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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet des Schutzes
der Integrität von programmierten elektronischen Geräten.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Gebiet des Schutzes
eines programmierbaren Speichers gegen unberechtigte Veränderung
seines Inhalts.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Programmierte
elektronische Geräte haben allgemeine Verbreitung gefunden.
Die meisten solchen Geräte enthalten einen programmierbaren Speicher
wie beispielsweise einen Flash-Speicher oder EEPROM-Speicher. Es
ist allgemein wünschenswert, zumindest in gewissem Maße
für die Sicherheit der Integrität des Inhalts
des programmierbaren Speichers zu sorgen. Dieser Inhalt kann Programmcode
zur Ausführung durch das programmierte elektronische Gerät
und/oder andere Informationen, wie beispielsweise Identifizierungsdaten,
Konfigurationsdaten und Benutzerdaten umfassen.
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Jede
unberechtigte Veränderung des Inhalts des programmierbaren
Speichers kann unerwünschte oder sogar möglicherweise
verheerende Folgen haben. Wenn beispielsweise das programmierte elektronische
Gerät ein Kraftfahrzeug-Steuersystem ist, kann jede Verfälschung
der in dem Gerät gespeicherten Software sehr gefährlich
sein. Wenn, als ein weiteres Beispiel, das programmierte elektronische Gerät
eine Wiedergabefunktion für Medien bereitstellt, kann eine
unberechtigte Veränderung der Software Einstellungen zur
digitalen Rechteverwaltung (digital rights management) oder andere
Beschränkungen umgehen. Als weiteres Beispiel kann jede Möglichkeit,
eine Seriennummer oder eine ähnliche identifizierende Information,
die in einem Mobilgerät gespeichert ist – beispielsweise
die IMEI eines Mobiltelefons – zu missbräuchlichen
Zwecken verwendet werden.
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Es
ist zumindest auf dem Gebiet der Mobiltelefone bekannt, eine Integritätsprüfung
auszuführen, wenn das Gerät hochgefahren wird.
Diese Integritätsprüfung kann Programmcode und/oder
andere kritische Informationen abdecken. Die Integritätsprüfung
umfasst das Berechnen einer Signatur der zu überprüfenden
Daten und das Vergleichen der berechneten Signatur mit einer in
dem Gerät gespeicherten Signatur. Die Signaturberechnung
wird unter Verwendung eines kryptographischen Verfahrens ausgeführt,
das sicherstellt, dass die Daten nicht verändert werden
können, ohne dabei die berechnete Signatur zu verändern.
Eine Anzahl geeigneter Verfahren wie beispielsweise die RSA-, DSA-
und HMAC-Verfahren sind im Stand der Technik gut bekannt. Die internationale
Patentanmeldung
PCT/EP 2006/009690 von
Agere Systems Inc., eingereicht am 6. Oktober 2006, beschreibt weitere
Einzelheiten eines Verfahrens zur Integritätsüberprüfung
beim Hochfahren.
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Wenn
nur beim Hochfahren des Geräts eine Integritätsprüfung
ausgeführt wird, ist dies kein wirksames Mittel gegen unberechtigte
Veränderungen, die nach der Integritätsprüfung
erfolgen. Diese Schwierigkeit könnte überwunden
werden, indem die Integritätsprüfung während
des Betriebs des Geräts periodisch ausgeführt
wird. Solche regelmäßigen Integritätsprüfungen
sind jedoch in Architekturen, die keinen nicht-maskierbaren Unterbrechungsaufruf (non-maskable
interrupt) bereitstellen, schwierig zu implementieren. Ferner würde
eine periodische Integritätsprüfung eine erhebliche
Prozessorbelastung hervorrufen und die Leistungsaufnahme des Geräts erhöhen.
Dies ist besonders bei Mobilgeräten ein Problem, weil solche
Geräte begrenzte Prozessorressourcen und eine begrenzte
Batteriekapazität aufweisen. Ein weiteres Problem in Verbindung
mit allen Arten von Integritätsprüfungen ist,
dass der Software, die die Integritätsprüfung
implementiert, vertraut werden muss, und dass diese Software in
einem nicht-veränderbaren Speicher wie beispielsweise einem
ROM gespeichert sein muss.
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AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik
zum Schutz der Integrität von programmierten elektronischen
Geräten bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der
Erfindung, eine Technik zum Verhindern von Angriffen bereitzustellen,
bei denen unberechtigte Daten – wobei die Daten Programmcode
und/oder andere Informationen sind – in einem programmierbaren
Speicher eines Geräts gespeichert werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche
definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen
optionale Merkmale einiger Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Grundidee, einen Datenschreibpfad
eines programmierbaren Speichers mit einer Entschlüsselungseinheit
auszustatten. Zumindest ein geschütztes Speicherfeld – und
in einigen Ausführungsformen der gesamte programmierbare
Speicher – ist nur über diese Entschlüsselungseinheit
programmierbar. Mit anderen Worten müssen, um Daten in
das geschützte Speicherfeld zu schreiben, die Daten verschlüsselt werden,
bevor sie an den Datenschreibpfad angelegt werden. Die Entschlüsselungseinheit
entschlüsselt dann die verschlüsselten Daten und
liefert die entschlüsselten Daten an das geschützte
Speicherfeld, wo die Daten in entschlüsselter Form, d.
h. als Klartext-Daten, gespeichert werden. Natürlich muss
die Verschlüsselung zu der von der Entschlüsselungseinheit
ausgeführten Entschlüsselung passen, wenn die
gewünschten Klartext-Daten in das Speicherfeld eingeschrieben
werden sollen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sicher, dass nur dann eine brauchbare
Veränderung des Inhalts des mindestens einen geschützten
Speicherfeldes möglich ist, wenn eine geeignet verschlüsselte
Fassung der Klartext-Daten, die in den Speicher geschrieben werden
sollen, verfügbar ist. Ein Angreifer, der keinen Zugriff
auf die erforderlichen Informationen zum Herstellen dieser verschlüsselten
Fassung hat, kann den Speicherinhalt nicht auf sinnvolle Weise verändern.
Es könnte für den Angreifer immer noch möglich
sein, Daten in den Speicher zu schreiben, aber diese Daten – die
das Ergebnis des in dem Datenschreibpfad ausgeführten Entschlüsselungsvorgangs
sind – werden im Wesentlichen zufällige Informationen
sein und können leicht erkannt werden. Beispielsweise werden
diese Daten kein ausführbarer Programmcode sein. Nur eine
autorisierte Stelle, die Zugriff auf den geheimen Schlüssel
und andere beim Entschlüsselungsvorgang verwendete Informationen
hat, kann die erforderliche verschlüsselte Fassung der
Daten erzeugen.
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In
dem vorliegenden Dokument umfasst der Begriff ”Daten” alle
Informationen, die in dem programmierbaren Speicher gespeichert
werden. Beispielsweise können solche Daten Programmcodes zur
Ausführung durch eine Zentraleinheit (CPU) oder andere
in dem programmierbaren Speicher gespeicherte Informationen sein.
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In
manchen Ausführungsformen der Erfindung besteht für
den Datenlesevorgang keinerlei Leistungseinbuße, weil in
dem Speicher die Klartext-Daten gespeichert sind und auf diese leicht
zugegriffen werden kann. In diesen Ausführungsformen ist
der Datenlesepfad frei von jedweden kryptographischen Verarbeitungselementen.
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Das
Schreiben von Daten in den Speicher bedingt eine Entschlüsselung
und erfordert deshalb gewisse Verarbeitungszeit. In manchen Ausführungsformen
wird diese Verarbeitung jedoch nebenläufig mit dem Schreibvorgang
in den physischen Speicher ausgeführt. Je nach der verwendeten
Speichertechnologie kann die Geschwindigkeit des Schreibvorgangs
in den physischen Speicher tatsächlich in manchen Ausgestaltungen
der limitierende Faktor sein. Ferner wird, wenn die Erfindung zum Beschreiben
von Blöcken aufeinanderfolgender Speicherzellen verwendet
wird – wie beispielsweise, wenn eine Software-Aktualisierung
ausgeführt wird –, in manchen Ausführungsformen
für eine effiziente Entschlüsselung gesorgt, indem
ein Block-Verarbeitungsmodus verwendet wird.
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In
manchen Ausführungsformen werden die Entschlüsselung – und
die entsprechende Verschlüsselung, wenn die verschlüsselten
Daten erzeugt werden – durch ein symmetrisches Verfahren
mit einem geheimen Schlüssel ausgeführt. Dieser
geheime Schlüssel kann in einem reservierten Speicher für den
Entschlüsselungsschlüssel gespeichert werden, der
nur von der Entschlüsselungseinheit gelesen werden kann.
Es versteht sich, dass diejenige Stelle, die die verschlüsselten
Daten erzeugt – wie beispielsweise eine externe Datenquelle – auch
Zugriff auf den geheimen Schlüssel haben muss. Beispielsweise
kann in manchen Ausgestaltungen der Erfindung der geheime Schlüssel
auch in einer externen Datenbank gespeichert sein.
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Das
elektronische Gerät gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann ein Mobilgerät und/oder
ein Kommunikationsgerät und/oder ein eingebettetes Gerät
und/oder ein Authentifizierungsgerät sein. Beispiele eines
Authentifizierungsgeräts sind ein SIM (subscriber identity
module = Teilnehmerkennungsmodul) oder eine RFID-Marke oder ein
RFID-Gerät.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale, Aufgabe und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus einem
Studium der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit
den beigefügten Zeichnungen, in denen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild eines Geräts nach einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, mit
einem programmierbaren Speicher und einer externen Datenquelle,
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2 ein
Sequenzdiagramm ist, das einen Speicherschreibzugriff und einen
Speicherlesezugriff in dem Gerät von 1 zeigt,
und
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3 ein
schematisches Blockschaltbild wie in 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein Beispiel eines Geräts 10 mit einer Steuereinheit 12 und
einer Speichereinheit 14. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Gerät 10 ein Mobiltelefon, die Steuereinheit 12 ist eine
integrierte Basisband-Schaltung, und die Speichereinheit 14 ist
eine integrierte Flash-Speicher-Schaltung. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch nicht auf das Gebiet der Mobiltelefone beschränkt. Die
Erfindung ist für alle Arten programmierter elektronischer
Geräte anwendbar, die einen gewissen Grad von Schutz gegen
die Ausführung unberechtigter Software und/oder gegen eine
unberechtigte Veränderung von darin gespeicherten Daten
bieten sollen. Solche Geräte umfassen, ohne Einschränkung, mobile
Kommunikationsgeräte, Medienwiedergabegeräte,
eingebettete Systeme, Geräte zur Verwendung in Kraftfahrzeugen
und zur medizinischen Verwendung, externe Speichergeräte,
Authentifizierungsgeräte und so weiter. Je nach seiner
Art kann das Gerät 10 weitere Bestandteile wie
beispielsweise eine Stromversorgung, Ein- und Ausgabeelemente, eine
Hochfrequenzeinheit und so weiter aufweisen. Diese weiteren Bestandteile
sind in 1 nicht gezeigt.
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Die
Steuereinheit 12 umfasst eine CPU (central processing unit
= zentrale Verarbeitungseinheit) 16, die über
einen internen Speicherzugriffspfad 20 mit einer Speicherschnittstelle 18 verbunden
ist. Die Steuereinheit 12 umfasst allgemein eine Anzahl
weiterer integrierter Bestandteile, die in 1 nicht
gezeigt sind. Beispielsweise können diese weiteren Bestandteile
einen integrierten Speicher, einen digitalen Signalprozessor und
so weiter enthalten.
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Die
Speichereinheit 14 des Geräts 10 umfasst
eine interne Speichersteuerung 22 und einen programmierbaren
Speicher 24. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der programmierbare Speicher 24 ein Flash-Speicher
mit einer großen Anzahl von Flash-Speicherzellen, die in
einer Mehrzahl von Sektoren angeordnet sind. Es versteht sich jedoch,
dass der programmierbare Speicher 24 auch in einer anderen
Technologie ausgestaltet sein kann, wie beispielsweise als EEPROM
oder FRAM. Der programmierbare Speicher 24 ist in vielen
Ausführungsbeispielen ein nicht-flüchtiger Speicher,
aber die Erfindung ist nicht auf nicht-flüchtige Speicher
beschränkt.
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Die
Steuereinheit 12 und die Speichereinheit 14 sind über
einen Adressbus 26 und einen Datenbus 28 verbunden.
Genauer verlaufen der Adressbus 26 und der Datenbus 28 zwischen
der Speicherschnittstelle 18 der Steuereinheit 12 und
der internen Speichersteuerung 22 der Speichereinheit 14.
Der Adressbus 26 und der Datenbus 28 umfassen Adress-
und Datenleitungen sowie Steuerleitungen zum Steuern des Datenaustauschs
zwischen der Steuereinheit 12 und der Speichereinheit 14.
Die interne Speichersteuerung 22 dekodiert Speicheradressen,
die über den Adressbus 26 eintreffen, und steuert
alle Vorgänge in der Speichereinheit 14. Diese
Vorgänge werden unten ausführlich beschrieben.
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Der
programmierbare Speicher 24 wird über den Datenschreibpfad 30 programmiert;
letzterer verläuft von der internen Speichersteuerung 22 zum
programmierbaren Speicher 24. Der Datenschreibpfad 30 umfasst
eine Entschlüsselungseinheit 32, einen Speicher 34 für
einen Entschlüsselungsschlüssel und einen Speicher 36 für
einen Initialisierungsvektor. Die Entschlüsselungseinheit 32 erhält
verschlüsselte Daten ED von der internen Speichersteuerung 22,
entschlüsselt die Daten, um Klartext-Daten PD – d.
h., entschlüsselte Daten – zu erhalten, und liefert die
Klartext-Daten PD an den programmierbaren Speicher 24,
damit sie dort gespeichert werden.
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Der
Speicher 34 für den Entschlüsselungsschlüssel
und der Speicher 36 für den Initialisierungsvektor
enthalten einen Entschlüsselungsschlüssel K und
einen Initialisierungsvektor IV, die bei dem Entschlüsselungsvorgang
verwendet werden. Bei dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind die Speicher 34, 36 als ein einziges Mal
programmierbare Speicher (OTP-Speicher = one time programmable memories)
implementiert, die nur von der Entschlüsselungseinheit 32 ausgelesen
werden können. Der Entschlüsselungsschlüssel
K und der Initialisierungsvektor IV werden zum Zeitpunkt der Herstellung
des Geräts 10 in diese Speicher 34, 36 einprogrammiert.
Es versteht sich, dass andere Speicherkonfigurationen möglich
sind, wenn nur der Entschlüsselungsschlüssel K
und der Initialisierungsvektor IV von einem Angreifer nicht geändert
werden können und sie, außer von der Entschlüsselungseinheit 32,
nicht ausgelesen werden können. Beispielsweise können
die Speicher 34, 36 als ein Abschnitt des programmierbaren
Speichers 24 oder als ein Abschnitt im RAM-Speicher, der
beim Hochfahren des Geräts 10, gesteuert von einer
ROM-basierten Startroutine, initialisiert wird, implementiert werden.
Bei solchen Ausführungsbeispielen müssen geeignete Vorkehrungen
getroffen werden, um sicherzustellen, dass nur die ROM-basierte
Startroutine in die Speicher 34, 36 schreiben
kann.
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Die
Entschlüsselungseinheit 32 führt den Entschlüsselungsvorgang
gemäß irgendeinem Verfahren aus einer Anzahl kryptographischer
Verfahren aus, die als solche im Stand der Technik bekannt sind.
In vielen Ausführungsbeispielen wird ein symmetrisches
Block-Ver-/Entschlüsselungsverfahren verwendet, aber die
Erfindung ist nicht auf symmetrische Verfahren oder auf Block-Ver-/Entschlüsselungsverfahren
beschränkt. Beispiele geeigneter Verfahren sind die gut
bekannten AES-, IDEA-, DES- und 3DES-Verfahren. Diese Verfahren
werden vorzugsweise in einer Block-Betriebsweise wie beispielsweise
der ECB-Block-Betriebsweise oder der CBC-Block-Betriebsweise für
DES verwendet. Es versteht sich, dass bei einem symmetrischen Verfahren
kein Unterschied zwischen den Verschlüsselungs- und den
Entschlüsselungsschritten besteht. Dennoch wird im vorliegenden
Dokument der Begriff ”Entschlüsselung” verwendet,
um deutlich zu machen, dass die Entschlüsselungseinheit 32 die
verschlüsselten Daten ED erhält und die Klartext-Daten PD
an den programmierbaren Speicher 24 ausgibt.
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In
vielen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
werden die verschlüsselten Daten ED während oder
im Zusammenhang mit dem Vorgang des Einschreibens der sich ergebenden
Klartext-Daten PD in den programmierbaren Speicher 24 entschlüsselt.
Das Schreiben von Daten in einen Flash-Speicher oder einen anderen
nicht-flüchtigen Speicher ist wegen physischer Einschränkungen
relativ langsam. Daher braucht, wenn die Entschlüsselung
und der Schreibvorgang nebenläufig ausgeführt werden,
die Entschlüsselung in vielen Ausführungsbeispielen
keinerlei zusätzliche Zeit, über die Zeit hinaus,
die auf jeden Fall für den Vorgang des Einschreibens der
Daten in den Speicher benötigt wird. Auch wenn in vielen
Ausführungsbeispielen die Zeiteigenschaften des Entschlüsselungsvorgangs
unkritisch sind, gibt es auch Ausführungsbeispiele, bei
denen ein geeigneter Puffer – z. B. eine FIFO-Schlange – in
der internen Speichersteuerung 22 und/oder dem Datenschreibpfad 30 vorgesehen
sind, um eventuelle Zeitbeschränkungen zu entkoppeln.
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In
vielen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung zum Aktualisieren
von Software verwendet, die in dem programmierbaren Speicher 24 gespeichert
ist. Dies beinhaltet einen sequenziellen Schreibvorgang in aufeinanderfolgende
Speicherzellen des programmierbaren Speichers 24. Die entsprechende
Entschlüsselung in der Entschlüsselungseinheit 32 verursacht
wenig zusätzlichen Aufwand, insbesondere wenn eines der
oben genannten Block-Betriebsverfahren verwendet wird.
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Die
Daten werden über den Datenlesepfad 38, der den
programmierbaren Speicher 24 mit der internen Speichersteuerung 22 verbindet,
aus dem programmierbaren Speicher 24 ausgelesen. In dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel enthält der Datenlesepfad 38 keinerlei
kryptographische Elemente und gibt daher alle Daten – beispielsweise
die Klartext-Daten PD – so aus, wie sie in dem programmierbaren
Speicher 24 gespeichert sind. Weil keine komplexen Datenmanipulationsschritte
stattfinden, werden die Zeiteigenschaften des Lesevorgangs nur durch
den programmierbaren Speicher 24 bestimmt. Mit anderen
Worten erzielt das vorliegende Ausführungsbeispiel den
gewünschten Manipulationsschutz ohne irgendeine Leistungseinbuße
bei Speicher-Lesevorgängen. Dies trifft sowohl für
sequentielle Lesevorgänge als auch für Lesevorgänge
mit wahlfreiem Zugriff zu.
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Die
interne Speichersteuerung 22 ist ferner dazu eingerichtet,
Teile des programmierbaren Speichers 24 durch das Anlegen
geeigneter Signale an eine Löschsignalleitung 40 zu
löschen. Die Löschfunktion wird verwendet, um
einen Datenschreibvorgang auf eine bei Flash-Speichern übliche
Weise vorzubereiten.
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1 zeigt
ein geschütztes Speicherfeld 42 des programmierbaren
Speichers 24, in das die Klartext-Daten PD eingeschrieben
werden. In manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung
werden nur Teile des programmierbaren Speichers 24 gegen
unberechtigte Veränderung geschützt, während
andere Teile – außerhalb des geschützten
Speicherfeldes 42 – ohne jeden Schutz beschreibbar
sind. Beispielsweise können Schreibvorgänge in
Speicherzellen außerhalb des geschützten Speicherfeldes 42 die
Entschlüsselungseinheit 32 innerhalb des Datenschreibpfades 30 umgehen,
oder sie können einen zusätzlichen, direkten Schreibpfad
(nicht gezeigt) verwenden. In anderen Ausführungsbeispielen
der Erfindung bestehen jedoch keine ungeschützten Speicherbereiche,
so dass das geschützte Speicherfeld 42 den gesamten
programmierbaren Speicher 24 umfasst.
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Manche
Ausführungsbeispiele der Erfindung können mehr
als ein geschütztes Speicherfeld 42 innerhalb
des programmierbaren Speichers 24 aufweisen. Die Größe
und die Anordnung des einen oder der mehreren geschützten
Speicherfelder 42 können fest vorgegeben oder
einstellbar sein. Beispielsweise kann in manchen Ausführungsbeispielen
die Speichereinheit 14 ein Register (nicht gezeigt) enthalten, das
diejenigen Bereiche – z. B. Sektoren oder Sektorgruppen – des
programmierbaren Speichers 24 bestimmt, die in dem einen
oder den mehreren geschützten Speicherfeldern 42 enthalten
oder davon ausgenommen sein sollen. Dieses Register kann beispielsweise
als ein nur ein einziges Mal pro grammierbarer Speicher (OTP-Speicher)
ausgebildet sein, und es kann zum Zeitpunkt der Herstellung des
Geräts 10 programmiert werden.
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Die
Möglichkeit, bestimmte Bereiche des programmierbaren Speichers 24 aus
dem Schutzverfahren der vorliegenden Erfindung auszunehmen, ist bei
Ausführungsbeispielen nützlich oder notwendig, in
denen beispielsweise die Speichereinheit 14 irgendeine
Art eines Flash-Dateisystems (FFS = Flash file system) zum Speichern
von persistenten Daten enthält. In derartigen Ausführungsbeispielen
muss es der Steuereinheit 12 und/oder der internen Speichersteuerung 22 möglich
sein, Verwaltungsdaten des Dateisystems in den programmierbaren
Speicher 24 einzuschreiben. Weil jedoch in vielen Ausführungsbeispielen
die Steuereinheit 12 und/oder die interne Speichersteuerung 22 nicht
auf den Schlüssel K zugreifen kann und daher die Verwaltungsdaten
nicht verschlüsseln kann, muss es einen nicht-geschützten
Abschnitt des programmierbaren Speichers 24 geben, in den
die Verwaltungsdaten frei eingeschrieben werden können.
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Insgesamt
können das eine oder die mehreren geschützten
Speicherfelder 42 des programmierbaren Speichers 24 nur
dann in sinnvoller Weise verändert werden, wenn eine verschlüsselte
Fassung der Daten, die in den programmierbaren Speicher 24 eingeschrieben
werden sollen, verfügbar ist. Zum Erzeugen dieser verschlüsselten
Fassung müssen das kryptographische Verfahren, der Schlüssel
K und der Initialisierungsvektor IV bekannt sein. Weil in dem vorliegend
beschriebenen Ausführungsbeispiel ein symmetrisches Ver-/Entschlüsselungsverfahren
verwendet wird, werden der gleiche Schlüssel K und Initialisierungsvektor
IV sowohl für die Verschlüsselung als auch für
die spätere Entschlüsselung verwendet. Mit anderen
Worten müssen der Schlüssel K und der Initialisierungsvektor
IV, die in den Speichern 34, 36 enthalten sind,
auch beim Erzeugen der verschlüsselten Daten ED verfügbar
sein.
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Es
sind Ausführungsbeispiele möglich, bei denen die
Steuereinheit 12 oder ein anderer Bestandteil des Geräts 10 auf
den Schlüssel K und den Initialisierungs vektor IV zuzugreifen
vermag. Bei derartigen Ausführungsbeispielen wäre
es möglich, geeignet verschlüsselte Daten ED innerhalb
des Geräts 10 zu erzeugen. Bei solchen Ausführungsbeispielen könnte
jedoch die Sicherheit, wenn das Gerät 10 manipuliert
wird oder wenn missbräuchliche Software von dem Gerät 10 ausgeführt
wird, weniger als optimal sein. Demzufolge gibt es in vielen anderen
Ausführungsbeispielen keinerlei Vorkehrungen innerhalb des
Geräts 10, um Daten, die in den programmierbaren
Speicher 24 eingeschrieben werden sollen, zu verschlüsseln.
Bei derartigen Ausführungsbeispielen muss das Gerät 10 die
verschlüsselten Daten ED von einer externen Datenquelle 44 erhalten,
beispielsweise von einem externen Dienstanbieter oder einem Betreiber
eines Mobilnetzes oder einem autorisierten Servicecenter.
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1 zeigt
ein Beispiel der externen Datenquelle 44, die die verschlüsselten
Daten ED über einen Kommunikationspfad 46 an das
Gerät 10 sendet. Der Kommunikationspfad 46 kann
ein Kanal zur drahtlosen Kommunikation oder eine drahtgebundene
Datenübertragungsverbindung sein. Die externe Datenquelle 44 umfasst
eine Verschlüsselungseinheit 48, die ein kryptographisches
Verfahren implementiert, das dem der Entschlüsselungseinheit 32 entspricht.
Die Verschlüsselungseinheit 48 erhält
die zu verschlüsselnden Klartext-Daten PD von einem Dateisystem 50,
und sie erhält den Schlüssel K und den Initialisierungsvektor
IV von einer Datenbank 52.
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Beispielsweise
kann die Datenbank 52 für jedes Gerät 10,
das jemals hergestellt worden ist, einen individuellen Datensatz
enthalten, wobei jeder Datensatz den Schlüssel K und den
Initialisierungsvektor IV des Geräts 10 sowie
andere Verwaltungsinformationen enthält. Die Seriennummer
des Geräts 10 und andere geeignete Identifizierungsdaten
können als Index zum Zugriff auf diese Informationen dienen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Datenbank 52 weniger
Datensätze enthalten, wie z. B. nur einen einzigen Datensatz
für jede Fertigungsreihe oder sogar nur einen einzigen
Datensatz für jeden Typ des Geräts 10.
Das Bestehen einer breiten Spanne von Schlüsseln K stellt
sicher, dass Softwareaktualisierungen den verschiedenen Geräten 10 korrekt
zugeordnet werden und steigert auch die Gesamtsicherheit des Schutzverfahrens,
falls einer der Schlüssel K kompromittiert wird. Die Erfindung
umfasst jedoch auch Ausführungsbeispiele, bei denen nur
ein einziger Schlüssel K und/oder ein einziger Initialisierungsvektor
IV verwendet werden. Bei derartigen Ausführungsbeispielen
ist keine Datenbank 52 erforderlich.
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Der
Schlüssel K muss geheim gehalten werden, um sicherzustellen,
dass ein unberechtigter Angreifer keine passend verschlüsselte
Fassung irgendwelcher nicht-autorisierter Daten zur Speicherung
in dem geschützten Speicherfeld 42 erzeugen kann.
Das vorliegend beschriebene Ausführungsbeispiel ist in
dieser Hinsicht besonders gut geschützt, weil der Schlüssel
K weder Teil irgendeiner Software des Geräts 10,
die durch einen Angreifer überwacht oder analysiert werden
könnte, ist, noch eine solche Software 10 auf
den Schlüssel K zugreifen kann. Insbesondere ist der Speicher 34 für
den Entschlüsselungsschlüssel nur mit der Entschlüsselungseinheit 32 verbunden
und kann weder von der Steuereinheit 12 noch von irgendeiner
anderen Einheit des Geräts 10 ausgelesen werden.
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Um
den Schlüssel K geheim zu halten, sollte das von der Entschlüsselungseinheit 32 verwendete Entschlüsselungsverfahren
die Eigenschaft haben, dass auch dann keine nützlichen
Informationen über den Schlüssel K erhalten werden
können, wenn mehrere Entschlüsselungsvorgänge
beobachtet werden, d. h., Paare von verschlüsselten Daten
ED und entsprechenden Klartext-Daten DP bekannt sind. Die oben erwähnten
Ver-/Entschlüsselungsverfahren und andere bekannte Ver-/Entschlüsselungsverfahren
sind in dieser Hinsicht geeignet.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen verwendet die Entschlüsselungseinheit 32 einen
abgeleiteten Schlüssel DK statt des in dem Speicher 34 für den
Entschlüsselungsschlüssel enthaltenen Schlüssels
K. Der abgeleitete Schlüssel DK kann von dem gespeicherten
Schlüssel K durch irgendein Verfahren erhalten werden,
und bei diesem Vorgang können weitere Informationen in
den abgeleiteten Schlüssel DK aufgenommen werden. Beispielsweise
kann der abgeleitete Schlüssel DK erhalten werden, indem eine
kryptographische Hash-Funktion CH auf den gespeicherten Schlüssel
K und eine Adresse ADR des Speicherschreibvorgangs wie folgt angewendet
wird: DK = CH(K, ADR)
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Es
versteht sich, dass der gleiche abgeleitete Schlüssel DK
auch verwendet werden muss, wenn die verschlüsselten Daten
ED erzeugt werden.
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Die
Verwendung eines abgeleiteten Schlüssels DK, wie beispielsweise
dem oben beschriebenen, steigert die Sicherheit des Verfahrens gegen Manipulationen
weiter, weil für Speicherschreibvorgänge an jede
Adresse ein unterschiedlicher Schlüssel verwendet wird.
Auch wenn es einem Angreifer gelingt, einen der abgeleiteten Schlüssel
DK auszuspähen, ist dieser für spätere
Schreibvorgänge an andere Speicheradressen nutzlos.
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In
einigen Ausführungsbeispielen werden nicht nur der Schlüssel
K, sondern auch der Initialisierungsvektor IV geheim gehalten. Dies
ist jedoch in kryptographischer Hinsicht nicht unbedingt erforderlich,
und demgemäß gibt es auch Ausführungsbeispiele,
bei denen der Initialisierungsvektor IV kein geheimer Wert ist.
Beispielsweise wird in manchen Ausführungsbeispielen eine
eindeutige Seriennummer des Geräts 10 als Initialisierungsvektor
IV verwendet.
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Im
Allgemeinen gibt es mehrere mögliche Arten zur Individualisierung
des Initialisierungsvektors IV, und in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der
Erfindung kann jede dieser Arten verwenden werden. Beispielsweise
kann der Initialisierungsvektor IV die einzelnen Geräte 10 individuell
kennzeichnen – wie in dem im vorherigen Absatz angeführtem
Beispiel –, oder er kann die einzelnen Benutzer individuell
kennzeichnen, oder er kann die einzelnen Schreibvorgänge
individuell kennzeichnen. In manchen Ausführungsbeispielen
kann der Initialisierungsvektor IV von einer Adresse des Speicherschreibvorgangs,
beispielsweise der Startsektoradresse, abhängen oder identisch
mit der Adresse sein.
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2 zeigt
eine beispielhafte Ablaufsequenz, die die Schritte des Einschreibens
von Daten in den programmierbaren Speicher 24 und des Auslesens
von Daten aus dem programmierbaren Speicher 24 umfasst.
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Wenn
die in dem programmierbaren Speicher 24 gespeicherten Daten – beispielsweise
Anwendungssoftware – aktualisiert werden sollen, führt die
externe Datenquelle 44 einen Schritt 54 des Erzeugens
der verschlüsselten Daten ED aus, wobei die neuen Klartext-Daten
PD und geeignete Werte für den Entschlüsselungsschlüssel
K und den Initialisierungsvektor IV verwenden werden, wie oben beschrieben.
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In
Schritt 56 werden die entschlüsselten Daten ED über
den Kommunikationspfad 46 an das Gerät 10 – genauer,
an seine Steuereinheit 12 – übertragen. 2 zeigt
ein Beispiel eines Befehls AKTUALISIERE (ADR, ED), der das Gerät 10 dazu
anweist, einen Aktualisierungsvorgang auszuführen, und
der die Aktualisierungs-Startadresse ADR und die verschlüsselten
Daten ED enthält. In Schritt 58 leitet die Steuereinheit 12 diese
Informationen mit einem Schreibbefehl SCHREIBE (ADR, ED) an die
Speichereinheit 14 – genauer, an die interne Speichersteuerung 22 – weiter.
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In
Reaktion auf den Eingang des Schreibbefehls SCHREIBE (ADR, ED) führt
die interne Speichersteuerung 22 die zur Programmierung
des programmierbaren Speichers 24 erforderlichen Schritte aus.
Zunächst werden in Schritt 60 einer oder mehrere
Sektoren des programmierbaren Speichers 24 gelöscht.
Dann werden in Schritt 62 die einzuprogrammierenden verschlüsselten
Daten ED durch die Entschlüsselungseinheit 32 im
Datenschreibpfad 30 geleitet, so dass die tatsächlichen
Klartext-Daten PD in das geschützte Speicherfeld 42 geschrieben
werden. Die Schritte 60 und 62 können
so oft wie erforderlich wiederholt werden, wenn weitere Daten in
den programmierbaren Speicher 24 eingeschrieben werden sollen;
diese Möglichkeit ist in 2 durch
einen gestrichelten Pfeil 64 gezeigt.
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Nach
der Beendigung des Aktualisierungsvorgangs enthält das
geschützte Speicherfeld 42 die Klartext-Daten
PD. Diese Daten können nun in üblicher Weise ausgelesen
werden. Beispielsweise kann ein Speicherlesebefehl LESE (ADR) in
Schritt 66 von der Steuereinheit 12 ausgegeben
werden. Die interne Speichersteuerung 22 führt
in Schritt 68 einen entsprechenden Speicherlesevorgang
aus. In Schritt 70 gibt der programmierbare Speicher 24 die
Klartext-Daten PD über den Datenlesepfad 38 an
die interne Speichersteuerung 22 aus. Schließlich
leitet die interne Speichersteuerung 22 die Klartext-Daten
PD in Schritt 72 an die Steuereinheit 12 weiter.
Beispielsweise können die Klartext-Daten PD Anwendungsprogrammcode
sein, der von der CPU 16 der Steuereinheit 12 ausgeführt
wird.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind
alle Elemente der Speichereinheit 14 in einem einzigen
Halbleiterchip oder einem einzigen Halbleiterbauteil integriert.
Insbesondere sind die Entschlüsselungseinheit 32,
der programmierbare Speicher 24 und die Leitungen, durch
die die Klartext-Daten PD in den Speicher 24 einprogrammiert
werden, alle in diesem Halbleiterchip oder Halbleiterbauteil enthalten. Diese
Konfiguration sorgt für besonders guten Schutz gegen körperliche
Angriffe, bei denen versucht wird, die Entschlüsselungseinheit 32 dadurch zu
umgehen, dass Datenschreibleitungen direkt an den programmierbaren
Speicher 24 angeschlossen werden.
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3 zeigt
eine Ausführungsalternative, bei der die Entschlüsselungseinheit 32 und
die zugeordneten Elemente des Datenschreibpfades 30 in
der Steuereinheit 12 integriert sind. Ferner sind die Speicherschnittstelle 18 und
die interne Speichersteuerung 22 des Ausführungsbeispiels
gemäß 1 bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 in eine kombinierte Speichersteuerung 74 integriert.
Ein Vorteil des Ausführungsbeispiels gemäß 3 ist,
dass die Speichereinheit 14 eine übliche Speichervorrichtung wie
beispielsweise ein Flash-Speicherchip sein kann. Ferner kann die
Steuereinheit 12 so ausgeführt sein, dass die
CPU 16 und die Entschlüsselungseinheit 32 gemeinsame
Elemente wie beispielsweise arith metische oder logische Verarbeitungseinheiten
gemeinsam nutzen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sollte
dafür gesorgt werden, dass ein Angreifer keine Datenschreibleitungen
physisch unmittelbar an die Speichereinheit 14 anschließen
kann.
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Insgesamt
schützt die vorliegende Erfindung die in dem geschützten
Speicherfeld 42 des programmierbaren Speichers 24 enthaltenen
Daten gegen unberechtigte Veränderung. Wenn die geschützten Daten
Software umfassen, die auf dem Gerät 10 ausgeführt
werden soll, dann kann diese Software ohne irgendeine Integritätsüberprüfung
als vertrauenswürdig angesehen werden. Es versteht sich,
dass geeignete Vorkehrungen gegen mögliche Angriffe getroffen
werden sollten, die ein physisches Entfernen – beispielsweise
ein Entlöten – oder einen Austausch der Speichereinheit 14 beinhalten.
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Die
in der obigen Beschreibung von Ausführungsbeispielen enthaltenen
Einzelheiten sollen nicht als Einschränkungen des Bereichs
der Erfindung angesehen werden, sondern vielmehr als beispielhafte Veranschaulichungen
einiger Ausführungsbeispiele. Demgemäß soll
der Bereich der Erfindung nicht durch die veranschaulichten Ausführungsbeispiele bestimmt
werden, sondern durch die angehängten Ansprüche
und ihre rechtlichen Äquivalente.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Vorrichtung enthält einen programmierbaren Speicher (24),
einen Datenschreibpfad (30) zum Einschreiben von Daten
in den Speicher (24) und einen Datenlesepfad (38)
zum Lesen von Daten aus dem Speicher (24). Der Speicher
(24) weist zumindest ein geschütztes Speicherfeld
(42) auf. Der Datenschreibpfad (30) enthält
eine Entschlüsselungseinheit (32), die dazu eingerichtet
ist, verschlüsselte Daten (ED) zu empfangen, die verschlüsselten Daten
(ED) zu entschlüsseln und die sich ergebenden Klartext-Daten
(PD) in das mindestens eine geschützte Speicherfeld (42)
einzuschreiben. Der Datenlesepfad (38) ist dazu eingerichtet,
die in dem geschützten Speicherfeld (42) gespeicherten
Klartext-Daten (PD) auszulesen. Das mindestens eine geschützte
Speicherfeld (42) ist nur beschreibbar, indem die in das
mindestens eine geschützte Speicherfeld (42) einzuschreibenden
Daten in verschlüsselter Form an den Datenschreibpfad (30)
angelegt werden. Die Erfindung umfasst ferner ein elektronisches Gerät
(10), eine externe Datenquelle (44), ein Verfahren
zum Zugriff auf den programmierbaren Speicher (24), und
ein Verfahren zum Bereitstellen einer Aktualisierung an ein elektronisches
Gerät (10). Die Erfindung liefert eine Technik
zum Schutz der Integrität des elektronischen Geräts
(10), indem Angriffe verhindert werden, bei denen unberechtigte
Daten – wobei die Daten Programmcode und/oder andere Informationen
sind – in dem programmierbaren Speicher (24) gespeichert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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