelten Parameter berechnet wird und ebenso mit einem weiteren Algorithmus der Schlüssel bzw. die Schlüssel unter Verwendung des Zufallswerts ermittelt werden. Höchste Sicher­ heit wird erreicht, wenn die hierzu verwendeten Algorithmen geheim gehalten werden. Hierbei ist es in beliebiger Weise auch möglich, zunächst mehrere Zufallswerte zu bilden und mit Hilfe dieser verschieden Zufallswerte dann den oder die Schlüssel zu ermitteln.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Zufalls­ wert auf Basis einer Kombination von mehreren vom Endgerät ermittelten Umgebungsparametern gewonnen. Ein Beispiel hier­ für ist die Ermittlung eines Netzwerkparameters, beispiels­ weise der Sequenz Frame Number der am stärksten empfangenen Basisstation, und eines Kanalparameters, beispielsweise des aktuellen Empfangspegels. Zusätzlich wird beispielsweise die genaue aktuelle Uhrzeit ermittelt und als Zufallswert wird dann das Produkt aus allen drei Werten verwendet.

Zur Erzeugung einer besonders sicheren Datenverbindung wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein asymmetrisches Schlüsselpaar generiert. Dieses Schlüsselpaar lässt sich in beliebigen Anwendungen, beispielsweise innerhalb eines SSL (Secure Socket Layer)-Protokolls im Rahmen des sogenannten TCP/IP-Übertragungsprotokolls, verwenden.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beige­ fügte Figur anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert.

Die einzige Figur zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens zur Generierung eines Schlüsselpaars.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass es sich um die Ermittlung eines asymmetrischen Schlüs­ selpaars, bestehend aus einem geheimen Schlüssel SK und einem öffentlichen Schlüssel PK handelt, die in einem Mobilfunkge­ rät zur Verwendung bei der Datenübertragung im Mobilfunknetz erzeugt werden. Es kann sich aber auch um ein beliebiges an­ deres Kommunikationsendgerät, beispielsweise ein Lap-Top, ei­ nen PC, einen Pager, oder eine PDA mit entsprechenden Kommu­ nikationsmöglichkeiten über ein festes oder ein Mobilfunknetz oder dergleichen handeln.

Wie in der Figur zu sehen ist, wird in einem ersten Verfah­ rensschritt 1 ein Netzwerkparameter NP ermittelt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die Sequenz Frame Number der am stärksten empfangenen Basisstation. In einem weiteren Verfahrensschritt 2 wird parallel oder zeitlich versetzt ein Kanalparameter CP gemessen, beispielsweise der aktuelle Emp­ fangspegel. In einem folgenden Verfahrensschritt 3 wird dann der Zufallswert R als Produkt aus der Sequenz Frame Number, d. h. dem Netzwerkparameter NP, und dem Empfangspegel, d. h. dem Kanalparameter CP, ermittelt.

Der so ermittelte Zufallswert R wird dann in einem weiteren Verfahrensschritt 4 einem Rechenalgorithmus zugeführt, wel­ cher, basierend auf dem Zufallswert R, den geheimen Schlüssel SR und den öffentlichen Schlüssel PK berechnet und für die weitere Verwendung innerhalb eines Übertragungsprozesses zur Verfügung stellt. Die Schlüssel können dann in einem beliebi­ gen enkryptischen Verfahren verwendet werden.

Ein typisches Verfahren ist hierbei das so genannte SSL- Protokoll. Bei diesem handelt es sich um ein Protokoll, wel­ ches das im Internet allgemein verwendete Übertragungsproto­ koll TCP/IP um zwei weitere so genannte "Schichten" (Layer) erweitert, nämlich um das so genannte SSL-Record-Protokoll und das SSL-Handshake-Protokoll, und die Übertragung so absi­ chert.

Unter "Layer" sind in diesem Zusammenhang die Transport­ schichten zu verstehen, mit denen der Datenaustausch zwischen zwei Endgeräten, beispielsweise zwei Rechnern im Internet, bildhaft dargestellt wird. Auf der obersten Ebene sind die . Anwendungen angeordnet, ganz unten befindet sich in dem Mo­ dell die Hardware. Im Idealfall lassen sich derzeit bis zu sieben Schichten definieren, denen sich wiederum im Idealfall jeweils ein Protokoll oder Programm zuordnen lässt. Alle Schichten tragen dazu bei, den Datenfluss zwischen den beiden Rechnern sicherzustellen. Das TCP/IP-Protokoll deckt daher mit seinen beiden Komponenten TCP und IP zumindest vier Schichten ab. Es wird von den meisten Betriebssystemen unterstützt. Es ist einfach zu implementieren, robust und be­ triebssicher, bietet jedoch keinerlei Sicherheit im Sinne ei­ ner Verschlüsselung und Authentizität der übermittelten Da­ ten. Die Erweiterung mittels des SSL-Protokolls sorgt für diese gewünschte Sicherheit. Die beiden durch dieses Proto­ koll geschaffenen zusätzlichen Schichten liegen bildlich be­ trachtet unmittelbar aufeinander. Die Schichten sind für die angrenzenden Schichten transparent. Weder die Anwendung selbst, beispielsweise der Browser, noch die unter dem SSL- Protokoll liegenden Transportschichten des TCP/IP-Protokolls "bemerken" das Wirken des SSL-Protokolls. Daher erfordert das SSL-Protokoll weder massive Änderungen vorhandener Anwendun­ gen noch neue Transportprotokolle.

Innerhalb des SSL-Protokolls müssen sich die beiden beteilig­ ten Geräte, beispielsweise ein vom Nutzer verwendeter PC bzw. der dort benutzte Browser, und der Server auf einen symmetri­ schen Schlüssel einigen. Damit dieser Schlüssel sicher über­ geben werden kann, erfolgt die Absprache in einer asymmetri­ schen Verschlüsselung, wozu wiederum in dem Kommunikations­ endgerät des Nutzers das asymmetrische Schlüsselpaar erzeugt werden muss, was im vorliegenden Fall auf die erfindungsgemä­ ße Weise geschehen kann.

Das Verfahren erlaubt es hierbei, auch den höchsten Sicher­ heitsanforderungen zur Generierung der Schlüssel gerecht zu werden, da die Schlüssel dynamisch auf rein zufällige Weise und eingabeunabhängig, d. h. ohne ein Zutun der jeweiligen Nutzer, erzeugt werden. Durch die Erfindung wird sicherge­ stellt, dass der Schlüssel wirklich nach reinen Zufallsgrößen erzeugt wird. Eine Vorausberechnung der Schlüssel ist daher unter keinen Umständen möglich. Zudem kann das Verfahren in beliebigen Endgeräten durchgeführt werden, so dass beispiels­ weise das oben genannte, aus dem Internet bekannte, sichere Datenübertragungsverfahren nach dem SSL-Protokoll auch in dieser oder angepasster Form in Mobilfunknetzen angewandt werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur Generierung eines Schlüssels (SK, PK) in ei­ nem Kommunikationsendgerät, bei dem der Schlüssel (SK, PK) unter Verwendung eines Zufallswerts (R) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufallswert (R) auf Basis eines vom Kommunikationsendgerät ermittelten, zufälli­ gen Umgebungsparameters (NP, CP) gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungsparameter (NP, CP) einen Kommunikationssys­ temparameter (NP, CP) umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommunikationssystemparameter (NP) einen Netzwerkpa­ rameter (NP) umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Kommunikationssystemparameter (CP) ei­ nen Kanalparameter (CP) umfasst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufallswert (R) auf Basis einer Kombination von mehreren vom Endgerät ermittelten Umgebungs­ parametern (NP, CP) gewonnen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlüssel (SK, PK) innerhalb eines SSL-Protokolls zur Sicherung einer Datenübertragung verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass ein Schlüsselpaar (SK, PK) gene­ riert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Schlüssels (SK, PK) ein Umgebungsparameter (NP, CP) verwendet wird, der zum Be­ trieb des Kommunikationsendgeräts in einer bestimmten Be­ triebsfunktion permanent oder in zeitlichen Abständen wieder­ holt ermittelt wird.

9. Kommunikationsendgerät mit einer Einrichtung zur Generie­ rung eines Schlüssels (SK, PK) unter Verwendung eines Zu­ fallswerts (R), dadurch gekennzeichnet, dass das Kom­ munikationsendgerät eine Einrichtung zum Ermitteln eines zu­ fälligen Umgebungsparameters (NP, CP) aufweist und die Ein­ richtung zur Generierung des Schlüssels (SK, PK) derart auf­ gebaut ist, dass der Schlüssel (SK, PK) unter Verwendung ei­ nes Zufallswerts (R) gebildet wird, der auf Basis des ermit­ telten Umgebungsparameters (NP, CP) gewonnen wird.

10. Kommunikationsendgerät nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Einrichtung zur Generierung des Schlüssels Mittel zur Übernahme eines Umgebungsparameters aufweist, der zum Betrieb des Geräts in einer bestimmten Be­ triebsfunktion permanent oder in zeitlichen Abständen wieder­ holt ermittelt wird.

11. Kommunikationsendgerät nach Anspruch 9 oder 10, gekenn­ zeichnet durch eine separate Messeinrichtung zum Messen eines Umgebungsparameters für die Einrichtung zur Generierung des Schlüssels.

12. Kommunikationsendgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsendge­ rät ein mobiles Kommunikationsendgerät ist.