DE102021110769A1 - Emulation System and Procedure - Google Patents
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Abstract
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist ein Emulationssystem (1450) zum Emulieren eines eingebetteten Systems (150), welches einen eingebetteten Prozessor (104) und mindestens einen Sensor und/oder mindestens einen Aktor aufweist, auf: eine Digital-Schnittstelle (1410) zum Empfangen von Daten, welche einen Systemzustand des eingebetteten Systems (150) repräsentieren; eine Kommunikationsschnittstelle (1408) zu mindestens einem Sensor und/oder mindestens einem Aktor, welcher zu dem mindestens einen Sensor und/oder mindestens einen Aktor des eingebetteten Systems (150) baugleich ist; einen oder mehr als einen Emulationsprozessor (1404) eingerichtet zum Emulieren des eingebetteten Prozessors (104), wobei der Emulationsprozessor (1404) eingerichtet ist zur Kommunikation mittels der Kommunikationsschnittstelle (1408) auf die gleiche Weise wie der eingebettete Prozessor (104) mit dem mindestens einen Sensor bzw. mindestens einen Aktor des eingebetteten Systems (150) kommuniziert.According to various embodiments, an emulation system (1450) for emulating an embedded system (150), which has an embedded processor (104) and at least one sensor and/or at least one actuator: a digital interface (1410) for receiving data , which represent a system state of the embedded system (150); a communication interface (1408) to at least one sensor and/or at least one actuator, which is structurally identical to the at least one sensor and/or at least one actuator of the embedded system (150); one or more emulation processors (1404) arranged to emulate the embedded processor (104), the emulation processor (1404) arranged to communicate via the communications interface (1408) in the same manner as the embedded processor (104) with the at least one Sensor or at least one actuator of the embedded system (150) communicates.
Description
Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen ein Emulationssystem und ein Verfahren.Various example embodiments relate to an emulation system and method.
Kritische Infrastrukturen (KRITIS), wie z.B. Kommunikation, Energie, Verkehr oder Finanzwesen, basieren auf informationstechnischen Systemen (sogenannte IT-Systeme). Komponenten dieser IT-Systeme sind beispielsweise Router, industrielle Steueranlagen, Medizingeräte oder Geldautomaten.Critical infrastructures (KRITIS), such as communication, energy, transport or finance, are based on information technology systems (so-called IT systems). Components of these IT systems are, for example, routers, industrial control systems, medical devices or ATMs.
Mit zunehmender Digitalisierung wird immer mehr Steuerintelligenz in physische Sensoren und Aktoren eingebettet, z.B. in einem sogenannten cyberphysischen System (CPS), welches die Vernetzung eingebetteter Systeme durch drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsnetze implementiert. Ein solches CPS (anschaulich ein Verbund informatischer, softwaretechnischer Komponenten mit mechanischen und elektronischen Teilen, die über eine Dateninfrastruktur, wie z.B. das Internet, kommunizieren) besteht aus spezialisierter Hardware und eingebetteter Software. Diese eingebettete Software wird auch als Firmware bezeichnet.With increasing digitization, more and more control intelligence is embedded in physical sensors and actuators, e.g. in a so-called cyber-physical system (CPS), which implements the networking of embedded systems through wired or wireless communication networks. Such a CPS (descriptively a network of IT, software-technical components with mechanical and electronic parts that communicate via a data infrastructure such as the Internet) consists of specialized hardware and embedded software. This embedded software is also known as firmware.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde anschaulich erkannt, dass die traditionelle Sichtweise, gemäß welcher der Firmware eines eingebetteten Systems aufgrund ihrer geringen Komplexität im Vergleich zu klassischer Anwendungssoftware (z.B. PC-Software) ein inhärent höheres Maß an Sicherheit zugebilligt wird, immer weniger die Realität wiederspiegelt. Aufgrund dieser Sichtweise existieren derzeit allerdings keine Schutzkonzepte für Firmware, die Angriffsprävention, Erkennung und Untersuchung umfassen. Dieser Umstand erleichtert es Dritten, z.B. im Rahmen einer professionell organisierten Datenkriminalität, eine dedizierte Manipulationen an der Firmware vornehmen. Typisch für solche Angriffe ist eine koordinierte Manipulation von Hardware, Sensorik und Firmware.According to various embodiments, it was clearly recognized that the traditional view, according to which the firmware of an embedded system is granted an inherently higher level of security due to its low complexity compared to classic application software (e.g. PC software), increasingly reflects reality less and less. Due to this perspective, however, there are currently no protection concepts for firmware that include attack prevention, detection and investigation. This circumstance makes it easier for third parties, e.g. as part of a professionally organized data crime, to carry out dedicated manipulations on the firmware. Typical of such attacks is a coordinated manipulation of hardware, sensors and firmware.
Solche gezielten Angriffe (sog. „Advanced Persistent Threats“) beinhalten ein hohes Gefährdungspotenzial, und damit verbundene ökonomische Einbußen. Während ein Angriff auf die Firmware eines CAN-Bus-Kontrollers bei einem Fahrzeug noch per Rückruf gehandhabt werden kann, kann ein solcher Angriff in den Bereichen Telekommunikation, Energie und Gesundheit weitaus verheerendere Folgen haben, z.B. auf die Versorgungssicherheit der Bevölkerung.Such targeted attacks (so-called "advanced persistent threats") contain a high risk potential and the associated economic losses. While an attack on the firmware of a CAN bus controller in a vehicle can still be handled by a recall, in the areas of telecommunications, energy and health such an attack can have far more devastating consequences, e.g. on the security of supply to the population.
In dem Zusammenhang wurde erkannt, dass die zeitnahe Aufarbeitung eines solchen Angriffs zur Minderung der Folgen zwar günstig wäre aber herkömmlich nur schwer zu bewältigen ist, sei es herstellerseitig oder von behördlicher Seite. Insbesondere ist eine solche Aufklärung für die Prävention zukünftiger Angriffe von Bedeutung. Herkömmliche Untersuchungstechniken sind aufgrund der Einbettung der Firmware in die Hardware nur schwer direkt anwendbar. Ferner berührt eine solche Aufklärung auch die einander entgegenstehenden Interessen der beteiligten Parteien, wie beispielsweise Betreiber, Hersteller und Ermittlungsbehörde, so dass von diesen Anforderungen gestellt werden, die sich häufig gegenseitig im Weg stehen. Beispielsweise hat der Hersteller großes Interesse an der Wahrung seiner Firmengeheimnisse, wohingegen die Ermittlungsbehörde möglichst umfänglich informiert sein möchte.In this context, it was recognized that the timely processing of such an attack to reduce the consequences would be beneficial, but is conventionally difficult to manage, be it on the part of the manufacturer or on the part of the authorities. In particular, such reconnaissance is important for the prevention of future attacks. Traditional inspection techniques are difficult to apply directly due to the embedding of the firmware in the hardware. Furthermore, such clarification also affects the conflicting interests of the parties involved, such as operators, manufacturers and investigative authorities, so that they make demands that often stand in each other's way. For example, the manufacturer has a great interest in protecting its company secrets, whereas the investigating authority would like to be informed as comprehensively as possible.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird diesen Umständen und Anforderungen besser Rechnung getragen. Unter anderem wird bereitgestellt, dass ein forensisches Abbild der mutmaßlich manipulierten Firmware (auch als Firmwareabbild bezeichnet) extrahiert werden kann und dieses Firmwareabbild in einer geeigneten Umgebung emuliert und untersucht werden kann. Die manipulierte Firmware weist anschaulich die ursprüngliche Firmware und zusätzlichen Schadcode auf. According to various embodiments, these circumstances and requirements are better accommodated. Among other things, it is provided that a forensic image of the suspected manipulated firmware (also referred to as a firmware image) can be extracted and this firmware image can be emulated and examined in a suitable environment. The manipulated firmware clearly shows the original firmware and additional malicious code.
Anschaulich wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein Forensik-Modul bereitgestellt, um welches ein eingebettetes System beispielsweise erweitert werden kann, und welches das forensische Abbild extrahiert und derart bereitstellt, dass die Anforderungen der beteiligten Parteien möglichst gewahrt bleiben. Dazu passend wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein Emulationssystem zum Emulieren eines eingebetteten Systems bereitgestellt, mittels welchem das forensische Abbild möglichst effizient und authentisch untersucht werden kann.Clearly, according to various embodiments, a forensic module is provided, with which an embedded system can be expanded, for example, and which extracts the forensic image and makes it available in such a way that the requirements of the parties involved are preserved as far as possible. Matching this, according to various embodiments, an emulation system for emulating an embedded system is provided, by means of which the forensic image can be examined as efficiently and authentically as possible.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die zeitnahe Aufarbeitung eines Angriffs auf ein eingebettetes System (EGS) vereinfacht, z.B. mit größerer Effizienz und/oder größerer Effektivität. Dies verbessert die Aufklärungsrate solcher Angriffe und ermöglicht damit auch, die Kriminalitätsprävention zu verbessern. Hieraus ergibt sich ein erhebliches Potenzial zum Schutz kritischer Infrastrukturen und damit zur Erhöhung der Versorgungssicherheit. Auch eine Verbesserung der polizeilichen Gefahrenabwehr sowie eine Steigerung der Kriminalitätsprävention durch schnelleren und verbesserten Informationsgewinn kann erreicht werden.According to various embodiments, the timely processing of an attack on an embedded system (EGS) is simplified, eg with greater efficiency and/or greater effectiveness. This improves the detection rate of such attacks and thus also makes it possible to improve crime prevention. This results in considerable potential for protecting critical infrastructure and thus increasing security of supply. Also an improvement in police security and a Increase in crime prevention through faster and improved information acquisition can be achieved.
Die effiziente forensische Extraktion der eingebetteten Firmware kann aufweisen, die mutmaßlich manipulierte Firmware bitgenau aus der Hardware zu extrahieren. Die Untersuchung in einer Emulationsumgebung kann aufweisen, die extrahierte Firmware dynamisch zu untersuchen und den die Extraktion auslösenden Vorfall vollständig zu simulieren.Efficient forensic extraction of the embedded firmware may include extracting the suspected compromised firmware from the hardware bit by bit. Examination in an emulation environment may include dynamically examining the extracted firmware and fully simulating the event triggering the extraction.
Es zeigen
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1 ein eingebettetes System gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm; -
2 ein Forensik-Modul gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm; -
3 die forensische Extraktion des Systemzustands gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm; -
4 ein Forensik-Modul gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm; -
5 eine exemplarische Implementierung der Absicherungsmechanismen des Forensik-Moduls gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm; -
6 eine exemplarische Implementierung der Firewall des Forensik-Moduls gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm; -
7 ein Zustandsdiagramm einer Firewall gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm; -
8 ,9 und10 jeweils Komponenten der forensischen Extraktion gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm; -
11 ein Forensik-Modul gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm; -
12 einen Softwarestapel des eingebetteten Systems gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm; -
13 den Softwarestapel des Systems gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm; -
14 ein Emulationssystem gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm; und -
15 ein Analysesystem gemäß verschiedenen Ausführungsformen in verschiedenen Ansichten.
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1 an embedded system according to various embodiments in a schematic structural diagram; -
2 a forensics module according to various embodiments in a schematic structural diagram; -
3 the forensic extraction of the system state according to various embodiments in a schematic flowchart; -
4 a forensics module according to various embodiments in a schematic structural diagram; -
5 an exemplary implementation of the protection mechanisms of the forensics module according to various embodiments in a schematic structural diagram; -
6 an exemplary implementation of the firewall of the forensics module according to various embodiments in a schematic structural diagram; -
7 a state diagram of a firewall according to various embodiments in a schematic flow diagram; -
8th ,9 and10 each component of the forensic extraction according to different embodiments in a schematic flowchart; -
11 a forensics module according to various embodiments in a schematic structural diagram; -
12 a software stack of the embedded system according to various embodiments in a schematic structural diagram; -
13 the software stack of the system according to various embodiments in a schematic flowchart; -
14 an emulation system according to various embodiments in a schematic structural diagram; and -
15 an analysis system according to different embodiments in different views.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings that form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. In this regard, directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "front", "rear", etc. is used with reference to the orientation of the figure(s) being described. Because components of embodiments can be positioned in a number of different orientations, the directional terminology is used for purposes of illustration and is in no way limiting. It is understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It is understood that the features of the various exemplary embodiments described herein can be combined with one another unless specifically stated otherwise. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung (z.B. ohmsch und/oder elektrisch leitfähig, z.B. einer elektrisch leitfähigen Verbindung), eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. Mehrere Elemente können beispielsweise entlang einer Wechselwirkungskette miteinander gekoppelt sein, entlang welcher eine Wechselwirkung ausgetauscht werden kann, z.B. ein Signal und/oder elektrische Energie. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann „gekuppelt“ im Sinne einer mechanischen (z.B. körperlichen bzw. physikalischen) Kopplung verstanden werden, z.B. mittels eines direkten körperlichen Kontakts.Within the scope of this description, the terms “connected”, “connected” and “coupled” are used to describe both a direct and an indirect connection (e.g. ohmic and/or electrically conductive, e.g. an electrically conductive connection), a direct or indirect connection and a direct or indirect coupling. In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference symbols, insofar as this is appropriate. Multiple items can be coupled to one another, for example along an interaction chain, along which an interaction can be exchanged, eg a signal and/or electrical energy. According to various embodiments, "coupled" can be understood in the sense of a mechanical (eg physical or physical) coupling, eg by means of a direct physical contact.
Als Zustand einer Entität (z.B. einer Vorrichtung, eines Systems oder eines Vorgangs bzw. Prozesses) kann die Gesamtheit der Informationen, welche die variablen (z.B. zeitabhängigen) Eigenschaften der Entität vollständig beschreiben, verstanden werden. Als Ist-Zustand der Entität kann der zu einem Zeitpunkt tatsächlich vorliegende bzw. sensorisch erfassbare Zustand der Entität verstanden werden. Als Soll-Zustand der Entität kann der angestrebte Zustand, d.h. eine Vorgabe, verstanden werden. Als Steuern kann eine beabsichtigte Beeinflussung des momentanen Zustands (auch als Ist-Zustand bezeichnet) der Entität verstanden werden. Dabei kann der momentane Zustand gemäß der Vorgabe (auch als Soll-Zustand bezeichnet) verändert werden, z.B. indem ein oder mehr als ein Betriebsparameter (dann auch als Stellgröße bezeichnet) der Entität verändert wird, z.B. mittels eines Stellglieds.The state of an entity (e.g. a device, a system or an operation or process) can be understood as all the information that completely describes the variable (e.g. time-dependent) properties of the entity. The actual state of the entity can be understood as the state of the entity that is actually present or that can be detected by sensors at a point in time. The desired state, i.e. a specification, can be understood as the target state of the entity. Controlling can be understood as intentional influencing of the current state (also referred to as the actual state) of the entity. The current state can be changed according to the specification (also referred to as the target state), e.g. by changing one or more than one operating parameter (then also referred to as the manipulated variable) of the entity, e.g. by means of an actuator.
Hierin wird Bezug genommen auf verschiedene informationstechnische (z.B. datenverarbeitende und/oder datenspeichernde) Komponenten, wie beispielsweise Prozessor, Datenspeicher, Kommunikationsinfrastruktur (z.B. ein Bussystem oder ein anderes Netzwerk aufweisend oder daraus gebildet) und dergleichen. Die prozessor-externen Komponenten des EGS werden auch als Peripherie oder Peripheriekomponenten bezeichnet. Mehrere datenverarbeitende und/oder datenspeichernde Komponenten können mittels der Kommunikationsinfrastruktur miteinander gekoppelt sein (z.B. mittels einer entsprechenden Schnittstelle der Komponente), und im Betrieb beispielsweise Daten (z.B. eine digitale Repräsentation von Informationen) untereinander austauschen (allgemeiner auch als Kommunizieren bezeichnet).Reference is made herein to various information technology (e.g. data processing and/or data storing) components such as processor, data memory, communication infrastructure (e.g. having or formed from a bus system or another network) and the like. The processor-external components of the EGS are also referred to as peripherals or peripheral components. Several data-processing and/or data-storing components can be coupled to one another by means of the communication infrastructure (e.g. by means of a corresponding interface of the component), and during operation, for example, exchange data (e.g. a digital representation of information) with one another (also referred to more generally as communication).
Das Kommunizieren kann beispielsweise nachrichtenbasiert (d.h. auf Grundlage von Nachrichten) gemäß einem Kommunikationsprotokoll (z.B. einem Netzwerk-Kommunikationsprotokoll, kurz auch als Netzwerkprotokoll bezeichnet) erfolgen. Das Kommunizieren kann aufweisen, eine Nachricht, welche die Daten aufweist, gemäß dem Kommunikationsprotokoll zu übermitteln, oder zumindest zu senden, oder zumindest zu erzeugen. Das Kommunikationsprotokoll kann anschaulich eine Vereinbarung, nach der das Kommunizieren zwischen zwei oder mehreren Komponenten abläuft, bezeichnen. In seiner einfachsten Form kann das Kommunikationsprotokoll definiert werden als eine Menge von Regeln, welche die Syntax, Semantik und Synchronisation der Datenübertragung festlegen. Das oder die eingesetzten Kommunikationsprotokolle (z.B. ein oder mehrere Netzwerkprotokolle) können grundsätzlich beliebig ausgewählt werden und können (müssen aber nicht) gemäß dem OSI (Open System Interconnect)-Referenzmodell konfiguriert sein. In den jeweiligen Protokollschichten können ebenfalls beliebige Protokolle eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Feldbus-Kommunikationsprotokoll zur Kommunikation über einen Feldbus verwendet werden. Beispielsweise kann ein USB-Kommunikationsprotokoll zur Kommunikation über einen universellen seriellen Bus (USB) verwendet werden. Selbstverständlich kann auch ein anderes Kommunikationsprotokoll verwendet werden, welches beispielsweise proprietär sein kann.For example, the communicating may be message-based (i.e. based on messages) according to a communication protocol (e.g. a network communication protocol, also referred to as network protocol for short). The communicating may include communicating, or at least sending, or at least generating a message comprising the data according to the communication protocol. The communication protocol can clearly denote an agreement according to which communication between two or more components takes place. In its simplest form, the communication protocol can be defined as a set of rules that specify the syntax, semantics, and synchronization of data transmission. The communication protocol(s) used (e.g. one or more network protocols) can basically be selected arbitrarily and can (but do not have to) be configured according to the OSI (Open System Interconnect) reference model. Any protocols can also be used in the respective protocol layers. For example, a fieldbus communication protocol can be used to communicate over a fieldbus. For example, a USB communications protocol can be used to communicate over a universal serial bus (USB). Of course, another communication protocol can also be used, which can be proprietary, for example.
Die mit der Kommunikationsinfrastruktur gekoppelte Schnittstelle kann eingerichtet sein, die Daten gemäß dem Kommunikationsprotokoll zu übermitteln, beispielsweise eine Nachricht, welche die Daten aufweist, gemäß dem Kommunikationsprotokoll zu übermitteln, oder zumindest zu senden, oder zumindest zu erzeugen.The interface coupled to the communication infrastructure can be set up to transmit the data according to the communication protocol, for example to transmit, or at least to send, or at least to generate a message containing the data according to the communication protocol.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein systeminternes Bussystem eingerichtet sein, die Kommunikation der Komponenten eines EGS bereitzustellen. Das system-interne Bussystem kann beispielsweise einen Prozessor-internen Bus und einen Prozessor-externer Bus aufweisen.According to various embodiments, a system-internal bus system can be set up to provide communication between the components of an EGS. The system-internal bus system can have, for example, a processor-internal bus and a processor-external bus.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das system-interne Bussystem einen Feldbus aufweisen oder daraus gebildet sein. Der Feldbus kann als Netzwerk zur verteilten Echtzeit-Kommunikation eingerichtet sein, z.B. über ein nachrichtenbasiertes Kommunikationsprotokoll. Die Reihenfolge und Priorität einer Vielzahl von Nachrichten, die über den Feldbus gesendet und/oder empfangen werden, wird durch das Feldbus-Kommunikationsprotokoll definiert. Ein solches Feldbus-Kommunikationsprotokoll kann für eine verteilte Echtzeitsteuerung konfiguriert sein, z.B. standardisiert als International Electrotechnical Commission (IEC) 61158 (Titel „Digital data communications for measurement and control - Fieldbus for use in industrial control systems“, z.B. in der Version vom 2. Mai 2017).According to various embodiments, the system-internal bus system can have a fieldbus or be formed from it. The fieldbus can be set up as a network for distributed real-time communication, e.g. via a message-based communication protocol. The order and priority of a variety of messages sent and/or received over the fieldbus is defined by the fieldbus communication protocol. Such a fieldbus communication protocol may be configured for real-time distributed control, e.g. standardized as International Electrotechnical Commission (IEC) 61158 (title "Digital data communications for measurement and control - Fieldbus for use in industrial control systems", e.g. May 2017).
Die Kommunikation des EGS mit anderen Komponenten kann mittels eines system-externen Netzwerks erfolgen, insofern vorhanden. Ein hierin beschriebenes system-externes Netzwerk kann beispielsweise, nach Reichweite unterschieden, ein lokales Netzwerk (beispielsweise ein Local Area Network (LAN), ein Wireless LAN (WLAN), oder ein Personal Area Network (PAN), wie z.B. ein drahtloses PAN (WPAN), wie z.B. ein Bluetooth-Netzwerk) oder ein nichtlokale Netzwerk (wie beispielsweise ein Metropolitan Area Network (MAN), ein Wide Area Network (WAN) oder ein Global Area Network (GAN)) aufweisen oder daraus gebildet sein. Das Netzwerk kann beispielsweise nach Übertragungstyp unterschieden ein Funknetzwerk (auch als drahtlos-Netzwerk oder kabellos-Netzwerk bezeichnet), wie z.B. ein Mobilfunknetz, oder ein kabelgebundenes Netzwerk aufweisen oder daraus gebildet sein. Das Netzwerk kann beispielsweise auch ein zelluläres Funknetzwerk (z.B. ein WLAN vom Typ IEEE 802.11 im Ad-hoc-Modus, ein Bluetooth-Netzwerk oder ein anderes zelluläres Mobilfunknetzwerk) aufweisen oder daraus gebildet sein, beispielsweise gemäß einem Mobilfunkstandard dritter Generation (3G), vierter Generation (4G), fünfter Generation (5G) oder LTE (auch als auch 3.9G bezeichnet). Das Netzwerk kann auch mehrere miteinander verbundene Sub-Netzwerke verschiedenen Typs aufweisen.The communication of the EGS with other components can take place via a system-external network, if available. A system-external network described herein can, for example wise, differentiated by range, a local area network (for example a local area network (LAN), a wireless LAN (WLAN), or a personal area network (PAN), such as a wireless PAN (WPAN), such as a Bluetooth network ) or a non-local area network (such as a metropolitan area network (MAN), a wide area network (WAN), or a global area network (GAN)) or be formed therefrom. The network can be differentiated according to the transmission type, for example, a radio network (also referred to as a wireless network or cordless network), such as a mobile radio network, or a wired network, or be formed from them. The network can, for example, also comprise or be formed from a cellular radio network (eg a WLAN of the IEEE 802.11 type in ad hoc mode, a Bluetooth network or another cellular mobile radio network), for example according to a third generation (3G), fourth mobile radio standard Generation (4G), Fifth Generation (5G) or LTE (also referred to as 3.9G). The network can also have several interconnected sub-networks of different types.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Begriff „Prozessor“ als jede Art von Entität verstanden werden, die die Verarbeitung von Daten oder (z.B. datenrepräsentierenden) Signalen erlaubt. Die Daten oder Signale können beispielsweise gemäß zumindest einer (d.h. einer oder mehr als einer) spezifischen Funktion behandelt werden, die vom Prozessor ausgeführt wird. Beispiele für Komponenten eines Prozessors weisen auf: eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung, eine Mischsignalschaltung, eine Logikschaltung, ein Mikroprozessor (z.B. in ARM-Architektur), eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU), ein digitaler Signalprozessor (DSP), eine programmierbare Gatter-Anordnung (FPGA), eine integrierte Schaltung oder eine beliebige Kombination davon. Ein Mikroprozessor in ARM-Architektur wird hierin auch als ARM-Prozessor oder kurz ARM bezeichnet. Jede andere Art der Implementierung der jeweiligen Funktionen, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden, kann auch als Prozessor oder Logikschaltung verstanden werden. Es versteht sich, dass einer oder mehrere der hierin detailliert beschriebenen Prozesse und/oder Vorgänge von einem Prozessor ausgeführt (z.B. realisiert) werden können, durch eine oder mehrere spezifische Funktionen, die von dem Prozessor ausgeführt werden. In ähnlicher Weise können ein hierin beschriebener Prozess bzw. Vorgang mittels Codesegmenten implementiert werden, welche eingerichtet sind, wenn von dem Prozessor ausgeführt, den Prozessor dazu zu bringen, den Prozess bzw. Vorgang auszuführen.According to various embodiments, the term "processor" can be understood as any type of entity that allows the processing of data or signals (e.g. data representing). For example, the data or signals may be treated according to at least one (i.e., one or more than one) specific function performed by the processor. Examples of components of a processor include: analog circuitry, digital circuitry, mixed-signal circuitry, logic circuitry, a microprocessor (e.g., in ARM architecture), a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), a digital signal processor (DSP ), a programmable gate array (FPGA), an integrated circuit, or any combination thereof. A microprocessor in ARM architecture is also referred to herein as an ARM processor, or ARM for short. Any other way of implementing the respective functions, which are described in more detail below, can also be understood as a processor or logic circuit. It will be appreciated that one or more of the processes and/or operations detailed herein may be performed (e.g., implemented) by a processor through one or more specific functions performed by the processor. Similarly, a process described herein may be implemented using code segments that, when executed by the processor, are arranged to cause the processor to perform the process.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Datenspeicher (auch als Speichermedium oder kurz als Speicher bezeichnet) ein flüchtiger oder nichtflüchtiger Datenspeicher sein. Beispiele für einen nichtflüchtigen Datenspeicher weisen auf: eine Festplatte, ein Halbleiterspeicher, wie z.B. einen Nur-Lese-Speicher, einen nichtflüchtigen Direktzugriffsspeicher (auch als NVRAM -„non-volatile random access memory“ bezeichnet) und/oder einen Flash-Speicher (kurz auch als Flash bezeichnet), aufweisen oder daraus gebildet sein. Der Nur-Lese-Speicher (auch als ROM bezeichnet) kann beispielsweise ein programmierbarer ROM oder ein löschbarer programmierbarer ROM (kann auch als EPROM bezeichnet werden) sein. Der flüchtige Datenspeicher kann beispielsweise ein flüchtiger (volatiler) Direktzugriffsspeicher sein.According to various embodiments, data storage (also referred to as storage medium or storage for short) may be volatile or non-volatile data storage. Examples of non-volatile data storage include: a hard drive, solid-state storage such as read-only memory, non-volatile random access memory (also known as NVRAM), and/or flash memory (short also referred to as flash), have or be formed therefrom. The read only memory (also referred to as ROM) can be, for example, a programmable ROM or an erasable programmable ROM (also referred to as an EPROM). The volatile data storage can be, for example, a volatile random access memory.
Als kryptografischer Schlüssel (vereinfacht auch als Schlüssel oder Key bezeichnet) wird im Kontext eines kryptografischen Prozesses (z.B. Verschlüsseln oder Signieren) eine Information (z.B. eine Zeichenkette) verstanden, welche den kryptographischen Prozess (z.B. dessen Algorithmus) parametrisiert und so dessen Ausgabe (z.B. unabhängig von der Eingabe) beeinflusst.In the context of a cryptographic process (e.g. encryption or signing), a cryptographic key (also referred to simply as key) is information (e.g. a character string) that parameterizes the cryptographic process (e.g. its algorithm) and thus its output (e.g. independent influenced by the input).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Sensor als eine Komponente verstanden werden, welche eingerichtet ist, eine physikalische Größe (auch als Messgröße bezeichnet) ihrer Umgebung zu erfassen, z.B. einen Ist-Betriebsparameter eines Systems bzw. Vorgangs als Messgröße. Der Sensor kann beispielsweise Teil einer Messkette sein, welche eine entsprechende Infrastruktur (z.B. Prozessor, Speichermedium und/oder Bussystem oder dergleichen aufweisend) aufweist. Die Messkette kann eingerichtet sein, den entsprechenden Sensor anzusteuern, dessen erfasste Messgröße als Eingangsgröße zu verarbeiten und darauf basierend ein elektrisches Signal als Ausgangsgröße bereitzustellen, welches den Ist-Zustand der Eingangsgröße zum Zeitpunkt des Erfassens repräsentiert. Die Messkette kann beispielsweise mittels eines eingebetteten Systems implementiert sein oder werden.According to various embodiments, a sensor can be understood as a component that is set up to detect a physical variable (also referred to as a measured variable) of its environment, e.g. an actual operating parameter of a system or process as a measured variable. The sensor can, for example, be part of a measurement chain that has a corresponding infrastructure (e.g. having a processor, storage medium and/or bus system or the like). The measuring chain can be set up to control the corresponding sensor, to process its detected measured variable as an input variable, and based thereon to provide an electrical signal as an output variable, which represents the actual state of the input variable at the time of detection. The measurement chain can be implemented by means of an embedded system, for example.
Ein Stellglied kann als eine Komponente verstanden werden, welche eingerichtet ist, eine physikalische Größe (auch als Stellgröße bezeichnet) ihrer Umgebung zu beeinflussen, z.B. die Stellgröße eines Systems bzw. Vorgangs. Das Stellglied kann beispielsweise Teil einer Steuerkette sein, welche eine entsprechende Infrastruktur (z.B. Prozessor, Speichermedium und/oder Bussystem oder dergleichen aufweisend) aufweist. Die Steuerkette kann eingerichtet sein, Instruktionen, die einen Soll-Zustand der Stellgröße repräsentieren, als Eingangsgröße zu verarbeiten und darauf basierend das Stellglied anzusteuern, welches den Ist-Zustand der Stellgröße gemäß dem Soll-Zustand beeinflusst. Das Ansteuern des Stellglieds kann mittels eines elektrischen Signals (auch als Steuersignal bezeichnet) erfolgen. Die Steuerkette kann beispielsweise mittels eines eingebetteten Systems implementiert sein oder werden.An actuator can be understood as a component that is set up to influence a physical variable (also referred to as a manipulated variable) in its environment, eg the manipulated variable of a system or process. The actuator can be part of a control chain, for example, which has a corresponding infrastructure (eg having a processor, storage medium and/or bus system or the like). The control chain can be set up to process instructions that represent a target state of the manipulated variable as an input variable and to control the actuator based thereon Actual state of the manipulated variable influenced according to the target state. The actuator can be activated by means of an electrical signal (also referred to as a control signal). The control chain can be implemented by means of an embedded system, for example.
Das Stellglied kann beispielsweise einen Aktuator (auch als Aktor bezeichnet) aufweisen. Der Aktuator kann eingerichtet sein, eine mechanische Bewegung zu erzeugen (z.B. Translation, Rotation oder Vibration, z.B. Schall) oder auf andere Weise seine Umgebung mechanisch zu beeinflussen. Der Aktuator, z.B. ein elektromechanischer Umsetzer, kann zum Beispiel eingerichtet sein, in Antwort auf das Ansteuern elektrische Energie in mechanische Energie (z.B. durch Bewegung) zu überführen. Andere Typen von Stellgliedern können auch eingerichtet sein, in Antwort auf das Ansteuern eine Spannung, eine Stromstärke, eine Frequenz, Strahlung (z.B. Licht), ein Feld (beispielsweise Magnetfeld) oder Ähnliches gemäß dem Soll-Zustand bereitzustellen.The control element can, for example, have an actuator (also referred to as an actuator). The actuator may be configured to generate mechanical movement (e.g. translation, rotation or vibration, e.g. sound) or otherwise mechanically affect its environment. For example, the actuator, e.g., an electromechanical converter, may be configured to convert electrical energy into mechanical energy (e.g., through movement) in response to the actuation. Other types of actuators may also be configured to provide a voltage, current, frequency, radiation (e.g., light), field (e.g., magnetic field) or the like in response to the driving according to the target condition.
Der Begriff „eingebettetes System“ kann als elektronische Rechnenvorrichtung (auch als Rechner oder Computer bezeichnet) verstanden werden, der in einen technischen Kontext eingebettet (z.B. eingebunden) ist, z.B. eingerichtet ist, eine oder mehr als eine Funktion in dem technischen Kontext (auch als technische Funktion bezeichnet) bereitzustellen. Beispiele für die technische Funktion weisen auf: eine Überwachungsfunktion, eine Steuerungsfunktion, und/oder eine Regelfunktion (bei welcher die Ausgabe der Überwachungsfunktion als Eingabe der Steuerungsfunktion zugeführt wird), Datenwandlungsfunktion (bzw. Signalwandlungsfunktion). Die Überwachungsfunktion kann beispielsweise mittels einer Messkette implementiert werden. Die Steuerungsfunktion kann beispielsweise mittels einer Steuerkette implementiert werden.The term "embedded system" can be understood as an electronic computing device (also referred to as calculator or computer) that is embedded (e.g. incorporated) in a technical context, e.g. is arranged to perform one or more than one function in the technical context (also referred to as referred to as technical function). Examples of the technical function include: a monitoring function, a control function, and/or a regulating function (in which the output of the monitoring function is supplied as input to the control function), data conversion function (or signal conversion function). The monitoring function can be implemented using a measurement chain, for example. The control function can be implemented by means of a control chain, for example.
Beispiele für Vorrichtungen, die ein oder mehr als ein eingebettetes (z.B. ARM-basiertes) System aufweisen, weisen auf: eine hochsichere Chipkarte, ein BitCoin-Wallet, ein Geldautomat, eine selbstverschlüsselnde Festplatte, eine Anlagen-Steuervorrichtung, Versorgungsvorrichtung (z.B. zur Energieversorgung oder Wasserversorgung) und/oder ein Fahrzeug (z.B. Automobil oder Drone), z.B. eine Automobil-Steuervorrichtung. Eine beispielhafte Implementierung eines eingebetteten Systems ist ein ARM-basiertes System (z.B. einen oder mehr als einen ARM-Prozessor aufweisend), z.B. eine ARM-basierte Steuervorrichtung. Ein ARM-basiertes EGS ermöglicht es, einen standardisierten Prozessorkern auf einem Chip mit anwendungsspezifischen Peripherieblöcken zu kombinieren.Examples of devices that have one or more than one embedded (e.g., ARM-based) system include: a highly secure smart card, a BitCoin wallet, an ATM, a self-encrypting hard drive, a facility control device, utility device (e.g., for power supply or water supply) and/or a vehicle (e.g. automobile or drone), e.g. an automobile control device. An exemplary implementation of an embedded system is an ARM-based system (e.g., comprising one or more ARM processors), e.g., an ARM-based controller. An ARM-based EGS makes it possible to combine a standardized processor core on one chip with application-specific peripheral blocks.
Beispielhafte Komponenten eines Geldautomaten, die ein EGS aufweisen, z.B. deren Betrieb davon gesteuert wird, weisen auf: eine Lesevorrichtung (z.B. zum Lesen eines RFID-Chips, eine Kreditkarte, einer Smartcard oder Ähnlichem), ein Drucker, eine Kamera, ein Netzwerkgerät (z.B. eine Netzwerkkarte), eine Transportvorrichtung (z.B. zum Transport von Banknoten oder anderen Wertdokumenten), eine Geldkassette (z.B. zum Aufnehmen von Banknoten oder anderen Wertdokumenten), eine Validierungsvorrichtung (z.B. in einem Geldautomaten), eine Auszahlvorrichtung (z.B. zum Auszahlen von Banknoten oder anderen Wertdokumenten aus einem Geldautomaten), eine Einzahlvorrichtung (z.B. zum Einzahlen von Banknoten oder anderen Wertdokumenten in einem Geldautomaten), eine Benutzerschnittstelle (z.B. ein Pin-Pad, eine Tastatur, ein Touchscreen oder Ähnliches aufweisend), z.B. ein verschlüsselndes PIN-Tastenfeld.Exemplary ATM components that include an EGS, e.g., whose operation is controlled thereby, include: a reader (e.g., for reading an RFID chip, a credit card, a smart card, or the like), a printer, a camera, a network device (e.g., a network card), a transport device (e.g. for transporting banknotes or other documents of value), a cash cassette (e.g. for holding banknotes or other documents of value), a validation device (e.g. in an ATM), a payout device (e.g. for paying out banknotes or other documents of value from an ATM), a depositing device (e.g. for depositing banknotes or other documents of value in an ATM), a user interface (e.g. having a pin pad, keyboard, touch screen or similar), e.g. an encrypting PIN keypad.
Das EGS kann eine oder mehr als eine gemäß der technischen Funktion eingerichtete Schnittstelle (auch als Funktionsschnittstelle bezeichnet), die beispielsweise zum Kommunizieren gemäß einem entsprechenden Kommunikationsprotokoll eingerichtet ist, aufweisen. Die Funktionsschnittstelle kann beispielsweise eingerichtet sein zum Kommunizieren per Bus, z.B. CAN-Bus oder LIN-Bus (auch als Local Interconnect Network Bus bezeichnet), ZigBee für drahtlose Kommunikation oder IP über Ethernet. Die Funktionsschnittstelle kann beispielsweise eingerichtet sein, mit einem Sensor und/oder einem Stellglied zu kommunizieren, z.B. dieses anzusteuern.The EGS can have one or more than one interface set up according to the technical function (also referred to as functional interface), which is set up, for example, to communicate according to a corresponding communication protocol. For example, the functional interface can be set up to communicate via bus, e.g. CAN bus or LIN bus (also referred to as Local Interconnect Network Bus), ZigBee for wireless communication or IP over Ethernet. The function interface can be set up, for example, to communicate with a sensor and/or an actuator, e.g. to control it.
Hierin wird unter anderem auf ein eingebettetes System als Teil eines cyberphysischen Systems (CPS) Bezug genommen. Es kann verstanden werden, dass die bezüglich eines CPS erläuterten Aspekte in Analogie für das einzeln bereitgestelltes eingebettetes System gelten können und andersherum. Das CPS bezeichnet anschaulich den Verbund informatischer, softwaretechnischer Komponenten mit mechanischen und elektronischen Teilen, die über eine Kommunikationsinfrastruktur miteinander kommunizieren.Reference is made herein to an embedded system as part of a cyber-physical system (CPS). It can be understood that the aspects discussed in relation to a CPS can apply by analogy to the individually deployed embedded system and vice versa. The CPS clearly describes the network of IT, software-technical components with mechanical and electronic parts that communicate with each other via a communication infrastructure.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird auf Daten (auch als Zustandsdaten bezeichnet), die einen Systemzustand des eingebetteten Systems repräsentieren, Bezug genommen. Die Zustandsdaten können Informationen aus einem oder mehr als einem (z.B. prozessor-internen und/oder prozessor-externen) Speicherbereich des eingebetteten Systems aufweisen oder diese zumindest repräsentieren, z.B. die darin enthaltenen Daten. Der prozessor-interne Speicherbereich kann beispielsweise ein Register eines Prozessors (auch als Prozessorregister bezeichnet) aufweisen oder daraus gebildet sein. Beispielsweise können die Zustandsdaten ein Abbild der von dem EGS gespeicherten Daten (z.B. ein Speicherabbild oder ein Firmwareabbild) oder zumindest eine Repräsentanz dessen aufweisen.According to various embodiments, data (also referred to as state data) representing a system state of the embedded system is referenced. The status data can include information from one or more than one (eg processor-internal and/or processor-external) memory area of the embedded system or at least represent it, eg the information therein contained data. The processor-internal memory area can, for example, have or be formed from a register of a processor (also referred to as a processor register). For example, the status data can have an image of the data stored by the EGS (eg a memory image or a firmware image) or at least a representation thereof.
Zum besseren Verständnis wird hierin auf verschiedene vereinfachte Begriffe für die betroffenen Parteien Bezug genommen, darunter: Der Hersteller des EGS bzw. CPS (auch als Hersteller bezeichnet); der Betreiber des EGS CPS (auch als Betreiber bezeichnet); Die Hersteller-Software des EGS bzw. CPS (auch als Firmware bezeichnet); das Netzwerk des Betreibers (auch als kurz Netzwerk bezeichnet), mit dem das EGS bzw. CPS in die Infrastruktur des Betreibers eingebunden ist; die Ermittlungsbehörde (auch als Ermittler bezeichnet), die einen Angriff auf die Firmware untersucht und Beweise für die Verwendung vor Gericht sicherzustellen versucht; eine betrügerische Partei (auch als Angreifer bezeichnet), z.B. eine Person oder Organisation, welcher die Firmware des eingebetteten Systems bzw. CPS manipuliert oder zumindest den Versuch dazu unternimmt. Die manipulierte Firmware kann eingerichtet sein, das eingebettete System bzw. CPS schadhaft außerhalb seiner herstellerseitig vorgesehenen Arbeitsweise zu betreiben (auch als schadhaft manipuliert bezeichnet), z.B. zum Nachteil des Betreibers, des Nutzers und/oder des Herstellers. Die schadhaft manipuliert Firmware kann dem Angreifer beispielsweise zumindest teilweise Zugang zu Daten und/oder der Arbeitsweise des eingebetteten Systems bzw. CPS verschaffen. Zusätzliche Beispiele manipulierter Firmware ermöglichen dem Angreifer: den Programmablauf zu manipulieren, eigene Funktionalität einzubringen, Daten aus dieser Umgebung auszugeben, Daten auf dem Weg vom CPS zum Hersteller zu lesen und/oder zu verändern, und/oder selektiv Daten beim Hersteller vor Weitergabe an den Ermittler einzusehen und zu manipulieren.For better understanding, reference is made herein to various simplified terms for the parties involved, including: The manufacturer of the EGS or CPS (also referred to as the manufacturer); the operator of the EGS CPS (also referred to as the operator); The manufacturer software of the EGS or CPS (also referred to as firmware); the operator's network (also referred to as network for short) with which the EGS or CPS is integrated into the operator's infrastructure; the investigative agency (also known as investigators) investigating an attack on the firmware and attempting to secure evidence for use in court; a fraudulent party (also known as an attacker), e.g. a person or organization that manipulates or at least attempts to manipulate the firmware of the embedded system or CPS. The manipulated firmware can be set up to operate the embedded system or CPS outside of the manufacturer's intended mode of operation (also referred to as defectively manipulated), e.g. to the detriment of the operator, the user and/or the manufacturer. The defectively manipulated firmware can, for example, give the attacker at least partial access to data and/or the mode of operation of the embedded system or CPS. Additional examples of manipulated firmware allow the attacker to: manipulate the program flow, introduce their own functionality, output data from this environment, read and/or change data on the way from the CPS to the manufacturer, and/or selectively store data at the manufacturer before passing it on to the to see and manipulate investigators.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Forensik-Modul bereitgestellt, welches die Anforderungen der beteiligten Parteien möglichst wahrt und dennoch ermöglicht, den Systemzustand des EGS bzw. die manipulierte Firmware so genau wie möglich forensisch zu extrahieren. Das Forensik-Modul gemäß verschiedenen Ausführungsformen hindert den Betreiber unter anderem daran, die forensische Extraktion des Systemzustands zu unterwandern und somit selbst als Angreifer aufzutreten. Der Betreiber wird beispielsweise daran gehindert, Einblick in vertrauliche Daten des CPS zu haben, auf die er normalerweise keinen Zugriff hat, zum Beispiel IP des Herstellers. Der Betreiber wird beispielsweise daran gehindert, extrahierte Daten zu manipulieren, zum Beispiel um Haftungsansprüche abzuwenden. Ein solcher betrügerischer Betreiber entspricht einem Angreifer, der Daten auf dem Weg vom eingebetteten System zum Hersteller lesen und verändern kann.According to various embodiments, a forensics module is provided that meets the requirements of the parties involved as much as possible and still allows the system state of the EGS or the manipulated firmware to be forensically extracted as accurately as possible. The forensics module according to various embodiments prevents the operator, among other things, from undermining the forensic extraction of the system state and thus appearing as an attacker himself. For example, the operator is prevented from having access to confidential data of the CPS to which he normally has no access, for example the IP of the manufacturer. For example, the operator is prevented from manipulating extracted data, for example to avert liability claims. Such a fraudulent operator corresponds to an attacker who can read and modify data on the way from the embedded system to the manufacturer.
Das Forensik-Modul gemäß verschiedenen Ausführungsformen hindert ebenso den Hersteller daran, als Angreifer auftreten, z.B. als Angreifer auf die Authentizität der Zustandsdaten. Der Hersteller wird beispielsweise daran gehindert, die Zustandsdaten vor der Weitergabe an den Ermittler zu manipulieren, um beispielsweise Haftungsansprüche abzuwenden. Der Hersteller wird beispielsweise daran gehindert, dem Ermittler Daten zu übermitteln, die so nicht aus dem eingebetteten System extrahiert wurden, bzw. den Systemzustand auf andere Weise zu verfälschen.The forensics module according to various embodiments also prevents the manufacturer from acting as an attacker, e.g., as an attacker on the authenticity of the state data. For example, the manufacturer is prevented from manipulating the status data before it is passed on to the investigator, for example in order to avert liability claims. For example, the manufacturer is prevented from sending the investigator data that was not extracted from the embedded system in this way, or from otherwise falsifying the system state.
Beispiele für Peripheriekomponenten des eingebetteten Systems 150 weisen auf: eine Speichervorrichtung 102 (z.B. einen oder mehr als einen Datenspeicher 102s, 112s bzw. Speicherbereich 102s, 112s aufweisend), zumindest eine (z.B. physische) Schnittstelle 108, und eine Kommunikationsinfrastruktur 106, z.B. ein Bussystem, z.B. einen „Advanced High-performance-Bus“ (AHB), aufweisend. Die Kommunikationsinfrastruktur 106 kann zumindest eine oder mehr als eine Peripheriekomponente (z.B. Speichervorrichtung 102 und/oder Schnittstelle 108) mit dem eingebetteten Prozessor 104 koppeln.Examples of peripheral components of the embedded
Das EGS 150 (z.B. dessen Speichervorrichtung 102) kann beispielsweise einen vertrauenswürdigen Speicherbereich (auch als abgesicherter Speicherbereich bezeichnet) und einen nicht-vertrauenswürdige Speicherbereich aufweisen, welche (z.B. physisch, bezüglich ihrer Adresse und/oder per Sicherungsmechanismus) voneinander separiert sind.The EGS 150 (e.g. its storage device 102) can, for example, have a trusted memory area (also referred to as a secured memory area) and an untrusted memory area which are separated from one another (e.g. physically, in terms of their address and/or by means of a security mechanism).
Auf der Speichervorrichtung 102 kann die Firmware des eingebetteten Systems 150 abgespeichert sein, beispielsweise zumindest teilweise auf dem nicht-vertrauenswürdigen Speicherbereich (dann auch als nicht-vertrauenswürdiger Teil der Firmware bezeichnet).The firmware of the embedded
Die zumindest eine (z.B. physische) Schnittstelle 108 (auch als Funktionsschnittstelle bezeichnet) kann eingerichtet sein, zumindest einen Sensor 110 und/oder zumindest einen Aktor 112 anzusteuern (z.B. mit diesen zu kommunizieren), z.B. mittels eines Bussystems 108b.The at least one (e.g. physical) interface 108 (also referred to as a functional interface) can be set up to control at least one
Beispielsweise kann das eingebettete System 150 eingerichtet sein, mittels der Funktionsschnittstelle 108 eine oder mehr als eine technische Funktion zu implementieren, z.B. für einen Geldautomaten (auch als Bankautomaten bezeichnet). Beispiele für die technische Funktion eines Geldautomaten weisen auf: Annehmen und/oder Ausgeben von Dokumenten (z.B. Bargeld); Auslesen einer Chipkarte; Empfangen von Authentifizierungsinformationen von einem Benutzer (z.B. für ein Pin-Eingabegerät), Transportieren von Dokumenten innerhalb des Geldautomaten, Einlagern und/oder Auslagern von Dokumenten in/aus einem Tresor (z.B. einer darin angeordneten Geldkassette) des Geldautomaten, und dergleichen.For example, the embedded
Der eingebettete Prozessor 104 kann beispielsweise einen oder mehr als einen ARM-Prozessor aufweisen oder daraus gebildet sein. Der eingebettete Prozessor 104 kann beispielsweise einen oder mehr als einen Mikroprozessor aufweisen oder daraus gebildet sein.Embedded
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein cyberphysisches System (CPS) das eingebettete System 150 (oder zumindest den eingebetteten Prozessor 104) und den zumindest einen Sensor 110 und/oder zumindest einen Aktor 112 aufweisen. Optional kann das CPS eine zusätzliche Schnittstelle (auch als Vernetzungsschnittstelle bezeichnet) aufweisen. Die Vernetzungsschnittstelle kann beispielsweise eingerichtet sein, gemäß einem Kommunikationsprotokoll der Internetprotokollfamilie (dann auch als Internet-Kommunikationsprotokoll bezeichnet) zu kommunizieren, z.B. aus der TCP/IP-Protokollfamilie.According to various embodiments, a cyber-physical system (CPS) may include the embedded system 150 (or at least the embedded processor 104) and the at least one
In einer beispielhaften Implementierung weist das CPS auf: zumindest einen physischen Sensor 110 und/oder zumindest einen physischen Aktor 112, ein oder mehr als ein optionales Bussystem 108b (z.B. ein CAN-Bus aufweisend), und einen oder mehr als einen Mikrokontroller (auch als MCU bezeichnet) als Komponente des eingebetteten Systems 150. Beispielsweise ist der zumindest eine physische Sensor 110 direkt oder über das physische Bussystem 108b als Schnittstelle mit der MCU verbunden. Optional können mehrere MCUs des EGS 150 mittels des Bussystems 108b miteinander gekoppelt und und/oder mittels der Vernetzungsschnittstelle in die Infrastruktur des Betreibers integriert, z.B. mit einem Netzwerk (z.B. dem Internet) verbunden, sein.In an exemplary implementation, the CPS has: at least one
Eine MCU kann den zumindest einen Prozessor 104 (z.B. eine oder mehr als eine CPU und optional einen oder mehr als einen Ko-Prozessor aufweisend), einen flüchtigen Datenspeicher 102s (z.B. RAM), einen nichtflüchtigen Datenspeicher 112s (z.B. Flash, ROM) und eine oder mehr als eine zusätzliche Peripheriekomponente 106, 108 aufweisen. Jede als Schnittstelle 108 eingerichtete Peripheriekomponenten kann die MCU mit dem zumindest einen der Sensor bzw. Aktor koppeln und/oder über ein Register ansprechbar sein, welches in den Adressbereich der MCU abgebildet wird.An MCU may have the at least one processor 104 (e.g., one or more than one CPU and optionally one or more than one co-processor),
Ein Angriff auf das CPS kann aufweisen, dass der Angreifer nach Inbetriebnahme den nicht-vertrauenswürdigen Teil der Firmware des CPS manipuliert. Ist eine Manipulation einer Firmware eines eingebetteten Systems 150 detektiert, ist es für eine weitere Untersuchung günstig, diese manipulierte Firmware nachweisbar (z.B. bitgenau und/oder vollständig) zu extrahieren. Herkömmlicherweise sind infrage kommende Schnittstellen in einer sicherheitskritischen Umgebung deaktiviert, um einen Angriff darüber zu unterbinden. Die Erkennung einer schadhaften Manipulation an der Firmware einer eingebetteten Komponente von außen ist daher herkömmlich sehr aufwändig und meist nicht eindeutig in ihren Aussagen. Herkömmliche Konzepte, um Manipulationen der Firmware von außen zu erkennen, basieren lediglich auf Messungen des Stromverbrauchs oder des Timing-Verhalten des eingebetteten Systems. Alternativ könnte ein Forensiker die Firmware invasiv durch mechanisches Öffnen des Chips auslesen. Dazu kann unter Umständen detailliertes Wissen über den Chip nötig sein, beispielsweise Netzlisten, die Platzierung der Teilkomponenten wie Speicher und Krypto-Module und deren physische Verdrahtung (Routing) durch sogenanntes Reverse-Engineering. All diese Konzepte setzen jedoch zwingend einen Ausbau der eingebetteten Komponente voraus und erlauben so keine effiziente Untersuchung, insbesondere im laufenden Betrieb. Aufgrund der Komplexität heutiger eingebetteter Systeme, beispielsweise im Fall eines eigenständigen komplexen Betriebssystems (z.B. Android) und/oder proprietären Software in der Größenordnung von mehreren Megabytes, lässt sich dies nur noch manuell handhaben. Beispielsweise müssten solche manuellen Konzepte durch ausgebildete Spezialisten an die jeweilige Hardwarearchitektur angepasst werden. Durch die Weiterentwicklung der Technik in der Chiptechnologie, werden die Strukturgrößen immer kleiner, die Sicherungsmechanismen immer komplexer und der Systemaufbau kompakter. Deshalb ist das Reverse-Engineering zeitintensiv, schlecht parallelisierbar und setzt sehr teures Equipment in einem speziellen Labor voraus. Insbesondere führen diese Prozesse zu einer Zerstörung der untersuchten Hardware.An attack on the CPS can show that the attacker manipulates the untrustworthy part of the firmware of the CPS after it has been put into operation. If a manipulation of a firmware of an embedded
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Forensik-Modul bereitgestellt, welches beispielsweise eine bitgenaue Extraktion der Firmware des eingebetteten Systems 150 für forensische Untersuchungen ermöglicht. Das Forensik-Modul kann eine dedizierte Schnittstelle zum Auslesen der Firmware oder anderer Daten des eingebetteten Systems 150 aufweisen. Ferner kann das Forensik-Modul einen oder mehrere Schutzmechanismen (auch als Absicherungsmechanismen bezeichnet), die einen Missbrauch dieser Schnittstelle hemmen, z.B. basierend auf kryptographischen Authentifikationsmechanismen, implementieren.According to various embodiments, a forensics module is provided which, for example, enables bit-perfect extraction of the firmware of the embedded
Das Forensik-Modul 250 weist auf: zumindest einen Speicherbereich 202 (z.B. einen abgesicherten Speicherbereich 202s und/oder einen nicht-abgesicherten Speicherbereich 212s aufweisend), zumindest einen (d.h. einen oder mehr als einen) Prozessor 204 (auch als Forensik-Prozessor 204 bezeichnet), eine Kommunikationsinfrastruktur 206. Die Kommunikationsinfrastruktur 206 kann zumindest den zumindest einen Speicherbereich 202 und den Forensik-Prozessor 204 miteinander koppeln.The
Das Forensik-Modul 250 weist ferner zumindest eine Schnittstelle 208 (auch als Forensik-Schnittstelle 208 bezeichnet) auf, welche zum Kommunizieren mit dem eingebetteten System 150 (z.B. dessen Komponenten), z.B. mit dem zumindest einen eingebetteten Prozessor 104 und/oder mit der Speichervorrichtung 102 des eingebetteten Systems 150, eingerichtet ist. Die mittels der Forensik-Schnittstelle 208 erfolgende Kommunikation mit dem eingebetteten System 150 kann beispielsweise privilegiert sein, einen oder mehr als einen Schutzmechanismus des eingebetteten Systems 150 zu durchdringen.The
Hierin wird unter anderem auf ein Forensik-Modul Bezug genommen, welches zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) in ein eingebettetes System 150 integriert ist (z.B. per Software), beispielsweise wenn eine oder mehr als eine Komponente 102, 104, 108, 106 des eingebetteten Systems 150 eingerichtet ist, zusätzlich eine oder mehr als eine Aspekte des Forensik-Moduls 250 bzw. Funktion und/oder Komponenten dessen bereitzustellen. Beispielsweise kann das Forensik-Modul 250 zumindest teilweise als eigenständige Firmware oder zumindest als Programmcode (auch als Forensikcode bezeichnet) implementiert sein, welche(r) beispielsweise in die Firmware des eingebetteten Systems 150 integriert ist, in der Speichervorrichtung 102 des eingebetteten Systems abgespeichert und/oder von dem zumindest einen Prozessor 104 des eingebetteten Systems 150 ausgeführt wird. Beispielsweise kann ein oder mehr als ein Speicherbereich des Forensik-Moduls in der Speichervorrichtung 102 des eingebetteten Systems 150 bereitgestellt sein. Beispielsweise können die Funktionen des oder jedes Forensik-Prozessors 204 mittels des zumindest einen eingebetteten Prozessors 104 des eingebetteten Systems 150 bereitgestellt sein, beispielsweise wenn dieser den Forensikcode ausführt. Die Forensik-Schnittstelle 208 kann mittels Hardware und/oder mittels Software bereitgestellt sein oder werden. Beispielsweise kann die Forensik-Schnittstelle 208 mittels eines Kommunikationsprotokolls bereitgestellt werden.Herein, inter alia, reference is made to a forensics module that is at least partially (i.e. partially or fully) integrated into an embedded system 150 (e.g. via software), for example when one or
Es kann verstanden werden, dass die bezüglich des integrierten Forensik-Moduls 250 erläuterten Aspekte bzw. Funktionen und/oder Komponenten des Forensik-Moduls 250 zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) als (z.B. physisch) eigenständige Komponente (z.B. dessen Speicherbereich, Forensik-Schnittstelle und/oder Forensik-Prozessor) bereitgestellt werden können, welche beispielsweise nachgerüstet oder einer bestehenden Systemarchitektur hinzugefügt werden kann. Beispielsweise kann die Forensik-Schnittstelle 208 zumindest eine physische Datenleitung aufweisen, muss diese aber nicht notwendigerweise, z.B. wenn diese per Software implementiert ist.It can be understood that the aspects or functions and/or components of the
Der zumindest eine Forensik-Prozessor 204 ist (z.B. mittels Codesegmenten) eingerichtet zum forensischen Extrahieren von Daten (auch als Zustandsdaten bezeichnet), welche einen Systemzustand des eingebetteten Systems 150 bzw. CPS, repräsentieren mittels der Forensik-Schnittstelle 208 (kurz auch als Extraktion bezeichnet).The at least one
Die Zustandsdaten können den Inhalt (z.B. die Daten) eines oder jedes Registers des zumindest einen Prozessors 104 (z.B. der oder jeder CPU und optional des oder jedes Ko-Prozessors) und/oder der Inhalt des oder jedes prozessorexternen Datenspeichers 102s, 112s des eingebetteten Systems bzw. CPS repräsentieren (z.B. aufweisen). Beispielsweise können die Zustandsdaten den Inhalt von RAM, Flash und CPU-, Ko-Prozessor-, und Peripherieregister repräsentieren (z.B. aufweisen).The state data can be the content (e.g. the data) of one or each register of the at least one processor 104 (e.g. the or each CPU and optionally the or each co-processor) and/or the content of the or each processor-
Die forensische Extraktion manipulierter Firmware kann einer oder mehr als einer der folgenden Anforderungen genügen, um eine manipulierte Firmware im laufenden Betrieb aus der Hardware zu extrahieren:
- - Abgestimmtes Vorgehen: Der Hersteller stellt Betreiber und Ermittler eine detaillierte Beschreibung bereit, wie im Manipulationsfall vorzugehen ist, welche Informationen und Daten sichergestellt werden, und welche Schritte zur Extraktion der Firmware durchgeführt werden.
- - Vertraulichkeit: Anwendung technischer Mittel, um die Firmengeheimnisse (z.B. Firmware IP) des Herstellers vor unberechtigter/unnötiger Einsicht, z.B. durch den Betreiber, zu schützen.
- - Authentizität: Der Hersteller stellt technische Mittel bereit, um eine nachträgliche Veränderung von Inhalt und/oder Herkunft (Identität der Hardwareeinheit) der extrahierten Daten (z.B. der manipulierten Firmware) zu detektieren. Dies kann nicht nur für den Hersteller sondern auch für den Ermittler möglich sein.
- - Partielles Aufdecken: Optional kann der Hersteller auch technische Mittels bereitstellen, um nur dedizierte Teile des extrahierten Systemzustandes offen zu legen und dabei trotzdem die Authentizität zu gewährleisten.
- - Coordinated procedure: The manufacturer provides operators and investigators with a detailed description of how to proceed in the event of manipulation, which information and data are secured and which steps are taken to extract the firmware.
- - Confidentiality: Use of technical means to protect the manufacturer's company secrets (e.g. firmware IP) from unauthorized/unnecessary inspection, e.g. by the operator.
- - Authenticity: The manufacturer provides technical means to detect subsequent changes to the content and/or origin (identity of the hardware unit) of the extracted data (e.g. the manipulated firmware). This can be possible not only for the manufacturer but also for the investigator.
- - Partial disclosure: Optionally, the manufacturer can also provide technical means to reveal only dedicated parts of the extracted system state while still guaranteeing authenticity.
Das abgestimmte Vorgehen begünstigt, dass vor Ort in Abwesenheit des Herstellers keine wichtigen Informationen für die Analyse verloren gehen. Vertraulichkeit dient dem Schutz der Firmengeheimnisse (z.B. des geistigen Eigentums (IP)) des Herstellers. Dieser Schutz bildet wiederum die Vertrauensbasis um weitere Mechanismen zur Aufklärung des Vorfalls zu implementieren. Die Authentizität stellt sicher, dass das Abbild als Beweismittel zur Strafverfolgung und zur Klärung von Haftungsfragen verwendet werden kann, nachdem der Hersteller das Abbild oder Teile davon aufgedeckt (z.B. bekannt gemacht) hat. Eine partielle Aufdeckung ermöglicht es dem Hersteller, nur die für den Angriff relevanten Teile des extrahierten Systemzustandes offen zu legen. Es sei angemerkt, dass den Ermittlern auch größere Teile oder auch der komplette Systemzustand zur Verfügung gestellt werden kann, um im Zweifel den Betrug durch den Hersteller auszuschließen. Das partielle Aufdecken kann vor allem die zu publizierende Datenmenge minimieren um Firmengeheimnisse (z.B. IP) des Herstellers zu schützen. Ein Gericht kann sich dann auf die Analyse der Ermittler verlassen, die einen kompletten Informationsstand haben und gleichzeitig können z.B. relevante Teile des Schadcodes (z.B. Malware) unter Erhaltung der Authentizität der Daten öffentlich gemacht werden.The coordinated procedure ensures that no important information for the analysis is lost on site when the manufacturer is not present. Confidentiality serves to protect the company secrets (e.g. intellectual property (IP)) of the manufacturer. This protection in turn forms the basis of trust for implementing further mechanisms to clarify the incident. Authenticity ensures that the image can be used as evidence in law enforcement and to clarify liability issues after the manufacturer has uncovered (e.g. made public) the image or parts of it. Partial disclosure allows the manufacturer to reveal only the parts of the extracted system state that are relevant to the attack. It should be noted that the investigators can also be provided with larger parts or even the complete system status in order to rule out fraud by the manufacturer in case of doubt. Above all, partial disclosure can minimize the amount of data to be published in order to protect company secrets (e.g. IP) of the manufacturer. A court can then rely on the analysis of the investigators, who have complete information and at the same time, for example, relevant parts of the malicious code (e.g. malware) can be made public while maintaining the authenticity of the data.
Die forensische Extraktion des Systemzustands kann eingerichtet sein, dem Angreifer die Möglichkeit nehmen, die Vertraulichkeit, Authentizität und/oder Verfügbarkeit der Extraktion zu unterwandern. So könnte der Schadcode (z.B. die Malware) so konzipiert sein, dass im Zusammenhang mit ihrer Extraktion vertrauliche Daten des CPS ausgegeben werden. Weiterhin könnte der Zustand des CPS während der Extraktion durch den Schadcode manipuliert werden, zum Beispiel um eine Analyse zu erschweren oder um die Gerichtsverwertbarkeit zu verhindern. Weiterhin könnte der Schadcode versuchen die Extraktion des Systemzustands zu verhindern.The forensic extraction of the system state can be set up to deprive the attacker of the possibility to subvert the confidentiality, authenticity and/or availability of the extraction. The malicious code (e.g. the malware) could be designed in such a way that confidential data from the CPS is output in connection with its extraction. Furthermore, the state of the CPS could be manipulated by the malicious code during extraction, for example to make analysis more difficult or to prevent it from being used in court. Furthermore, the malicious code could try to prevent the extraction of the system state.
Auf diese forensische Extraktion des Systemzustands soll im Folgenden genauer eingegangen werden.This forensic extraction of the system state will be discussed in more detail below.
Die forensische Extraktion 350 kann innerhalb des Forensik-Moduls 250 und/oder des eingebetteten Systems 150 durchgeführt werden, und optional von außerhalb des eingebetteten Systems 150 gestartet (initiiert) werden (z.B. von einem sogenannten Extraktionsauslöser). Der Extraktionsauslöser kann beispielsweise eine Partei oder eine Vorrichtung sein, z.B. der Ermittler oder eine andere Partei. Beispielsweise kann das Ergebnis der Extraktion 350 an den Extraktionsauslöser ausgegeben werden als Antwort auf das Starten der Extraktion 350 durch den Extraktionsauslöser. Die Kommunikation zwischen dem Extraktionsauslöser und dem eingebetteten System 150 kann mittels einer dafür eingerichteten Schnittstelle (nicht dargestellt, auch als Extraktionsschnittstelle) des Forensik-Moduls 250 erfolgen.The
Die forensische Extraktion 350 kann beispielsweise damit gestartet werden, dass das eingebettete System 150, z.B. dessen Systemzustand, eingefroren wird. Dazu kann das eingebettete System 150 angehalten werden.The
Die forensische Extraktion 350 kann aufweisen, in 301, ein (z.B. bitgenaues) Auslesen der Zustandsdaten 302 (z.B. ein Speicherabbild aufweisend) mittels der Forensik-Schnittstelle 208. Beispielsweise können die Zustandsdaten einen oder mehrere Datensätze mk (k = 1...n, n>1) aufweisen. Das Auslesen der Zustandsdaten 302 eines Prozessorregisters (z.B. CPU-Registers) und/oder Peripherieregisters kann mittels einer von der Architektur des eingebetteten Systems 150 abhängigen Routine (auch als architekturabhängige Routine bezeichnet) erfolgen, welche beispielsweise mittels der Forensik-Schnittstelle implementiert wird.The
Die ausgelesenen Zustandsdaten 302 können beispielsweise in einem (z.B. abgesicherten) Speicherbereich des Forensik-Moduls 250 gespeichert werden, z.B. in Form einer oder mehr als einer Datei (auch als Zustandsdatei bezeichnet).The
Das Auslesen der Zustandsdaten 302 kann beispielsweise aufweisen, ein oder mehr als ein Prozessorregister (z.B. der CPU, auch als CPU-Register bezeichnet) auszulesen. Das Auslesen jedes Prozessorregisters kann aufweisen, ein Speicherabbild des oder jedes Prozessorregisters in dem (z.B. abgesicherten) Speicherbereich des Forensik-Moduls 250 abzuspeichern. Dies ermöglicht es, den Kontext der laufenden Anwendung sofort bei Start der forensischen Extraktion 350 zu sichern. Dies erleichtert es, den Kontext einer Applikation einschließlich einer möglichen Malware exakt zu extrahieren.Reading
In einer exemplarischen Implementierung kann das Auslesen eines oder mehr als eines CPU-Registers des EGS 150 erfolgen. Jedes CPU-Register kann Teil des Systemzustands des EGS 150 (bzw. CPS) sein. Während der Ausführung des Schadcodes beinhalten die CPU-Register insbesondere Informationen, die für eine weiter Analyse von Bedeutung sein könnten. Ist das CPU-Register nicht (beispielsweise im Gegensatz zu dem übrigen Speicher) adressierbar, kann das Auslesen des einen oder mehr als einen CPU-Registers aufweisen:
- - Abbilden (z.B. Sichern) jedes CPU-Registers in einer Zustandsdatei (dann auch als Registerdatei bezeichnet) innerhalb eines reservierten Speicherbereichs des Forensik-
Moduls 250; und - - Auslesen der Registerdatei als Teil des übrigen Auslesens des Speichers des Forensik-
Moduls 250 bzw. des eingebettetenSystems 150.
- - mapping (eg, saving) each CPU register to a state file (then also referred to as a register file) within a reserved memory area of the
forensics module 250; and - Reading the register file as part of the rest of the reading of the
forensics module 250 or embeddedsystem 150 memory.
Wird die Extraktion 350 mittels einer Ausnahmebehandlung (auch als Exception bezeichnet) ausgelöst, kann das Auslesen 301 des Systemzustandes Folgendes aufweisen:
- - Ablegen des Exception-Frames auf dem Stapel;
- - Abbilden des einen oder mehr als einen CPU-Registers in die Registerdatei des Forensik-
Moduls 250; - - Setzen des Stapelzeigers (SP) in den Speicherbereich des Forensik-
Moduls 250; - - Auslesen des Speichers des eingebetteten Systems 150 (z.B. inklusive der Registerdatei); und
- - Wiederherstellen des Stapelzeigers.
- - Pushing the exception frame onto the stack;
- - mapping the one or more CPU registers into the register file of the
forensics module 250; - - setting the stack pointer (SP) in the memory area of the
forensics module 250; - - reading the memory of the embedded system 150 (eg including the register file); and
- - Restoring the stack pointer.
Um eine oder mehr als eine der obigen Anforderungen (Authentizität, Vertraulichkeit und/oder partielles Aufdecken) zu erfüllen, können die Zustandsdaten 302 (z.B. ein Speicherabbild des eingebetteten Systems 150) vor der Ausgabe (z.B. durch die MCU) kryptographisch aufbereitet werden, wie nachfolgend genauer erläutert wird.To meet one or more of the above requirements (authenticity, confidentiality, and/or partial disclosure), the state data 302 (e.g., a memory map of the embedded system 150) may be cryptographically prepared prior to issuance (e.g., by the MCU), as follows is explained in more detail.
Die forensische Extraktion 350 kann aufweisen, in 303, ein Ermitteln eines Kommitments 310 (auch als Verbindlichkeitsangabe bezeichnet) basierend auf den Zustandsdaten 302 und unter Verwendung eines kryptografischen Kommitment-Prozesses 304 (z.B. ein Vektor-Kommitment-Prozess). Beispielsweise können die Zustandsdaten 302 mittels des Kommitment-Prozesses 304 auf das Kommitment 310 abgebildet werden. Ein beispielhafter Algorithmus (auch als Kommitmentalgorithmus bezeichnet) zum Implementieren des Kommitment-Prozesses 304 wird später noch genauer beschrieben.The
Der Kommitment-Prozess 304 kann derart eingerichtet sein, dass sich jeder Datensatz mk einzeln verifizieren lässt, beispielsweise anhand des Kommitments und/oder eines dem Datensatz mk individuell zugeordneten Öffnungswerts dk. Dies erreicht, dass die Möglichkeit des partiellen Aufdeckens besteht.The
Die forensische Extraktion 350 kann aufweisen, in 305, ein Verschlüsseln (auch als Verschlüsselung 305 bezeichnet) der Zustandsdaten 302 und der Öffnungswerte dk unter Verwendung eines Schlüssels 305s (z.B. symmetrischen Schlüssels 305s). Das Ergebnis der Verschlüsselung 305 weist Daten 312 (auch als Chiffrat, Kryptogramm, Ciphertext oder als Geheimtext bezeichnet) auf, welche die verschlüsselten Zustandsdaten und optional verschlüsselten Öffnungswerte dk aufweisen. Der Schlüssel 305s (auch als erster Schlüssel 305s oder Verschlüsselungsschlüssel 305s bezeichnet) kann mittels Daten (auch als Schlüsseldaten oder schlüsselimplementierende Daten bezeichnet) in dem abgesicherten Speicherbereich 202s des Forensik-Moduls implementiert sein, wie später noch genauer erläutert wird. Das Verschlüsseln 305 der Zustandsdaten und optional der Öffnungswerte dk kann mittels eines (z.B. symmetrischen) Verschlüsselungsprozesses 306 erfolgen.The
Beispielsweise kann der Verschlüsselungsprozess 306 ein authentifizierter Verschlüsselungsprozess 306 sein, der die Verschlüsselung und Authentifizierung der Zustandsdaten mittels des für das eingebettete System 150 individuellen Verschlüsselungsschlüssels 305s ermöglicht. Der Verschlüsselungsschlüssel 305s kann beispielsweise (z.B. nur) dem Hersteller bekannt sein.For example, the
Die forensische Extraktion 350 kann optional aufweisen, in 307, ein Signieren der Zustandsdaten 302. Das Ergebnis des Signierens 307 weist die sogenannte Signatur 314 der Zustandsdaten 302 auf. Das Signieren 307 kann beispielsweise mittels eines Signaturprozesses 308 und/oder eines (z.B. asymmetrischen) zweiten Schlüssels 307s (auch als Signaturschlüssel oder Signierschlüssel bezeichnet) erfolgen. Das Signieren der Zustandsdaten 302 ermöglicht eine eindeutige Kennung der Zustandsdaten 302 mittels des für das eingebettete System individuellen Signaturschlüssels 307s.The
Das Verschlüsseln 305 kann die Vertraulichkeit der Firmengeheimnisse des Herstellers (z.B. IP) als Teil des Systemzustands gegenüber dem Betreiber und/oder dem Ermittler begünstigen. Dennoch kann der Hersteller den Systemzustand aufdecken, zum Beispiel nach Unterzeichnung einer Vertraulichkeitserklärung. Durch das Kommitment 310 legt sich das eingebettete System (z.B. CPS) zum Zeitpunkt der Extraktion 350 (auch als Extraktionszeitpunkt bezeichnet) auf den Inhalt der Zustandsdaten 302, z.B. des verschlüsselten Speicherabbildes, fest. Dies erlaubt es dem Hersteller, trotz Verschlüsselung 305 später gegenüber dem Betreiber und/oder dem Ermittler nachzuweisen, dass der aufgedeckte Systemzustand den zuvor extrahierten Zustandsdaten 302 entspricht.
Durch Verwendung eines Vektor-Kommitment-Prozesses 304 (auch als VC-Prozess bezeichnet) können insbesondere auch Teilmengen (z.B. ein oder mehr als ein einzelner Datensatz mk) aufgedeckt werden, z.B. nur der Flash-Speicherbereich, wenn dieser den Schadcode enthält. Das Signaturverfahren zusammen mit der eindeutigen Kennung der Zustandsdaten 302 erlaubt es, zu beweisen, dass die Zustandsdaten 302 zum Extraktionszeitpunkt durch das eingebettete System 150 erstellt und nicht nachträglich (z.B. durch den Hersteller) modifiziert wurden. Die Funktionalität zur Entschlüsselung, Aufdeckung und Prüfung der Zustandsdaten 302 erfolgt später mittels eines Emulationssystems (auch als Verarbeitungsmodul bezeichnet), was später noch genauer beschrieben wird.By using a vector commitment process 304 (also referred to as a VC process), subsets (eg one or more than one individual data set m k ) can in particular also be uncovered, eg only the flash memory area if it contains the malicious code. The signature method together with the unique identifier of the
Das Extraktionsmodul 250 (z.B. dessen Forensik-Schnittstelle 208) implementiert für die Extraktion 350 eine Funktion, die den Systemzustand des EGS 150 (z.B. CPS) einliest und das Resultat der Extraktion 350 über eine geeignete Schnittstelle, z.B. die Vernetzungsschnittstelle, ausgibt.The extraction module 250 (e.g. its forensic interface 208) implements a function for the
Sind die Adressen ausgelesenen Daten des EGS 150 für die Extraktion 350 relevant und werden als Teil des Systemzustands ausgelesen, können die Zustandsdaten 302 im Intel Hex-Format kodiert (auch als IHEX-Kodierung bezeichnet) werden. Das Intel Hex-Format ist besonders einfach, bietet verbreitete Unterstützung und Lesbarkeit. Weiterhin erlaubt das Intel Hex-Format auch die Kodierung der Zustandsdaten 302 im Strom, was es erleichtert, die kodierten und abgesicherten Zustandsdaten 302 direkt ausgeben zu können, um mit möglichst wenig Speicherbedarf auszukommen. Logisch gesehen liegen in diesem Fall die Zustandsdaten 302 nach der IHEX-Kodierung als ASCII Strings vor. Die so gebildeten Zustandsdaten können beispielsweise als Vektor m mit n Komponenten m = (m1,... ,mn) notiert werden. Es kann aber selbstverständlich auch jede andere geeignete Kodierung verwendet werden bzw. muss nicht notwendigerweise eine Kodierung der Zustandsdaten 302 erfolgen.If the addresses of the
Es ist vorteilhaft, wenn die Größe des internen Zustands der Extraktion 350 konstant in der Größe des extrahierten Systemzustandes ist. Dies erreicht einen geringeren Speicherbedarf der Extraktion 350, welcher exklusiv für die Extraktion 350 vorgesehen werden wird und vermeidet, dass der Systemzustand nur unvollständig extrahiert werden kann. Dies wird begünstigt, indem zwei oder mehr Komponenten 303, 305, 307 (z.B. aufweisend: das Ermitteln 303 des Kommitments 310, das Verschlüsseln 305 und/oder das Signieren 307) der Extraktion 350 (z.B. kryptographische Prozesse) parallel zueinander ablaufen. Beispielsweise wird der auszulesende Systemzustand, z.B. die Zustandsdaten 302, iterativ Wort für Wort oder zumindest Datensatz für Datensatz abgearbeitet.It is advantageous if the size of the internal state of the
Grundlage des Forensik-Moduls 250 gemäß den Ausführungsformen 400 ist eine STM32L4 MCU als Teil des eingebetteten Systems 150, dessen zumindest ein Prozessor 104 eine Cortex-M4 CPU aufweist. Die Cortex-M4 CPU weist eine 32 Bit Architektur für Daten und Instruktionen auf. Register und Busse besitzen also eine Breite von 32 Bit. Die Cortex-M4 CPU weist ferner einen sogenannten Thumb-Befehlssatz bzw. implementiert einen sogenannten Thumb-Modus auf. In diesem Thumb-Modus steht ein reduzierter Instruktionssatz, der sogenannte Thumb-Befehlssatz, zur Verfügung, in dem für die Kodierung von Instruktionen nur 16 Bit benötigt werden.The basis of the
In nachfolgender Tabelle ist eine Übersicht über die Prozessorregister der Cortex-M4 CPU dargestellt. Die Cortex-M4 CPU besitzt zwei Stapelzeiger (sogenannter „Stack Pointer“), welche den Haupt-Stapelzeiger (sogenannter „Main Stack Pointer“ oder kurz MSP) und den Prozess-Stapelzeiger (sogenannter „Process Stack Pointer“ oder kurz PSP) aufweisen. Auf welchen dieser Stapelzeiger durch das Register R13 zugegriffen wird, kann mittels eines Bits im Steuerregister („Control Register“ oder kurz CONTROL) gesteuert werden. Das Programmstatusregister (sogenanntes „Program Status Register“ oder kurz PSR) weist einen oder mehr als einen der folgenden Register auf: ein Anwendung-Programmstatusregister (sogenanntes „Application Program Status Register“ oder kurz APSR), ein Interrupt-Programmstatusregister (sogenanntes „Interrupt Program Status Register“ oder kurz IPSR), und/oder ein Ausführung-Programmstatusregister (sogenanntes „Execution Program Status Register“ oder kurz EPSR).
Das Verknüpfungsregister (sogenanntes „Link Register“, Linkregister oder kurz LR) dient der Speicherung der Rücksprungadresse beim Aufrufen einer Funktion. Durch den Befehl „BL“ schreibt die CPU vor dem Sprung zur Zieladresse den aktuellen Wert des Programzählers („Program Counter oder kurz PC) in das Linkregister (LR). So kann später mittels Setzens des Programzählers auf den im Linkregister gespeicherten Wert aus der aufgerufenen Funktion zurückgekehrt werden (der sogenannte Funktionsrücksprung oder sogenanntes „Funktion Return“).The link register (so-called “link register”, link register or LR for short) is used to store the return address when a function is called. With the “BL” command, the CPU writes the current value of the program counter (“Program Counter” or PC for short) into the link register (LR) before jumping to the target address. So later by setting the program counter to the one stored in the link register cherted value can be returned from the called function (the so-called function return or so-called "function return").
Die Cortex-M4 CPU befindet sich entweder im sogenannten Threadmodus (sogenannter „Thread-Mode“) oder im Handlermodus (sogenannter „Handler-Mode“). Im Handlermodus werden Ausnahmen (sogenannte „Exceptions“ oder auch als Ausnahmesituation bezeichnet) ausgeführt. Die Ausführung im Handlermodus ist beispielsweise immer privilegiert. Die sonstige Ausführung erfolgt im Threadmodus. Die Ausführung im Threadmodus kann beispielsweise entweder privilegiert oder unprivilegiert erfolgen. In der unprivilegierten Ausführung kann die Cortex-M4 CPU nicht auf alle Register und Speicherbereiche zugreifen (siehe obenstehende Tabelle). Der Wechsel vom Threadmodus in den Handlermodus erfolgt durch Auslösen einer Exception. Beispiele für Exceptions weisen auf: ein externer Interrupt, ein Timer-Interrupt und ein Zugriffsfehler. Die Supervisorruf-Instruktion (sogenannte „Supervisor Call Instruktion“ oder SVC-Instruktion) löst ebenfalls eine Exception aus und ermöglicht, per Software in den Handlermodus zu wechseln. Beim Betreten einer Excpetion führt die Cortex-M4 CPU automatisch mehrere Schritte durch, die aufweisen:
- 1. Anlegen eines Exception-Frames (Ausnahmerahmen) auf dem aktiven Stapel (auch als Stack bezeichnet).
- 2. Setzen des LR auf einen speziellen EXC_RETURN Wert.
- 3. Context Switch in den Handlermodus.
- 1. Creation of an exception frame (exception frame) on the active stack (also referred to as the stack).
- 2. Set the LR to a special EXC_RETURN value.
- 3. Context switch to handler mode.
Der Exception-Frame für die Cortex-M4 CPU ist in nachfolgender Tabelle dargestellt, welche den Cortex-M4 Stack Frame beim Betreten der Exception darstellt. Die Spalte „Address Offset“ gibt dabei den Addressversatz relativ zum Wert des Stack Pointer (SP) vor dem Betreten des Exception an.
Entsprechend können die Register R0-R3 und R12 im Exception-Handler überschrieben werden, da diese durch die CPU beim Verlassen des Handlers vom Stack rekonstruiert werden.Accordingly, the registers R0-R3 and R12 in the exception handler can be overwritten, since these are reconstructed by the CPU when the handler is exited from the stack.
Der Exception Frame weist zusätzlich den Wert des Programzählers vor Betreten der Exception auf. Dies erlaubt es der CPU, am Ende des Exception-Handlers den Programzähler wieder auf den Zustand vor Betreten der Exception zurück zu setzen. Zum Verlassen des Exception-Handlers wird der Programzähler auf den Wert EXEC_RETURN gesetzt, der sich bei Betreten der Exception in LR befand. Der EXEC_RETURN codiert Informationen über die Struktur des Exception-Frames und den Modus, in den die Exception verlassen werden soll (Handlermodus oder Threadmodus). Dies veranlasst die CPU die Exception in den richtigen Modus zu verlassen und die Register des Exception-Frames wieder herzustellen.The exception frame also contains the value of the program counter before entering the exception. This allows the CPU, at the end of the exception handler, to reset the program counter to the state it was in before the exception was entered. To exit the exception handler, the program counter is set to the EXEC_RETURN value that was in LR when the exception was entered. The EXEC_RETURN encodes information about the structure of the exception frame and the mode in which the exception should be exited (handler mode or thread mode). This causes the CPU to exit the exception in the correct mode and restore the exception frame registers.
Nachfolgend werden verschieden Möglichkeiten zur Implementierung des Forensik-Moduls 250 in das eingebettete System 150 erläutert.Various options for implementing the
Um die Anforderungen an die Vertraulichkeit und Integrität zu erfüllen, wird ein oder mehr als ein Absicherungsmechanismus implementiert, welche den Zugriff von Schadcode (z.B. einer Malware) auf einen damit abgesicherten Speicherbereich des eingebetteten Systems 150 (z.B. CPS) hemmen bzw. verhindern. Das eingebettete System 150 (z.B. dessen Speichervorrichtung 102) weist einen abgesicherten Speicherbereich 402 (auch als vertrauenswürdiger Speicherbereich 402 bezeichnet) und einen nicht-abgesicherten Speicherbereich 404 (auch als nicht-vertrauenswürdigen Speicherbereich 404 bezeichnet) auf.In order to meet the requirements for confidentiality and integrity, one or more security mechanisms are implemented, which inhibit or prevent malicious code (e.g. malware) from accessing a memory area of the embedded system 150 (e.g. CPS) secured with it. The embedded system 150 (e.g., its storage device 102) has a secured storage area 402 (also referred to as trusted storage area 402) and an untrusted storage area 404 (also referred to as untrusted storage area 404).
Im Allgemeinen erfordert der abgesicherte Speicherbereich 402 höhere Privilegien (auch als Berechtigungen oder Berechtigungsstufen bezeichnet), um darauf zuzugreifen, als der nicht-vertrauenswürdige Speicherbereich 404. Hardwarebasierte Implementierungen des vertrauenswürdigen Speicherbereichs 402 bzw. dessen Isolierung vom nicht-vertrauenswürdigen Speicherbereich 404 weisen auf: eine Speicherschutzeinheit (die sogenannte „Memory Protection Unit“ oder kurz MPU), eine vertrauenswürdige Laufzeitumgebung (die sogenannte „Trusted Execution Environment“ oder kurz TEE), oder ein Sicherheitselement (das sogenannte „Secure Element“ oder kurz SE).In general, the
In einem EGS 150 wird die MPU typischerweise von einem Echtzeit-Betriebssystem (das sogenannte „Real Time Operating System“ oder kurz RTOS) gesteuert. Das RTOS implementiert eine Zugriffskontrolle auf den Speicher und eine Separierung von Prozessen untereinander und zwischen den Prozessen im Threadmodus und dem RTOS im Handlermode.In an
Für die Verwendung einer TEE werden alle Ressourcen des EGS 150 in einen sicheren und einen unsicheren Teil separiert. Dies ermöglicht eine Isolation sicherheitskritischer Komponenten zum Beispiel von Komponenten mit Zugriff auf kritische Assets wie Schlüssel. Die Trennung kann hier auch innerhalb des privilegierten RTOS erfolgen. So können sicherheitskritische Funktionalitäten vom komplexen Teil des RTOS getrennt werden. Bei Verwendung eines SE werden sicherheitskritische Funktionalitäten in eine komplett separate Hardware, dass SE ausgelagert. Beispiele weisen auf: eine Smart-Card oder ein vertrauenswürdiges Plattformmodul (das sogenannte „Trusted-Platform-Modul“ oder kurz TPM). Dies bietet eine hohe Isolation, erschwert aber die Integration auf Seite der Anwendung-MCU.For the use of a TEE, all resources of the
Nachfolgend wird Bezug genommen auf die Implementierung des Forensik-Moduls 250 in einer TEE. Im Vergleich zur Realisierung mittels der MPU hat dies den Vorteil, dass das komplexe Betriebssystem mit der Steuerung der MPU aus Sicht der Forensik nicht im vertrauenswürdigen Teil des CPS liegen muss. Es kann verstanden werden, dass die diesbezüglich erläuterten Aspekte in Analogie für eine andere Implementierung des Forensik-Moduls 250 gelten können und nicht zwangsläufig nur auch die TEE beschränkt sind.Reference is now made to the implementation of the
Für die Implementierung des vertrauenswürdigen Speicherbereichs 402 kann es eine Rolle spielen, ob dieser nur einmalig nach dem Systemstart betreten werden soll, oder ob ein Wiedereintritt zur Laufzeit, was die Extraktion zu einem beliebigen Zeitpunkt ermöglicht, erfolgen soll. Zum Betreten zur Laufzeit können zusätzliche Privilegien beim Eintritt erteilt werden. Dieser Fall stellt höhere Anforderungen an die Hardware zur Realisierung des vertrauenswürdigen Speicherbereichs 402. Auswirkung des Wiedereintritts auf die Funktionalität des Forensik-Moduls 250 sind in nachfolgender Tabelle dargestellt.
Einen sicheren Wiedereintritt in den vertrauenswürdigen Speicherbereich 402 stellt jedoch mehr Anforderungen an die Hardware als der Eintritt über den Neustart, da die Privilegien beim Übergang vom nicht-vertrauenswürdigen in den vertrauenswürdigen Speicherbereich 402 beim Wiedereintritt erhöht werden müssen.However, secure re-entry into the trusted
Da möglicherweise Schadcode zum Zeitpunkt des Wiedereintritts ausgeführt wird, kann der Fall eintreten, dass die forensische Extraktion 350 parallel zum Schadcode ausgeführt wird. Ansonsten könnte der Angreifer die Verfügbarkeit der forensischen Extraktion 350 unterwandern. Der Eintritt in das Forensik-Modul 250 (anschaulich die Aktivierung des Forensik-Moduls 250) erfolgt dann über eine Exception ausreichend hoher Priorität. Beispiele für Exceptions zum Starten (Auslösen) der forensischen Extraktion 350 weisen auf:
- - einen Timer: ein Timer als Teil der Wurzel der Sicherheitskette (die sogenannte „Root-of-Trust“ oder kurz RoT) kann verwendet werden, um den Schadcode regelmäßig zu unterbrechen und dann, in Abhängigkeit möglicher weiterer Bedingungen, die
Extraktion 350 zu starten. Der Timer zum Starten derExtraktion 350 eignet sich beispielsweise dann, wenn das Betriebssystem Teil des RoT ist, da das Betriebssystem üblicherweise durch einen Timer-Interrupt Kontrolle über den Kontrollfluss erlangt. - - externer Interrupt: Ein Interrupt, der durch externe Ereignisse ausgelöst wird, unterbricht den Schadcode. Auch hier ist es günstig, wenn die Konfiguration des Interrupts Teil des RoT ist, so dass eine Maskierung durch den Angreifer gehemmt (z.B. verhindert) wird. Der externe Interrupt eignet sich beispielsweise dann, wenn die Extraktion durch die Umgebung des eingebetteten Systems 150 (bzw. CPS), zum Beispiel durch das Drücken eines Tasters des Extraktionsauslösers, ausgelöst werden soll.
- - Störungshandler (sogenannter „Fault Handler“):
Die Extraktion 350 kann auch als Teil eines Störungshandlers implementiert werden. In diesem Fall wird dieExtraktion 350 ausgelöst, wenn der Schadcode eine Störung (z.B. einen Fehler) hervorruft, der nicht anderweitig behandelt wird. Der Störungshandler eignet sich auch,wenn die Extraktion 350 allgemein zur Fehleranalyse verwendet werden soll.
- - a timer: a timer as part of the root of the security chain (the so-called "Root-of-Trust" or RoT for short) can be used to periodically interrupt the malicious code and then, depending on possible further conditions, start the
extraction 350 . The extraction starttimer 350 is useful, for example, when the operating system is part of the RoT, since the operating system usually gains control of the control flow through a timer interrupt. - - external interrupt: An interrupt triggered by external events interrupts the malicious code. Again, it is beneficial if the configuration of the interrupt is part of the RoT, so that a Mas kation is inhibited (eg prevented) by the attacker. The external interrupt is suitable, for example, when the extraction is to be triggered by the environment of the embedded system 150 (or CPS), for example by pressing a button on the extraction trigger.
- - Fault handler (so-called "fault handler"): The
extraction 350 can also be implemented as part of a fault handler. In this case, theextraction 350 is triggered when the malicious code causes a disruption (eg, a bug) that is not otherwise handled. The fault handler is also useful if theextraction 350 is to be used for fault analysis in general.
Um die Verfügbarkeit zu begünstigen, kann jede dieser Exceptions derart eingerichtet sein, dass der Interrupt nicht durch den Angreifer unterdrückt werden kann. Dies kann beispielsweise mittels einer Konfiguration des eingebetteten Systems 150 erreicht werden, in der sowohl der Interrupt-Handler selbst, als auch die Konfiguration des Interrupt-Controllers innerhalb des RoT liegen. Die konkrete Implementierung ist abhängig vom Typ und der Architektur des jeweiligen eingebetteten Systems 150 (bzw. CPS), dessen MCU und den verfügbaren Zugriffssteuer-Mechanismen (sogenannte „Access Control Mechanismen“). Mögliche Konzepte zur Implementierung weisen auf: eine ARM-Sicherheitszone (die sogenannte „Arm Trustzone“), die Firewall oder die MPU.To promote availability, each of these exceptions can be set up in such a way that the interrupt cannot be suppressed by the attacker. This can be achieved, for example, by means of a configuration of the embedded
In einer bevorzugten, einfach umzusetzenden Implementierung wird die Extraktion 350 mittels eines externen Interrupts (anschaulich eine Instruktion zur Unterbrechung) ausgelöst.In a preferred implementation that is easy to implement, the
Nachfolgend werden verschiedene Beispiele für die Implementierung von Absicherungsmechanismen erläutert, welche beispielsweise statisch sind, d.h. nicht notwendigerweise erst beim Systemstart des eingebetteten Systems 150 konfiguriert werden:
- - Ein Leseschutz (die sogenannte „Read Protection“ oder kurz RDP) schützt Daten auf einer MCU vor einem system-externen Zugriff;
- - Ein proprietärer Code-Leseschutz (die sogenannte „Proprietary Code Read Out Protection“ oder kurz PCROP) ermöglicht einen zusätzlichen Schutz des ausführbaren Codes vor unbeabsichtigten internen Auslesen. Beispielsweise lassen sich mittels PCROP sicherheitskritische Daten, wie beispielsweise ein oder mehr als ein kryptographischer Schlüssel;
- - Ein Schreibschutz (die sogenannte „Write Protection“ oder kurz WRP) schützt einen Speicherbereich vor einem unerwünschten system-internen Schreibzugriff.
- - A read protection (the so-called "Read Protection" or RDP for short) protects data on an MCU from system-external access;
- - A proprietary code read protection (the so-called "Proprietary Code Read Out Protection" or PCROP for short) enables additional protection of the executable code against unintentional internal reading. For example, security-critical data, such as one or more than one cryptographic key;
- - A write protection (the so-called "Write Protection" or WRP for short) protects a memory area from unwanted system-internal write access.
Die statischen Schutzmechanismen können beispielsweise ineinandergreifend implementiert werden und/oder mittels eines oder mehr als eines der folgenden dynamischen Schutzmechanismen ergänzt werden.
- - eine MPU, die eingerichtet ist, mehrere Speicherbereiche voneinander zu isolieren;
- - eine Firewall, die ist eingerichtet, einen sichere, z.B. abgekapselte, Umgebung (auch als Enklave bezeichnet), beispielsweise einen abgesicherten Speicherbereich bereitstellend, zu implementieren, in der besonders sicherheitskritische Daten, wie beispielsweise ein oder mehr als ein kryptographischer Schlüssel, gespeichert werden können und/oder kritische Funktionen auf diesen Daten isoliert ausgeführt werden können.
- - an MPU configured to isolate multiple memory areas from each other;
- - A firewall that is set up to implement a secure, eg encapsulated, environment (also referred to as an enclave), for example a secure storage area, in which particularly security-critical data, such as one or more than one cryptographic key, can be stored and/or critical functions can be executed in isolation on this data.
Die sogenannten Optionsbytes („Option Bytes“) ermöglichen es, einen oder mehr als einen statischen Absicherungsmechanismus des EGS 150 (z.B. Mikrocontrollers) zu konfigurieren. Beide Flash-Bänke des EGS 150 (z.B. Mikrocontrollers) weisen dafür jeweils 40 Optionsbytes auf. Wird der Inhalt der Optionsbytes redundant gespeichert, sind nur 20 Bytes pro Flash-Bank tatsächlich nutzbar. Der Großteil der Optionsbytes wird herkömmlich nicht verwendet.The so-called option bytes ("option bytes") make it possible to configure one or more static protection mechanisms of the EGS 150 (e.g. microcontroller). Both flash banks of the EGS 150 (e.g. microcontroller) each have 40 option bytes for this. If the content of the option bytes is saved redundantly, only 20 bytes per flash bank can actually be used. The majority of the option bytes are not used conventionally.
Konkrete Adressen der einzelnen Register sind architekturabhängig und/oder anwendungsabhängig. Bezüglich der folgenden Register wird im weiteren Verlauf genauer auf die jeweiligen Absicherungsmechanismen eingegangen. Sei der Index x ∈ {1,2} die Flash-Bank 1 oder 2 repräsentierend. Ist im Folgenden der Index x weggelassen, soll diese Einstellung nur für Flash Bank 1 gelten.
- - RDP (1 Byte) ermöglicht, den Schreibschutz zu konfigurieren;
- - PCROPx_STRT und PCROPx_END (
je 2 Bytes) ermöglichen, einen oder mehr als einen mittels PCROP abgesicherten Speicherbereich (auch als PCROP Bereich bezeichnet) zu definieren; - - PCROP_RDP (1 Bit) gibt an, ob der PCROP Bereich gelöscht wird, wenn das RDP Level reduziert wird;
- - WRPxA_STRT, WRPxA_END sowie WRPxB_STRT, WRPxB_END (
je 1 Byte) ermöglichen, jeweils zwei Bereiche pro Flash Bank anzugeben, welche von Schreibzugriffen geschützt werden. - - BOOT0 und BOOT1 Bits geben zusammen den Boot-Modus an.
- - RDP (1 byte) allows to configure write protection;
- - PCROPx_STRT and PCROPx_END (2 bytes each) make it possible to define one or more memory areas protected by PCROP (also referred to as PCROP area);
- - PCROP_RDP (1 bit) indicates whether the PCROP area is cleared when the RDP level is reduced;
- - WRPxA_STRT, WRPxA_END and WRPxB_STRT, WRPxB_END (each 1 byte) allow two areas per flash bank to be specified, which are protected from write access.
- - BOOT0 and BOOT1 bits together indicate the boot mode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das eingebettete System 150, z.B. dessen Prozessor 104, eingerichtet (z.B. als einen der ersten Schritte), die Konfiguration der (z.B. statischen) Absicherungsmechanismen zu verifizieren (auch als Sicherheitsüberprüfung bezeichnet). Die Sicherheitsüberprüfung kann aufweisen, zu ermitteln, ob die Optionbytes eine abgespeicherte Vorgabe (wie nachfolgend erläutert) erfüllen und optional (z.B. wenn die Vorgabe nicht erfüllt ist) die Optionbytes zu programmieren (z.B. gemäß der Vorgabe). Die Sicherheitsüberprüfung kann mittels einer sogenannten Sicherheitsfunktionseinheit („Secure Engine Module“) der MCU bereitgestellt werden. Die hierin beschriebenen Funktionen der Sicherheitsfunktionseinheit können optional auch von dem Forensik-Prozessor 204 bereitgestellt sein oder werden.According to various embodiments, the embedded
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das eingebettete System 150, z.B. dessen Prozessor 104, eingerichtet, nur dann den Bootvorgang (auch als Systemstart bezeichnet) fortzusetzen, wenn ermittelt wurde, dass die Optionbytes gemäß der Vorgabe konfiguriert sind. Dies hemmt das Risiko in dem Fall, dass es einem Angreifer gelingen sollte, die Konfiguration der Optionbytes (z.B. durch einen physikalischen Angriff) zu manipulieren, dass das gestartete eingebettete System 150 fehlerhaft ist.According to various embodiments, the embedded
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Sicherheitsfunktionseinheit auch die Funktionalität zur Konfiguration der dynamischen Absicherungsmechanismen (z.B. Firewall) bereitstellen.According to various embodiments, the security functional unit can also provide the functionality for configuring the dynamic protection mechanisms (e.g. firewall).
Der Leseschutz (RDP) ist eingerichtet, die Daten des eingebetteten Systems 150 vor einem system-externen Zugriff zu schützen. RDP ist beispielsweise eingerichtet, einen oder mehr als einen der folgenden Speicherbereiche vor einem system-externen Zugriff zu schützen: Flash-Speicher, Optionbytes, Backup-Register und SRAM2 (SRAM1 ist nicht notwendigerweise geschützt). Die Zugriffsrechte für die Applikation sowie die möglichen Zugriffe über eine Debug-Schnittstelle sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.
Es gibt 3 mögliche Einstellungen (auch als Level bezeichnet) für RDP:
- -
Level 0 legt fest, dass der RDP-Absicherungsmechanismus deaktiviert ist; - -
Level 1 legt fest, dass der RDP-Absicherungsmechanismus aktiviert ist, kann aber deaktiviert werden, denn die Optionsbytes können immer noch umprogrammiert werden. Beim Deaktivieren wird allerdings der Inhalt des Speichers gelöscht; - -
Level 2 legt fest, dass der RDP-Absicherungsmechanismus aktiviert ist und nicht mehr deaktiviert werden kann, denn nur lesende Zugriffe auf die Optionbytes sind aus der Anwendung (auch als Applikation bezeichnet) erlaubt während die Debug-Schnittstelle deaktiviert ist. In dem Fall sind alle statischen Absicherungsmechanismen unveränderbar.
- -
Level 0 specifies that the RDP security mechanism is disabled; - -
Level 1 specifies that the RDP security mechanism is enabled, but can be disabled because the option bytes can still be reprogrammed. When deactivating, however, the content of the memory is deleted; - -
Level 2 determines that the RDP security mechanism is activated and can no longer be deactivated, because only read access to the option bytes is permitted from the application (also referred to as application) while the debug interface is deactivated. In this case, all static protection mechanisms are unchangeable.
Um RDP zu aktivieren, kann das RDP-Optionbyte entsprechend programmiert werden und danach ein Systemneustart durchgeführt werden. Ist der RDP auf Level 1 gestellt, kann dieser umprogrammiert, z.B. deaktiviert, werden. Dazu werden die Optionbytes umprogrammiert, z.B. mittels der Debug-Schnittstelle und/oder der Applikation. Beim Umprogrammieren des RDP von Level 1 auf RDP Level 0 wird automatisch der komplette Speicher gelöscht.To activate RDP, the RDP option byte can be programmed accordingly and then a system restart can be performed. If the RDP is set to
Beim RDP auf Level 1 kann die Debug-Schnittstelle weiterhin genutzt werden. Dann kann der Fall eintreten, dass das eingebettete System 150 komplett neu programmiert werden kann. Nichtsdestotrotz gibt es Anwendungsfälle, bei denen auch im anwendungsnahen Betrieb ein RDP bei Level 1 infrage kommen kann, beispielsweise wenn der Zugriff auf den Flash-Speicher eingeschränkt ist. Mittels der Debug-Schnittstelle kann insbesondere die Firewall ausgehebelt werden. Also kann RDP bei Level 1 zusammen mit der Firewall nicht zwangsläufig zuverlässig sein bzw. kann die Firewall nicht zwangsläufig die Anforderungen an die Sicherheit bereitstellen. Weiterhin kann mit Hilfe der Debug-Schnittstelle die Boot-Konfiguration geändert werden, so dass das eigebettete System 150 aus SRAM1 oder aus dem ST-Boot-Loader startet. Dies eröffnet Angriffsfläche, wenn RDP Level 1 verwendet wird.With RDP at
Unterstützt das eingebettete System 150, wie beispielsweise der STM32L4 Mikrocontroller, zusätzlich PCROP, kann damit ein zusätzlicher Schutz für einen oder mehr als einen kryptografischen Schlüssel des eingebetteten Systems 150 (z.B. einen Root-Attestierungsschlüssel, den Verschlüsselungsschlüssel 305s und/oder den Signierschlüssel 307s) bereitgestellt werden. Beispielsweise ist PCROP eingerichtet, einen oder mehr als einen Speicherbereich des nicht-flüchtigen Speichers als „nur ausführbar“ zu konfigurieren (auch als NA-Speicherbereich bezeichnet). In diesem Fall werden Zugriffe, z.B. ein Speicherdirektzugriff (DMA), Debug-Zugriff, Schreibzugriff, Lesezugriff, und/oder Löschzugriff, auf diesen NA-Speicherbereich geblockt. Dieser Bereich kann nicht einmal über die Debug-Schnittstelle adressiert werden, außer zur Ausführung.If the embedded
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde erkannt, dass der PCROP es ermöglicht, einen ansonsten schwer abzusichernden Schlüssel besser abzusichern. Dazu werden in dem NA-Speicherbereich Daten (auch als schlüsselimplementierende Daten bezeichnet) abgespeichert, z.B. einen ausführbaren Programmcode (z.B. eine Assembler-Funktion) oder andere Codesegmente aufweisend, welche derart eingerichtet sind, dass diese, wenn von dem Prozessor ausgeführt, den Prozessor dazu bringen, den Schlüssel (z.B. dessen Bytes) direkt auf eine gemäß den Daten vorgegebene Adresse eines anderen Speicherbereichs (auch als Schlüsselzielbereich bezeichnet) des eingebetteten Systems 150 zu schreiben (dann auch als PCROP-abgesicherter Schlüssel bezeichnet). Die schlüsselimplementierenden Daten können den Schlüssel selbstverständlich auch anders implementieren, z.B. wenn PCROP nicht unterstützt oder unerwünscht ist.According to various embodiments, it has been recognized that the PCROP makes it possible to better secure a key that is otherwise difficult to secure. For this purpose, data (also referred to as key-implementing data) is stored in the NA memory area, e.g. having an executable program code (e.g. an assembler function) or other code segments, which are set up in such a way that, when executed by the processor, the processor cause the key (e.g. its bytes) to be written directly to an address specified according to the data of another memory area (also referred to as key target area) of the embedded system 150 (then also referred to as a PCROP-secured key). Of course, the key-implementing data can also implement the key differently, e.g. if PCROP is not supported or undesirable.
Beispielsweise können die schlüsselimplementierenden Daten aus dem RoT, der durch die Firewall geschützt ist, heraus, ausgeführt werden, um den Schlüssel zu schreiben. Nachdem der Schlüssel verwendet worden ist, wird der Schlüssel wieder aus dem Speicher, z.B. dem Schlüsselzielbereich, des eingebetteten Systems 150 gelöscht.For example, the key implementing data can be run out of the RoT protected by the firewall to write the key. After the key has been used, the key is again deleted from the memory, e.g., the key target area, of the embedded
Der PCROP-abgesicherte Schlüssel erreicht, dass der Schlüssel die meiste Zeit nur als ausführbarer Code zur Verfügung steht und nur dann für einen lesenden Zugriff eines kryptographischen Prozesses zur Verfügung gestellt wird, wenn der Schlüssel wirklich gebraucht wird. Dies erschwert einen Angriff auf den Schlüssel.The PCROP-secured key ensures that the key is only available as executable code most of the time and is only made available for read access by a cryptographic process when the key is really needed. This makes an attack on the key more difficult.
Für diesen den PCROP-abgesicherter Schlüssel kann das PCROP_RDP Bit auf 1 gesetzt werden, damit der Schlüssel in diesem Bereich gelöscht wird. Ansonsten könnte der Angreifer RDP auf Level 0 setzen und gleichzeitig die Absicherung des NA-Speicherbereichs mittels RCROP deaktivieren. In diesem Fall würden die Speicherblöcke (z.B. Flashblöcke), die den Schlüssel (z.B. als schlüsselimplementierende Daten) aufweisen, nicht gelöscht und der Angreifer könnte den Schlüssel auslesen.The PCROP_RDP bit can be set to 1 for this PCROP-secured key so that the key is deleted in this area. Otherwise, the attacker could set RDP to
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der komplette für einen oder mehr als einen Schlüssel vorgesehene Speicherbereich mittels PCROP abgesichert werden. Dieser Speicherbereich kann wiederum hinter der Firewall (d.h. in deren Enklave) liegen und zwar im Code-Bereich („Code Region“).According to various embodiments, the entire memory area provided for one or more than one key can be secured using PCROP. This memory area can in turn be located behind the firewall (i.e. in its enclave) in the code area (“code region”).
Der Schreibschutz (WRP) kann eingerichtet sein, einen Speicherbereich vor einem unerwünschten (system-internen) Schreibzugriff zu schützen bzw. abzusichern. Ist RDP auf Level 2 gestellt, und somit die Debug-Schnittstelle deaktiviert, kann der WRP eine rein interne und vor allem auch statische Absicherungsmaßnahme bereitstellen. Beispielsweise können Optionbytes und somit WRP-Einstellung nicht verändert werden. Beispielsweise können Speicherbereiche im Flash mittels WRP für immer vor Veränderungen geschützt werden. Das macht WRP als Absicherungsmechanismus unflexibel, kann allerdings praktikabel sein für Schlüssel, insbesondere wenn diese für die Lebenszeit des eingebetteten Systems 150 nicht verändert werden sollen oder dürfen. Ist der RDP auf Level 1 gesetzt, z.B. in einer produktiven Umgebung, kann WRP auch rekonfiguriert werden, so dass die Möglichkeit besteht, den Absicherungsmechanismus (z.B. für ein Firmware-Update) vorübergehend zu deaktivieren. Wird ein Speicherbereich mittels PCROP abgesichert, kann ein zusätzlicher WRP-Absicherungsmechanismus redundant sein.The write protection (WRP) can be set up to protect or secure a memory area against undesired (system-internal) write access. If RDP is set to
Während mittels RDP, PCROP und WRP ein statisch abgesicherter Speicherbereich (z.B. des Flash-Speichers) bereitgestellt werden kann (bzw. ein statischer Absicherungsmechanismus), kann mittels einer Firewall ein dynamisch abgesicherter Speicherbereich bereitgestellt werden (bzw. ein dynamischer Absicherungsmechanismus). Die Firewall erlaubt es, eine abgesicherte Enklave (z.B. ein oder mehr als ein Speicherbereich aufweisend) bereitzustellen, die beispielsweise eigenen Code, eigenen Adressbereich im Flash-Speicher und/oder einem eigenen Adressbereich im RAM-Speicher aufweist. Jeder Speicherbereich der Enklave wird von der restlichen Umgebung isoliert und mit sehr strikten Zugriffsmechanismen ausgestattet, welche beispielsweise mittels der Hardware des eingebetteten Systems 150 bereitgestellt werden.While a statically secured memory area (e.g. of the flash memory) can be provided (or a static protection mechanism) using RDP, PCROP and WRP, a dynamically secured memory area can be provided using a firewall (or a dynamic protection mechanism). The firewall makes it possible to provide a secure enclave (e.g. having one or more than one memory area) which has, for example, its own code, its own address space in flash memory and/or its own address space in RAM memory. Each memory area of the enclave is isolated from the rest of the environment and equipped with very strict access mechanisms, which are provided by the hardware of the embedded
Die Firewall kann beispielsweise als vertrauenswürdige Laufzeitumgebung implementiert werden. Wird die Firewall (z.B. anders als die statischen Absicherungsmechanismen) bei einem Systemreset (Systemneustart) deaktiviert, kann diese als Teil des Initialisierungsprozesses des eingebetteten Systems 150 aktiviert werden. Allerdings kann die Firewall beim Systemstart noch nicht aktiviert sein, was Raum für einen Angriff (z.B. Seitenkanalangriff) öffnet, der das Aktivieren der Firewall verhindern könnte, um diesen Absicherungsmechanismus auszuhebeln. Dies kann der Fall sein, wenn das eingebettete System kein Hardware-basiertes RoT, wie TPM, aufweist. In dem Fall kann es zweckmäßig sein, die Codesegmente (bzw. Instruktionen), welche die Firewall aktivieren, durch WRP zu schützen (inklusive der Interrupttabelle). Zusammen mit RDP bei Level 2 hemmt dies, dass dafür diese Codesegmente verändert werden, so dass die Integrität des Forensik-Moduls 250 bzw. der TEE garantiert werden kann.For example, the firewall can be implemented as a trusted runtime environment. If the firewall (e.g., other than the static protection mechanisms) is disabled during a system reset (system reboot), it may be enabled as part of the embedded
Das eingebettete System 150, z.B. dessen Speichervorrichtung 102, kann eine zumindest einen mittels der Firewall abgesicherten Speicherbereich 651 (auch als FW-Speicherbereich 651 bezeichnet) aufweisen. Der zumindest eine FW-Speicherbereich 651 kann einen oder mehr als einen (z.B. mehr als zwei) der folgenden Speicherbereiche aufweisen: einen ersten Flash-Speicherbereich 602, in dem die Firmware gespeichert ist, einen zweiten Flash-Speicherbereich 604, in dem Daten gespeichert sind, einen RAM-Speicherbereich 606, der exklusiven oder geteilt sein kann. Das eingebettete System 150, z.B. dessen Speichervorrichtung 102, kann ferner einen DMA-Controller 608 (auch als DMA-Steuervorrichtung bezeichnet) aufweisen, der beispielsweise eingerichtet sein kann, einen Speicherzugriff (entweder auf den Hauptspeicher selbst oder auf eine Peripheriekomponente) durchzuführen unabhängig von dem Prozessor 104 (z.B. der Cortex-M4 CPU), z.B. ohne dabei den Prozessor 104 in Anspruch zu nehmen.The embedded
Der zumindest eine FW-Speicherbereich 651 kann mit Hilfe einer Startadresse und der Länge jedes Speicherbereichs angegeben sein. Beispielsweise wird bei den Flash-Speicherbereichen eine Granularität von 256 Bytes und/oder beim RAM Segment eine Granularität von 64 Bytes erzwungen.The at least one FW memory area 651 can be specified using a start address and the length of each memory area. For example, a granularity of 256 bytes is required for the flash memory areas and/or a granularity of 64 bytes for the RAM segment.
Die Firewall 612 kann eingerichtet sein, alle Speicherzugriffe auf den zumindest einen FW-Speicherbereich 651 (z.B. auf Flash und RAM), die beispielsweise über die Kommunikationsinfrastruktur 106, z.B. deren Advanced Highperformance"-Bus (AHB-Bus), erfolgen, zu ermitteln (z.B. zu überwachen) und/oder, für jeden der Speicherzugriffe, zu ermitteln, ob der Speicherzugriffe zulässig (auch als legal bezeichnet) ist, z.B. wenn dieser dazu privilegiert ist, oder unzulässig (auch als illegal bezeichnet), z.B. wenn dieser dazu nicht privilegiert (auch als unprivilegiert bezeichnet) ist. Dazu kann die Firewall beispielsweise eingerichtet sein, zu ermitteln, wovon der Speicherzugriff ausgeht und darauf basierend ermitteln, ob dieser Speicherzugriff privilegiert ist. Beispielsweise kann eine Beglaubigungssequenz, die später noch genauer beschrieben wird, privilegiert sein, auf den FW-Speicherbereich zuzugreifen (auch als Durchdringen der Firewall bezeichnet).The
Die Firewall 612 kann beispielsweise eingerichtet sein, einen unzulässigen Speicherzugriff auf den zumindest einen FW-Speicherbereich 651 (z.B. von außerhalb des geschützten zumindest einen FW-Speicherbereichs 651) zu blockieren (auch als Blockadeantwort bezeichnet). Alternativ oder zusätzlich kann die Firewall 612 (dann auch als geschlossene Firewall bezeichnet) beispielsweise eingerichtet sein, in Antwort auf den unzulässigen Speicherzugriff auf den zumindest einen FW-Speicherbereich 651, das eingebettete System 150 zurückzusetzen (auch als Resetantwort bezeichnet). Die Resetantwort und/oder die Blockadeantwort können beispielsweise mittels Hardware implementiert sein. Die Resetantwort kann beispielsweise aufweisen, dass die Firewall keinen Interrupt auslöst, sondern das eingebettete System 150 direkt zurücksetzt.The
Die Firewall 612 kann eingerichtet sein, einen Speicherzugriff (z.B. nur dann) als zulässig zu ermitteln, wenn dieser mittels einer dafür eingerichteten Schnittstelle, das sogenannte Aufrufgate (auch als Call-Gate bezeichnet), erfolgt. Beispielsweise kann das Call-Gate eingerichtet sein, die Berechtigungsstufe des Speicherzugriffs zu erhöhen, wenn dieser ein vordefiniertes Kriterium erfüllt. Das Call Gate kann beispielsweise als Prozessorfunktion des Forensik-Prozessors 204 implementiert werden. Das Call Gate kann eingerichtet sein, eine dynamische Änderung der Berechtigungsstufe des Forensik-Prozessors 204 zu bewirken, wenn eine bestimmte Anweisung, die das Kriterium erfüllt, verwendet wird. Auf diese Weise können Code und Programme mit weniger Berechtigungen vorübergehend so arbeiten, als wären sie Programme mit höheren Berechtigungen.The
Mittels des Call-Gates können beispielsweise in der Enklave isolierte Funktionen aufgerufen werden. Damit wird erreicht, dass die Kontrolle an den Code hinter der Firewall übertragen wird.For example, isolated functions in the enclave can be called using the call gate. This ensures that control is transferred to the code behind the firewall.
Auf der logischen Ebene kann das Call-Gate mittels einer Funktion implementiert werden, welche die Eingabeparameter für die Enklave hinter der Firewall 612 erhält, und eine Rückantwort liefert. Diese Eingabeparameter können dabei z.B. eine spezielle Funktion hinter der Firewall adressieren und die Parameter für diese Funktion liefern. Auf der technischen Ebene kann das Call-Gate korrespondierend zu der Firewall 612 eingerichtet sein bzw. entsprechend konfiguriert werden.At the logical level, the call gate can be implemented using a function that takes the input parameters for the enclave behind the
Durch einen Aufruf des Call-Gates kann der Code hinter der Firewall ausgeführt werden. Beim Passieren des Call-Gates wird die Firewall geöffnet, so dass diese durchdrungen werden kann. In diesem Zustand wird der Code, der in dem zumindest einen FW-Speicherbereich 651 gespeichert ist, ganz normal ausgeführt, beispielsweise als ob es gar keine Firewall gebe.Calling the call gate allows the code to run behind the firewall. When passing the call gate, the firewall is opened so that it can be penetrated. In this state, the code stored in the at least one FW memory area 651 is executed normally, for example as if there were no firewall at all.
Die Firewall kann beispielsweise eingerichtet sein, als Antwort auf einen Sprung von innerhalb des zumindest einen FW-Speicherbereichs 651 zu einer Adresse außerhalb des zumindest einen FW-Speicherbereichs 651 („irreguläres Verlassen des geschützten Bereichs“) entweder die Resetantwort durchzuführen oder die Firewall zu schließen. Die Entscheidung kann die Firewall anhand einer Angabe (auch als Flag bezeichnet) in einem vordefinierten Register treffen, welcher in dem zumindest einen FW-Speicherbereich 651 liegt und angepasst werden kann (beispielsweise Firewall Pre Arm Flag im Register FW_CR). Das ist ein zusätzlicher Absicherungsmechanismus, um solche Sprünge zu vermeiden. Vor einem regulären Verlassen des Codes hinter der Firewall („reguläres Verlassen des geschützten Bereichs“) wird dieser Flag gesetzt und dann wird die Kontrolle an die Applikation übergeben (über einen normalen Rücksprung aus der Funktion). Falls dieser Flag nicht gesetzt ist und der Code den geschützten Bereich verlässt, wird dies von der Firewall als irreguläres Verhalten interpretiert und die Firewall setzt das eingebettete System zurück. Zweckmäßigerweise können für diesen Absicherungsmechanismus auch die Interrupts ausgeschaltet werden.The firewall can be set up, for example, in response to a jump from within the at least one FW memory area 651 to an address outside of the at least one FW memory area 651 ("irregular exit from the protected area") either to carry out the reset response or to close the firewall . The firewall can make the decision based on an indication (also referred to as a flag) in a predefined register, which is located in the at least one FW memory area 651 and can be adjusted (e.g. firewall pre-arm flag in register FW_CR). This is an additional security mechanism to avoid such jumps. Before a regular exit from the code behind the firewall ("regular exit from the protected area"), this flag is set and then control is passed to the application (via a normal return from the function). If this flag is not set and the code leaves the protected area, this is interpreted by the firewall as irregular behavior and the firewall resets the embedded system. The interrupts can expediently also be switched off for this protection mechanism.
Mittels der Firewall kann ein oder mehr als ein Algorithmus, mittels welchem ein kryptographischer Prozess implementiert wird, und/oder ein oder mehr als ein kryptographischer Schlüssel abgesichert werden. Alternativ oder zusätzlich können sicherheitskritische Abläufe, wie beispielsweise ein Firmware-Update (auch als Firmware-Aktualisierung bezeichnet) abgesichert werden. Ein so abgesicherter Algorithmus wird dabei isoliert ausgeführt und nur das Ergebnis wird zurückgegeben. Dabei wird beispielsweise erreicht, dass jegliche Zwischenergebnisse abgesichert hinter der Firewall bleiben, was für kryptographische Funktionen von Bedeutung sein kann. Ferner wird damit auf einer technischen Ebene abgesichert, dass nur dedizierte Funktionen überhaupt direkt auf einen abgesicherten Schlüssel zugreifen können.One or more than one algorithm, by means of which a cryptographic process is implemented, and/or one or more than one cryptographic key can be secured by means of the firewall. Alternatively or additionally, safety-critical processes, such as a firmware update (also referred to as a firmware update), can be secured. An algorithm protected in this way is executed in isolation and only the result is returned. It is achieved, for example, that jegli intermediate results remain secured behind the firewall, which can be important for cryptographic functions. Furthermore, it is secured on a technical level that only dedicated functions can directly access a secured key.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Firewall eingerichtet, alle Zugriffe auf den FW-Speicherbereich 651 (z.B. von der MCU und/oder DMA) zu überprüfen (z.B. zu blockieren und/oder, z.B. insofern zulässig, freizugeben).In various embodiments, the firewall is set up to check (e.g. to block and/or, e.g. to the extent permissible, to release) all accesses to the FW memory area 651 (e.g. from the MCU and/or DMA).
Nachfolgend werden exemplarische Implementierungen der forensischen Extraktion 750 und deren Komponenten erläutert. Exemplary implementations of the forensic extraction 750 and its components are discussed below.
Anschaulich stellt ein Kommitment-Prozess einer Partei bereit, sich bindend auf eine Information (z.B. die Zustandsdaten) festzulegen ohne die Information preiszugeben zu müssen (auch als Geheimhaltungseigenschaft bezeichnet). Die Information bleibt somit vorerst geheim. Ergänzend dazu stellt der Kommitment-Prozess bereit, zu einem späteren Zeitpunkt die Information aufzudecken zu können und dabei sicherzustellen, dass die Information unverändert bleibt (auch als Bindungseigenschaft bezeichnet), z.B. nicht modifiziert werden kann. Dazu wird mittels kryptographischer Maßnahmen ein Nachweis (das sogenannte Kommitment) bereitgestellt, welcher die Verifikation der aufgedeckten Information ermöglicht.Clearly, a commitment process provides a party with a binding commitment to information (e.g., the status data) without having to disclose the information (also referred to as non-disclosure property). The information therefore remains secret for the time being. In addition to this, the commitment process provides the ability to uncover the information at a later point in time, ensuring that the information remains unchanged (also known as a binding property), e.g. cannot be modified. For this purpose, a proof (the so-called commitment) is provided by means of cryptographic measures, which enables the verification of the disclosed information.
Ein Kommitment-Prozess kann zwei Phasen (auch als erste Phase und als zweite Phase bezeichnet) aufweisen, von denen jede Phase beispielsweise mittels eines individuellen Algorithmus implementiert sein kann.A commitment process can have two phases (also referred to as a first phase and a second phase), each phase of which can be implemented using an individual algorithm, for example.
In der ersten Phase (auch als Bindungsphase bezeichnet) kann das Ermitteln des Kommitments 310 erfolgen, beispielsweise mittels eines ersten Algorithmus (auch als Kommitment-Algorithmus oder Commit bezeichnet). Der Kommitment-Algorithmus kann eingerichtet sein, basierend auf Eingangsdaten m (z.B. einer Nachricht oder den Zustandsdaten) als Ausgangsdaten das Kommitment c und optional einen Öffnungswert d auszugeben. Als Relation ausgedrückt, kann dies geschrieben werden als Commit(m) → (c, d). Der Öffnungswert d wird geheim gehalten und das Kommitment c wird veröffentlicht. Der Öffnungswert d kann beispielsweise eine Zufallszahl oder andere zufällige Zeichenkette sein, beispielsweise mittels eines Zufallsgenerators (auch als RAND bezeichnet) ermittelt, und/oder auch mittels eines anderen Mechanismus ermittelt bzw. vorgegeben werden. Beispielsweise kann der Öffnungswert als Schlüssel verwendet werden, welcher den Kommitment-Prozess parametrisiert und so das ausgegebene Kommitment c (z.B. unabhängig von den Eingabedaten m) beeinflusst.In the first phase (also referred to as the binding phase), the determination of the
In der zweiten Phase (auch als Öffnungsphase bezeichnet) kann basierend auf dem Kommitment c ermittelt werden, ob eine Behauptung m' (anschaulich die behaupteten Eingangsdaten) den ursprünglichen Eingangsdaten m entspricht basieren auf dem Kommitment c und dem Öffnungswert d (auch als Verifizieren bezeichnet), beispielsweise mittels eines zweiten Algorithmus (auch als Verifikations-Algorithmus oder ComVrfy bezeichnet). Der Verifikations-Algorithmus kann eingerichtet sein, basierend auf der Behauptung m' als Eingangsdaten und dem Öffnungswert d zu ermitteln, ob m' zu dem Kommitment c passt (z.B. ohne m zu kennen). Als Relation ausgedrückt, kann dies geschrieben werden als ComVrfy(c, d, m) → b, wobei m = m' wenn b = 1 (oder wenn b ein anderes Kriterium erfüllt). Die Ausgabe b kann beispielsweise nur den Wert 1 oder 0 annehmen.In the second phase (also referred to as the opening phase) it can be determined based on the commitment c whether an assertion m' (illustratively the claimed input data) corresponds to the original input data m based on the commitment c and the opening value d (also referred to as verifying) , for example by means of a second algorithm (also referred to as verification algorithm or ComVrfy). The verification algorithm may be set up to determine whether m' matches the commitment c (e.g. without knowing m) based on the assertion m' as input data and the opening value d. Expressed as a relation, this can be written as ComVrfy(c,d,m) → b, where m = m' if b = 1 (or if b satisfies some other criterion). For example, the output b can only have the
Eine wenig komplexe Implementierung des Kommitment-Prozesses kann mittels einer kryptographischen Hashfunktion H als Teil des Kommitment-Algorithmus erfolgen. Der Kommitment-Algorithmus generiert eine zufällige Zahl d und berechnet c = H(d, m). Der zufällige Wert d ist dann der Öffnungswert und wird erst geheim gehalten. Die Hashfunktion H kann derart eingerichtet sein, dass der Hashwert bzw. das Kommitment c durch die zufällige Wahl von d nichts über die Eingangsdaten m verraten. Sobald d bekannt ist, kann für eine beliebige Behauptung m' wiederum verifiziert werden, ob c = H(d, m') ist. Ist c = H(d, m') impliziert dies, dass m' = m ist.A less complex implementation of the commitment process can be done using a cryptographic hash function H as part of the commitment algorithm. The commitment algorithm generates a random number d and calculates c = H(d, m). The random value d is then the opening value and is first kept secret. The hash function H can be set up in such a way that the hash value or the commitment c reveals nothing about the input data m due to the random choice of d. As soon as d is known, for any assertion m' it can again be verified whether c = H(d, m'). If c = H(d,m'), this implies that m' = m.
Die Bindungseigenschaft kann beispielsweise begünstig werden, wenn die Hashfunktion H kollisionsresistent ist, z.B. schwach kollisionsresistent, vorzugsweise stark kollisionsresistent oder weiter vorzugsweise perfekt kollisionsresistent. Beispielsweise kann die Hashfunktion H eine kollisionsresistente Einwegfunktion sein und/oder aus der Klasse der sicheren Hashalgorithmen sein.The binding property can be favored, for example, if the hash function H is collision-resistant, eg weakly collision-resistant, preferably strongly collision-resistant or more preferably perfectly collision-resistant. For example, the hash function H can be a collision-resistant one-way function and/or be from the class of secure hash algorithms.
Der VC-Prozess 304 ist ein spezieller Kommitment-Prozess, bei dem die Eingangsdaten m mehrkomponentig sind, z.B. n Komponenten aufweisend. Dies lässt sich beispielsweise in der leicht verständlichen Vektorschreibweise notieren, wobei verstanden werden kann, dass auch jede andere Notation der mehrkomponentigen Eingangsdaten verwendet werden kann. Demgemäß können die bezüglich der Vektorschreibweise erläuterten Aspekte in Analogie für jede andere Notation der mehrkomponentigen Eingangsdaten gelten.The
In Vektorschreibweise lassen sich die mehrkomponentigen Eingangsdaten m schreiben als m =(m1,... ,mn). Das Besondere an dem VC-Prozess 304 ist, dass nicht notwendigerweise der komplette Vektor m aufgedeckt werden muss, sondern auch einzelne Komponente mk, mit k∈[1, n] davon aufdecken werden können, ohne Bindungseigenschaft zu verletzen. Der Kommitment-Algorithmus des VC-Prozesses kann dann geschrieben werden als Commit (m) → (c, d).In vector notation, the multi-component input data m can be written as m=(m 1 ,...,m n ). What is special about the
Die Öffnungsphase des VC-Prozess 304 kann aufweisen, dass zunächst (anschaulich als Zwischenschritt) ein oder mehr als ein aneinander gebundenes Paar aus I ∈{1,n} und Öffnungswert dI ermittelt wird, z.B. mittels eines dritten Algorithmus (auch als Partial-Close-Algorithmus oder PartClose bezeichnet). Beispielsweise kann der Partial-Close-Algorithmus eingerichtet sein, basierend auf dem Öffnungswert d, den Eingangsdaten m und dem Wert IG[1, n] den Öffnungswert dk zu ermitteln. Als Relation ausgedrückt, kann dies geschrieben werden als
- PartClose (d, (m1,... ,mn), I) → (dI,mI),
- mit mI = (m'1 ,... ,m'n),
- wobei ∀i ∈ I : m'i = mi, ∀i∉I:m'i= 1.
- PartClose (d, (m 1 ,... ,m n ), I) → (d I ,m I ),
- with m I = (m' 1 ,... ,m' n ),
- where ∀i ∈ I : m' i = m i , ∀i∉I:m' i = 1.
Jeder Öffnungswert di kann beispielsweise vorab mittels eines Zufallsgenerators (auch als RAND bezeichnet) ermittelt werden.Each opening value di can, for example, be determined in advance using a random number generator (also referred to as RAND).
Der zugehörige Verifikations-Algorithmus lässt sich dann schreiben als ComVrfy(c ,dI,mI) → b. Dieser Verifikations-Algorithmus verifiziert die partiell geöffneten Daten gegen das Kommitment c.The associated verification algorithm can then be written as ComVrfy(c ,d I ,m I ) → b. This verification algorithm verifies the partially opened data against the commitment c.
Eine wenig komplexe Implementierung des VC-Prozess 304 kann mittels einer kryptographischen Hashfunktion H als Teil des Kommitment-Algorithmus erfolgen. Der Kommitment-Algorithmus generiert für jedes i (i=1, ..., i=n) ein erstes Kommitment (auch als Zwischenkommitment ci oder Kommitmentkomponente bezeichnet) ci = H(di, mi). Die zufälligen Werte di bilden zusammen dann der Öffnungswert d, der geheim gehalten wird. Die Zwischenkommitment werden zu einem Hashwert bzw. zweiten Kommitment c (auch als finales Kommitment bezeichnet) zusammengeführt, beispielsweise gemäß der folgenden Relation:
Der Partial-Close-Algorithmus ist eingerichtet, ein di für jedes i∈I aufzudecken, während für die restlichen i die ci berechnet und als Teil von dI aufgedeckt werden. Somit kann bei der Verifikation aus den Zwischenkommitments ci und dem Paar (di, mi) das finale Kommitment c rekonstruiert bzw. verifiziert werden.The partial close algorithm is set up to reveal a di for each i∈I, while for the remaining i the c i are computed and revealed as part of d I . Thus, in the verification from the intermediate commitments ci and the pair (di, m i ), the final commitment c can be reconstructed or verified.
Die wenig komplexe Implementierung des VC-Prozess 304 mittels einer kryptographischen Hashfunktion H erreicht ferner, dass die Extraktion 350 in einem Durchlauf und mit möglichst wenig Speicherbedarf erfolgen kann. Die Hashfunktion kann beispielsweise mit SHA-256 aus der SHA-2 Familie instanziiert werden (SHA bezeichnet einen sicheren Hash-Algorithmus). Die Daten werden dann in Blöcken von 64-Byte verarbeitet, was dem internen Zustand von SHA-256 entspricht. Hinsichtlich der exemplarischen Wahl von SHA-256 kann verstanden werden, dass das diesbezüglich hierin Beschriebene in Analogie für jede andere SHA gelten kann.The less complex implementation of the
Nachfolgend wird detaillierter auf eine andere exemplarische Implementierung eingegangen. Als Startpunkt der Extraktion 350 dient eine konfigurierbare Angabe darüber, welche Speicherbereiche des eingebetteten Systems 150 ausgelesen werden sollen. Logisch gesehen lässt sich diese Angabe als Liste von Tupeln notieren, von denen jedes Tupel eine Speicheradresse des entsprechenden Speicherbereiches und die Länge des entsprechenden Speicherbereiches angibt. Die Speicherbereiche werden optional gruppiert (auch als Speichergruppierung bezeichnet), was je nach Anwendungsfall konfigurierbar ist. Diese Speichergruppierung kann für die spätere Öffnung der Daten relevant sein und korrespondiert zu den einzelnen Komponenten mk (auch als Datensätze bezeichnet) der Eingangsdaten m für den VC-Prozess. Dies bedingt, dass entweder alle Speicherbereiche einer Gruppe (auch als Speichergruppe bezeichnet) oder kein Speicherbereiche der Gruppe aufgedeckt werden. Je größer die Anzahl n der Speichergruppen ist, desto feiner ist das Raster und destoselektiver können Informationen aufgedeckt werden.Another example implementation is discussed in more detail below. A configurable indication of which memory areas of the embedded
Jeder Abschnitt (auch als Gruppenabschnitt oder „Section“ bezeichnet) einer Speichergruppe weist einen Speicherbereich oder mehrere (z.B. zusammenhängende) Speicherbereiche auf, die beispielsweise auch einen gewissen logischen Zusammenhang zueinander aufweisen können. Die Registerdatei (z.B. der CPU) bildet beispielsweise eine eigene Speichergruppe.Each section (also referred to as a group segment or "section") of a storage group has a storage area or several (e.g. contiguous) storage areas, which can also have a certain logical connection to one another, for example. For example, the register file (e.g. of the CPU) forms its own memory group.
Die Speichergruppierung partitioniert anschaulich den Systemzustand in Speichergruppen, von denen jede Speichergruppe einen oder mehr als einen Gruppenabschnitt aufweist und/oder zu einem der Datensätze mk korrespondiert. In der exemplarischen Implementierung der Speichergruppierung wird eine Anzahl von n Speichergruppen, von denen jede Speichergruppe eine individuelle Anzahl von lk Gruppenabschnitten aufweist, gebildet. Die k-te Speichergruppe weist beispielsweise lk Gruppenabschnitte auf, wobei beispielsweise lk > 1 und/oder lk ≠ lk+1 sein kann, aber nicht notwendigerweise sein muss.The memory grouping clearly partitions the system state into memory groups, of which each memory group has one or more than one group section and/or corresponds to one of the data sets m k . In the exemplary implementation of the memory array, a number of n memory groups, each memory group having an individual number of l k group sections, are formed. The k-th memory group has, for example, l k group sections, it being possible, for example, for l k >1 and/or l k ≠l k+1 , but not necessarily.
Sobald der i-te Datensatz mi (z.B. korrespondierend zu der i-ten Speichergruppe) verarbeitet ist, erfolgt die Berechnung des i-ten Zwischenkommitments ci (beispielsweise mittels der Hashfunktion), welches im Vektor-Kommitment-Status (VC_State) verarbeitet wird. Wird dazu beispielsweise SHA-256 verwendet, sind lediglich weitere 64 Bytes notwendig. Eine solche Instanziierung des VC-Prozesses benötigt lediglich 128 Bytes. Zusätzlich kann ein konstanter Overhead für die konkrete Implementierung der SHA-256-Funktion bereitgestellt sein.As soon as the i-th data record m i (eg corresponding to the i-th storage group) has been processed, the i-th intermediate commitment c i is calculated (for example using the hash function), which is processed in the vector commitment status (VC_State). . If, for example, SHA-256 is used for this, only a further 64 bytes are required. Such an instantiation of the VC process only requires 128 bytes. In addition, a constant overhead can be provided for the concrete implementation of the SHA-256 function.
Beispielsweise wird ein initialer Vektor-Kommitment-Status bereitgestellt (z.B. mittels einer Funktion V_Init) und basierend auf dem zuerst ermittelten Zwischenkommitment c1 aktualisiert (z.B. mittels einer Funktion VC_Update). Der so aktualisierte Vektor-Kommitment-Status kann iterativ aktualisiert werden basierend auf jedem einzelnen ermittelten Zwischenkommitment ci. Das finale Kommitment c wird ermittelt basierend auf dem zuletzt aktualisieren Vektor-Kommitment-Status und dem zuletzt ermittelten Zwischenkommitment cn (z.B. mittels einer Funktion VC-Final).For example, an initial vector commitment status is provided (eg using a function V_Init) and updated based on the first intermediate commitment c 1 (eg using a function VC_Update). The vector commitment status updated in this way can be updated iteratively based on each individual intermediate commitment c i determined. The final commitment c is determined based on the last updated vector commitment status and the last determined intermediate commitment c n (eg using a function VC-Final).
Die Verschlüsselung 305 kann, muss aber nicht notwendigerweise, parallel ablaufen zu dem Ermitteln des Kommitments 310 (z.B. gemäß Ausführungsformen 800). Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn beide, die Verschlüsselung 305 und das Ermitteln des Kommitments 310, dieselben Datensätze mk verarbeiten bzw. auf derselben Speichergruppierung basieren.The
Optional kann jeder einzelne Gruppenabschnitt derart kodiert sein oder werden, dass dieser ein eigenständiger und gültiger Block (z.B. IHEX-Block) ist, beispielsweise abgesehen von der fehlenden Dateiende-Angabe („End-of-File-Record“). Beispielsweise startet jeder Block (z.B. IHEX-Block) mit einer erweiterten Adresse, so dass alle Informationen von mi eindeutig zu den jeweiligen Speicheradressen zugeordnet werden können, z.B. ohne andere Blöcke (z.B. IHEX-Blöcke) sehen/kennen zu müssen. Dieses Vorgehen erleichtert es, beim späteren Entschlüsseln der Zustandsdaten diese zu einem kompletten (z.B. in IHEX) kodierten Zustand zusammenzuführen.Optionally, each individual group section can be encoded in such a way that it is an independent and valid block (eg IHEX block), for example apart from the missing end-of-file-record specification. For example, each block (eg IHEX block) starts with an extended address, so that all information from m i can be uniquely assigned to the respective memory addresses, eg without having to see/know other blocks (eg IHEX blocks). This procedure makes it easier to merge the status data into a complete (eg in IHEX) encoded status when it is later decrypted.
Die Verschlüsselung 305 bzw. der Verschlüsselungsprozess 306 ist eingerichtet, den Systemzustand in verschlüsselter Form 312 (auch als Kryptogramm 312 bezeichnet) auszugeben. Zusammen mit den Zustandsdaten 302 können optional die mehreren ermittelten Öffnungswerte d = (d1, d2 ,... , dn) des VC-Prozesses verschlüsselt werden, so dass diese mittels des Kryptogramms 312 vertraulich übertragen werden können. Dann kann die Verschlüsselung 305 aufweisen, die Zustandsdaten 302 und die mehreren Öffnungswerte in das Kryptogramm 312 zu verschlüsseln.The
Wie dargestellt, kann die Verschlüsselung 305 mittels des Verschlüsselungsprozesses 306 erfolgen. Der Verschlüsselungsprozess 306 bzw. die Verschlüsselung 305 können in einer exemplarischen Implementierung eine Authentifizierte Verschlüsselung mit Assoziierten Daten (AEAD) verwenden, beispielsweise, den sogenannten Galois/Counter-Modus (GCM) mit AES (fortschrittlicher Verschlüsselungsstandard - „Advanced Encryption Standard“) als Blockchiffre. Dies sichert gleichzeitig auch die Authentizität der Zustandsdaten und schützt deren Integrität. As illustrated,
Verifiziert kann die Authentizität beispielsweise vom Hersteller, der Zugriff auf den geräte-spezifischen (z.B. symmetrischen) Verschlüsselungsschlüssel 305s hat. Für die öffentliche Authentizitätsprüfung, beispielsweise durch den Ermittler oder ein Gericht, kann optional eine Signatur über die ausgelesenen Zustandsdaten berechnet werden (auch als Signieren 307 bezeichnet), wie später noch genauer erläutert wird.The authenticity can be verified, for example, by the manufacturer who has access to the device-specific (e.g. symmetric)
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Verschlüsselungsschlüssel 305s ein systemspezifischer (z.B. symmetrischer) Schlüssel sein, beispielsweise ein dem eingebetteten System 150 eindeutig zugeordneter und/oder darin abgespeicherter Schlüssel. Dies kann bereitgestellt werden, indem der Verschlüsselungsschlüssel 305s basierend auf einem Hauptschlüssel (z.B. des Herstellers) und der Identität des eingebetteten Systems 150 ermittelt wird, beispielsweise mittels einer Schlüsselableitungsfunktion („Key Derivation Function“ oder kurz KDF).According to various embodiments, the encryption key 305s may be a system-specific (e.g., symmetric) key, such as a key uniquely associated with the embedded
Eine exemplarische Implementierung des Verschlüsselungsprozesses 306 kann mittels eines (z.B. symmetrischen) Verschlüsselungsalgorithmus erfolgen. Der Verschlüsselungsalgorithmus kann beispielsweise eingerichtet sein, die Zustandsdaten 302 blockweise zu verarbeiten, wobei die Zustandsdaten 302 optional Byte-weise oder sogar Bitweise eingegeben werden können. Wenn ein kompletter Block gegeben ist, wird dieser verarbeitet und das Ergebnis wird zurückgegeben (z.B. mittels der Funktion AEAD_Update). Ähnlich und parallel dazu wird der Authentifizierungstag (auch als „Tag“ bezeichnet) berechnet, wobei initial die assoziierten Daten in die Berechnung eingehen und keine Zwischenergebnisse ausgegeben werden müssen. Die assoziierten Daten weisen in diesem Fall eine sogenannte (beispielsweise zufälligen) Momentinformation (auch als „Nonce“ oder Einweginformation bezeichnet) auf, die beim Start der Extraktion 350 ermittelt wird, beispielsweise mittels eines Zufallsgenerators (auch als RAND bezeichnet).An example implementation of the
Beispielsweise wird ein initialer AEAD-Status (AEAD_State) bereitgestellt (z.B. mittels einer AEAD_Init), optional basierend auf der Nonce und/oder dem Verschlüsselungsschlüssel 305s. Dieser initialer AEAD-Status wird basierend auf dem zuerst verschlüsselten Datensatz m1 aktualisiert (z.B. mittels einer AEAD_Update) und nachfolgend mit dem zuerst verschlüsselten Öffnungswert d1 aktualisiert (z.B. mittels einer AEAD_Update). Der so aktualisierte AEAD-Status kann iterativ aktualisiert werden basierend auf jedem Tupel (mi, di). Der finale AEAD-Status (AEAD_Final) wird ermittelt basierend auf dem zuletzt aktualisieren AEAD-Status. Basierend auf dem finalen AEAD-Status kann das Kryptogramm 312 und/oder der Tag ermittelt werden.For example, an initial AEAD state (AEAD_State) is provided (eg, by means of an AEAD_Init), optionally based on the nonce and/or the encryption key 305s. This initial AEAD status is updated based on the first encrypted data set m 1 (eg using an AEAD_Update) and subsequently updated with the first encrypted opening value d 1 (eg using an AEAD_Update). The AEAD status thus updated can be iteratively updated based on each tuple (m i , d i ). The final AEAD status (AEAD_Final) is determined based on the last updated AEAD status. The
Beispielsweise ist der Verschlüsselungsprozess 306 eingerichtet, eine Anzahl von Bytes, die der doppelten Blocklänge entspricht (32 Bytes im Falle von AES), zu benötigen. Ein konstanter Overhead, der von der genauen Implementierung des GCM-Modus abhängen kann, kann optional zusätzlich bereitgestellt werden. Zusätzlich kommt, insofern verwendet, der Speicherbedarf für die Kodierung (z.B. IHEX-Kodierung) hinzu. Im Fall einer IHEX-Kodierung werden die Daten in Zeilen konfigurierbarer Länge kodiert. Beispielsweise können pro Zeile 32 Bytes kodiert werden, was in 11 + 64 Bytes pro Zeile resultiert. Wie bei GCM, kann auch hier zusätzlich ein konstanter Overhead durch die konkrete Implementierung der IHEX-Kodierung bereitgestellt werden.For example, the
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird der Systemzustand bzw. werden die Zustandsdaten in dem für das Forensik-Modul 250 reservierten Speicherbereich des eingebetteten Systems 150 gehalten, was hemmt, dass Teile des Systemzustands vom eingebetteten System 150 überschrieben werden.According to various embodiments, the system state or the state data is kept in the memory area of the embedded
Anders als bei der Verschlüsselung 305 (z.B. mittels AEAD) kann die Signatur 314 öffentlich verifiziert werden, so dass diese beispielsweise vom Ermittler und/oder vor Gericht verwendet werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das Signieren 307 derart eingerichtet, dass die Signatur 314 die Authentifizierung der extrahierten Zustandsdaten 302 ermöglicht, beispielsweise wenn diese öffentlich verifiziert werden, so dass nicht die kompletten Zustandsdaten 302 geöffnet werden müssen. Optional kann, z.B. im Gegensatz zu dem VC-Prozess 304, das Signieren 307 auf verschlüsselten und/oder komprimierten Zustandsdaten 302 (z.B. einem darauf basierenden Kryptogramm cti) basieren.In contrast to the encryption 305 (eg using AEAD), the
Eine exemplarische Implementierung des Signaturprozesses 308 kann aufweisen, dass die Zustandsdaten 302 (z.B. mittels einer Hashfunktion H) zunächst komprimiert (auch als Komprimieren bezeichnet) und basierend auf dem Ergebnis des Komprimierens erst die Signatur 314 ermittelt wird. Beispielsweise kann eine SHA-256 Hashfunktion mit dem 64-Byte großen internen Zustand verwendet werden zum Komprimieren. Initial geht optional die vorgegebene Nonce in den Signaturprozesses 308 ein. Dann geht jedes Kryptogramm cti (z.B. mittels AEAD gebildete Ciphertext) als Block in die Berechnung des Signaturprozesses 308 ein (beispielsweise inklusive des final berechneten Tags). Zum Schluss wird das ermittelte Kommitment 310 verarbeitet. Der daraus berechnete Hashwert wird abschließend signiert (beispielsweise mittels einer Funktion „Sign“). Zu diesem Zeitpunkt sind alle Daten bereits verarbeitet, so dass der innere Zustand für das eigentliche Signieren 307 nicht zum Speicherbedarf der Extraktion 350 hinzu gerechnet werden muss.An exemplary implementation of the
Beispielsweise wird ein initialer Hash-Status (HASH_State) bereitgestellt (z.B. mittels einer Funktion HASH_Init), optional basierend auf der Nonce. Der initiale Hash-Status wird basierend auf einem zuerst ermittelten Kryptogramm ct1 aktualisiert (z.B. mittels einer Funktion HASH_Update), welches auf dem ersten Datensatz m1 basiert. Der so aktualisierte Hash-Status kann iterativ aktualisiert werden basierend auf jedem ermittelten Kryptogramm cti. Der finale Hashwert h (HashValue) wird ermittelt basierend auf dem zuletzt aktualisieren Hash-Status und dem Kommitment 310. Die Signatur 314 wird ermittelt basierend auf dem finalen Hashwert h und dem Signaturschlüssel 307s.For example, an initial hash status (HASH_State) is provided (eg using a HASH_Init function), optionally based on the nonce. The initial hash status is updated based on a first determined cryptogram ct 1 (eg using a function HASH_Update), which is based on the first data record m 1 . The hash status updated in this way can be iteratively updated based on each identified cryptogram cti. The final hash value h (HashValue) is determined based on the last updated hash status and the
Um die Authentizität und die öffentliche Verifizierbarkeit der Zustandsdaten 302 zu begünstigen, kann beispielsweise ein Schlüsselpaar (z.B. aus privatem Signaturschlüssel 307s und öffentlichen Schlüssel) bereitgestellt sein für das Signieren 307. Der öffentlichen Schlüssel des eingebetteten Systems 150 kann zum Beispiel dem Ermittler zur Verfügung gestellt werden.For example, to facilitate the authenticity and public verifiability of the
Das Forensik-Modul 250 weist den vertrauenswürdigen Speicherbereich 402 auf, der erste Schlüsseldaten aufweist, die den Verschlüsselungsschlüssel 305s implementieren, und/oder zweite Schlüsseldaten aufweist, die den Signaturschlüssel 307s implementieren. Die ersten Schlüsseldaten und/oder zweiten Schlüsseldaten können den jeweils implementierten Schlüssel als Klartext aufweisen oder einen ausführbaren Programmcode, der den Prozessor 104 dazu bringt, bei Ausführung des Programmcodes, den implementierten Schlüssel in den Schlüsselzielbereich (z.B. in dem vertrauenswürdigen Speicherbereich 402 bereitgestellt) zu schreiben. Der Verschlüsselungsschlüssel 305s („key“, siehe
Durch die Verschlüsselung 305 wird die Vertraulichkeit für die Zustandsdaten 302 bereitgestellt, was es ermöglicht, Teile des Systemzustands bzw. der Zustandsdaten 302, beispielsweise Betriebsgeheimnisse (z.B. IP) des Herstellers darin, geheim zu halten. Zusätzlich wird auch der Öffnungswert des Kommitment-Prozesses verschlüsselt, um die Geheimhaltungseigenschaft des Kommitment-Prozesses zu wahren.The
Die Nonce, zusammen mit den verschlüsselten Zustandsdaten 302, kann zusätzlich durch den AEAD-Modus authentifiziert werden. Anders als im Falle der Signatur 314, kann beispielsweise nur der Hersteller die Korrektheit des Tags verifizieren. Die Signatur 314 wird beispielsweise basierend auf dem Ciphertext 312 und dem Kommitment 310 sowie optional der Nonce berechnet. Die Signatur 314 dient vor allem der Integritätsprüfung durch eine dritte Partei, wie beispielsweise Gericht oder Ermittler.The nonce, together with the
Der Hersteller muss die Signatur 314 nicht notwendigerweise verifizieren, da die Nonce bereits durch AEAD authentifiziert ist und da das Kommitment 310 nachgerechnet werden kann, Dies ist der Grund dafür, dass die Nonce als assoziierte Daten bei AEAD verwendet werden kann.The manufacturer does not necessarily have to verify the
Der VC-Prozess 304 ist eine besonders vorteilhafte Funktion des Forensik-Moduls 250. Der VC-Prozess 304 ermöglicht beispielsweise den Schutz gegen einen böswilligen und/oder kompromittierten Hersteller. Der VC-Prozess 304 ermöglicht es, alternativ oder zusätzlich, nur einzelne Teile des Systemzustandes bzw. der Zustandsdaten 302 (z.B. einen einzelnen Datensatz), z.B. je nach Bedarf, veröffentlichen zu können, z.B. bei einer rechtlichen Auseinandersetzung. Somit dient der VC-Prozess 304 indirekt auch dem Schutz der Firmengeheimnisse des Herstellers wie auch dem Interesse der Öffentlichkeit.The
Grundlegend ist es allerdings auch möglich, beispielsweise in Kooperation mit dem Ermittler, den kompletten Systemzustand bzw. die kompletten Zustandsdaten 302 offen zu legen. Der Ermittler kann verifizieren, ob die Zustandsdaten 302 wirklich zum von ihm extrahierten Daten-Paket aus einem durch die Nonce identifizierten eingebetteten System 150 (bzw. Ermittlungsfall) stammen, z.B. ohne die geheimen Schlüssel des Herstellers nutzen zu müssen. Durch das partielle Öffnen des Systemzustandes ist es weiterhin möglich, wichtige Datenteile, wie beispielsweise Schadcode (z.B. Malware des Angreifers), vor Gericht zu veröffentlichen zu können und dabei kryptographisch nachzuweisen zu können, dass die Zustandsdaten 302 zu dem eingebetteten System 150 bzw. zum Ermittlungsfall gehören.In principle, however, it is also possible, for example in cooperation with the investigator, to disclose the complete system status or the
Das Forensik-Modul 250 weist ferner eine zusätzliche Schnittstelle 1102 (auch als Ausgabeschnittstelle 1102 bezeichnet) auf, wobei der zumindest eine Prozessor 104 eingerichtet ist, das Ergebnis der Extraktion 350 mittels der Ausgabeschnittstelle 1102 an ein system-externes Ziel 1104 (d.h. außerhalb des eingebetteten Systems 150) zu übermitteln, z.B. an eine andere Rechenvorrichtung. Das Ergebnis der Extraktion 350 kann das Kommitment 310, das Kryptogramm 312 und/oder die Signatur 314 aufweisen. Das Ziel 1104 kann beispielsweise der Extraktionsauslöser sein und/oder von dem eingebetteten System 150 abgespeichert sein (anschaulich als Voreinstellung). Die Ausgabeschnittstelle 1102 kann beispielsweise als Vernetzungsschnittstelle eingerichtet sein, wie oben erläutert ist.The
Vorstehend wurde die Extraktion 350 erläutert, welche im laufenden Betrieb initiiert werden kann. Nachfolgend soll ein ähnlicher Vorgang für den Systemstart (auch als Boot bezeichnet) erläutert werden (auch als „Boot Attestation“ oder Boot-Attestierung bezeichnet).The
Die hierin beschriebene Boot-Attestierung ermöglicht es, das Auslesen der Zustandsdaten 302 zeitlich von der Attestierung (auch als Beglaubigung bezeichnet) zu separieren. Das Auslesen der Zustandsdaten 302 kann während des Systemstarts des EGS 150 (bzw. CPS) erfolgen. Die Attestierung kann dann als Protokoll zwischen Prüfer und EGS 150 zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt durch eine Applikation („App“) durchgeführt werden.The boot attestation described here makes it possible to separate the reading of the
Die forensische Extraktion 350 gemäß der Boot-Attestierung kann das (z.B. bitgenaue) Auslesen 301 der Zustandsdaten 302 (z.B. ein Speicherabbild aufweisend) mittels der Forensik-Schnittstelle 208 aufweisen, wobei die Zustandsdaten 302 mehrere Datensätze mk (k = 1...n) aufweisen. In dem dargestellten Beispiel ist n=4. Der i-te Datensatz mi kann die i-te Softwareschicht si repräsentieren, z.B. deren Parameter und/oder Programmcode (kurz auch als Code bezeichnet) aufweisend. Beispielsweise kann der i-te Datensatz den kompletten Inhalt der i-ten Softwareschicht si aufweisen.The
In der hier abgebildeten exemplarischen Implementierung weist die unterste (bzw. allererste) Softwareschicht so (k=0) die RoT-Schicht 1202 auf. Die oberste (bzw. allerletzte) Softwareschicht sn (k=n) weist beispielsweise die Systemanwendung (auch als „App“ bezeichnet), z.B. eine EGS-Applikation bzw. CPS-Applikation, auf. Beispiele für Zwischenschichten (n>i>0) weisen auf: Bootloader („BL“) oder Betriebssystem (z.B. ein RTOS). Die RoT-Schicht 1202 weist einen sogenannten Root-Attestierungsschlüssel RK (auch als Root-Attestation-Key oder „Root Key“ bezeichnet) auf, der als initialer Attestierungsschlüssel „AK0“ (auch als Referenzschlüssel AK0 bezeichnet) verwendet werden kann.In the example implementation shown here, the lowest (or very first) software layer has the RoT layer 1202 (k=0). The top (or very last) software layer s n (k=n) has, for example, the system application (also referred to as “app”), for example an EGS application or CPS application. Examples of intermediate layers (n>i>0) include: boot loader ("BL") or operating system (e.g. an RTOS). The
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Root-Attestation-Key mittels der Firewall und/oder mittels PCROP abgesichert sein oder werden. PCROP ermöglicht beispielsweise zusätzlich zu der Firewall, den Root-Attestation-Key vor internen Zugriffen zu schützen.In various embodiments, the root attestation key can be secured by means of the firewall and/or by means of PCROP. For example, in addition to the firewall, PCROP enables the root attestation key to be protected from internal access.
Der Systemstart des EGS 150 kann stufenweise erfolgen gemäß einer entsprechenden Sequenz (auch als Systemstartsequenz bezeichnet). Anschaulich kann die Systemstartsequenz mehrere nacheinander ausgeführte Stufen aufweisen, von denen die i-te Stufe genau die i-te Softwareschicht startet bzw. ausführt und/oder dieser die Kontrolle über das EGS 150 übergibt. Beispielsweise kann die Systemstartsequenz implementiert werden, indem die i-te Softwareschicht eingerichtet ist (z.B. Instruktionen dazu aufweisend), die (z.B. unmittelbar) darauffolgende i+1-te Stufe der Systemstartsequenz (z.B. die i+1-te Softwareschicht startend) durchzuführen. Selbstverständlich können die Instruktionen, welche die Systemstartsequenz implementieren, auch separat von dem Softwarestapel 1250 bereitgestellt sein.The booting of the
Das EGS 150 (z.B. der Forensik-Prozessor 204) ist eingerichtet, eine Attestierungssequenz (auch als Beglaubigungssequenz bezeichnet) durchzuführen während der Systemstartsequenz. Die Beglaubigungssequenz kann als von der Systemstartsequenz separate Sequenz implementiert sein oder in die Systemstartsequenz und/oder den Softwarestapel (z.B. als Teil der Systemstartsequenz) integriert sein. In einer beispielhaften Implementierung der Beglaubigungssequenz ist die i-te Softwareschicht eingerichtet, die (z.B. unmittelbar) darauffolgende i+1-te Softwareschicht auszulesen und darauf basierend einen i+1-ten Schlüssel (auch als i+1-ter Attestierungsschlüssel bezeichnet) zu ermitteln. Allgemeiner gesprochen, kann die i-te Softwareschicht beispielsweise Instruktionen aufweisen, den i+1-ten Attestierungsschlüssel AKi zu ermitteln. Selbstverständlich können die Instruktionen, welche die Beglaubigungssequenz implementieren, auch separat von dem Softwarestapel 1250 bereitgestellt sein.The EGS 150 (eg, forensics processor 204) is configured to perform an attestation (also referred to as a certification) sequence during the system boot sequence. The authentication sequence may be implemented as a separate sequence from the boot sequence, or integrated into the boot sequence and/or the software stack (eg, as part of the boot sequence). In an exemplary implementation of the authentication sequence, the i-th software layer is set up to read the (eg immediately) following i+1-th software layer and to determine an i+1-th key (also referred to as the i+1-th attestation key) based thereon . Speaking more generally, the i-th software layer can, for example, have instructions for determining the i+1-th attestation key AK i . Of course, the instructions that implement the authentication sequence can also be provided separately from the
Später kann dann die Applikation jederzeit basierend auf dem abgeleiteten n-ten Attestierungsschlüssel AKn eine Attestierung mit dem Prüfer durchführen und dabei nachweisen, ob beim letzten Systemstart der Systemzustand manipuliert oder nicht manipuliert wurde. Der Prüfende kann beispielsweise auch einen neuen Systemstart initiieren (z.B. mittels des Extraktionsauslösers) bevor eine Attestation durchgeführt wird.The application can later carry out an attestation with the examiner at any time based on the derived nth attestation key AK n and thereby prove whether the system state was manipulated or not when the system was last started. The examiner can, for example, also initiate a new system start (eg using the extraction trigger) before an attestation is carried out.
Mittels der Beglaubigungssequenz kann der Softwarestapel 1250 des EGS 150 während des Systemstarts und beginnend mit einem sicheren RoT ausgelesen werden, beispielsweise mit geringen Anforderungen an jede der Softwareschichten si (i > 0). Die Attestation selbst wird dann von der Applikation durchgeführt, beispielsweise ohne dass diese Funktionalität extra abgesichert werden muss (was aber durchaus der Fall sein kann). Die kryptographische Verarbeitung erreicht, dass die Attestation (beispielsweise nur dann) erfolgreich durchgeführt werden kann, wenn der Systemzustand während des Systemstarts nicht manipuliert worden war. Weiterhin, falls der Prüfende einen Systemstart (auch als Bootvorgang bezeichnet) initiiert, kann die Attestation (beispielsweise nur dann) erfolgreich abgeschlossen werden, wenn der Bootvorgang auch tatsächlich durchgeführt wird.By means of the authentication sequence, the
Nachfolgend wird eine exemplarische Implementierung der Beglaubigungssequenz bzw. der Systemstartsequenz erläutert. Die Beglaubigungssequenz kann beispielsweise als Eingabe eine Nonce NB (auch als Boot-Nonce bezeichnet) empfangen, die als Verifikationsschlüssel verwendet wird. Die Boot-Nonce kann beispielsweise eine Zahl (z.B. eine Zufallszahl) oder andere zufällige Zeichenkette sein, die nur einmalig verwendet wird.An exemplary implementation of the authentication sequence or the system start sequence is explained below. For example , the authentication sequence may receive as input a nonce NB (also referred to as a boot nonce) that is used as a verification key. For example, the boot nonce can be a number (eg, a random number) or other random character string that is used only once.
Diese Boot-Nonce NB erreicht, dass vom Prüfer erkannt werden kann, wenn der Systemneustart (auch als Reboot Prozesses bezeichnet) durch einen Angreifer unterdrückt wird. Initial, z.B. wenn das EGS 150 (bzw. ein CPS) in Betrieb genommen wird, kann eine standardisierte (z.B. abgespeicherte) Nonce als Boot-Nonce verwendet werden. Vor der allerersten Boot-Attestierung kann die Boot-Nonce NB optional aktualisiert, z.B. auf einen neuen Wert gebracht, werden. Das Aktualisieren der Boot-Nonce kann z.B. mittels des Forensik-Prozessors 204 erfolgen und/oder basierend auf von dem EGS 150 empfangen Informationen (z.B. von system-extern, z.B. durch den Prüfer, vorgegeben). Der Root-Attestierungsschlüssel kann in der RoT-Schicht 1202 als geheimer Schlüssel RK abgespeichert sein (z.B. auf einem ROM), welcher individuell für das EGS 150 (oder eine Serie von EGS 150) verwendet wird und während der Herstellung des EGS 150 geschrieben wird. Dieser Root Key kann dem Prüfer, welcher die Attestierung durchführen wird, bekannt sein.This boot nonce N B enables the tester to detect when the system restart (also known as the reboot process) is suppressed by an attacker. Initially, eg when the EGS 150 (or a CPS) is put into operation, a standardized (eg saved) nonce can be used as the boot nonce. Before the very first boot attestation, the boot nonce N B can optionally be updated, eg set to a new value. The boot nonce can be updated, for example, by means of the
Die RoT-Schicht 1202 ist beispielsweise eingerichtet, das Forensik-Modul 250 (z.B. den Forensik-Prozessor 204) dazu zu bringen, das Auslesen der (z.B. unmittelbar) nachfolgenden Softwareschicht (in diesem Beispiel BL) zu instruieren oder sogar durchzuführen.The
Zum Beispiel kann als Zwischenschritt ein Hashwert h1 mittels einer kryptographischen Hashfunktion H basierend auf dem ausgelesenen Datensatz m1 des BL (z.B. Code und/oder Parameter des BL aufweisend) ermittelt werden, beispielsweise gemäß der Relation h1 := H(m1). Der Datensatz m1 des BL kann optional Sensordaten des EGS 150 aufweisen.For example, as an intermediate step, a hash value h 1 can be determined using a cryptographic hash function H based on the read out data record m 1 of the BL (e.g. having code and/or parameters of the BL), for example according to the relation h 1 := H(m 1 ) . The data set m 1 of the BL can optionally contain sensor data of the
Bevor die RoT-Schicht 1202 die Kontrolle an BL übergibt, wird der erste Attestierungsschlüssel AK1 berechnet. Der erste Attestierungsschlüssel AK1 basiert auf dem Root Key, optional der Boot-Nonce, und dem ersten Datensatz m1 (z.B. dem Hashwert h1), beispielsweise gemäß der Relation
AK1 := KDF (RK, NB, m1) bzw. AK1 := KDF (RK, NB, h1), wobei NB optional weggelassen werden kann. KDF kann beispielsweise eine kryptographische Schlüsselableitungsfunktion sein. Der erste Attestierungsschlüssel AK1 wird nun für den Zugriff durch den BL abgespeichert, der Zugriff auf den Root Key wird gesperrt und die Kontrolle wird an den BL übergeben.Before the
AK 1 := KDF (RK, NB, m 1 ) or AK 1 := KDF (RK, NB, h1), where NB can optionally be omitted. For example, KDF can be a cryptographic key derivation function. The first attestation key AK 1 is now stored for access by the BL, access to the root key is blocked and control is passed to the BL.
Dieser Status der Beglaubigungssequenz ist nachfolgend abgebildet.This status of the authentication sequence is shown below.
Allgemeiner gesprochen kann die Extraktion 350 aufweisen, in 1301, Ermitteln, vor dem Ausführen der ersten Stufe (i=1) der Systemstartsequenz, eines ersten Attestierungsschlüssels AK1 (auch als „Attestation Key 1“ bezeichnet) unter Verwendung eines kryptografischen Prozesses (der beispielsweise eine Hashfunktion und/oder ein KDF aufweist) basierend auf dem Datensatz m1 der ersten Stufe (i=1), dem Referenzschlüssel AK0 und optional dem Verifikationsschlüssel BN. Als kryptografischer Prozesses kann beispielsweise die kryptographische Schlüsselableitungsfunktion verwendet werden.More generally, the
Die Beglaubigungssequenz kann ferner aufweisen, in 1303, Ermitteln, vor dem Ausführen der i-ten Stufe der Systemstartsequenz i ∈ {2, ..., n}, eines i-ten Attestierungsschlüssels AKi (z.B. Attestation Key 2 bzw. 3 bezeichnet) unter Verwendung des kryptografischen Prozesses basierend auf dem Datensatz m1 der i-ten Stufe und dem (i-1)-ten Attestierungsschlüssels AKi-1.The authentication sequence may further include, in 1303, determining, before executing the i-th stage of the system start-up sequence i ∈ {2, ..., n}, an i-th attestation key AK i (e.g. attestation key 2 or 3 designated) using the cryptographic process based on the i-th level record m 1 and the (i-1)-th attestation key AK i-1 .
In einer exemplarischen Implementierung ist jede i-te Softwareschicht si (mit i ∈ {1, ..., n}, beispielsweise n = 3 wie abgebildet) ähnlich wie RoT eingerichtet. Der i-te Attestierungsschlüssel AKi wird für i>2 allerdings ermittelt basierend auf dem (i-1)-ten Attestierungsschlüssel AKi-1 anstatt des Root Keys, worauf der (i-1)-te Attestierungsschlüssel AKi-1 vor der Übergabe an die i-te Softwareschicht beispielsweise sicher gelöscht bzw. überschrieben wird. Die BN wird für i>2 nicht mehr notwendigerweise verarbeitet.In an exemplary implementation, each ith software layer s i (with i ∈ {1,...,n}, for example n=3 as shown) is set up similar to RoT. The i-th attestation key AK i is determined for i>2, however, based on the (i-1)-th attestation key AK i-1 instead of the root key, whereupon the (i-1)-th attestation key AK i-1 before the Transfer to the i-th software layer is, for example, securely deleted or overwritten. The BN is no longer necessarily processed for i>2.
Das Ermitteln der Attestierungsschlüssel lässt sich ähnlich zu der obigen Relation auch schreiben als:
- h1 := H(mi), AKi := KDF (AKi-1, hi), oder wenn H nicht verwendet wird als: AKi := KDF(AKi-1,mi).
- h 1 := H(m i ), AK i := KDF(AK i-1 ,h i ), or if H is not used as: AK i := KDF(AK i-1 ,m i ).
Die BN erreicht, dass jeder Bootvorgang einzigartig ist und dass temporäre Geheimnisse auf verschiedenen Softwareschichten, welche möglicherweise korrumpiert wurden, nutzlos werden. Diese BN wird beispielsweise vom Extraktionsauslöser (z.B. dem Prüfer) generiert und an das EGS 150 übermittelt. Die erreicht, dass der Wert der BN bei jeder Extraktion 350 neu gewählt wird.The BN achieves that each boot is unique and that temporary secrets on different software layers that may have been corrupted become useless. This BN is generated, for example, by the extraction trigger (e.g. the examiner) and transmitted to the
Nachdem der Bootvorgang (z.B. mit einer frisch gewählter BN) abgeschlossen ist, kann der Softwarestapel 1250 des EGS 150 nun (z.B. vom Prüfer) verifiziert werden. Dazu kann ein Aufforderung-Antwort-Protokoll (das sogenannte „Challenge-Response-Protokoll“) zwischen der Applikation und dem Prüfer durchgeführt werden. Der Prüfer wählt eine zufällige Herausforderung NV (auch als Prüfer-Nonce oder PN bezeichnet) und schickt diese als Wissensanfrage an das EGS 150.After the boot process (e.g. with a freshly selected BN) is completed, the
Die Applikation beantwortet diese Herausforderung, indem diese als Antwort r einen Wissensbeweis (auch als Proof-of-Knowledge bezeichnet) für den Attestierungsschlüssel, z.B. in Form eines Nachrichtenauthentifizierungscodes (auch als MAC bezeichnet) ausgibt, beispielsweise gemäß der Relation r ← MAC(AKn, NV). Zusätzlich zu diesem Wert kann die Applikation sowohl die Boot-Nonce als auch die Ergebnisse h1, ..., hn an den Prüfer übermitteln. Dies kann nützlich sein, falls mehrere gültige Softwarestände des EGS 150 existieren, und der Prüfer den aktuellen Stand schnell erkennen soll.The application answers this challenge by outputting a proof of knowledge (also referred to as proof-of-knowledge) for the attestation key, e.g. in the form of a message authentication code (also referred to as MAC), as answer r, for example according to the relation r ← MAC(AK n , NV). In addition to this value, the application can use both the boot nonce and the results h 1 , ..., h n transmit to the examiner. This can be useful if there are several valid software versions of the
Beispielsweise müssen diese mitgeschickten Ergebnisse h1, ..., hn nicht notwendigerweise separat gegen eine Manipulationen abgesichert werden, da der Prüfer die Ergebnisse h1, ..., hn nur für die Zuordnung nutzen kann, der Systemzustand hingegen von der kryptographisch abgesicherten Antwort r auf die Herausforderung garantiert wird. In Kenntnis der Antwort r kann der Prüfer nun basierend auf seiner Kopie des Root-Keys RK, der Boot-Nonce NB und dem erwarteten Gerätezustand (m'1, ... , ,m'n) bzw. (h'1, ... , h'n) die gleichen Berechnungen anstellen, die während des Bootvorgangs erfolgten, um ein AK'n zu berechnen und darauf basierend die Antwort zu validieren, beispielsweise gemäß der Relation Vrfy(AK'n ,NV , r) → b, wobei AK'n = AKn bzw. (m'1, ..., ,m'n) = (m1, ..., mn), wenn b = 1 (oder wenn b ein anderes Kriterium erfüllt). Die Ausgabe b kann beispielsweise nur den Wert 1 oder 0 annehmen.For example , these results h 1 , assured answer r to the challenge is guaranteed. Knowing the answer r, the verifier can now based on his copy of the root key RK, the boot nonce NB and the expected device state (m' 1 , ..., ,m' n ) or (h' 1 , . .. , h' n ) do the same calculations that were done during boot to compute an AK' n and validate the answer based on that, for example according to the relation Vrfy(AK' n ,NV , r) → b, where AK' n = AK n or (m' 1 , ..., ,m' n ) = (m 1 , ..., m n ) if b = 1 (or if b satisfies another criterion). For example, the output b can only have the
Die Sicherheitseigenschaft der Attestierungssequenz ermöglicht, dass (m'1, ..., ,m'n) = (m1, ..., mn) gilt, wenn r korrekt berechnet wurde. Diese Sicherheitseigenschaft wird begünstigt, wenn eine oder mehr als eine (z.B. alle) der folgenden Kriterien erfüllt werden:
- - H ist eine kollisionsresistente Hashfunktion;
- - KDF ist eine (z.B. sichere) kryptographische Schlüsselableitungsfunktion;
- - Π = (KeyGen, Mac, Vrfy) ist ein (z.B. sicheres) kryptographischer MAC-Prozess;
- - der Zugriff auf den Schlüssel RK ← KeyGen (1λ) ist exklusiv für den RoT;
- - jeder Attestierungsschlüssel AKi-1 wird vor der Übergabe der Kontrolle an die i-te Softwareschicht gelöscht.
- - H is a collision-resistant hash function;
- - KDF is a (eg secure) cryptographic key derivation function;
- - Π = (KeyGen, Mac, Vrfy) is a (e.g. secure) cryptographic MAC process;
- - Access to the key RK ← KeyGen (1 λ ) is exclusive to the RoT;
- - Each attestation key AK i-1 is deleted before the transfer of control to the i-th software layer.
In einer exemplarischen Implementierung wird die Attestierungssequenz auf dem ausgewählten Microcontroller ausgeführt. Ferner wird eine Firewall zum Schutz des Root Key verwendet. Beispielsweise wird vor der Übergabe an die Applikation die Firewall konfiguriert und eingeschaltet und derart eingerichtet, dass jeder Versuch, auf den Speicherbereich des Root Key zuzugreifen unmittelbar beantwortet damit wird, dass das eingebettete System 150 von der Firewall zurückgesetzt wird (z.B. mittels eines Hardware Resets durch die Firewall), z.B. indem die Resetantwort durchgeführt wird. Wird die Funktionalität der Firewall komplett realisiert, z.B. um Codesegmente, welche die Extraktion 350 implementieren, hinter die Firewall bzw. in der Enklave zu platzieren, kann der Root Key weiterhin hinter der Firewall platziert werden. Optional kann der Root Key zusätzlich mittels eines PCROP abgesichert sein oder werden, was bei einer solchen Nutzung der Firewall von unbeabsichtigten Zugriffen schützen könnte. Alternativ oder zusätzlich kann die RoT-Schicht (z.B. den Root Key aufweisend) im ROM des EGS 150 gespeichert sein und/oder mittels der Firewall abgesichert sein.In an exemplary implementation, the attestation sequence is executed on the selected microcontroller. A firewall is also used to protect the root key. For example, before the handover to the application, the firewall is configured and switched on and set up in such a way that any attempt to access the memory area of the root key is immediately answered by the embedded
Beispiele für Eingangsdaten der Attestierungssequenz weisen auf:
- - der (z.B.
für das EGS 150 individuelle) Root Key,für das EGS 150, welches verifiziert werden soll, - - eine frisch generierten Boot-Nonce,
- - die
Zustandsdaten 302, welche die erwartete Firmware repräsentieren, sowie - - optional zusätzliche Daten, die durch die Attestierungssequenz verifiziert werden sollen.
- - the (e.g. individual for the EGS 150) root key for the
EGS 150 that is to be verified, - - a freshly generated boot nonce,
- - the
status data 302, which represent the expected firmware, as well as - - optional additional data to be verified by the attestation sequence.
Die Eingangsdaten der Attestierungssequenz gehen in die Ableitung des Attestierungsschlüssels ein. Nachdem der allerletzte Attestierungsschlüssel AKn generiert ist, kann dieser verifiziert werden. Dazu wird eine Herausforderung für das EGS 150 generiert. Bevor die Attestierung durchführen kann, kann die vorher generierte Boot-Nonce an das EGS 150 geschickt werden. Das EGS 150 erhält zusammen mit der Boot-Nonce die Instruktion zum einen Software-Neustart (In der Praxis kann dies auch anders gestaltet werden). Beim Neustart geht die Boot-Nonce in das Ermitteln des Attestierungsschlüssels AKn ein und nach dem Beenden des Neustarts meldet sich die Applikation, beispielsweise mit der neuen Boot-Nonce. Die eigentliche Attestierung wird nach dem Neustart durchgeführt. Dabei wird die neue Herausforderung an das EGS 150 geschickt. Das EGS 150 kann die Herausforderung beispielsweise nur dann korrekt beantworten, wenn vorher ein Neustart mit der vorgegebenen Boot-Nonce durchgeführt wurde und der tatsächliche Systemzustand des EGS 150 auch als Ist-Systemzustand bezeichnet) dem erwarteten Systemzustand (auch als Soll-Systemzustand bezeichnet) entspricht.The input data of the attestation sequence are included in the derivation of the attestation key. After the very last attestation key AK n has been generated, it can be verified. For this purpose, a challenge for the
Nachfolgend wird genauer auf das Emulationssystem eingegangen.The emulation system is discussed in more detail below.
Das Emulationssystem 1450 weist eine Digital-Schnittstelle 1410 zum Empfangen der (z.B. entschlüsselten) Zustandsdaten 302 auf, eine (physische) Kommunikationsschnittstelle 1408 (auch als Peripherie-Schnittstelle bezeichnet) zu zumindest einem Sensor 1408s (auch als Emulationssensor 1408s bezeichnet) und/oder zumindest einem Aktor 1408a (auch als Emulationsaktor bezeichnet). Der oder jeder Emulationssensor kann zu dem jeweiligen Sensor 110 des EGS 150 baugleich bzw. zumindest eine emulierte Repräsentation dessen sein. Der oder jeder Emulationsaktor 1408a kann zu dem jeweiligen Aktor 112 des EGS 150 baugleich bzw. zumindest eine emulierte Repräsentation dessen sein. Beispielsweise kann ein oder mehr als ein Sensor 110 und/oder einen oder mehr als einen Aktor des EGS 150 emuliert werden als Emulationsaktor 1408a bzw. Emulationssensor 1408s. Beispielsweise kann der Emulationsaktor einen Motor des EGS 150 repräsentieren (z.B. baugleich dazu bzw. zumindest eine emulierte Repräsentation dessen sein).The
Das Emulationssystem 1450 weist ferner zumindest einen Prozessor 1404 (auch als Emulationsprozessor bezeichnet) auf, der eingerichtet ist zum Emulieren des EGS 150. Beispielsweise kann das Emulationssystem 1450 bzw. der Emulationsprozessor eingerichtet sein, eine Komponente eines Geldautomaten als EGS 150 zu emulieren, z.B. eine der folgenden Komponenten des Geldautomaten:
- - eine Kassette (z.B. Geldkassette)
- - eine Lesevorrichtung (z.B. zum Lesen eines RFID-Chips, eine Kreditkarte, einer Smartcard oder Ähnlichem),
- - einen Drucker,
- - eine Kamera,
- - ein Netzwerkgerät (z.B. eine Netzwerkkarte),
- - eine Transportvorrichtung (z.B. zum Transport von Banknoten oder anderen Wertdokumenten),
- - eine Validierungsvorrichtung (z.B. in einem Geldautomaten),
- - eine Auszahlvorrichtung (auch als Auszahlmodul bezeichnet),
- - eine Einzahlvorrichtung,
- - eine Benutzerschnittstelle (z.B. ein Pin-Pad, eine Tastatur, ein Touchscreen oder Ähnliches aufweisend), z.B. ein verschlüsselndes PIN-Tastenfeld.
- - a cassette (e.g. cash box)
- - a reading device (e.g. to read an RFID chip, a credit card, a smart card or similar),
- - a printer,
- - a camera,
- - a network device (e.g. a network card),
- - a transport device (e.g. for transporting banknotes or other documents of value),
- - a validation device (e.g. in an ATM),
- - a payout device (also referred to as a payout module),
- - a deposit device,
- - a user interface (eg comprising a pin pad, keyboard, touch screen or similar), eg an encrypting PIN keypad.
Der Emulationsprozessor 1404 ist ferner eingerichtet ist zur Kommunikation mittels der Kommunikationsschnittstelle 1408 auf die gleiche Weise, wie der eingebettete Prozessor 104 mittels der Funktionsschnittstelle 108 kommuniziert, z.B. mit dem mindestens einen Sensor 110 bzw. mindestens einen Aktor 112 des EGS 150.The
Das Emulationssystem 1450 weist ferner eine Speichervorrichtung 1402 (z.B. einen oder mehr als einen Datenspeicher 102s, 112s aufweisend) auf.The
Das Emulationssystem 1450 weist ferner eine Kommunikationsinfrastruktur 1406 (z.B. einen CAN-Bus oder anderen Feldbus aufweisend) auf, welche zumindest die Speichervorrichtung 1402, den Emulationsprozessor 1404, die Digital-Schnittstelle 1410 und/oder die Kommunikationsschnittstelle 1408 miteinander koppelt.The
Optional kann das Emulationssystem 1450 eingerichtet sein, den Systemzustand basierend auf den Zustandsdaten 302 zu rekonstruieren (auch als Rekonstruktion oder Wiederherstellung bezeichnet), z.B. im Handlermodus. Die Rekonstruktion kann beispielsweise aufweisen, das Prozessorregister (z.B. CPU-Registers) und/oder Peripherieregister zu rekonstruieren.Optionally, the
Die Rekonstruktion im Handlermodus stellt erweiterte Privilegien bereit, die für die Ausführung mancher Befehle günstig sind, und kann beispielsweise erfolgen, wenn die CPU-Register auch im Handlermodus gesichert wurden. Um den Code nach der Rekonstruktion an dieser Stelle fortzusetzen, kann sich die CPU im selben Modus befinden. Dann wird sichergestellt, dass eine Rekonstruktion mit dem entsprechenden Code zum Verlassen des Handlermodus korrekt ausgeführt wird. Die entsprechende Exception zum Betreten des Handlermodus kann durch Schreiben des Interruptsteuerung und Statusregisters („Interrupt-Control and State Register“ oder kurz ICSR), entweder per Software aus dem Threadmodus oder durch den Debugger, ausgelöst (z.B. instruiert) werden.Reconstruction in handler mode provides extended privileges beneficial to the execution of some instructions, and can be done, for example, when the CPU registers were also saved in handler mode. In order to continue the code at this point after the reconstruction, the CPU can be in the same mode. It then ensures that a reconstruction with the appropriate code to exit handler mode is performed correctly. The corresponding exception for entering handler mode can be triggered (e.g. instructed) by writing the interrupt control and status register (“Interrupt Control and State Register” or ICSR for short), either by software from thread mode or by the debugger.
Dazu kann das Forensik-Modul 250 den entsprechenden Interrupt-Handler installieren. Durch Schreiben des ICSR wird ein nicht-maskierbarer Interupt („Non-Maskable-Interrupt“ oder kurz NMI) ausgelöst.To do this, the
Die Rekonstruktion kann beispielsweise eines oder mehr als eines von Folgendem aufweisen:
- - Rücksetzen der Schutzmechanismen;
- - Rekonstruktion des persistenten Flash-Speichers;
- - Rekonstruktion des flüchtigen RAM-Speichers;
- - Rekonstruktion eines oder mehr als eines Peripherieregisters;
- - Rekonstruktion eines oder mehr als eines Prozessorregisters.
- - resetting the protection mechanisms;
- - Reconstruction of persistent flash memory;
- - Reconstruction of volatile RAM memory;
- - reconstruction of one or more peripheral registers;
- - Reconstruction of one or more processor registers.
Um den Flash-Speicher zu rekonstruieren und zu lesen, können die Optionsbytes zunächst auf RDP Level 0 aktiviert werden. Dies löscht beim Übergang von Level 1 zu Level 0 automatisch den Flash-Speicher. Im EGS 150 können die Optionsbytes auf Level 2 sein, um die Debug-Schnittstelle komplett zu deaktivieren. Wenn die Debug-Schnittstelle des Emulationssystems 1450 aktiviert sein soll, kann Level 2 auch durch Level 1 emuliert werden. Dazu ist gegebenenfalls ein Patch der entsprechenden Optionsbytes nötig, bevor diese im nächsten Schritt programmiert werden. Der Inhalt des Flash-Speichers gemäß den Zustandsdaten 302 kann dann in das Emulationssystem 1450 programmiert werden. Dies kann beispielsweise mittels OpenOCD erfolgen. Beispielsweise kann der Flash-Speicher derart partitioniert sein oder werden, dass die Funktionalität zur Rekonstruktion des Prozessorregisters (z.B. CPU Core Register) als Teil des Forensik-Modul 250 in einem Flash-Speicherbereich liegt, der physisch nicht notwendigerweise in der MCU des EGS 150 vorhanden sein muss. So überschreibt das Programmieren des Speicherabbildes nicht das Forensik-Modul 250.In order to reconstruct and read the flash memory, the option bytes can first be activated on
Der RAM kann gemäß den Zustandsdaten folgende Daten aufweisen, die durch Laden des RAM-Hintergrunds automatisch rekonstruiert werden können: Stapek, Heap, Registerdatei (z.B. CPU Registerdatei). Der RAM kann beispielsweise direkt durch einen Debugger beschrieben werden. Zuvor kann das Emulationssystem 1450 derart eingerichtet sein oder werden, dass nach Rekonstruktion von RAM und Peripherieregistern unmittelbar der Code zur Rekonstruktion des Prozessorregisters (z.B. CPU-Registers) ausgeführt wird. Das Schreiben des ICSR kann einen NMI auslösen und setzt die CPU so in den Handlermodus. Diese springt in den NMI-Exception-Handler, den das Forensik-Modul 250 entsprechend installiert hat. Das begünstigt, wenn der Speicherdump innerhalb eines Interrupt-Handlers im Handlermodus ausgeführt wurde, dass die CPU nach Rekonstruktion ebenfalls im Handlermodus fortgesetzt wird. Dann kann mittels eines Wiederherstellungsbefehls der Speicherinhalt des RAM rekonstruiert werden.According to the status data, the RAM can have the following data, which can be automatically reconstructed by loading the RAM background: stack, heap, register file (e.g. CPU register file). For example, the RAM can be directly written to by a debugger. Prior to this, the
Die Peripherieregister sind in den Adressraum der MCU abgebildet. Diese können also zunächst wie Flash-Speicher und RAM aus dem extrahierten Zustand in eine separate Datei abgebildet werden. Eine Ausnahme können die Statusregister bilden, die in einigen Fällen nicht immer durch die Softwareschnittstelle geschrieben werden können, sondern deren Inhalt nur durch eine Manipulation der Hardware möglich ist. Zum Beispiel spiegelt das Input-Register eines IO-Pins den Zustand des Pins wieder, und kann häufig nur durch Anlegen eines entsprechenden Potentials an den Pin selber modifiziert werden. Um den Zustand solcher Register zu rekonstruieren, kann eine Peripherieemulator verwendet werden.The peripheral registers are mapped into the address space of the MCU. These can therefore initially be mapped from the extracted state into a separate file, like flash memory and RAM. An exception can be the status registers, which in some cases cannot always be written through the software interface, but whose content is only possible by manipulating the hardware. For example, the input register of an IO pin reflects the state of the pin and can often only be modified by applying an appropriate potential to the pin itself. A peripheral emulator can be used to reconstruct the state of such registers.
Im Gegensatz zu den Peripherieregistern können die Prozessorregister nicht notwendigerweise direkt geschrieben werden. In dem Fall werden diese mittels dedizierter Prozessorbefehle (z.B. CPU-Befehle) beschrieben.In contrast to the peripheral registers, the processor registers cannot necessarily be written directly. In this case, they are described using dedicated processor commands (e.g. CPU commands).
Nachdem die Prozessorregister rekonstruiert wurden, kann der Exception-Handler verlassen und der Systemzustand auf die richtige Programmcodeadresse gesetzt werden. Dies erfolgt beispielsweise mittels Ladens einer sogenannten Exceptionrückkehr (Exception-Returns) bzw. einer Rücksprungadresse. Die veranlasst die CPU dazu, den Handlermodus zu verlassen und den Exception-Frame vom Stack zu laden.After the processor registers have been reconstructed, the exception handler can be exited and the system state set to the correct program code address. This is done, for example, by loading a so-called exception return (exception returns) or a return address. This causes the CPU to exit handler mode and load the exception frame from the stack.
Ein exemplarisches Emulationssystem 1450 ist eingerichtet, relevante Komponenten des EGS 150 mittels Emulation abzubilden, darunter beispielsweise die Speichervorrichtung 102, der eingebettete Prozessor 104, die Kommunikationsinfrastruktur 106 und/oder die Schnittstelle 108. Beispielsweise können zumindest der eingebettete Prozessor 104 und die Schnittstelle 108 emuliert werden.An
Nachfolgend wird die Emulation des EGS 150 exemplarisch anhand der MCU des EGS 150 erläutert. Es kann verstanden werden, dass das Beschriebene in Analogie gelten kann für ein anders implementiertes EGS 150. Die MCU des Emulationssystems 1450 (auch als Emulation-MCU bezeichnet) bildet die MCU des EGS 150 nach. Die Emulation-MCU kann beispielsweise eine Entwicklerversion der MCU des EGS 150 sein, wie sie auch zur funktionalen Fehleranalyse verwendet wird. Die Emulation-MCU weist beispielsweise eine oder mehr als eine der folgenden Komponenten auf:
- - Einen Debug-Port. Die MCU des
EGS 150 weist häufig keinen aktivierten Debug-Port auf, z.B. ist dieser weggelassen oder aus Sicherheitsgründen deaktiviert. Die Emulation-MCU weist hingegen einen aktivierten Debug-Port auf. Optional kann die Emulation-MCU erweiterte Debug-Funktionalität, wie zum Beispiel ein Nachverfolgungsmodul („Trace Modul“), aufweisen. - - Direktzugriffsspeicher (RAM): Der Arbeitsspeicher der Emulation-MCU ist mindestens so groß wie der Arbeitsspeicher der MCU des
EGS 150. Weist die Emulation-MCU mehr Direktzugriffsspeicher auf als die MCU desEGS 150, kann dieser für die Emulation ausgeblendet werden, beziehungsweise nicht genutzt werden. - - Der Flash-Speicher der Emulation-MCU ist mindestens so groß wie der Flash-Speicher der MCU des
EGS 150. Weist die Emulation-MCU mehr Flash-Speicher auf als die MCU desEGS 150, kann dieser zur Implementierung zusätzlicher Funktionalität der Emulation verwendet werden, zum Beispiel für zusätzliche Interrupt-Handler und für die Rekonstruktion der CPU-Register. - - Eine oder mehr als eine Peripherie-Schnittstelle 1408:
- Die Peripherieblöcke der MCU des
EGS 150 sind aus Kostengründen häufig auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten. Die Emulation-MCU kann zusätzliche Peripherieblöcke aufweisen. Dies erlaubt eine flexiblere Verwendung der Emulation für verschiedene Hardware-Konfigurationen und Anwendungen.
- Die Peripherieblöcke der MCU des
- - A debug port. The
EGS 150 MCU often does not have an enabled debug port, e.g. it is omitted or disabled for security reasons. The emulation MCU, on the other hand, has an enabled debug port. Optionally, the emulation MCU can have extended debug functionality, such as a tracking module ("Trace Module"). - - Random Access Memory (RAM): The RAM of the emulation MCU is at least as large as the RAM of the
EGS 150 MCU. If the emulation MCU has more random access memory than the MCU of theEGS 150, it can be hidden for the emulation or not be used. - - The flash memory of the emulation MCU is at least as large as the flash memory of the
EGS 150 MCU. If the emulation MCU has more flash memory than theEGS 150 MCU, this can be used to implement additional functionality of the emulation e.g. for additional interrupt handlers and for the reconstruction of the CPU registers. - - One or more peripheral interfaces 1408:
- The peripheral blocks of the MCU of the
EGS 150 are often tailored to the respective application for cost reasons. The emulation MCU may have additional peripheral blocks. This allows more flexible use of the emulation for different hardware configurations and applications.
- The peripheral blocks of the MCU of the
Die Emulation-MCU kann über einen Debug-Adapter von dem Analyse-PC aus angesteuert werden. Dies ermöglicht eine Schrittweise-Ausführung des Programmcodes, das Setzen von Breakpoints, Analyse des Speichers und mehr.The emulation MCU can be controlled from the analysis PC via a debug adapter. This allows stepping through code, setting breakpoints, analyzing memory, and more.
Der Emulator 1502 der Peripherie (auch als Peripherieemulator oder „Peripherie Emulation“ bezeichnet) weist Hardware zur Ansteuerung der Hardwareschnittstellen der Emulation-MCU auf. Je nach Zielsystem weist die Peripherieemulator beispielsweise ein oder mehr als ein Bussystem (z.B. mehrere verschiedene Bussysteme), einen oder mehr als einen digitalen Eingang und/oder einen oder mehr als einen analogen Eingang auf. In einer konkreten Instanziierung weist die Peripherieemulator eine oder mehr als eine der folgenden Komponenten auf:
- - Eine Steuereinheit, die eingerichtet ist als Schnittstelle (auch als Analyseschnittstelle bezeichnet) zum Analyse-PC. Die Steuereinheit weist beispielsweise eine zusätzliche MCU auf, auf der ein Echtzeit-Betriebssystem ausgeführt wird.
- - Ein Echtzeit-Modul, das eingerichtet ist als Porterweiterung und und/oder zur Implementierung zeitkritischer Prozesse. Das Echtzeit-Modul wird beispielsweise von einer FPGA („Field Programmable Gate Array“) implementiert und kann so taktgenau auf Signale der Emulation-MCU reagieren und fallspezifische Angriffe nachbilden. Weiterhin bietet ein FPGA eine größere Flexibilität, um Komponenten des
EGS 150 dynamisch zu implementieren. Das Echtzeit-Modul kann beispielsweise von der Steuereinheit angesteuert werden. Optional wird das Echtzeit-Modul zur Emulation analoger Signale durch einen Funktionsgenerator ergänzt. Die Ausgänge werden direkt vom Analyse-PC konfiguriert. Die Synchronisation erfolgt, insofern erwünscht, durch ein Signal aus der Steuerungseinheit oder dem FPGA. - - eine oder mehr als eine Schnittstelle weist spezielle Schnittstellenmodule auf, wie zum Beispiel ein CAN-Bus-Controller („Controller Area Network Bus Controller“) oder einen USB-Controller („Universal Serial Bus Controller“), beispielsweise wenn diese nicht von der MCU der Steuereinheit implementiert werden. So können diese von der echtzeitfähigen MCU des Peripherieemulators mit anderen Signalen synchronisiert werden und müssen nicht separat im FPGA implementiert werden.
- - A control unit that is set up as an interface (also referred to as analysis interface) to the analysis PC. The control unit has, for example, an additional MCU running a real-time operating system.
- - A real-time module set up as a port extension and/or to implement time-critical processes. The real-time module is implemented, for example, by an FPGA (“Field Programmable Gate Array”) and can therefore react to signals from the emulation MCU with clock precision and simulate case-specific attacks. Furthermore, an FPGA offers greater flexibility to dynamically implement components of the
EGS 150. The real-time module can be controlled by the control unit, for example. Optionally, the real-time module for emulating analog signals can be supplemented with a function generator. The outputs are configured directly from the analysis PC. If desired, the synchronization is carried out by a signal from the control unit or the FPGA. - - one or more interfaces have special interface modules, such as a CAN bus controller (“Controller Area Network Bus Controller”) or a USB controller (“Universal Serial Bus Controller”), e.g. if these are not supplied by the MCU of the control unit are implemented. In this way, they can be synchronized with other signals by the real-time capable MCU of the peripheral emulator and do not have to be implemented separately in the FPGA.
Eine exemplarische Implementierung des Emulationssystems 1450 für ein generisches EGS 150 (beispielsweise für ein STM32L476 basiertes CPS) kann beispielsweise ein STM32L476 Nucleo Entwicklerboard mit STM32L4 MCU aufweisen. Eine exemplarische Implementierung des Emulationssystems 1450 für ein herstellerspezifisches EGS 150 kann beispielsweise ein herstellerspezifisches Entwicklerboard mit Cortex M4 MCU und Peripherieemulator aufweisen. Nachfolgend sind diese beiden exemplarischen Implementierungen gegenübergestellt:
In einer komplexeren Implementierung kann das Emulationssystem 1450 eingerichtet sein, eine automatische Analyse des Ergebnisses der Extraktion 350 durchzuführen. Dies wird nachfolgend erläutert.In a more complex implementation, the
Das Emulationssystem 1450 kann eingerichtet sein:
- - die (z.B. entschlüsselten)
Zustandsdaten 302, z.B. eine Registerdatei aufweisend, in „Ghidra“ oder ein anderes Nachkonstruktionsmodul („Revers-Engineering-Module“) zu importieren;- - die Architektur des zu emulierenden EGS 150 zu spezifizieren (z.B. einen Arm v8 CPU Core, little Endian, aufweisend).
- - eine automatische Analyse der
Zustandsdaten 302 mittels „Ghidra“ durchzuführen, z.B. eine statische Analyse des Programmcodes aufweisend.
- - import the (eg decrypted)
state data 302, eg comprising a register file, into "Ghidra" or another reverse engineering module ("reverse engineering module");- - specify the architecture of the
EGS 150 to be emulated (eg having an Arm v8 CPU core, little endian). - - carry out an automatic analysis of the
status data 302 using “Ghidra”, eg having a static analysis of the program code.
- - specify the architecture of the
Das Emulationssystem 1450 kann beispielsweise mittels eines Emulationsboards bereitgestellt werden. Das Emulationssystem 1450 emuliert beispielsweise die MCU des EGS 150 (bzw. CPS) und dessen Peripherie (z.B. einen oder mehr als einen Sensor und/oder Aktor aufweisend). Das Emulationssystem 1450 wird zur Ausführung des zu analysierenden Schadcodes, insofern vorhanden, verwendet und bietet erweiterte Funktionalitäten, wie beispielsweise eine oder mehr als eine Debug-Schnittstelle und Peripheriekomponenten.The
Der System-PC des Analysesystems 1550 (allgemeiner auch als Umgebung-Emulationsvorrichtung bezeichnet) emuliert den System-PC des angegriffenen Geräts (z.B. ein Geldautomat), welches das EGS 150 bzw. CPS aufweist. Über die eigentliche Funktionalität eines „normalen“ System-PC hinaus, ist der System-PC des Analysesystems 1550 eingerichtet, zusätzliche Analysesoftware auszuführen.The system PC of the analysis system 1550 (also referred to more generally as an environment emulation device) emulates the system PC of the device under attack (e.g. an ATM) which has the
Der Analyse-PC ist eingerichtet zur Ansteuerung der übrigen Komponenten des Analysesystems 1550. Auf dem Analyse-PC wird beispielsweise die benötigte Software zur Vorfallsanalyse ausgeführt und das Ergebnis der Extraktion 350 (z.B. die Zustandsdaten 302) gespeichert.The analysis PC is set up to control the other components of the
Der USB-Analyzer (auch als USB-Analysevorrichtung bezeichnet) ist eingerichtet zur Analyse der USB-Kommunikation zwischen den Komponenten des Analysesystems 1550, beispielsweise dem System-PC und dem Emulationssystem 1450. Der USB-Analyzer kann beispielsweise eingerichtet sein, eine oder mehr als eine Nachricht der USB-Kommunikation aufzuzeichnen, zu manipulieren, und/oder einzuspielen.The USB analyzer (also referred to as a USB analyzer) is set up to analyze the USB communication between the components of the
Der CAN-Bus-Analyzer ist eingerichtet zur Analyse der CAN-Bus-Kommunikation (oder allgemeiner der Kommunikation über die Kommunikationsinfrastruktur 1406 des Emulationssystems 1450). Der Analyzer bietet die Möglichkeit eine oder mehr als eine Nachricht, die mittels der Kommunikationsinfrastruktur 1406 übertragen wird, aufzuzeichnen, zu manipulieren, und/oder von außen einzuspielen.The CAN bus analyzer is set up to analyze the CAN bus communication (or more generally the communication via the
Der Funktionsgenerator ist eingerichtet zur synchronen Emulation von Sensorsignalen. Beispielsweise ist der Analyse-PC eingerichtet, mittels des Funktionsgenerators gezielt ein Signal synchron mit dem CPS-Programmablauf einzuspielen.The function generator is set up for synchronous emulation of sensor signals. For example, the analysis PC is set up to import a signal synchronously with the CPS program sequence using the function generator.
Das optionale Oszilloskop ist eingerichtet zur Analyse von Peripherie- und Bussignalen und der synchronen Ansteuerung des Funktionsgenerators.The optional oscilloscope is set up to analyze peripheral and bus signals and synchronously control the function generator.
Ein (optional steuerbares) Labornetzteil (nicht dargestellt) ist eingerichtet zur Stromversorgung des Emulationssystems 1450. Ist das Labornetzteil steuerbar, kann mittels Steuerns des Labornetzteils (z.B. mittels des Analyse-PCs) beispielsweise ein Stromausfall oder ein anderer versorgungsbezogener Angriff emuliert werden.An (optionally controllable) laboratory power supply (not shown) is set up to power the
Die Debug-Probe implementiert die Debug-Protokolle der MCU des EGS 150 (beispielsweise ein sogenanntes Joint Test Action Group (JTAG) oder Single Wire Debug (SWD)) und verbindet die MCU des Emulationssystems 1450 mit dem Analyse-PC.The debug probe implements the debug protocols of the
Eine exemplarische Implementierung weist auf, die Instanziierung des USB-Analyzers mittels „ellisys USB Explorer 200“, die Instanziierung des Oszilloskops mittels „Lecroy WaveRunner 640Zi“, die Instanziierung des Funktionsgenerators mittels „Rigol DG4162“, die Instanziierung des CAN-Bus-Analyzers mittels „Ixxat USB-to-CAN“ und die Instanziierung der Debug-Probe mittels „STLink 2, Greenhills Probe“.An exemplary implementation shows the instantiation of the USB analyzer using "
Neben den Hardwarekomponenten weist das Analysesystem 1550 noch eine oder mehr als eine der folgenden Softwarekomponenten zur Ansteuerung der Hardware und zur Analyse des Schadcodes im Zusammenspiel mit der Hardware auf:
- - Ein interaktiver Dissassembler („Interactive Dissassembler“ oder kurz IDA) ist eingerichtet, den Binärcode statisch zu analysieren. Dies beinhaltet die Umwandlung in Programmcode, die Darstellung des Ausführungsgraphen oder die Analyse von Referenzen zwischen Programmcode und Programmdaten. In dieser beispielhaften Implementierung kann „Hexrays IDA Pro“ und/oder „Ghidra“ verwendet werden;
- - Ein sogenannter „binwalk“ ist ein Werkzeug zur statischen Analyse von Binärdaten, zum Beispiel um eingebettete Zertifikate oder Programmcode zu extrahieren;
- - Ein Analysewerkzeug (auch als Wariness-Analysewerkzeug bezeichnet) implementiert verschiedene Hilfsprogramme zur Analyse eines Malware-Abbildes;
- - Ein Debugger ist eingerichtet, die Ausführung der Firmware in dem Emulationssystem 1450 (z.B. CPS Emulation) zu steuern. Der Debugger ist über die Debug-Probe mit der MCU des Emulationssystems 1450 gekoppelt. Dies ermöglicht beispielsweise eine schrittweise Ausführung des Programms, das Setzen von Breakpoints und Inspizieren und Modifizieren von Speicherinhalten der MCU. Je nach Anwendungsfall kann ein GNU-Debugger in Kombination mit „Open OCD“ oder die „Green Hills TimeMachine“ verwendet werden.
- - An interactive dissassembler (“Interactive Dissassembler” or IDA for short) is set up to analyze the binary code statically. This includes the conversion into program code, the representation of the execution graph or the analysis of references between program code and program data. In this example implementation, Hexrays IDA Pro and/or Ghidra may be used;
- - A so-called "binwalk" is a tool for static analysis of binary data, for example to extract embedded certificates or program code;
- - An analysis tool (also known as a wariness analysis tool) implements various utilities to analyze a malware image;
- - A debugger is set up to control the execution of the firmware in the emulation system 1450 (eg CPS emulation). The debugger interfaces with the 1450 emulation system MCU via the debug probe. This allows, for example, a step-by-step execution of the program, setting breakpoints and inspecting and modifying memory contents of the MCU. Depending on the application, a GNU debugger can be used in combination with "Open OCD" or the "Green Hills TimeMachine".
Für die Rekonstruktion kann die Debug-Schnittstelle des Emulationssystems 1450 verwendet werden. Diese erlaubt das Programmieren von FLASH-Speicher und das Schreiben und Lesen von RAM und Registern. Die Peripherieregister sind speicheradressierbar. Auf Prozessorregister kann beispielsweise nur indirekt über Spezialbefehle zugegriffen werden.The debug interface of the
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf vorangehend Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.Various examples are described below, which relate to those described above and shown in the figures.
Beispiel 1 ist ein Emulationssystem (z.B. Emulationsvorrichtung) zum Emulieren eines eingebetteten Systems, welches einen eingebetteten Prozessor und mindestens einen Sensor und/oder mindestens einen Aktor aufweist, das Emulationssystem aufweisend: eine Digital-Schnittstelle zum Empfangen von Daten, welche einen Systemzustand des eingebetteten Systems repräsentieren; eine (physische) Kommunikationsschnittstelle zu mindestens einem Sensor und/oder mindestens einem Aktor, welcher zu dem mindestens einen Sensor und/oder mindestens einen Aktor des eingebetteten Systems baugleich ist; einen oder mehr als einen Emulationsprozessor eingerichtet zum Emulieren des eingebetteten Prozessors, wobei der Emulationsprozessor eingerichtet ist zur Kommunikation mittels der Kommunikationsschnittstelle auf die gleiche Weise wie der eingebettete Prozessor mit dem mindestens einen Sensor bzw. mindestens einen Aktor des eingebetteten Systems kommuniziert.Example 1 is an emulation system (e.g. emulation device) for emulating an embedded system, which has an embedded processor and at least one sensor and/or at least one actuator, the emulation system having: a digital interface for receiving data which shows a system state of the embedded system represent; a (physical) communication interface to at least one sensor and/or at least one actuator, which is structurally identical to the at least one sensor and/or at least one actuator of the embedded system; one or more than one emulation processor configured to emulate the embedded processor, wherein the emulation processor is configured to communicate via the communication interface in the same way as the embedded processor communicates with the at least one sensor or at least one actuator of the embedded system.
Beispiel 2 ist ein Emulationssystem, welches ein Modell eines eingebetteten Systems (dessen physische/logische Architektur), welches einen eingebetteten Prozessor und mindestens einen Sensor und/oder mindestens einen Aktor aufweist, implementiert, das Emulationssystem aufweisend: eine Digital-Schnittstelle zum Empfangen von Daten, welche einen Systemzustand des eingebetteten Systems repräsentieren; wobei zumindest ein Teil des Modells eine Kommunikation des eingebetteten Prozessors mit dem mindestens einen Sensor bzw. mindestens einen Aktor repräsentiert, vorzugsweise auf die gleiche Weise wie die Kommunikation des eingebetteten Prozessors mit dem mindestens einen Sensor bzw. mindestens einen Aktor; einen oder mehr als einen Emulationsprozessor, der eingerichtet ist zum Konfigurieren eines Zustands des Modells gemäß den Daten und zum Emulieren des eingebetteten Systems mittels des konfigurierten Modells gemäß Instruktionen, welche mittels der Digital-Schnittstelle empfangen werden.Example 2 is an emulation system implementing a model of an embedded system (its physical/logical architecture) having an embedded processor and at least one sensor and/or at least one actuator, the emulation system comprising: a digital interface for receiving data , which represent a system state of the embedded system; wherein at least part of the model represents a communication of the embedded processor with the at least one sensor or at least one actor, preferably in the same way as the communication of the embedded processor with the at least one sensor or at least one actor; one or more emulation processors arranged to configure a state of the model according to the data and to emulate the embedded system using the configured model according to instructions received via the digital interface.
Beispiel 3 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 1 oder 2, wobei die Digital-Schnittstelle eine Debug-Schnittstelle aufweist oder ist.Example 3 is the emulation system according to example 1 or 2, wherein the digital interface has or is a debug interface.
Beispiel 4 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die Digital-Schnittstelle ein Nachverfolgungsmodul implementiert.Example 4 is the emulation system according to any of Examples 1 to 3, where the digital interface implements a tracking module.
Beispiel 5 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei der eine oder mehr als eine Emulationsprozessor eingerichtet ist zum Emulieren des eingebetteten Prozessors gemäß den Daten.Example 5 is the emulation system according to any one of examples 1 to 4, wherein the one or more emulation processors are arranged to emulate the embedded processor according to the data.
Beispiel 6 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 5, ferner aufweisend: zumindest einen Speicherbereich, wobei die Digital-Schnittstelle eingerichtet ist: den zumindest einen Speicherbereich gemäß den Daten zu modifizieren (z.B. zu löschen und/oder zu schreiben); und/oder einen Absicherungsmechanismus, mittels welchem der zumindest eine Speicherbereich abgesichert ist, zu modifizieren (z.B. zu aktivieren und/oder zu deaktivieren).Example 6 is the emulation system according to any one of Examples 1 to 5, further comprising: at least one memory area, wherein the digital interface is configured to: modify (e.g. erase and/or write) the at least one memory area according to the data; and/or to modify (e.g. activate and/or deactivate) a protection mechanism by means of which the at least one memory area is protected.
Beispiel 7 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 6, wobei die Digital-Schnittstelle eingerichtet (z.B. privilegiert) ist, einen flüchtigen Speicherbereich und/oder einen nicht-flüchtigen Speicherbereich des zumindest einen Speicherbereiches gemäß den Daten zu modifizieren (z.B. zu löschen und/oder zu schreiben).Example 7 is the emulation system according to example 6, wherein the digital interface is set up (e.g. privileged) to modify (e.g. erase and/or write) a volatile memory area and/or a non-volatile memory area of the at least one memory area according to the data ).
Beispiel 8 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 6 oder 7, wobei der Absicherungsmechanismus eines oder mehr als eines von Folgendem aufweist: einer Firewall; einer Speicherschutzeinheit; einem Schreibschutz; und/oder einem Leseschutz.Example 8 is the emulation system according to example 6 or 7, wherein the security mechanism comprises one or more of: a firewall; a memory protection unit; a write protection; and/or read protection.
Beispiel 9 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 8, wobei der eine oder mehr als eine Emulationsprozessor ein Prozessorregister aufweist, wobei die Digital-Schnittstelle eingerichtet (z.B. privilegiert) ist, das Prozessorregister gemäß den Daten zu modifizieren (z.B. zu löschen und/oder zu schreiben), vorzugsweise wenn der eine oder mehr als eine Emulationsprozessor in einem Handlermodus ist.Example 9 is the emulation system according to any one of examples 1 to 8, wherein the one or more emulation processors comprises a processor register, the digital interface being arranged (e.g. privileged) to modify (e.g. clear and/or delete) the processor register according to the data or to write), preferably when the one or more emulation processors are in a handler mode.
Beispiel 10 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 9, wobei die Kommunikationsschnittstelle ein Peripherieregister aufweist, wobei die Digital-Schnittstelle eingerichtet (z.B. privilegiert) ist, das Peripherieregister gemäß den Daten zu modifizieren (z.B. zu löschen und/oder zu schreiben), vorzugsweise wenn der eine oder mehr als eine Emulationsprozessor in einem Handlermodus ist.Example 10 is the emulation system according to any one of examples 1 to 9, wherein the communication interface has a peripheral register, wherein the digital interface is arranged (e.g. privileged) to modify (e.g. erase and/or write) the peripheral register according to the data, preferably when the one or more emulation processors are in a handler mode.
Beispiel 11 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 9 und 10, wobei das Peripherieregister in den Adressraum des Prozessorregisters abgebildet ist.Example 11 is the emulation system of Examples 9 and 10, with the peripheral register mapped into the address space of the processor register.
Beispiel 12 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 11, wobei die Digital-Schnittstelle eingerichtet (z.B. privilegiert) ist, den einen oder mehr als einen Emulationsprozessor in einen Handlermodus zu versetzen, oder zumindest die Privilegien des Emulationsprozessors zu modifizieren, vorzugsweise zu erhöhen.Example 12 is the emulation system according to any one of Examples 1 to 11, wherein the digital interface is arranged (e.g. privileged) to put the one or more emulation processors in a handler mode, or at least to modify, preferably increase, the privileges of the emulation processor .
Beispiel 13 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 12, wobei die Digital-Schnittstelle eingerichtet ist, das Emulieren des eingebetteten Prozessors zu modifizieren (z.B. zu steuern, anzuhalten und/oder fortzusetzen) und/oder zu erfassen, z.B. aufzuzeichnen.Example 13 is the emulation system according to any of Examples 1 to 12, wherein the digital interface is arranged to modify (e.g. control, pause and/or resume) and/or detect, e.g. record, the emulating of the embedded processor.
Beispiel 14 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 13, ferner aufweisend: einen Mikrokontroller, welcher den einen oder mehr als einen Emulationsprozessor und die Digital-Schnittstelle aufweist.Example 14 is the emulation system according to any one of Examples 1 to 13, further comprising: a microcontroller having the one or more emulation processors and the digital interface.
Beispiel 15 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 14, wobei das eingebettete System einen eingebetteten Mikrokontroller aufweist, der den eingebetteten Prozessor aufweist; wobei der Mikrokontroller des Emulationssystems eine Entwicklerversion des eingebetteten Mikrokontrollers ist.Example 15 is the emulation system according to Example 14, wherein the embedded system includes an embedded microcontroller including the embedded processor; wherein the microcontroller of the emulation system is a development version of the embedded microcontroller.
Beispiel 16 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 15, welches zumindest eine aktivierte Debug-Schnittstelle mehr aufweist als das eingebettete System. Example 16 is the emulation system according to any of Examples 1 to 15, which has at least one more activated debug interface than the embedded system.
Beispiel 17 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 16, welches eine flüchtige Speicherkapazität, vorzugsweise eines Direktzugriffsspeichers, aufweist von mindestens der des eingebetteten Systems.Example 17 is the emulation system according to any one of Examples 1 to 16, which has a volatile memory capacity, preferably random access memory, at least that of the embedded system.
Beispiel 18 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 17, wobei die Digital-Schnittstelle eingerichtet (z.B. privilegiert) ist, einen Teil der flüchtigen Speicherkapazität beim Emulieren des eingebetteten Prozessors auszublenden.Example 18 is the emulation system of example 17, wherein the digital interface is configured (e.g., privileged) to hide a portion of the volatile memory capacity when emulating the embedded processor.
Beispiel 19 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 18, welches eine nicht-flüchtige Speicherkapazität, vorzugsweise eines Flash-Speichers, aufweist von mindestens der des eingebetteten Systems.Example 19 is the emulation system according to any one of Examples 1 to 18, which has a non-volatile storage capacity, preferably a flash memory, at least that of the embedded system.
Beispiel 20 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 19, wobei die Digital-Schnittstelle eingerichtet ist, einen Teil der nicht-flüchtigen Speicherkapazität zum Konfigurieren des Emulierens des eingebetteten Prozessors zu verwenden, z.B. gemäß den Daten.Example 20 is the emulation system according to example 19, wherein the digital interface is arranged to use part of the non-volatile storage capacity for configuring the emulation of the embedded processor, e.g., according to the data.
Beispiel 21 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 20, ferner aufweisend: einen Peripherieemulator (auch als Peripherieemulationsvorrichtung bezeichnet) eingerichtet zum Emulieren des mindestens einen Sensors und/oder mindestens einen Aktors, und vorzugsweise eingerichtet zum Ansteuern der Kommunikationsschnittstelle gemäß dem Emulieren des mindestens einen Sensors und/oder mindestens einen Aktors.Example 21 is the emulation system according to one of Examples 1 to 20, further comprising: a peripheral emulator (also referred to as a peripheral emulation device) set up to emulate the at least one sensor and/or at least one actuator, and preferably set up to control the communication interface in accordance with the emulation of the at least a sensor and/or at least one actuator.
Beispiel 22 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 21, wobei der Peripherieemulator einen oder mehr als einen zusätzlichen Emulationsprozessor zum Emulieren des mindestens einen Sensors und/oder mindestens einen Aktors aufweist.Example 22 is the emulation system according to example 21, wherein the peripheral emulator has one or more than one additional emulation processor for emulating the at least one sensor and/or at least one actuator.
Beispiel 23 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 21 oder 22, der Peripherieemulator aufweisend: eine Analyseschnittstelle, welche vorzugsweise mittels einer Steuereinheit bereitgestellt ist, zum Empfangen von Instruktionen von einer system-externen Analysevorrichtung (z.B. einen Analyse-PC aufweisend), gemäß welchen das Emulieren des mindestens einen Sensors und/oder mindestens einen Aktors erfolgt.Example 23 is the emulation system according to example 21 or 22, the peripheral emulator comprising: an analysis interface, which is preferably provided by means of a control unit, for receiving instructions from an analysis device external to the system (e.g. having an analysis PC), according to which the emulation of the at least one sensor and/or at least one actuator.
Beispiel 24 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 21 bis 23, der Peripherieemulator aufweisend: einen Funktionsgenerator zum Generieren eines analogen Sensorsignals, mittels welchem das Ansteuern der Kommunikationsschnittstelle erfolgt.Example 24 is the emulation system according to one of examples 21 to 23, the peripheral emulator having: a function generator for generating an analog sensor signal, by means of which the communication interface is controlled.
Beispiel 25 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 21 bis 24, wobei der Peripherieemulator eingerichtet ist, eine Echtzeitanforderung zu erfüllen, die von dem Emulieren des eingebetteten Prozessors vorgegeben wird.Example 25 is the emulation system according to any one of Examples 21 to 24, wherein the peripheral emulator is configured to meet a real-time requirement dictated by emulating the embedded processor.
Beispiel 26 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 21 bis 25, wobei der Peripherieemulator mittels eines Mikrokontrollers oder zumindest mittels eines zusätzlichen Prozessors bereitgestellt wird.Example 26 is the emulation system according to any one of examples 21 to 25, wherein the peripheral emulator is provided by means of a microcontroller or at least by means of an additional processor.
Beispiel 27 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 21 bis 26, der Peripherieemulator aufweisend: ein Echtzeit-Modul eingerichtet zum Ansteuern der Kommunikationsschnittstelle taktgenau in Antwort auf die Kommunikation mittels der Kommunikationsschnittstelle, vorzugsweise derart, dass die Echtzeitanforderung erfüllt wird; wobei das Echtzeit-Modul vorzugsweise eine programmierbare Gatter-Anordnung aufweist.Example 27 is the emulation system according to any one of examples 21 to 26, the peripheral emulator comprising: a real-time module configured to drive the communication interface clock-precisely in response to the communication via the communication interface, preferably such that the real-time requirement is met; wherein the real-time module preferably comprises a programmable gate array.
Beispiel 28 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 27, wobei die Kommunikationsschnittstelle zumindest einen ungenutzten Kommunikationsblock aufweist oder zumindest mehr Kommunikationsblöcke (auch als Peripherieblöcke bezeichnet) aufweist als das eingebettete System.Example 28 is the emulation system according to any one of Examples 1 to 27, wherein the communication interface has at least one unused communication block or at least has more communication blocks (also referred to as peripheral blocks) than the embedded system.
Beispiel 29 ist das Emulationssystem gemäß Beispiel 28, wobei jeder Kommunikationsblock der Kommunikationsschnittstelle eingerichtet ist zur Kommunikation mit genau einem Sensor oder genau einem Aktor.Example 29 is the emulation system according to example 28, each communication block of the communication interface being set up for communication with precisely one sensor or precisely one actuator.
Beispiel 30 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 29, ferner aufweisend: den mindestens einen (z.B. physischen) Sensor und/oder mindestens einen (z.B. physischen) Aktor.Example 30 is the emulation system according to any one of Examples 1 to 29, further comprising: the at least one (e.g. physical) sensor and/or at least one (e.g. physical) actuator.
Beispiel 31 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 30, wobei der eine oder mehr als eine Emulationsprozessor ferner eingerichtet ist, die Daten zu verarbeiten mittels eines Nachkonstruktionsmoduls.Example 31 is the emulation system of any of Examples 1 through 30, wherein the one or more emulation processors are further configured to process the data using a reverse engineering module.
Beispiel 32 ist das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 31, ferner aufweisend: eine zusätzliche Kommunikationsschnittstelle zu einer Umgebung des Emulationssystems, wobei der eine oder mehr als eine Emulationsprozessor eingerichtet ist zur Kommunikation mittels der zusätzlichen Kommunikationsschnittstelle auf die gleiche Weise wie der eingebettete Prozessor mit einer Umgebung des eingebetteten Systems kommuniziert.Example 32 is the emulation system according to any one of Examples 1 to 31, further comprising: an additional communication interface to an environment of the emulation system, wherein the one or more emulation processors are configured to communicate via the additional communication interface in the same way as the embedded processor communicates with an environment of the embedded system.
Beispiel 33 ist ein Analysesystem, aufweisend: das Emulationssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 32, und eine system-externe Analysevorrichtung, welche eingerichtet ist, der Digital-Schnittstelle die Daten bereitzustellen.Example 33 is an analysis system comprising: the emulation system according to any one of Examples 1 to 32, and an off-system analysis device configured to provide the data to the digital interface.
Beispiel 34 ist das Analysesystem gemäß Beispiel 33, ferner aufweisend: eine Geräte-Emulationsvorrichtung eingerichtet zum Emulieren einer Umgebung des eingebetteten Systems, vorzugsweise einer Rechenvorrichtung in der Umgebung des eingebetteten Systems, und vorzugsweise ferner eingerichtet zum Ansteuern der zusätzlichen Kommunikationsschnittstelle. Example 34 is the analysis system according to Example 33, further comprising: a device emulation device configured to emulate an environment of the embedded system, preferably a computing device in the environment of the embedded system, and preferably further configured to drive the additional communication interface.
Beispiel 35 ist das Analysesystem gemäß Beispiel 33 oder 34, ferner aufweisend: eine Kommunikation-Analysevorrichtung eingerichtet zur Wechselwirkung mit einer system-externen Kommunikation zu oder von dem Emulationssystem (z.B. mit einer Umgebung des Emulationssystems), wobei die Wechselwirkung vorzugsweise aufweist, die Kommunikation zu erfassen, vorzugsweise aufzuzeichnen, zu modifizieren und/oder zu generieren.Example 35 is the analysis system according to example 33 or 34, further comprising: a communication analysis device configured to interact with an external system communication to or from the emulation system (e.g. with an environment of the emulation system), the interaction preferably comprising the communication to capture, preferably record, modify and/or generate.
Beispiel 36 ist das Analysesystem gemäß einem der Beispiele 33 bis 35, wobei die system-externe Analysevorrichtung eingerichtet ist, mittels der Digital-Schnittstelle zumindest einen Speicherbereich des Emulationssystems zu modifizieren (z.B. zu löschen und/oder zu schreiben).Example 36 is the analysis system according to one of Examples 33 to 35, the system-external analysis device being set up to modify (e.g. delete and/or write) at least one memory area of the emulation system using the digital interface.
Beispiel 37 ist das Analysesystem gemäß einem der Beispiele 33 bis 36, wobei die system-externe Analysevorrichtung eingerichtet ist, mittels der Digital-Schnittstelle einen Absicherungsmechanismus, mittels welchem zumindest ein Speicherbereich des Emulationssystems abgesichert ist, zu modifizieren (z.B. zu aktivieren und/oder zu deaktivieren).Example 37 is the analysis system according to one of Examples 33 to 36, the system-external analysis device being set up to use the digital interface to modify (e.g. to activate and/or to deactivate).
Beispiel 38 ist das Analysesystem gemäß einem der Beispiele 33 bis 37, wobei die system-externe Analysevorrichtung eingerichtet ist, mittels der Digital-Schnittstelle ein Prozessorregister des einen oder mehr als einen Emulationsprozessors zu modifizieren (z.B. zu löschen und/oder zu schreiben), vorzugsweise wenn der eine oder mehr als eine Emulationsprozessor in einem Handlermodus ist.Example 38 is the analysis system according to any one of Examples 33 to 37, wherein the system-external analysis device is configured to use the digital interface to modify (e.g. delete and/or write) a processor register of the one or more emulation processors, preferably when the one or more emulation processors are in a handler mode.
Beispiel 39 ist das Analysesystem gemäß einem der Beispiele 33 bis 38, wobei die system-externe Analysevorrichtung eingerichtet ist, mittels der Digital-Schnittstelle ein Peripherieregister der Kommunikationsschnittstelle zu modifizieren (z.B. zu löschen und/oder zu schreiben), vorzugsweise wenn der eine oder mehr als eine Emulationsprozessor in einem Handlermodus ist.Example 39 is the analysis system according to one of Examples 33 to 38, wherein the system-external analysis device is set up to use the digital interface to modify (e.g. delete and/or write) a peripheral register of the communication interface, preferably if the one or more than an emulation processor is in a handler mode.
Beispiel 40 ist das Analysesystem gemäß einem der Beispiele 33 bis 39, wobei die system-externe Analysevorrichtung eingerichtet ist, mittels der Digital-Schnittstelle den einen oder mehr als einen Emulationsprozessor in einen Handlermodus zu versetzen oder zumindest die Privilegien des Emulationsprozessors zu modifizieren, vorzugsweise zu erhöhen.Example 40 is the analysis system according to one of Examples 33 to 39, wherein the system-external analysis device is set up to use the digital interface to put the one or more than one emulation processor into a handler mode or at least to modify the privileges of the emulation processor, preferably to raise.
Beispiel 41 ist das Analysesystem gemäß einem der Beispiele 33 bis 40, wobei die system-externe Analysevorrichtung eingerichtet ist, mittels der Digital-Schnittstelle das Emulieren des eingebetteten Prozessors zu modifizieren (z.B. zu steuern, zu starten, zu beenden, zu pausieren und/oder fortzusetzen).Example 41 is the analysis system according to any one of Examples 33 to 40, wherein the off-system analysis device is configured to use the digital interface to modify (e.g. control, start, stop, pause and/or to continue).
Beispiel 42 ist das Analysesystem gemäß einem der Beispiele 33 bis 41, wobei die system-externe Analysevorrichtung eingerichtet ist, mittels der Digital-Schnittstelle das Emulieren des eingebetteten Prozessors aufzuzeichnen.Example 42 is the analysis system according to any one of examples 33 to 41, wherein the system-external analysis device is set up to record the emulation of the embedded processor via the digital interface.
Beispiel 43 ist ein Verfahren zum Emulieren eines eingebetteten Systems mittels eines Emulationssystems (z.B. gemäß einem der Beispiele 1 bis 32, das beispielsweise Teil eines Analysesystems gemäß einem der Beispiele 33 bis 42 ist), das eingebettete System aufweisend: einen eingebetteten Prozessor, und mindestens einen Sensor und/oder mindestens einen Aktor; das Emulationssystem aufweisend: einen Emulationsprozessor; eine (z.B. physische) Kommunikationsschnittstelle zu mindestens einem Sensor und/oder mindestens einem Aktor, welcher zu dem mindestens einen Sensor und/oder mindestens einen Aktor des eingebetteten Systems baugleich ist, das Verfahren aufweisend: Emulieren des eingebetteten Prozessors mittels des Emulationsprozessors, wobei der Emulationsprozessor eingerichtet ist zur Kommunikation mittels der Kommunikationsschnittstelle auf die gleiche Weise wie der eingebettete Prozessor mit dem mindestens einen Sensor bzw. mindestens einen Aktor des eingebetteten Systems kommuniziert; Konfigurieren des Emulierens gemäß Daten, welche einen Systemzustand des eingebetteten Systems repräsentieren, wobei das Verfahren optional eingerichtet ist analog zu einem der Beispiele 1 bis 42.Example 43 is a method for emulating an embedded system by means of an emulation system (e.g. according to any one of Examples 1 to 32, which is for example part of an analysis system according to any one of Examples 33 to 42), the embedded system comprising: an embedded processor, and at least one sensor and/or at least one actuator; the emulation system comprising: an emulation processor; a (e.g. physical) communication interface to at least one sensor and/or at least one actuator, which is structurally identical to the at least one sensor and/or at least one actuator of the embedded system, comprising the method: emulating the embedded processor using the emulation processor, the emulation processor is set up for communication by means of the communication interface in the same way as the embedded processor communicates with the at least one sensor or at least one actuator of the embedded system; Configuring the emulation according to data representing a system state of the embedded system, the method being optionally set up analogously to one of examples 1 to 42.
Beispiel 44 ist ein Nichtflüchtiges Speichermedium, das Codesegmente aufweist, die eingerichtet sind, wenn von einem Prozessor ausgeführt, den Prozessor dazu zu bringen, das Verfahren gemäß Beispiel 43 durchzuführen.Example 44 is a non-volatile storage medium comprising code segments configured, when executed by a processor, to cause the processor to perform the method of Example 43.
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DE102021110769.5A Withdrawn DE102021110769A1 (en) | 2021-04-27 | 2021-04-27 | Emulation System and Procedure |
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Non-Patent Citations (3)
Title |
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Corteggiani, N. et al.: HardSnap: Leveraging Hardware Snapshotting for Embedded Systems Security Testing. In: Proceedings of the 2020 50th Annual IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems and Networks (DSN), 2020. pp. 294 - 305 |
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Wikipedia: Hardware in the Loop. 28.3.2021<https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Hardware_in_the_Loop&oldid=210299343>(recherchiert am 11.02.2022) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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WO2022229153A1 (en) | 2022-11-03 |
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