DE10161046B4 - Digitale Schaltungsanordnung - Google Patents

Abstract

Digitale Schaltungsanordnung innerhalb von Sensoren von Smartcards mit zumindest einer ersten Teilschaltung und einer zweiten Teilschaltung, die eine gleiche Funktionalität aufweisen, und wobei die zumindest zwei Teilschaltungen Dateneingänge aufweisen, die miteinander verbunden sind und jeweils zumindest einen Datenausgang aufweisen, der an einer gemeinsamen Vergleichsschaltung angeschlossen ist, die für voneinander abweichende Eingangswerte einen vorbestimmten Wert ausgibt, wobei die beiden Teilschaltungen konstruktiv verschieden sind und unterschiedliche Signalpfade aufweisen, so daß sie gegenüber äusseren Einflüssen eine unterschiedliche Empfindlichkeit aufweisen, so daß bei einem Unterschied die Vergleichsschaltung einen Alarm oder ein Abschalten erzeugt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine digitale Schaltungsanordnung bei der zwei parallele Teilschaltungen gleicher Funktionalität, mit einem gleichen Eingangssignal beaufschlagt werden und deren Ausgangssignale in einer gemeinsamen Vergleichsanordnung verglichen werden.
• Idealerweise sind elektronische Schaltungen gegenüber Störeinflüssen wie Schwankungen der Versorgungsspannung der Taktfrequenz oder Umgebungseinflüssen wie Licht und Temperatur unempfindlich. Leider ist dies in praxi nicht gegeben. So funktioniert jede elektronische Schaltung nur in einem bestimmten Toleranzbereich der genannten Parameter fehlerfrei. Als problematisch erweist sich dabei die Definition der Toleranzgrenzen der oben genannten Parameter. Noch schwieriger wird es, müßten verschiedene Parameter in ihren gemeinsamen Wirkungs-Toleranzen berücksichtigt werden.
• Schaltungen gänzlich unempfindlich gegenüber Störeinflüssen zu gestalten ist mit extrem hohen Kosten verbunden bzw. technisch nicht realisierbar oder physikalisch gar unmöglich. Diese Eigenschaft elektronischer Schaltungen nutzen Angreifer, die die Ausgabesignale der Schaltung bewusst beeinflussen wollen, böswillig aus und führen gezielt Störungen herbei. Insbesondere bei Smartcards und damit vergleichbaren Anwendungen ist aus diesem Grunde das Bedürfnis, die Informationen und Schaltungen auf diesen Medien vor unberechtigten Zugriffen zu schützen, sehr groß. Um für Smartcards einen Zustand herbeizuführen der eine möglichst hohe Sicherheit gewährleistet ist alleinig eine enge Eingrenzung der Betriebsbedingungen keine zufriedenstellende Lösung.
• Bisher stellt sich die Lösung jedoch so dar. Es werden die Umgebungseinflüsse wie zum Beispiel Versorgungsspannung, Frequenz, Licht und Temperatur mit Sensoren überwacht. Gleitet einer der Parameter in einen nicht tolerierten Bereich, wird der Chip abgeschaltet. Dabei erweist es sich als schwierig, den tolerierten Bereich zu definieren. Zum einem sollte er möglichst groß sein, zum anderen aber innerhalb des tolerierten Bereiches ein fehlerfreier und zuverlässiger Betrieb gewährleistet sein.
• Hinzu kommt, daß die Sensoren für zum Beispiel, Licht, Temperatur, Spannung und Taktfrequenz die Umgebungsbedingungen nicht unmittelbar an, bzw. in der Schaltung feststellen können, da sie normalerweise räumlich getrennt von der zu überwachenden Schaltung realisiert sind. Das heißt, das von den Sensoren gelieferte Messergebnis gibt nicht die direkt in der Schaltung wirkenden Umgebungs- und Betriebsbedingungen wieder. Die Umgebungs- und Betriebsbedingungen können sich in den Schaltungen durchaus stark zu denen an den Sensoren unterscheiden.
• Aus der Druckschrift DE 196 26 184 C2 ist eine parallele Anordnung wirkungsgleicher Teilschaltungen mit einer nachfolgenden Vergleichseinrichtung bekannt: Wobei die Vergleichseinrichtung die jeweiligen Ausgangswerte miteinander vergleicht. Dabei ist ein durch Umgebungseinflüsse induziertes unterschiedliches Ergebnis an den Ausgängen der Teilschaltungen durch Bauteiltoleranzen bedingt, und es erfolgt ein Ausgleich dieser Unterschiede. Damit wird eine höhere Ablaufsicherheit erzielt.
• Aus Druckschrift US 6,246,970 B1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der ein Schaltungseingang einer ersten Teilschaltung mit einem invertierten Signal eines Schaltungseingangs einer zweiten Schaltungsanordnung gleicher Funktion und Ausführung beaufschlagt wird. Die Ausgänge der Schaltungen werden Mittles eines XOR-Gliedes miteinander verglichen.
• Aus Druckschrift EP 0874 369 A2 ist bekannt, zwei funktional- und ausführungsgleiche Schaltungsanordnungen zur Detektion von UV-Strahlung heranzuziehen. Die erste Schaltungsanordnung ist mit einem UV-Shield vor ultravioletten Strahlen geschützt, die zweite Schaltungsanordnung ist gegenüber UV-einflüssen ungeschützt. Diese Schaltungsanordnung zielt alleine auf durch ultraviolette Strahlung verursachte Veränderungen.
• Aus der Druckschrift EP 1 154 375 A , ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der zwei zu vergleichende Signaleingänge unmittelbar mit jeweils einem Eingang eines Vergleichsmittels verbunden sind und einer der Signaleingänge mit einem von äußeren Einflüssen abhängigen Element verbunden ist.
• Nachteilig an den bekannten Anordnungen ist die jeweilige Einschränkung auf eine oder wenige Störgrößen oder Störfaktoren. Unbekannte Störgrößen oder Störfaktoren sind damit nicht detektierbar.
• Aufgrund dieser eingangs beschriebenen Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Maßnahmen zu verringern.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1 angegebene Maßnahme gelöst.
• Es ist eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, bei der zwei Teilschaltungen parallel betrieben werden. Beide Teilschaltungen weisen dabei die gleiche Funktionalität auf, wobei eine der Teilschaltungen stabil gegenüber äußeren Einflüssen und die andere Teilschaltung bewußt sensibler gegenüber äußeren Einflüssen ausgeführt ist. Das Ausgangssignal der beiden Teilschaltungen wird an die Eingänge einer gemeinsamen Vergleichsschaltung angelegt und verglichen. Liegen an den Eingängen der Vergleichsschaltung unterschiedliche Signale an, erzeugt die Vergleichsschaltung einen definierten Wert, der als Alarm interpretiert, oder zur Abschaltung der Schaltungsanordnung benutzt werden kann.
• Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt dabei in der Erkennung störender Parameter nicht durch das Ermitteln der physikalischen Größen der Parameter, sondern durch deren Wirkung. Ein weiterer Vorteil ist, daß demzufolge die Wirkung der Parameter das Ergebnis liefert und nicht am Rande der elektronischen Schaltung plazierte Sensoren. Damit ist die Überwachung der Umgebungseinflüsse auf die Schaltung auch kostengünstiger und zuverlässiger herstellbar als das bisher der Fall war.
• In einer erweiterten Ausführungsform sind die Schaltungen so gestaltet, daß sie in der Lage sind, digitale Signale zu verarbeiten. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung führt die Teilschaltungen in einer gemeinsamen Schaltung aus.
• Wird die Größe der Bauteile aus der sich die Schaltung zusammensetzt klein genug gewählt, ist es möglich, die Schaltungsanordnung auf einer Smartcard beziehungsweise auf einem Microchip, der in einer Smartcard integriert ist, unterzubringen. Mikrochips und Sensoren auf Smardcards sind integrierte Schaltungen zur Verarbeitung digitaler Signale, eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Welche Aufgabe die Schaltung erfüllt, ist für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung. So ist es möglich, daß die einzelnen Teilschaltungen die Funktionalität von elektronischen Speicherzellen aufweisen.
• Elektronische Speicherzellen verarbeiten digitale Signale. Sie speichern entweder ein Signal 1 für "high" oder ein Signal 0 für "low". Dabei können Speicherzellen nur für jeweils eine der beiden Schaltrichtungen optimiert werden. Dies erfordert, insbesondere für größere Schaltungen, mindestens zwei korrespondierende Schaltungen in die Richtung von "high" nach "low" und zwei weitere korrespondierende Schaltungen in die Richtung von "low" nach "high" zu optimieren. Werden dann die mindestens vier Eingänge dieser Schaltungen mit dem gleichen Eingangssignal gespeist und das Ergebnis aus jeweils zwei korrespondierenden Schaltungen in einem Vergleichsglied verglichen, so erhält man eine Schaltungsanordnung in der in optimaler Weise beide Schaltrichtungen, das heißt von "high" nach "low" ebenso wie von "low" nach "high", überwacht werden.
• Soll nun selbst das Eingangssignal für einen potentiellen Angreifer unvorhersehbar sein, so kann durch die Verwendung von geeigneten Mitteln, wie zum Beispiel einem Zufallsgenerator, das Eingangssignal gezielt verändert werden. Damit ist erreicht, daß nicht nur störende Parameter an der Schaltung selbst, sondern auch eine Manipulation des Eingangssignals durch einen Angreifer ausgeschlossen werden kann.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Beispiels näher erläutert.
• Die Zeichnung zeigt ein Speicherglied (1) und ein Speicherelement (2). Das Speicherelement (2) ist aus einem störungssicheren Flipflop aufgebaut. Speicherglied (1) besteht aus den Transistoren T1, T2, T3 und T4. T1 und T2 sind normal dimensionierte Feldefekt-Transistoren. Die Transitoren T3 und T4 sind sehr hochohmig dimensioniert. Das ermöglicht beim Einspeichern der Information ein "überfahren" dieses Glieds. Das heißt, T3 und T4 schalten deutlich nach T1 und T2. Durch diese hochohmige Ausführung der Transistoren T3 und T4 ist der Knoten K1 ausserdem anfällig gegenüber Störungen, da er etwaigen Veränderungen nicht schnell genug folgen, oder etwa durch Umgebungseinflüsse wie Licht oder Temperatur entladen werden kann. Parallel zu dem Speicherglied (1) wirkt ein störungssicheres Flipflop. Die Eingänge beider Schaltungen sind mit dem gleichen Signal beschaltet. Die Ausgänge aus dem Speicherglied (1) und dem störungssicheren FlipFlop werden in einer vergleichenden Schaltung, einem XOR-Glied (3) verglichen. Bei voneinander abweichenden Ausgangssignalen der beiden Teilschaltungen (1) und (2) liegt am Ausgang des XOR-Glieds "high" an. Diese Information weist auf eine Störung in der Schaltung durch unzulässige Veränderung der Betriebs- oder Umgebungsparameter hin und kann im weiteren für einen Alarm oder andere Maßnahmen verwendet werden.

Claims (4)

1. Digitale Schaltungsanordnung innerhalb von Sensoren von Smartcards mit zumindest einer ersten Teilschaltung und einer zweiten Teilschaltung, die eine gleiche Funktionalität aufweisen, und wobei die zumindest zwei Teilschaltungen Dateneingänge aufweisen, die miteinander verbunden sind und jeweils zumindest einen Datenausgang aufweisen, der an einer gemeinsamen Vergleichsschaltung angeschlossen ist, die für voneinander abweichende Eingangswerte einen vorbestimmten Wert ausgibt, wobei die beiden Teilschaltungen konstruktiv verschieden sind und unterschiedliche Signalpfade aufweisen, so daß sie gegenüber äusseren Einflüssen eine unterschiedliche Empfindlichkeit aufweisen, so daß bei einem Unterschied die Vergleichsschaltung einen Alarm oder ein Abschalten erzeugt.
2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschaltungen die Funktionalität einer Speicherzelle aufweisen.
3. Schaltungsanordnung nach den Patentansprüchen 1 – 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei korrespondierende Schaltungsanordnungen für den digitalen Zustandswechsel von "low" nach "high" und zwei weitere korrespondierende Schaltungsanordnungen für den digitalen Zustandswechsel von "high" nach "low" optimiert sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale gezielt verändert werden, so daß die Folge der Eingangssignale nicht vorhersehbar ist.