DE3922642A1 - Verfahren zur verschluesselten datenuebertragung - Google Patents

Verfahren zur verschluesselten datenuebertragung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur verschlüsselten Übertragung von Daten zwischen zwei Teilnehmern A und B.
Dabei sind die Geräte zur Ver- bzw. Entschlüsselung der Daten bei den Teilnehmern A und B zwischen deren Datenendeinrichtung und Datenübertragungseinrichtung (Modem) geschaltet und mit diesen über Schnittstellen, beispielsweise gemäß CCITT V.25 bis, oder anderen logisch entsprechenden, verbunden.
Diese Schnittstelle ist zwar wahlfähig, d.h. es kann die Rufnummer eines gewünschten Partners zwecks Verbindungsaufbau von der Datenendeinrichtung an das Schlüsselgerät bzw. die Datenübertragungseinrichtung übergeben werden; der jeweilige Partner kann aber nicht sicher authentisiert werden.
Diese Tatsache ermöglicht es einem Angreifer X, bei der Vereinbarung einen "back-to-back" Angriff durchzuführen, so in den Besitz der geheimen Schlüssel zu kommen und den anschließend ablaufenden verschlüsselten Datenaustausch zu entschlüsseln und mitzuverfolgen.
Dabei geht der Angreifer folgendermaßen vor:
Zuerst muß der Angreifer die Anschlußleitung eines der beiden Teilnehmer z.B. A aufgetrennt und seine eigene Apparatur dazwischengeschaltet haben.
Wenn nun A eine Verbindung zu B aufbauen will, behauptet der Angreifer gegenüber A, B zu sein und baut seinerseits eine Verbindung zu B auf, dem er sich als A vorstellt. A meint nun, mit B einen geheimen Schlüssel zu vereinbaren, vereinbart diesen aber in Wirklichkeit mit dem Angreifer, während der Angreifer gleichzeitig einen "geheimen" Schlüssel mit B vereinbart. Da der Angreifer nun beide "geheime" Schlüssel kennt, kann er bei dem anschließenden Datenaustausch die von A kommenden Daten entschlüsseln, verstehen, neu verschlüsseln und B zuleiten, ohne daß A und B etwas davon bemerken. Für die entgegengesetzte Richtung, von B nach A, ist dies natürlich genauso möglich. A und B wähnen sich also sicher, da sie ihre Daten mit einem vermeintlich geheimen Schlüssel verschlüsselt austauschen, trotzdem kann aber der Angreifer die ausgetauschten Daten entschlüsseln und verstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, diese aufgezeigte Möglichkeit und Gefahr sicher zu verhindern und so den verschlüsselten Datenaustausch samt gegenseitiger Schlüsselvereinbarung wieder sicher zu machen. Bei der Erfindung wird ein asymmetrisches Schlüsselverfahren wie das bekannte RSA-Schlüsselverfahren benutzt. Lösungen der Aufgabe werden in den Ansprüchen beschrieben.
Der Ablauf der Schlüsselvereinbarung ist in Fig. 1 dargestellt. Hierbei wird angenommen, daß ein Teilnehmer A über ein Wählnetz eine verschlüsselte Verbindung mit einem Teilnehmer B aufbauen will. Alle Geräte und Informationen die zu Teilnehmer A gehören sind in Fig. 1 mit dem Index A gekennzeichnet, entsprechend alles, was zu Teilnehmer B gehört, mit dem Index B. Außerdem gibt es noch Informationen, die von einer dritten, neutralen und vertrauenswürdigen Instanz (Zentrale oder zertifizierende Stelle) stammen. Diese sind durch den Index Z gekennzeichnet.
Jeder Teilnehmer hat u.a. eine Datenendeinrichtung DEE und eine "Informations-Schutz-Einrichtung" ISE, die zwischen die Datenendeinrichtung und die Übertragungsstrecke geschaltet ist.
Jeder Teilnehmer hat in seiner Informations-Schutz-Einrichtung außerdem folgende Informationen gespeichert; wie sie dorthin kommen, wird später behandelt:
  • - Einen geheimen RSA Schlüssel SA bzw. SB.
  • - Den zugehörigen öffentlichen RSA-Schlüssel PA bzw. PB.
  • - Seine eigene Adresse (z. B. Rufnummer) RNA bzw. RNB, unter der er vom Netz aus erreichbar ist.
  • - Einen öffentlichen Schlüssel PZ der zertifizierenden Stelle.
  • - Ein von der zertifizierenden Stelle ausgestelltes Zertifikat, das wie folgt aufgebaut ist:
    Eine Verknüpfung der eigenen Adresse (RNA bzw. RNB) mit dem eigenen öffentlichen Schlüssel (PA bzw. PB), also z. B. die eigene Adresse mit dem eigenen öffentlichen Schlüssel verschlüsselt (PA(RNA) bzw. PB(RNB)), wird zusätzlich mit dem geheimen Schlüssel SZ der zertifizierenden Stelle verschlüsselt und stellt das Zertifikat dar: SZ(PA(RNA)) bzw. SZ(PB(RNB)).
Der Verbindungsaufbau, die Schlüsselvereinbarung und die anschließende verschlüsselte Datenübertragung laufen nun erfindungsgemäß und wie in Fig. 1 dargestellt, in folgenden Stufen ab:
  • 1. Teilnehmer A wählt die Adresse RNB, die an die Informations-Schutz-Einrichtung ISEA weitergegeben und dort abgespeichert wird.
  • 2. Die Informations-Schutz-Einrichtung ISEA baut mittels der eingegebenen Adresse RNB die Verbindung zu Teilnehmer B über das Nachrichtennetz auf.
  • 3. Die Informations-Schutz-Einrichtung ISEA überträgt über die aufgebaute Verbindung zur ISEB nacheinander:
    Ihren eigenen öffentlichen Schlüssel PA, ihre eigene Adresse RNA, ihr Zertifikat, das sie von der zertifizierenden Stelle erhalten hat: SZ(PA(RNA)).
  • 4. Die Informations-Schutz-Einrichtung ISEB verschlüsselt den erhaltenen Wert RNA mit PA PA(RNA).
    Sie entschlüsselt ferner mittels PZ das erhaltene Zertifikat: PZ(SZ(PA(RNA))) = PA(RNA)und prüft, ob die beiden Ergebnisse übereinstimmen. Falls dies nicht der Fall ist, wird der Verbindungsaufbau abgebrochen. Falls die beiden Ergebnisse übereinstimmen, ist damit nachgewiesen, daß der übertragene Schlüssel PA wirklich zu der Adresse RNA gehört und zu keiner anderen. Da nur die zertifizierende Stelle alleine den geheimen Schlüssel SZ besitzt und sonst niemand, konnte das Zertifikat SZ(PA(RNA)) auch nur von dort stammen und nicht gefälscht sein. RNA könnte auf einem Display o. ä. angezeigt werden.
  • 5. Die Informations-Schutz-Einrichtung ISEB macht nun dasselbe wie in Stufe 4.) beschrieben in umgekehrter Richtung, das heißt, sie schickt an die Informations-Schutz-Einrichtung ISEA: PB, RNB, SZ(PB(RNB)).Die Informations-Schutz-Einrichtung ISEA berechnet ebenfalls aus PB und RNBPB(RNB)und mittels PZ aus SZ(PB(RNB))PZ(SZ(PB(RNB))) = PB(RNB)und prüft, ob die beiden Ergebnisse übereinstimmen. Falls nicht, wird die Verbindung wieder ausgelöst bzw. Alarm ausgelöst.
    Falls ja, ist wiederum bewiesen, daß RNB und PB wirklich zusammengehören und somit PB nicht gefälscht sein kann.
  • 6. Die Informations-Schutzeinrichtung des Teilnehmers A vergleicht nun die in Stufe 1.) abgespeicherte Rufnummer RNB mit der in Stufe 5.) übertragenen. Falls beide nicht übereinstimmen, wird wiederum abgebrochen bzw. Alarm ausgelöst.
    Wenn sie aber übereinstimmen, so ist damit erwiesen, daß die Verbindung wirklich direkt zum Teilnehmer B aufgebaut wurde und nicht zu einem anderen und daß auch kein Angreifer (der ja das Zertifikat SZ(PB(RNB)) nicht benutzen kann) sich in die Leitung eingeschleift haben kann.
    Somit kann also wirklich nur der Teilnehmer B alleine die Daten entschlüsseln.
  • 7. Die Informations-Schutz-Einrichtung ISEA generiert auch eine Zufallbitfolge RANDA, die sie einerseits abspeichert und andererseits mit dem erhaltenen PB verschlüsselt: PB(RANDA) und dann zur Informations-Schutz-Einrichtung B überträgt.
  • 8. Die Informations-Schutz-Einrichtung B entschlüsselt PB (RANDA) mit ihrem geheimen Schlüssel SB: SB(PB(RANDA)) = RANDAund erhält somit wieder die Zufallsfolge RANDA, die sie ebenfalls abspeichert.
    Da nur die Informations-Schutz-Einrichtung ISEB über den geheimen Schlüssel SB verfügt, kann nur sie alleine diese Entschlüsselung vornehmen und somit RANDA von der Informations-Schutz-Einrichtung erhalten und sonst niemand.
  • 9. RANDA könnte nun bereits auf beiden Seiten als Übertragungsschlüssel zur Verschlüsselung und Entschlüsselung der zu übertragenden Daten verwendet werden. Es wird aber zur weiteren Erhöhung der Sicherheit empfohlen, die Stufe 8.) auch noch einmal in umgekehrter Richtung mit PA, RANDB und SA zu wiederholen und dann als Übertragungsschlüssel auf beiden Seiten eine Kombination aus RANDA und RANDB zur Ver- und Entschlüsselung der zu übertragenden Daten zu verwenden. Natürlich hätte man dann auch RANDB alleine verwenden können.
  • 10. Die zwischen den Teilnehmern auszutauschenden Daten werden nun mittels eines symmetrischen Schlüsselalgorithmus unter Verwendung des wie beschrieben ausgetauschten Schlüssels ver- und entschlüsselt, bis die Verbindung wieder ausgelöst wird.
Wie schon eingangs erwähnt, benötigen die Informations-Schutz-Einrichtungen ISE zur Durchführung der beschriebenen Verfahrensschritte folgende Daten, die in ihnen dauerhaft abgespeichert werden müssen.
S, P, RN, PZ, SZ(P(RN)).
Die Indices A bzw. B wurden jetzt weggelassen, da dies für alle an das Netz angeschlossene Informations-Schutz-Einrichtungen gleichermaßen gilt.
In Fig. 2 wird im einzelnen dargestellt, wie ein Angriff wegen der nach der Erfindung zugeteilten Zertifikate C und der beschriebenen Verfahren zum Scheitern verurteilt ist. Als nächstes werden zwei Versionen beschrieben, wie diese Daten in die Informations-Schutz-Einrichtungen eingespeichert werden können:
In der ersten Version, Fig. 3, sind folgende Schritte durchzuführen:
  • 11. Der in der Informations-Schutz-Einrichtung ISE eingebaute Rechner berechnet ein Schlüsselpaar S und P und speichert beide ab.
  • 12. S bleibt geheim und darf die Informations-Schutz-Einrichtung niemals verlassen.
  • 13. Der öffentliche Schlüssel P wird dagegen (z. B. über eine elektrische Verbindung) zusammen mit der Adresse RN des Teilnehmers und ggf. weiteren Angaben über den Teilnehmer an die zertifizierende Stelle übergeben.
  • 14. Diese berechnet daraus unter Verwendung ihres geheimen Schlüssels SZ ein Zertifikat C = SZ(P(RN)).
  • 15. Die Informations-Schutz-Einrichtung erhält nun von der zertifizierenden Stelle (z. B. über eine Kabelverbindung, eine Chipkarte oder ein anderes Speichermodul) folgende Daten, die sie abspeichert: P, RN, PZ, SZ(P(RN)).
  • 16. P wird mit dem bereits in Schritt 11.) abgespeicherten Wert zur Kontrolle auf Identität verglichen und bei evtl. Abweichungen Alarm gegeben. In diesem Falle müßte die Prozedur wiederholt werden.
  • 17. Die Informations-Schutz-Einrichtung wird jetzt beim Teilnehmer mit der Adresse RN installiert und durch den Aufbau einer Probeverbindung die Richtigkeit nachgewiesen.
Diese erste Version hat den Vorteil, daß der geheime Schlüssel S niemals die Informations-Schutz-Einrichtung ISE verläßt, also auch auf keinen Fall verraten werden kann, aber den Nachteil, daß der öffentliche Schlüssel P zur zertifizierenden Stelle übertragen werden muß, wobei er u.U. gefälscht werden könnte, zumindest könnte dies organisatorische Probleme bzw. Nachteile mit sich bringen.
Dies vermeidet die zweite Version, die in Fig. 4 dargestellt ist und in folgenden Schritten abläuft:
  • 21. Die zertifizierende Stelle erhält nur die Adresse RN und ggf. weitere persönliche Angaben des neuen Teilnehmers.
  • 22. Die zertifizierende Stelle erzeugt jetzt ein Schlüsselpaar S und P und daraus mittels ihres geheimen Schlüssels SZ das Zertifikat. C = Sp(P(RN)).
  • 23. Die Informations-Schutz-Einrichtung ISE erhält nun von der zertifizierenden Stelle (über Leitung, Chipkarte oder einen anderen Datenträger): S, P, RN, PZ, SZ(P(RN))und speichert diese Daten dauerhaft ab.
  • 24. Die Informations-Schutz-Einrichtung wird beim Teilnehmer mit der Adresse RN installiert und die Korrektheit der abgespeicherten Daten durch eine Probeverbindung überprüft.
Übersicht über das Laden der nötigen Information in die Informationsschutzeinrichtungen ISE Version 1
ISE erzeugt und speichert: S, P
S bleibt geheim!
Zentrale erhält: P, RN, (Name, Adresse . . .)
Zentrale generiert: SZ(P(RN))
ISE erhält: P, RN, PZ, SZ(P(RN))
ISE vergleicht zur Kontrolle:
ISE wird beim Teilnehmer mit der Adresse RN
installiert
Kontrolle durch Probeverbindung
Version 2
Zentrale erhält: RN, (Name, Adresse . . .)
Zentrale erzeugt (und speichert): S, P, SZ(P(RN))
ISE erhält: S, P, RN, PZ(P(RN))
ISE wird beim Teilnehmer mit der Adresse RN
installiert
Kontrolle durch Probeverbindung
Anmerkung:
SZ ist bei beiden Versionen geheim und existiert nur einmal bei der zertifizierenden Stelle.
Liste der Abkürzungen
A Teilnehmer A
B Teilnehmer B
C Zertifikat
DEE Datenendeinrichtung
DUE Datenübertragungseinrichtung
ISE Informations-Schutz-Einrichtung
KS Kommunikationsschlüssel
PA öffentlicher RSA-Schlüssel des Teilnehmers A
PB öffentlicher RSA-Schlüssel des Teilnehmers B
PZ öffentlicher Schlüssel einer zertifizierenden Stelle Z
RAND Zufallsbitfolge
RNA Rufnummer des Teilnehmers A
RNB Rufnummer des Teilnehmers B
RSA Rivert-Shamir-Adleman
SA geheimer RSA-Schlüssel des Teilnehmers A
SB geheimer RSA-Schlüssel des Teilnehmers B
X Angreifer
Z zertifizierende Stelle

Claims (11)

1. Verfahren zur verschlüsselten Übertragung von Daten zwischen Teilnehmern A und B, wobei jeder Teilnehmer im Besitz sowohl eines geheimen als auch eines öffentlichen ihm zugeordneten Schlüssels ist, mit Hilfe eines asymmetrischen Schlüsselverfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilnehmer (A, B) zusätzlich einen öffentlichen Schlüssel einer Zentralstelle PZ und ein nur ihm zugeordnetes Zertifikat (C) dieser Zentralstelle (Z) hat, das gewonnen wird durch Verknüpfung der Adresse (RN) des Teilnehmers mit seinem eigenen öffentlichen Schlüssel (P) oder durch Verschlüsselung der Adresse (RN) des Teilnehmers mit seinem eigenen geheimen Schlüssel (S) und darauffolgender Verschlüsselung mit einem geheimen Schlüssel (SZ) der Zentralstelle, wonach die Verbindung wie folgt aufgebaut wird:
  • a. Teilnehmer A wählt die Adresse des gewünschten Partners B,
  • b. die so gewählte Adresse wird in einer Informations-Schutz-Einrichtung (ISEA) des Teilnehmers A gespeichert,
  • c. die Verbindung wird aufgebaut,
  • d. es wird mindestens der öffentliche Schlüssel (PA) des rufenden Teilnehmers an den gerufenen übertragen,
  • e. es wird mindestens der öffentliche Schlüssel (PB) des gerufenen Teilnehmers und sein an den rufenden übertragen,
  • f. die Informations-Schutz-Einrichtung (ISEA) in der Teilnehmerstelle A verknüpft mit dem öffentlichen Schlüssel (PB) der Stelle B deren gespeicherte Adresse (RNB), entschlüsselt mit dem öffentlichen Schlüssel (PZ) der Zentralstelle das übermittelte Zertifikat (VB) der Stelle B und vergleicht die Ergebnisse dieser beiden Vorgänge oder
  • g. die Informations-Schutz-Einrichtung (ISEA) in der Teilnehmerstelle A entschlüsselt mit dem öffentlichen Schlüssel (PZ) der Zentralstelle das empfangene Zertifikat (CB), entschlüsselt mit dem öffentlichen Schlüssel (PB) der Teilnehmerstelle B den Inhalt des entschlüsselten Zertifikats der Stelle B und vergleicht das Ergebnis dieser beiden Vorgänge mit der gespeicherten Adresse des gerufenen Teilnehmers (RNB),
  • h. bei Übereinstimmung wird die Verbindung fortgesetzt,
  • i. bei Nichtübereinstimmung wird die Verbindung unterbrochen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fortsetzung der Verbindung eine zweite Überprüfung wie folgt vorgenommen wird:
  • j. Es werden zusätzlich nacheinander folgende Daten des rufenden Teilnehmers übertragen
    Adresse RNA,
    Zertifikat CA,
  • k. eine Informations-Schutz-Einrichtung (ISEB) in der gerufenen Teilnehmerstelle (B) verknüpft mit dem öffentlichen Schlüssel (PA) der rufenden Stelle (A) deren Adresse (RNA), entschlüsselt mit dem öffentlichen (PZ) der Zentralstelle das übermittelte Zertifikat (Ca) der rufenden Stelle (A) und vergleicht die Ergebnisse dieser beiden Vorgänge oder
  • l. eine Informations-Schutz-Einrichtung (ISEB) in der gerufenen Teilnehmerstelle (B) entschlüsselt mit dem öffentlichen Schlüssel (PZ) der Zentralstelle das empfangene Zertifikat (CA), entschlüsselt mit dem öffentlichen Schlüssel (PA) der Teilnehmerstelle A den Inhalt des Zertifikats der rufenden Stelle (A) und vergleicht das Ergebnis mit der übermittelten Rufnummer der rufenden Stelle (RNA),
  • m. bei Übereinstimmung wird die Verbindung fortgesetzt,
  • n. bei Nichtübereinstimmung wird die Verbindung unterbrochen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Informations-Schutz-Einrichtung (ISEA) der Teilnehmerstelle A die ursprüngliche eingegebene Rufnummer (RNB) der Teilnehmerstelle B mit der von dort zurückgesendeten verglichen wird und bei Übereinstimmung die Verbindung fortgesetzt und bei Nichtübereinstimmung die Verbindung abgebrochen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Informations-Schutz-Einrichtung (ISEB) der Teilnehmerstelle B die Rufnummer (RNA) der Teilnehmerstelle A mit der von dort zurückgesendeten verglichen wird und bei Übereinstimmung die Verbindung fortgesetzt und bei Nichtübereinstimmung die Verbindung abgebrochen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fortsetzung der Verbindung folgende weitere Schritte erfolgen:
  • o. Die Informations-Schutz-Einrichtung einer ersten der beiden Teilnehmerstellen (A) erzeugt eine Zufallsbitfolge (RANDA),
  • p. speichert sie,
  • q. verschlüsselt sie mit dem öffentlichen Schlüssel (PB) der anderen Teilnehmerstelle (B) (P (RANDA)),
  • r. überträgt sie zur anderen Teilnehmerstelle (B),
  • s. die andere Teilnehmerstelle (B) entschlüsselt die verschlüsselte Zufallsbitfolge mit ihrem geheimen Schlüssel (SB) und speichert das Ergebnis.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • t. Die andere der beiden Teilnehmerstellen erzeugt eine Zufallsbitfolge (RANDB),
  • u. speichert sie,
  • v. verschlüsselt sie mit dem öffentlichen Schlüssel (PA) der ersten Teilnehmerstelle,
  • w. überträgt sie zur ersten Teilnehmerstelle (A),
  • x. die erste Teilnehmerstelle (A) entschlüsselt die verschlüsselte Zufallsbitfolge (PA (RANDB)) mit ihrem geheimen Schlüssel (SA) und speichert das Ergebnis.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufallsbitfolge (RANDA) der ersten Teilnehmerstelle (A) als Schlüssel für die Übertragung von Daten benutzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufallsbitfolge (RANDB) der anderen Teilnehmerstelle (B) als Schlüssel für die Übertragung von Daten benutzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination der beiden Zufallsbitfolgen als Schlüssel für die Übertragung von Daten benutzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zertifikat der Zentralstelle auf folgende Weise gebildet wird:
  • a. ein in der Informations-Schutz-Einrichtung der Teilnehmerstelle befindlicher Rechner errechnet das der Endstelle zugeordnete Schlüsselpaar, bestehend aus dem geheimen Schlüssel S und dem öffentlichen Schlüssel P, und speichert es,
  • b. der öffentliche Schlüssel P wird zusammen mit der Adresse und gegebenenfalls weiteren Daten der Zentralstelle übermittelt,
  • c. die Zentralstelle erzeugt das Zertifikat,
  • d. die Zentralstelle übermittelt an die Informations-Schutz-Einrichtung der Teilnehmerstelle mindestens folgende Daten öffentlicher Schlüssel der Zentralstelle und Zertifikat,
    die in der Teilnehmerstelle gespeichert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zertifikat der Zentralstelle auf folgende Weise gebildet wird
  • a. Die Rufnummer der Teilnehmerstelle und gegebenenfalls weitere Daten werden der Zentralstelle übermittelt.
  • b. Die Zentralstelle errechnet ein der Endstelle zugeordnetes Schlüsselpaar, bestehend aus dem geheimen Schlüssel (S) und dem öffentlichen Schlüssel (P), und erzeugt das Zertifikat.
  • c. Die Zentralstelle übermittelt an die Informations-Schutz-Einrichtung der Teilnehmerstelle folgende Daten
    geheimer Schlüssel der Teilnehmerstelle, öffentlicher Schlüssel der Teilnehmerstelle, öffentlicher Schlüssel der Zentralstelle, Zertifikat,
    die in der Teilnehmerstelle gespeichert werden.
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