DE102016210423A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Übertragen von Daten - Google Patents

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Abstract

Verfahren (10, 11) zum Übertragen von Daten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: Durch einen Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) wird ein erster Datensatz (16) erstellt (17) und von dem Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) an ein Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) übergeben; durch das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) wird anhand des ersten Datensatzes (16) ein erster Nachrichtenauthentifizierungskode (18) berechnet (19); durch den Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) wird der erste Datensatz (16) mittels einer eindeutig umkehrbaren Funktion auf einen zweiten Datensatz (20) abgebildet; dieser wird von dem Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) an das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) übergeben; durch letzteres wird der zweite mittels einer Umkehrfunktion der Funktion auf den ersten Datensatz (16) abgebildet; durch das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) wird ein den ersten Datensatz (16) und den ersten Nachrichtenauthentifizierungskode (18) umfassender Klartext (21) zusammengestellt (22) und zu einem Geheimtext (23) verschlüsselt (24); dieser wird von dem Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) an dessen Hauptprozessor (12) übergeben und durch letzteren an den Empfänger (14, 15) versendet (25).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
  • Stand der Technik
  • Mit der stetig wachsenden Komplexität elektronischer Komponenten in Fahrzeugen steigt auch die Möglichkeit von Fehlfunktionen. Ist eine sicherheitsrelevante Komponente von einer solchen Fehlfunktion betroffen, können im schlimmsten Fall Menschen zu Schaden kommen. Der internationale Standard ISO 26262 (Road vehicles – Functional safety) soll die funktionale Sicherheit von Systemen mit elektrischen oder elektronischen Komponenten in Straßenfahrzeugen gewährleisten.
  • Das standardgemäße Vorgehensmodell sieht dabei vor, dass im Rahmen einer Gefährdungsanalyse und Risikoabschätzung potenzielle Gefährdungen (hazards) durch Fehlfunktionen des untersuchten Systems in spezifischen Fahrsituationen identifiziert werden. Anhand verschiedener Kriterien wird jeder sicherheitsrelevanten Gefährdung sodann eine kraftfahrzeugspezifische Sicherheitsstufe (automotive safety integrity level, ASIL) zugeordnet. Im Falle als nicht sicherheitsrelevant eingestufter Gefährdungen sind an das betreffende System keine Anforderungen zu stellen, die über das übliche Qualitätsmanagement (QM) hinausgehen.
  • DE 10 2014 201682 A1 betrifft ein Verfahren zur Koexistenz von Software mit verschiedenen Sicherheitsstufen in einem Multicore-Prozessor, welcher mindestens zwei Rechenkerne aufweist, wobei jedem Rechenkern jeweils ein Speicherbereich zugeordnet wird und die Software mit einer vorgegebenen Sicherheitsstufe auf einem der Rechenkerne verarbeitet wird. Bei einem Verfahren, welches einen hohen Grad an Störfreiheit (freedom from interference) aufweist, wird die Software mit der vorgegebenen Sicherheitsstufe nur auf dem Rechenkern verarbeitet, dem dieselbe Sicherheitsstufe zugeordnet ist, wobei während der Verarbeitung der Software dieser Rechenkern nur auf den, diesem Rechenkern fest zugeordneten geschützten Speicherbereich zugreift.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Übertragen von Daten, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Entwicklung einer authentifizierten und verschlüsselten Kommunikation (über CAN, FlexRay etc.), an welche Anforderungen sowohl im Hinblick auf Informationssicherheit (security) als auch auf Funktionssicherheit (safety) zu stellen sind, bisher davon ausgegangen wurde, dass auch die im Rahmen der Kommunikation eingesetzte Sicherheitshardware der erkannten Sicherheitsstufe genügen muss. Bei einer verschlüsselten Übertragung etwa werden Daten zur Verschlüsselung oder Entschlüsselung – beispielsweise nach dem fortgeschrittenen Verschlüsselungsstandard (advanced encryption standard, AES) – typischerweise an ein Hardwaresicherheitsmodul (hardware security module, HSM) übergeben. Erweist sich die Datenübertragung als für die Funktionssicherheit des Fahrzeuges relevant, so wird in der Regel auch die Sicherheitshardware für die angestrebte Sicherheitsstufe ausgelegt. Dies bedeutet aber einen erheblichen Mehraufwand und zusätzliche Kosten für die Hardware.
  • Ein Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung besteht nun darin, die Daten derart an die Sicherheitshardware zu übergeben, dass die Integrität der Daten noch zu einem späteren Zeitpunkt außerhalb der Sicherheitshardware softwaremäßig auf der erforderlichen Sicherheitsstufe geprüft werden kann. Dies ermöglicht es, die Sicherheitshardware nach den Maßgaben des branchenüblichen Qualitätsmanagements zu entwickeln und trotzdem ein Gesamtsystem von hoher Funktionssicherheit zu schaffen, ohne die Informationssicherheit einzuschränken.
  • Um unabhängig von einer getrennten zyklischen Redundanzprüfung (cyclic redundancy check, CRC) den unterschiedlichen Anforderungen an Funktionssicherheit und Informationssicherheit gleichermaßen gerecht zu werden, erfolgt beim Versenden von authentifizierten und verschlüsselten sicherheitsrelevanten Botschaften die Authentifizierung vor der Verschlüsselung (authenticate then encrypt, AtE). Diese erfindungsgemäße Vorgehensweise erlaubt es, im Rahmen einer nachgelagerten Prüfung empfangener Botschaften auf angemessener Sicherheitsstufe die Integrität der unverschlüsselten Daten zu prüfen. Die Daten werden hierbei zur Authentifizierung in zunächst herkömmlicher Weise an eine Sicherheitshardware übergeben. Erfindungsgemäß werden die Daten jedoch ein weiteres Mal vor der Verschlüsselung in der Sicherheitshardware übernommen, um etwaige Fehler bei der Übergabe der Daten an die Sicherheitshardware zu erkennen. Um systematische Mehrfachausfälle (common cause failures) im Rahmen der zweifachen Datenübergabe auszuschließen, wird das Datenpaket vor der zweiten Übergabe auf der geforderten Sicherheitsstufe kodiert und in der Sicherheitshardware vor der Verschlüsselung dekodiert, um die Originaldaten wiederherzustellen. Dadurch ergeben sich zugunsten der Funktionssicherheit zwei unabhängige Wege für die Daten: Auf einem ersten Weg wird die redundante Information zur Authentifizierung und Integritätsprüfung erstellt, und auf einem zweiten Weg erfolgt die eigentliche Datenübertragung in geeigneter Kodierung.
  • Ein Vorteil des vorgeschlagenen Konzeptes liegt darin, dass der Empfänger des Pakets durch Prüfung dieser redundanten Information auf angemessener Sicherheitsstufe eine Verletzung der Integrität erkennen und gegebenenfalls entsprechend reagieren kann. Dies ermöglicht eine durchgängige (end to end, E2E) Absicherung der Botschaft, wobei die Verschlüsselung in der Sicherheitshardware gleichsam auf der Übertragungsstrecke des Datenpakets erfolgt.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann vorgesehen sein, dass etwaige Übertragungsfehler aufgrund der durchgängigen Absicherung erkannt werden, sodass eine angemessene Ersatzreaktion seitens des Empfängers erfolgen kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die übergebenen Daten einen Zähler (freshness counter) oder eine anderweitige Nonce umfassen, um ihre Aktualität sowohl unter dem Aspekt der Funktionssicherheit – zu denken ist an ein durch Hardwaredefekte bedingtes „Einfrieren“ von Datenrahmen (frame freeze) – als auch unter jenem der Informationssicherheit – in Betracht kommt hier ein Angriff durch Wiedereinspielung (replay attack) – sicherstellen zu können.
  • 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 Verfahrens zum Versenden einer verschlüsselten sicherheitsrelevanten Botschaft.
  • 2 das Flussdiagramm eines Verfahrens zum Empfangen der verschlüsselten sicherheitsrelevanten Botschaft.
  • 3 schematisch ein Steuergerät.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 illustriert die grundlegenden Merkmale einer Ausführungsform der Erfindung. Die Erstellung (17) des zu übertragenden Datensatzes, der sich aus sicherheitsrelevanten (37) und anderen Datenfeldern (38) zusammensetzt, erfolgt demnach in einem Sender (12, 13) auf der Sicherheitsstufe dessen Hauptprozessors (central processing unit, CPU), wobei die Integrität dieses ersten Datensatzes (16) durch geeignete Maßnahmen zur Funktionssicherheit – insbesondere einen fortlaufenden Zähler (36) – gewahrt bleibt. Der erste Datensatz (16) wird in einem zweiten Schritt von dem Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) an ein Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) übergeben. In einem dritten Schritt wird durch das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) anhand des ersten Datensatzes (16) ein erster Nachrichtenauthentifizierungskode (18) berechnet (19). In einem vierten Schritt wird der erste Datensatz (16) durch den Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) mittels einer eindeutig umkehrbaren Funktion – vorliegend des abbildungsgemäß durch einen Inverter gebildeten Einer-Komplementes (39) – auf einen zweiten Datensatz (20) abgebildet. In einem fünften Schritt wird der zweite Datensatz (20) von dem Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) an das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) übergeben.
  • Durch das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) wird in einem sechsten Schritt der zweite Datensatz (20) mittels einer Umkehrfunktion der Funktion – im gegebenen Fall also abermals des Einer-Komplementes (39) – auf den ersten Datensatz (16) abgebildet, in einem siebten Schritt ein den ersten Datensatz (16) und den ersten Nachrichtenauthentifizierungskode (18) umfassender Klartext (21) zusammengestellt (22) und in einem achten Schritt der Klartext (21) zu einem Geheimtext (23) verschlüsselt (24). Zum Einsatz kommt beispielsweise AES mit einer in der Regel hinreichenden Schlüssellänge von 128 bit; wie andere Blockchiffren kann AES beispielsweise im sogenannten Zählermodus (counter mode, CTR) betrieben werden, um ihn nach Art einer Stromchiffre (stream cipher) verwenden zu können. Der solchermaßen erzeugte Geheimtext (23) wird schließlich in einem neunten Schritt von dem Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) an den Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) übergeben und durch letzteren in einem zehnten Schritt an den Empfänger (14, 15) versendet (25).
  • Sicherheitsrelevante Fehler können somit im Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) entstehen, welches, obgleich mit dem Hauptprozessor (12) verbunden, hinter dessen Sicherheitsstufe zurückbleibt. Eine Prüfung der Integrität erfolgt daher auf der geforderten Sicherheitsstufe im Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15), bevor die Daten verwendet werden. Hierzu wird empfängerseitig in einem ersten Schritt durch den Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) der Geheimtext (23) empfangen (26). Dieser wird in einem zweiten Schritt von dem Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) an ein Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) übergeben. In einem dritten Schritt wird der Geheimtext (23) durch das Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) zu dem Klartext (21) entschlüsselt (27), welcher sodann in einem vierten Schritt von dem Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) an den Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) übergeben und in einem fünften Schritt von diesem zurück an das Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) übergeben wird.
  • In einem sechsten Schritt wird durch das Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) anhand des ersten Datensatzes (16) ein zweiter Nachrichtenauthentifizierungskode (28) berechnet (29), anhand dessen der erste Nachrichtenauthentifizierungskode (18) in einem siebten Schritt einer ersten Vergleichsprüfung (30) unterzogen wird. Verläuft die erste Vergleichsprüfung (30) erfolgreich („yes“), so wird in einem achten Schritt der zweite Nachrichtenauthentifizierungskode (28) von dem Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) an den Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) übergeben (31), durch welchen der erste Nachrichtenauthentifizierungskode (18) in einem neunten Schritt einer zweiten Vergleichsprüfung (32) anhand des zweiten Nachrichtenauthentifizierungskodes (28) unterzogen wird. Schlägt die erste Vergleichsprüfung (30) hingegen fehl („no“), so wird stattdessen ein von dem ersten Nachrichtenauthentifizierungskode (18) und dem zweiten Nachrichtenauthentifizierungskode (28) abweichender dritter Nachrichtenauthentifizierungskode (34) von dem Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) an den Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) übergeben (40), sodass die zweite Vergleichsprüfung (32) zwingend fehlschlägt. Nur wenn auch die zweite Vergleichsprüfung (32) erfolgreich verläuft („yes“), wird der erste Datensatz (16) schließlich in einem zehnten und letzten Schritt verwendet (33). Andernfalls („no“) wird eine angemessene Fehlerreaktion (35) seitens des Empfängers (14, 15) ausgelöst.
  • Vorzugsweise basieren die Nachrichtenauthentifizierungskodes (18, 28) hierbei gemäß NIST Sonderveröffentlichung 800-38B auf Blockchiffren (cipher-based message authentication code, CMAC); zu denken ist insbesondere an AES oder Triple-DES. Eine alternative Implementierung mag sich gleichwohl geeigneter Nachrichtenauthentifizierungskodes (18, 28) auf der Grundlage einer kryptografischen Hash-Funktion bedienen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Aus Sicht einer durchgängigen Funktionssicherheit kann somit in mehreren der genannten Teilschritte ein Einzelfehler zu einer Verletzung der Integrität der Daten führen, die wiederum ein Sicherheitsziel verletzt. All diese Fälle werden erfindungsgemäß erkannt. So führt etwa ein Einzelfehler im zweiten, dritten, fünften, sechsten oder siebten Schritt des Senders (12, 13) zu einer Inkonsistenz zwischen erstem Datensatz (16) und erstem Nachrichtenauthentifizierungskode (18). Dieser Fehler wird sowohl bei der Authentifizierung durch den Empfänger (14, 15) im Rahmen der Prüfung der Informationssicherheit (32, 35) als auch bei seiner Prüfung der Funktionssicherheit (30, 31, 40) und somit der Integrität der Daten erkannt.
  • Einzelfehler im achten oder neunten Schritt des Senders (12, 13) sowie im zweiten, dritten oder vierten Schritt des Empfängers (14, 15) führen dazu, dass der Empfänger (14, 15) den Geheimtext (23) nicht korrekt entschlüsseln kann und daher auch in diesem Fall sowohl die Informationssicherheitsprüfung (32, 35) als auch die Funktionssicherheitsprüfung (30, 31, 40) eine Fehlerreaktion (35) auslösen.
  • Einzelfehler im fünften, sechsten, siebten oder achten Schritt des Empfängers (14, 15) werden zumindest in der Funktionssicherheitsprüfung (30, 31, 40) sicher erkannt; ihre Erkennung in der vorangehenden Informationssicherheitsprüfung (32, 35) ist im Einzelfall möglich.
  • Dieses Verfahren (10, 11) kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät (40) implementiert sein, wie die schematische Darstellung der 3 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 102014201682 A1 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Standard ISO 26262 [0002]
    • NIST Sonderveröffentlichung 800-38B auf Blockchiffren (cipher-based message authentication code, CMAC) [0020]

Claims (10)

  1. Verfahren (10, 11) zum Übertragen von Daten von einem Sender (12, 13) an einen Empfänger (14, 15), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – durch einen Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) wird ein erster Datensatz (16) erstellt (17), – der erste Datensatz (16) wird von dem Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) an ein Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) übergeben, – durch das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) wird anhand des ersten Datensatzes (16) ein erster Nachrichtenauthentifizierungskode (18) berechnet (19), – durch den Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) wird der erste Datensatz (16) mittels einer eindeutig umkehrbaren Funktion auf einen zweiten Datensatz (20) abgebildet, – der zweite Datensatz (20) wird von dem Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) an das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) übergeben, – durch das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) wird der zweite Datensatz (20) mittels einer Umkehrfunktion der Funktion auf den ersten Datensatz (16) abgebildet, – durch das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) wird ein den ersten Datensatz (16) und den ersten Nachrichtenauthentifizierungskode (18) umfassender Klartext (21) zusammengestellt (22), – durch das Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) wird der Klartext (21) zu einem Geheimtext (23) verschlüsselt (24), – der Geheimtext (23) wird von dem Hardwaresicherheitsmodul (13) des Senders (12, 13) an den Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) übergeben und – durch den Hauptprozessor (12) des Senders (12, 13) wird der Geheimtext (23) an den Empfänger (14, 15) versendet (25).
  2. Verfahren (10, 11) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – durch einen Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) wird der Geheimtext (23) empfangen (26), – der Geheimtext (23) wird von dem Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) an ein Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) übergeben, – durch das Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) wird der Geheimtext (23) zu dem Klartext (21) entschlüsselt (27), – der Klartext (21) wird von dem Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) an den Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) übergeben, – der Klartext (21) wird von dem Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) an das Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) übergeben, – durch das Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) wird anhand des ersten Datensatzes (16) ein zweiter Nachrichtenauthentifizierungskode (28) berechnet (29), – durch das Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) wird der erste Nachrichtenauthentifizierungskode (18) einer ersten Vergleichsprüfung (30) anhand des zweiten Nachrichtenauthentifizierungskodes (28) unterzogen, – verläuft die erste Vergleichsprüfung (30) erfolgreich (yes), so wird der zweite Nachrichtenauthentifizierungskode (28) von dem Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) an den Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) übergeben (31), – durch den Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) wird der erste Nachrichtenauthentifizierungskode (18) einer zweiten Vergleichsprüfung (32) anhand des zweiten Nachrichtenauthentifizierungskodes (28) unterzogen und – verläuft auch die zweite Vergleichsprüfung (32) erfolgreich (yes), so wird der erste Datensatz (16) verwendet (33).
  3. Verfahren (10, 11) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Funktion und die Umkehrfunktion sind Komplemente (39), insbesondere Einer-Komplemente (39).
  4. Verfahren (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – der erste Nachrichtenauthentifizierungskode (18) und der zweite Nachrichtenauthentifizierungskode (28) sind Chiffre-basierte Nachrichtenauthentifizierungskodes (18, 28).
  5. Verfahren (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – schlägt die erste Vergleichsprüfung (30) fehl (no), so wird ein dritter Nachrichtenauthentifizierungskode (34) von dem Hardwaresicherheitsmodul (15) des Empfängers (14, 15) an den Hauptprozessor (14) des Empfängers (14, 15) übergeben (40) und – der dritte Nachrichtenauthentifizierungskode (34) unterscheidet sich von dem ersten Nachrichtenauthentifizierungskode (18) und dem zweiten Nachrichtenauthentifizierungskode (28).
  6. Verfahren (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – schlägt die zweite Vergleichsprüfung (32) fehl (no), so wird eine Fehlerreaktion (35) seitens des Empfängers (14, 15) ausgelöst.
  7. Verfahren (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der erste Datensatz (16) umfasst eine Nonce (36), insbesondere einen Zähler (36).
  8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
  10. Vorrichtung (41), die eingerichtet ist, das Verfahren (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
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