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Die Erfindung betrifft ein hardwarebasiertes Sicherheitsmodul zur Ver- und/oder Entschlüsselung von Daten bei der Datenübertragung auf einem Übertragungsweg zwischen Netzwerkknoten.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Hardwaresicherheitssystem mit zumindest einem derartigen hardwarebasierten Sicherheitsmodul und einer Programmiereinrichtung und schließlich auch ein entsprechendes Datenübertragungssystem mit derartigen hardwarebasierten Sicherheitsmodulen.
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Bekannt sind einerseits diverse Verschlüsselungslösungen zur Ver- und/oder Entschlüsselung von Daten bei der Datenübertragung auf einem Übertragungsweg zwischen Netzwerkknoten, bei denen ein für die Ver- und Entschlüsselung benötigter kryptografischer Schlüssel in einer Software hinterlegt ist. Dies bietet potentiellen Angreifern jedoch die Möglichkeit, sich diesen Schlüssel über eine Vielzahl von Angriffsstrategien anzueignen.
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Andererseits sind hardwarebasierte Sicherheitsmodule (HSM: Hardware Security Modules) seit langem bekannt. Der englischsprachige Wikipedia-Eintrag zum Thema „Hardware Security Module“ beschreibt ein solches Modul als eine Datenverarbeitungseinrichtung, die digitale Schlüssel für eine starke Authentifizierung sichert und verwaltet sowie kryptographische Prozessierung bietet. Derartige hardwarebasierte Sicherheitsmodule sind gewöhnlich in Form einer Plug-in-Karte oder eines externen Geräts ausgestaltet, das direkt an einen Computer oder Netzwerk-Server angeschlossen ist.
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Die Druckschrift US 2005/ 0 114 663 A1 beschreibt ein Hardwarebasiertes Sicherheitsmodul zur Ver- und/oder Entschlüsselung von Daten bei der Datenübertragung auf einem Datenübertragungsweg zwischen Netzwerkknoten bildenden Informations- und/oder Datenverarbeitungsgeräten, mit einem Rechenwerk zur Durchführung kryptografischer Operationen, zumindest einer ersten Schnittstelle zur datenübertragungstechnischen Integration des hardwarebasierten Sicherheitsmoduls in den Übertragungsweg, einem Speicher, der eine über diese zumindest eine erste Schnittstelle unzugänglichen Speicherbereich zur Ablage zumindest eines kryptografischen Schlüssels für die kryptografischen Operationen aufweist und einer zweiten Schnittstelle, über die der Speicher zur Ablage des kryptografischen Schlüssels in dem Speicherbereich konfigurierbar ist.
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Die Druckschrift US 2015/ 0 310 232 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Verschlüsselung in einem Ethernet-Kabel.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen zur einfachen Realisierung einer verschlüsselten Datenübertragung auf einem Übertragungsweg zwischen Netzwerkknoten bildenden Informations- und/oder Datenverarbeitungsgeräten bereitzustellen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen hardwarebasierten Sicherheitsmodul zur Ver- und/oder Entschlüsselung von Daten bei der Datenübertragung auf einem Übertragungsweg zwischen Netzwerkknoten bildenden Informations- und/oder Datenverarbeitungsgeräten ist vorgesehen, dass dieses die folgenden Komponenten umfasst: (a) ein Rechenwerk zur Durchführung kryptografischer Operationen, (b) zumindest eine erste Schnittstelle zur datenübertragungstechnischen Integration des Moduls in den Übertragungsweg, (c) ein Speicher mit einem über diese zumindest eine erste Schnittstelle unzugänglichen Speicherbereich zur Ablage zumindest eines kryptografischen Schlüssels für die kryptografischen Operationen und (d) eine zweite Schnittstelle, über die der Speicher zur Ablage des kryptografischen Schlüssels in dem Speicherbereich unidirektional konfigurierbar ist. Der kryptografische Schlüssel kann dabei weder über den Datenstrom auf dem Übertragungsweg in den Speicher geschrieben, noch gelesen werden. Um das hardwarebasierte Sicherheitsmodul mit dem kryptografischen Schlüssel zu versehen, muss der kryptografische Schlüssel über die zweite Schnittstelle auf dem Speicher abgelegt, also in den entsprechenden Speicherbereich des Speichers geschrieben, werden.
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Ein solches hardwarebasiertes Sicherheitsmodul ist einfach bedienbar und ermöglicht eine verschlüsselte Datenübertragung, die sehr sicher ist.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass das Modul eine dem Speicher vorgeschaltete Sicherheitsschaltung zur Überwachung des modulinternen Datenstroms zwischen dem Speicher und den anderen Komponenten des Moduls, also zumindest dem Rechenwerk und den Schnittstellen, aufweist. Die Sicherheitsschaltung vergibt insbesondere die Zugriffsrechte auf den Speicherbereich des Speichers zur Ablage zumindest eines kryptografischen Schlüssels. Die zumindest eine erste Schnittstelle hat keinerlei Zugriffsrechte, das Rechenwerk kann den Schlüssel im Rahmen seiner kryptografischen Operationen auslesen, jedoch nicht überschreiben und über zweite Schnittstelle kann der Schlüssel abgelegt, jedoch nicht ausgelesen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Modul zur Authentifizierung einer den kryptographischen Schlüssel über die zweite Schnittstelle bereitstellenden Programmiereinrichtung (kurz: Programmer) eingerichtet. Diese Authentifizierung der Programmiereinrichtung erfolgt insbesondere mittels der Sicherheitsschaltung.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Schnittstelle oder zumindest eine der ersten Schnittstellen für ein Aufstecken auf eine entsprechende Schnittstelle eines der Informations- und/oder Datenverarbeitungsgeräte eingerichtet. Die erste Schnittstelle ist mit einem entsprechenden Stecker, insbesondere einem RJ-Stecker, versehen.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das hardwarebasierte Sicherheitsmodul als dongleartiges Sicherheitsmodul, insbesondere als dongleartiges Ethernet-Sicherheitsmodul ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung des Moduls kann auch als „Ethernet Security Dongle“ bezeichnet werden. Die erste Schnittstelle ist mit einem entsprechenden Stecker, insbesondere einem RJ45-Stecker, versehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Schnittstelle für einen unidirektionalen Zugang zu dem Speicherbereich zur Ablage zumindest eines kryptografischen Schlüssels eingerichtet, der nur ein Ablegen von Daten in diesem Speicherbereich erlaubt. Bei dieser Ausgestaltung ist die zweite Schnittstelle so eingerichtet und/oder mit dem Speicher verschaltet, dass sich ein unidirektionaler Zugang zu dem Speicherbereich, der nur ein Ablegen von Daten in diesem Speicherbereich erlaubt.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Modul weiterhin eine Überwachungsschaltung auf, die bei Erkennen einer unerlaubter Manipulation des Moduls ein Entfernen des kryptografischen Schlüssels aus dem Speicherbereich des Speichers bewirkt.
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Mit Vorteil ist weiterhin vorgesehen, dass die unerlaubte Manipulation (i) ein Abziehen der ersten Schnittstelle von der entsprechenden Schnittstelle des Informations- und/oder Datenverarbeitungsgeräts ist und/oder (ii) ein Öffnen eines den Speicher und das Rechenwerk einhausenden Gehäuses des Moduls ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Hardwaresicherheitssystem ist vorgesehen, dass dieses zumindest ein vorstehend genanntes hardwarebasiertes Sicherheitsmodul und eine Programmiereinrichtung und mit einer Programmiereinrichtung zum Ablegen des kryptografischen Schlüssels in den Speicher des hardwarebasierten Sicherheitsmoduls über dessen zweite Schnittstelle.
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Bei dem erfindungsgemäßen Datenübertragungssystem mit mehreren Netzwerkknoten bildenden Informations- und/oder Datenverarbeitungsgeräten und zumindest einem die Netzwerkknoten verbindenden Datenübertragungsweg, der einen individuellen Anschlussabschnitt für jeden der Netzwerkknoten bereithält, ist vorgesehen, dass jeder der Anschlussabschnitte als vorstehend genanntes hardwarebasiertes Sicherheitsmodul ausgebildet ist oder zumindest ein solches hardwarebasiertes Sicherheitsmodul aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
- 1 ein Datenübertragungssystem mit zwei Datenverarbeitungsgeräten und zumindest einem die Geräte verbindenden Datenübertragungsweg, in dem hardwarebasierte Sicherheitsmodule gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verschaltet sind,
- 2 den prinzipiellen Aufbau eines hardwarebasierten Sicherheitsmoduls in einer schematische Darstellung,
- 3 ein Übertragen eines Schlüssels auf eines der hardwarebasierten Sicherheitsmodule bei dem Datenübertragungssystem der 1 und
- 4 die äußere Gestalt eines als Ethernet Security Dongle ausgebildeten hardwarebasierten Sicherheitsmoduls.
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Die 1 zeigt ein Datenübertragungssystem 10 mit zwei Datenverarbeitungsgeräten 12, 14 und zumindest einem die beiden Datenverarbeitungsgeräte 12, 14 verbindenden Datenübertragungsweg 16 (kurz: Übertragungsweg). Dieses Datenübertragungssystem 10 kann dabei Teil eines (in Gänze nicht gezeigten) Netzwerks sein, wobei jeder der Datenverarbeitungsgeräte 12, 14 einen entsprechenden Netzwerkknoten des Netzwerks bildet. Im Datenübertragungsweg 16 sind zwei hardwarebasierte Sicherheitsmodule 18, 20 verschaltet, wobei jedes der hardwarebasierten Sicherheitsmodule 18, 20 einen individuellen Anschlussabschnitt des Datenübertragungswegs 16 zum jeweiligen Anschluss je eines der Datenverarbeitungsgeräte 12, 14 bildet. Mit anderen Worten ist jedes der Datenverarbeitungsgeräte 12, 14 über ein ihm zugeordnetes hardwarebasiertes Sicherheitsmodul 18, 20 im Datenübertragungssystem 10 verschaltet. Die hardwarebasierten Sicherheitsmodule 18, 20 sind dazu jeweils als Security Dongle ausgebildet. Jedes der hardwarebasierten Sicherheitsmodule 18, 20 ist zur Ver- und/oder Entschlüsselung von Daten bei der Datenübertragung auf dem Übertragungsweg 16 zwischen den Netzwerkknoten bildenden Datenverarbeitungsgeräten 12, 14 eingerichtet. Dazu weist jedes der Module 18, 20 ein Rechenwerk 22 zur Durchführung kryptografischer Operationen und einen Speicher 24 (genauer: einen Datenspeicher) auf, in dem ein kryptografischer Schlüssel 26 für kryptografische Operationen abgelegt ist. Herzstück des Rechenwerks 22 ist eine Prozessoreinheit 28 mit einem oder mehreren Prozessoren. Die Kommunikation bzw. der Datenstrom zwischen Datenverarbeitungsgerät 12, 14 und zugeordnetem hardwarebasierten Sicherheitsmodul 18, 20 ist unverschlüsselt und auf dem Rest des Datenübertragungswegs 16, also zwischen den hardwarebasierten Sicherheitsmodulen 18, 20, verschlüsselt.
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Die 2 zeigt nun den prinzipiellen Aufbau eines hardwarebasierten Sicherheitsmoduls 18, 20 zur Ver- und/oder Entschlüsselung von Daten in einer schematische Darstellung. Das Modul 18, 20 umfasst neben dem Rechenwerk 22 zur Durchführung der kryptografischen Operationen und dem Speicher 24, der einen Speicherbereich für den Schlüssel 24 bereitstellt, weiterhin eine erste Schnittstelle 30 zur datenübertragungstechnischen Integration des Moduls 18, 20 in den Übertragungsweg 16, eine zweite Schnittstelle 32, über die der Speicher 24 zur Ablage des kryptografischen Schlüssels 26 unidirektional konfigurierbar ist, eine Überwachungsschaltung 34, die bei Erkennen einer unerlaubter Manipulation des Moduls 18, 20 ein automatisches Entfernen des kryptografischen Schlüssels 26 aus dem Speicherbereich des Speichers 24 bewirkt, sowie eine zentrale Sicherheitsschaltung 36. Die Sicherheitsschaltung 36 ist dem Speicher 24 vorgeschaltet und dient zur Überwachung des modulinternen Datenstroms zwischen dem Speicher 24 und den anderen Komponenten 22, 30, 32, 34 des Moduls 18, 20. Die Sicherheitsschaltung 36 vergibt insbesondere die Zugriffsrechte auf den Speicherbereich des Speichers 24 zur Ablage zumindest des kryptografischen Schlüssels 26. Über die erste Schnittstelle 30 ergibt sich keinerlei Zugriffsrechte auf den Speicher 24, das Rechenwerk 22 kann den Schlüssel 26 im Rahmen seiner kryptografischen Operationen auslesen, jedoch nicht überschreiben und über die zweite Schnittstelle 32 kann der Schlüssel 26 im Speicher 24 abgelegt, jedoch nicht ausgelesen werden. Die zweite Schnittstelle 32 ist im gezeigten Beispiel eine Luftschnittstelle für eine Nahfeldkommunikation (NFC: Near Field Communication).
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Die Überwachungsschaltung 34 dient - wie gesagt - der Erkennung von unerlaubten Manipulationen des Moduls 10 und bewirkt über die Sicherheitsschaltung 36 bei einer erkannten Manipulationen des Moduls 10 ein Entfernen des kryptografischen Schlüssels 26 aus dem Speicherbereich des Speichers 24. Derartige unerlaubte Manipulation sind beispielsweise ein Abziehen der ersten Schnittstelle 30 von der entsprechenden Schnittstelle des entsprechenden Datenverarbeitungsgeräts 12, 14 oder ein Öffnen des den Speicher 24 und das Rechenwerk 22 einhausenden Gehäuses 40 des Moduls 18, 20.
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Die 3 zeigt ein Übertragen des Schlüssels 26 auf eines der hardwarebasierten Sicherheitsmodule 18 bei dem Datenübertragungssystem 10 der 1. Der kryptografische Schlüssel 26 wird mittels einer Programmiereinrichtung (auch Programmer genannt) 38, die über einen Masterschlüssel verfügt, über die als Luftschnittstelle für NFC ausgebildete zweite Schnittstelle 32 des hardwarebasierten Sicherheitsmoduls 18, 20 in den dafür vorgesehenen Speicherbereich des Speichers 24 geschrieben bzw. dort abgelegt.
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Sowohl die Module 18, 20 wie auch die Programmiereinrichtung (der Programmer) 38 verfügen über Sicherheitsschaltungen 36, welche es ermöglichen, dass das jeweilige Modul 18, 20 nur von Programmern 38 beschrieben werden kann, welche eine korrekte Authentifizierung in sich tragen. Dadurch wird gewährleistet, dass kein fremder Schlüssel in die Module 18, 20 eingetragen werden kann und somit dritte Stellen die verschlüsselte Kommunikation wieder entschlüsseln können.
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Bei der Programmierung, also der Übertragen des Schlüssels 26 auf das hardwarebasierte Sicherheitsmodul 18, handelt es sich um eine unidirektionale Kommunikation. Das heißt, es können nur Daten vom Programmer 38 auf das jeweilige Modul 18, 20 übertragen werden und es gibt keine Reaktion seitens des Moduls 18, 20 darauf. Somit können keine Rückschlüsse darauf gezogen werden, wenn die Authentifizierung fehlerhaft war und verhindert dadurch eine brute force Attacke auf das Modul 18, 20.
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Die 4 zeigt schließlich die äußere Gestalt eines als Ethernet Security Dongle ausgebildeten hardwarebasierten Sicherheitsmoduls 18, 20. Das Modul 18, 20 weist ein Gehäuse 40 auf, welches den Speicher 24, das Rechenwerk 22 mit seiner Prozessoreinheit 28, die als Luftschnittstelle ausgebildete zweite Schnittstelle 32, die Sicherheitsschaltung 34 und die Überwachungsschaltung 36 vollständig einhaust und lediglich die als RJ45 Stecker bzw. RJ45 Buchse ausgebildeten ersten Schnittstellen 30 an einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 40 erkennen lässt.
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Es ergeben sich die folgenden Vorteile der Erfindung:
- - Informations- und/oder Datenverarbeitungsgeräte 12, 14 können ganz einfach mit einem solchen Modul 18, 20 nachgerüstet werden,
- - Nutzer können innerhalb von Minuten für die Installation und Inbetriebnahme der Module 18, 20 geschult werden,
- - die Module 18, 20 bieten eine Sicherheit, welche in dieser Form noch nicht existiert,
- - die Module 18, 20 sind einfach und günstig herzustellen,
- - die Module 18, 20 sind manipulationssicherer ist als alle bisherigen Lösungen,
- - die Verschlüsselung kann auf Kundenwunsch angepasst werden
- - die Module 18, 20 können zusammen mit der jeweils aktuell als sicher geltenden Verschlüsselung genutzt werden und
- - die Module 18, 20 sind protokollunabhängig anwendbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Datenübertragungssystem
- 12
- Datenverarbeitungsgerät (Knoten)
- 14
- Datenverarbeitungsgerät (Knoten)
- 16
- Datenübertragungsweg
- 18
- hardwarebasiertes Sicherheitsmodul
- 20
- hardwarebasiertes Sicherheitsmodul
- 22
- Rechenwerk
- 24
- Speicher
- 26
- kryptografischer Schlüssel
- 28
- Prozessoreinheit
- 30
- erste Schnittstelle
- 32
- zweite Schnittstelle
- 34
- Überwachungsschaltung
- 36
- Sicherheitsschaltung
- 38
- Programmiereinrichtung
- 40
- Gehäuse
