DE102015221239A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schützen von Datenintegrität durch ein eingebettetes System mit einem Hauptprozessorkern und einem Sicherheitshardwarebaustein - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Schützen von Datenintegrität durch ein eingebettetes System mit einem Hauptprozessorkern und einem Sicherheitshardwarebaustein Download PDF

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Abstract

Verfahren (10) zum Schützen von Datenintegrität durch ein eingebettetes System mit einem Hauptprozessorkern (11) und einem Sicherheitshardwarebaustein (12), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Hauptprozessorkern (11) erzeugt (13) Sendedaten (14), – der Sicherheitshardwarebaustein (12) berechnet (15) aus den Sendedaten (14) einen Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16), – der Hauptprozessorkern (11) verknüpft (17) die Sendedaten (14) und den Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16) zu einer Sendenachricht (18) und – der Hauptprozessorkern (11) sendet (19) die Sendenachricht (18) an einen Empfänger.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen von Datenintegrität durch ein eingebettetes System mit einem Hauptprozessorkern und einem Sicherheitshardwarebaustein. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
  • Stand der Technik
  • Auf dem Gebiet der IT-Sicherheit wird die Eigenschaft der sogenannten Funktionssicherheit (safety) als gegeben erachtet, wenn ein System sich konform zur erwarteten Funktionalität verhält. Informationssicherheit (security) hingegen bezieht sich auf den Schutz der technischen Verarbeitung von Informationen. In diesem Wortsinn informationssichernde Maßnahmen dienen zur Verhinderung nicht-autorisierter Datenmanipulationen oder der Preisgabe von Informationen.
  • Ein Nachrichtenauthentifizierungscode (message authentication code) wird in diesem Zusammenhang eingesetzt, um Gewissheit über den Ursprung von Daten oder Nachrichten zu erhalten und ihre Integrität zu überprüfen. Zunächst vereinbaren Sender und Empfänger hierzu einen geheimen Schlüssel. Der Sender berechnet für diesen Schlüssel und seine Nachricht einen Nachrichtenauthentifizierungscode und sendet dann die Nachricht sowie den Nachrichtenauthentifizierungscode an den Empfänger. Dieser berechnet den Nachrichtenauthentifizierungscode zu der empfangenen Nachricht mit dem
  • Schlüssel und vergleicht den berechneten Nachrichtenauthentifizierungscode mit dem empfangenen. Die Übereinstimmung beider Werte interpretiert der Empfänger als erfolgreichen Integritätstest: Die Nachricht wurde von einer Partei abgeschickt, die den geheimen Schlüssel kennt, und sie wurde während der Übertragung nicht verändert.
  • DE 10 2009 002 396 A1 offenbart ein Verfahren zu einem Manipulationsschutz eines Sensors und von Sensordaten des Sensors sowie einen Sensor hierfür, wobei im Rahmen der Authentifizierung eine Zufallszahl von einem Steuergerät an den Sensor geschickt wird, wobei zur Erkennung einer Manipulation der Sensordaten die Sensordaten von dem Sensor zu dem Steuergerät mit einem kryptographischen Integritätsschutz versehen werden und wobei zu einer Verhinderung von Replay-Attacken den Sensordaten zusätzliche zeitvariante Parameter hinzugefügt werden, welche die Sensordaten mit dem Integritätsschutz und den hinzugefügten zeitvarianten Parametern von dem Sensor an das Steuergerät schicken werden. Dabei wird für die zeitvarianten Parameter nach der Authentifizierung des Sensors die Zufallszahl oder ein Teil der Zufallszahl oder eine durch eine Funktion aus der Zufallszahl gewonnene Zahl herangezogen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Schützen von Datenintegrität durch ein eingebettetes System mit einem Hauptprozessorkern und einem Sicherheitshardwarebaustein, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Durch die Verwendung eines Nachrichtenauthentifizierungscodes erfüllt die vorgeschlagene Umsetzung die Sicherheitsanforderungen der Funktions- und Informationssicherheit gleichermaßen, während bis zu diesem Zeitpunkt Informationssicherheits- und Funktionssicherheitsmechanismen üblicherweise gezielt umgesetzt wurden, um die jeweiligen Anforderungen zu erfüllen – oft mit unterschiedlicher, speziell entwickelter Hardware.
  • Unter der Annahme, dass die Fehlererfassungseigenschaften eines Nachrichtenauthentifizierungscodes in annehmbarem Maße auch die Funktionssicherheit gewährleisten, kann der Nachrichtenauthentifizierungscode erfindungsgemäß im Rahmen eines Funktionssicherungsmechanismus eingesetzt werden. Die hierzu vorgeschlagene Implementierung der MAC-Erzeugung und Überprüfung erfüllt sowohl Funktions- als auch Informationssicherheitsanforderungen.
  • Zum Zwecke eines besseren Schutzes wird dabei ein Sicherheitshardwarebaustein verwendet. In Betracht kommen insbesondere ein Hardware-Sicherheitsmodul (hardware security module, HSM) wie von der Robert Bosch Gmbh spezifiziert, oder eine sichere Hardwareerweiterung (secure hardware extension, SHE) nach der Spezifikation der Herstellerinitiative Software (HIS).
  • Ein Vorzug der hier vertretenen Lösung liegt darin, dass die Auswirkungen der den Hardwaremodulen durch die Nutzung des Nachrichtenauthentifizierungscodes auferlegten Erfordernisse gemindert werden. Hierzu werden einzelne Verarbeitungsschritte gezielt dem Hauptprozessorkern oder dem Sicherheitshardwarebaustein zugewiesen.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 das Flussdiagramm eines Sendeverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 das Flussdiagramm der 1 unter Kenntlichmachung neuer funktionssicherheitsrelevanter Fehlfunktionen.
  • 3 das Flussdiagramm eines Empfangsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • 4 das Flussdiagramm der 3 unter Kenntlichmachung neuer funktionssicherheitsrelevanter Fehlfunktionen.
  • 5 schematisch ein Steuergerät gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Ausführungsformen der Erfindung umfassen zwei Hauptprinzipien (10, 30) zur Umsetzung der MAC-Verarbeitung.
  • Das erste Prinzip (10) ist, den Datenpfad durch den Hauptprozessorkern (11) zu legen, sodass die Daten selbst nicht durch den Sicherheitshardwarebaustein (12) beschädigt werden können. Dieser kann eine Kopie der Daten für die Verarbeitung verwenden, aber für die Übertragung sollte der Hauptprozessorkern (11) Daten verwenden, die vom Sicherheitshardwarebaustein (12) nicht verändert oder manipuliert werden können. Dadurch können die Funktionssicherheitseigenschaften des Hauptprozessorkernes (11) gewahrt bleiben.
  • 1 zeigt dies im Senderfall: Der Hauptprozessorkern (11) erzeugt (13) zunächst Sendedaten (14). Der Sicherheitshardwarebaustein (12) berechnet (15) aus diesen Sendedaten (14) einen Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16). Der Hauptprozessorkern (11) verknüpft (17) die Sendedaten (14) und den Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16) zu einer Sendenachricht (18) und sendet (19) diese schließlich an den vorgesehenen Empfänger.
  • 2 zeigt auch die verbleibenden potenziellen Fehlfunktionen: Wenn der Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16) fehlerhaft (21) berechnet (15) wird, erkennt (20) dies gleichwohl der Empfänger anhand der Sendenachricht (18). Entsprechendes gilt, wenn der Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16) fehlerhaft (22) von dem Sicherheitshardwarebaustein (12) an den Hauptprozessorkern (11) übertragen wird.
  • Das zweite Prinzip (30) betrifft den Fall, dass der Hauptprozessorkern (11) eine Empfangsnachricht (32) mit Empfangsdaten (33) und einem ersten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) empfängt (31). Hier umfasst die Überprüfung des ersten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscodes (35) zwei grundlegende Schritte, welche gewöhnlich in einem Funktionsaufruf verifyMAC vereint sind: Erstens wird ein zweiter Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) auf der Basis der einen ersten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) enthaltenden Empfangsnachricht (32) und des vorinstallierten Schlüssels erzeugt (34). Zweitens wird der berechnete zweite Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) mit dem empfangenen ersten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) verglichen (42). Da dieser Vergleich ein funktionssicherheitsrelevanter Vorgang ist, sollte dies auf dem Hauptprozessorkern (11) durchgeführt werden, wie in 3 und in 4 zusammen mit den verbleibenden relevanten Fehlfunktionen gezeigt wird: Wenn der zweite Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) fehlerhaft (45) berechnet (34) wird, erkennen (44) der Hauptprozessorkern (11) oder der Sicherheitshardwarebaustein (12) dies unschwer. Der Hauptprozessorkern (11) erkennt (46) ebenso, wenn der zweite Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) fehlerhaft (47) von dem Sicherheitshardwarebaustein (12) an den Hauptprozessorkern (11) übertragen wird. Eine redundante Auswertung (39) der Empfangsnachrichtenauthentifizierungscodes durch den Sicherheitshardwarebaustein (12) gewährleistet auch in diesem Fall die Informationssicherheit.
  • Es ließe sich darauf hinweisen, dass diese Trennung (30) der beiden Teilschritte der MAC-Verifikation im Widerstreit mit gewissen Entwurfsprinzipien der Informationssicherheit stehen mag. Da der Empfänger den ersten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) nur zu verifizieren und nicht zu erzeugen braucht, würde das grundlegende Sicherheitsparadigma geringster Rechte (least privilege) erfordern, den Funktionszugriff auf Empfängerseite auf die Überprüfung des ersten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) zu beschränken, statt die Erzeugung (34) des zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscodes (36) zuzulassen. Letztere Funktionalität (34) könnte durch einen Angreifer genutzt werden, um einen kompromittierten Empfängerknoten dazu zu verwenden, sich als Sender auszugeben. Daher empfiehlt es sich, die Ausführungsvariante (30) je nach Systemprioritäten zu wählen.
  • Dieses Verfahren (10, 30) kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät (50) implementiert sein, wie die schematische Darstellung der 5 verdeutlicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009002396 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren (10, 30) zum Schützen von Datenintegrität durch ein eingebettetes System (50) mit einem Hauptprozessorkern (11) und einem Sicherheitshardwarebaustein (12), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Hauptprozessorkern (11) erzeugt (13) Sendedaten (14), – der Sicherheitshardwarebaustein (12) berechnet (15) aus den Sendedaten (14) einen Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16), – der Hauptprozessorkern (11) verknüpft (17) die Sendedaten (14) und den Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16) zu einer Sendenachricht (18) und – der Hauptprozessorkern (11) sendet (19) die Sendenachricht (18) an einen Empfänger.
  2. Verfahren (10, 30) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: – der Empfänger erkennt (20) anhand der Sendenachricht (18), wenn der Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16) fehlerhaft (21) berechnet (15) wird oder – der Empfänger erkennt (20) anhand der Sendenachricht (18), wenn der Sendenachrichtenauthentifizierungscode (16) fehlerhaft (22) von dem Sicherheitshardwarebaustein (12) an den Hauptprozessorkern (11) übertragen wird.
  3. Verfahren (10, 30) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Hauptprozessorkern (11) empfängt (31) eine Empfangsnachricht (32) mit Empfangsdaten (33) und einem ersten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35), – der Sicherheitshardwarebaustein (12) berechnet (34) aus der Empfangsnachricht (32) einen zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36), – der Sicherheitshardwarebaustein (12) führt anhand des ersten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscodes (35) und des zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscodes (36) eine Informationssicherheitsprüfung (37) durch und – der Hauptprozessorkern (11) führt anhand des ersten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscodes (35) und des zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscodes (36) eine Funktionssicherheitsprüfung (38) durch.
  4. Verfahren (10, 30) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – bei der Informationssicherheitsprüfung (37) wird der erste Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) mit dem zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) verglichen (39), – falls der erste Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) von dem zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscodes (36) abweicht, schlägt die Informationssicherheitsprüfung (37) fehl (40) und – falls der erste Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) mit dem zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) übereinstimmt, endet die Informationssicherheitsprüfung (37) erfolgreich (41).
  5. Verfahren (10, 30) nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – bei der Funktionssicherheitsprüfung (38) wird der erste Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) mit dem zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) verglichen (42), – falls der erste Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) von dem zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscodes (36) abweicht, schlägt die Funktionssicherheitsprüfung (38) fehl (40) und – falls der erste Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (35) mit dem zweiten Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) übereinstimmt, verwendet der Hauptprozessorkern (11) die Empfangsdaten (33).
  6. Verfahren (10, 30) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – der Hauptprozessorkern (11) oder der Sicherheitshardwarebaustein (12) erkennen (44), wenn der zweite Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) fehlerhaft (45) berechnet (34) wird.
  7. Verfahren (10, 30) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – der Hauptprozessorkern (11) erkennt (46), wenn der zweite Empfangsnachrichtenauthentifizierungscode (36) fehlerhaft (47) von dem Sicherheitshardwarebaustein (12) an den Hauptprozessorkern (11) übertragen wird.
  8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (10, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
  10. Vorrichtung (50), die eingerichtet ist, das Verfahren (10, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
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