DE3939828C2

DE3939828C2 -

Info

Publication number: DE3939828C2
Application number: DE19893939828
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 7153 Weissach De Bitzer
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-12-02
Filing date: 1989-12-02
Publication date: 1992-10-29
Also published as: DE3939828A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten in einem Bussystem, die aus einer Präambel, einer Zieladresse, einer Absenderadresse und Nutzdaten bestehen.

Der Übertragungsrahmen solcher Daten ist in Fig. 1 dargestellt. Darin bedeuten P die Präambel, Z die Zieladresse, A die Absenderadresse, S die Steuerdaten, N die Daten der eigentlichen Nachricht und E die Abschlußdaten. S, N und E ergeben die Nutzdaten.

Nach einer Präambel, z. B. zur Synchronisierung des Empfängers, zur Kennzeichnung der Art der nachfolgenden Daten usw. von z. B. 8 Bytes Länge, folgt die Zieladresse, also die Adresse desjenigen (z. B. Gerätes), für den oder das die nachfolgenden Daten bestimmt sind. Die Länge dieser Adresse kann z. B. 2 bis 6 Bytes betragen. Darauf folgt die Adresse des Absenders, der das Datenpaket in das LAN abgesetzt hat (wieder in der Größenordnung 2 bis 6 Bytes).

Anschließend können noch Steuerdaten folgen, die dem Empfänger z. B. mitteilen, welcher Art die nachfolgenden Nutzdaten sind.

Dahinter kommen jetzt die eigentlichen Nutzdaten, deren Format nicht festgelegt ist und für die üblicherweise nur eine maximal zulässige Länge vorgeschrieben ist.

Den Abschluß bilden üblicherweise noch wenige Bytes, die z. B. Bits zur Fehlererkennung und/oder Fehlersicherung und ggf. zur Kennzeichnung des Endes enthalten. Die Reihenfolge der einzelnen Bestandteile spielt dabei keine Rolle, auch nicht, ob sie in einem Block oder in mehreren Zeitschlitzen nacheinander übertragen werden. Es ist auch unwesentlich, ob noch zusätzliche Steuerdaten und/oder Daten zur Fehlererkennung/Fehlerkorrektur mit übertragen werden.

Bussysteme werden vorzugsweise in örtlich begrenzten Netzwerken angewandt. Diese örtlich begrenzten Netzwerke werden in der Regel "Local Area Network" (LAN) genannt. Wenn im folgenden ein solches Netzwerk gemeint ist, wird es als LAN bezeichnet. Solche LAN sind derart aufgebaut, daß ein Teilnehmer, der eine Information über das LAN übertragen will, diese mit der Adresse des Empfängers, der die Information bekommen soll, versieht und in das LAN einspeist. Also kann auch jeder berechtigt an das LAN angeschlossene Teilnehmer die Informationen empfangen. Erst der Empfänger entscheidet ja aufgrund der Empfängeradresse, mit der die Information versehen ist, ob er sie aufnehmen will oder nicht. Das unberechtigte und unbemerkte Aufnehmen fremder Informationen ist hier also besonders einfach.

Dieses Aufnehmen fremder Informationen wird z.B. erschwert durch ein System zur Verschlüsselung von in einem Ethernet übertragenen Informationen, das von der Firma DEC (Ethernet Enhanced security system, 1988, Druckschrift ED 29 716 42/88 03 64 60.0 MEM von Digital Equipment Corporation) vorgestellt worden ist. Dabei wird aber nur der reine Informationsgehalt verschlüsselt, während die Absender- und Empfängeradressen offen bleiben.

Dargestellt ist ein solcher Übertragungsrahmen in Fig. 2. Dabei ist der verschlüsselte Inhalt schraffiert gekennzeichnet.

Bei diesem bekannten Verfahren werden also vor der Absendung eines Datenpakets nur die Nutzdaten verschlüsselt. Die Ziel- und die Absendeadresse bleiben unverschlüsselt (Fig. 2). Dabei ist es unwesentlich, ob die Steuerdaten und die Abschlußdaten mit verschlüsselt werden oder nicht.

Ein Verfahren, bei dem Kennungen und Rufnummern unverschlüsselt übertragen werden, ist dargestellt in DE 30 36 804 A1 (Patentanspruch 1, Ziffer 2).

Der Empfänger eines Paketes erkennt nun nach wie vor an der Zieladresse, daß das Paket für ihn bestimmt ist, empfängt es und kann nun den Dateninhalt entschlüsseln. Ein Dritter, der an das LAN angeschlossen ist (oder sich angeschlossen hat), kann dies nicht, wenn er nicht den richtigen Schlüssel besitzt. Es ist also notwendig, die verwendeten Schlüssel geheim zu halten und jeder Verkehrsbeziehung in dem LAN einen eigenen separaten Schlüssel zuzuordnen. (Bei n Teilnehmern an den LAN gibt es [n · (n-1)]/2 verschiedene Verkehrsbeziehungen, wenn jeder Teilnehmer mit jedem anderen verkehren können soll).

Man kann also mit diesem Verfahren sicher verhindern, daß Dritte, die Zugang zu einem LAN haben, Daten, die nicht für sie bestimmt sind, verstehen und auswerten können.

In den Veröffentlichungen MEYER, C.; MATYAS, S.: Cryptography, New York, John Wiley u. Sons, 1982, S. 195 bis 208, und "Laufmaschen im Netzwerk", in: Funkschau, 15. Juli 1989, S. 22 bis 27, wird festgestellt, daß sich die Verschlüsselung bei end-to-end-Betrieb nicht auf Rufnummern erstrecken darf (Entgegenhaltung (1) Fig. 4-5 "Must Not be Enciphered") bzw. nicht auf alle Daten bezieht, sondern ausschließlich auf Inhaltsdaten (Entgegenhaltung (3), Seite 26, linke Spalte, 3. Absatz).

Die genannten Dritten können aber immer noch erkennen und auswerten, wer, wann und mit wem wieviel Daten austauscht, was bei einigen Anwendungen ebenfalls verhindert werden muß.

Bei diesen Anwendungen wird gefordert, daß Dritte, die an ein LAN (z. B. Ethernet) angeschlossen sind oder sich angeschlossen haben, auch nicht in der Lage sein dürfen festzustellen, zwischen wem Informationen ausgetauscht werden.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem, daß Dritte trotz Verschlüsselung immer noch erkennen können, wer, wann und mit wem wieviel Daten austauscht, wird zwar in der vorgenannten Veröffentlichung "Laufmaschen im Netzwerk", Seite 22, rechte Spalte, 4. Absatz, angesprochen, es finden sich aber keinerlei Hinweise zur Lösung des Problems.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, durch das die vorgenannte Anforderung erfüllt wird. Die Lösung dieser Aufgabe und vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Patentansprüchen beschrieben.

Im folgenden und in den Patentansprüchen werden Verschlüsselungsschlüssel als Sendeschlüssel und Entschlüsselungsschlüssel als Empfangsschlüssel bezeichnet. Die Ausführungen und die Figuren dienen der näheren Erläuterung. Alle Daten, die auf die Präambel folgen, werden verschlüsselt (Patentanspruch 1 und 3). Damit sind die Adressen, wie die übrigen Daten auch, nur noch für denjenigen lesbar, der den richtigen Empfangsschlüssel besitzt; das ist bei symmetrischen Schlüsselverfahren derselbe, der als Sendeschlüssel verwendet wurde bzw. bei asymmetrischen Schlüsselverfahren der zum verwendeten Sendeschlüssel gehörige Empfangsschlüssel.

Der rechtmäßige Empfänger der Daten erkennt die Tatsache, daß diese für ihn bestimmt sind daran, daß er den richtigen Empfangsschlüssel besitzt, also die Daten richtig entschlüsseln und verstehen kann. Für alle anderen an das LAN angeschlossenen Einrichtungen sind die Daten und Adressen nicht entzifferbar; sie können also den Verkehr auf dem LAN nicht analysieren.

Jede an das LAN angeschlossene Einrichtung versucht also, alle übertragenen Daten mindestens bis zur Zieladresse oder einer anderen redundanten Information, deren Richtigkeit sie beurteilen kann, mit dem ihr zugeteilten Empfangsschlüssel zu entschlüsseln. Wenn dies richtig gelingt weiß sie, daß für sie Nutzdaten vorliegen und kann dann nun auch die Absenderadresse lesen.

Wenn dabei ein asymmetrisches Schlüsselverfahren (z. B. RSA) verwendet wird, genügt es dabei, jedem LAN-Empfänger nur einen geheimen Empfangsschlüssel D zuzuordnen und den öffentlichen Sendeschlüssel EA bis EZ an alle zu verteilen, die dem Besitzer des zugeordneten Empfangsschlüssels Daten verschlüsselt übersenden können sollen, da dieser Sendeschlüssel nicht zum Entschlüsseln verwendet werden kann.

In Fig. 4 ist das angedeutet durch Angabe der Empfangsschlüssel der Teilnehmer A-Z: D_A, D_B bis D_Z und Angabe der Empfangsschlüssel der jeweils anderen Teilnehmer E_A bis E_Z in jeder Teilnehmerstation.

Bei Verwendung eines symmetrischen Schlüsselverfahrens sind dagegen Sende- und Empfangsschlüssel identisch und man könnte eine mißbräuchliche Verwendung des Empfangsschlüssels höchstens dadurch verhindern, daß man ihn in den sendeseitigen Geräten so unterbringt, daß er nicht zum Entschlüsseln verwendet werden kann.

Dies läßt sich aber jedenfalls nicht mit letzter Sicherheit so durchführen, daß es nicht durch einen unbefugten physikalischen Eingriff in das Gerät umgangen werden könnte oder auch durch den Bau eines speziellen Gerätes zum unbefugten Entschlüsseln durch einen "Innentäter". Ein wirklich sicherer Schutz läßt sich aber auch in diesem Falle erzielen, wenn nicht nur, wie bisher beschrieben, jedem Empfänger ein individueller Schlüssel zugeordnet wird, sondern jeder gewünschten bzw. erlaubten Verkehrsbeziehung.

Das heißt, jeder Empfänger hat einen oder mehrere Schlüssel; für jeden Sender, von dem er eine Nachricht erwarten kann, einen anderen.

Jeder Sender hat, wie bisher schon, für jeden Empfänger einen anderen Schlüssel, aber im Unterschied zu vorher hat jetzt jeder Sender einen anderen Satz von Schlüsseln.

Das ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Dem Teilnehmer A sind die Sende- und Empfangsschlüssel, die ja identisch sind, für die Verbindungen zugeteilt, die er betreiben darf. Das sind die Schlüssel

S_AB zum Verkehr mit Teilnehmer B,
S_AC zum Verkehr mit Teilnehmer C,
usw. für den Teilnehmer A und
S_BA zum Verkehr mit Teilnehmer A
S_BC zum Verkehr mit Teilnehmer C
usw. für den Teilnehmer B.

Dabei sind z. B. die Schlüssel S_BA und SBA identisch.

Jeder Empfänger braucht jetzt aber auch mehrere Entschlüsselungsrechner, für jeden Empfangs-Schlüssel bzw. jede Verkehrsbeziehung einen. Mit allen versucht er gleichzeitig, die aus dem LAN ankommenden Daten zu entschlüsseln.

Wenn dabei aus einem dieser Entschlüsselungsrechner ein sinnvoller Klartext herauskommt, weiß der Empfänger, daß er angesprochen wurde, und aus der Information, aus welchem seiner Entschlüsselungsrechner dieser Klartext kam, weiß er (fälschungssicher!), von wem diese Information stammt. Man bekommt also durch dieses Verfahren nebenbei auch noch eine sichere Authentisierung des Absenders.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es nun nicht erforderlich, diese Schlüssel alle wie beschrieben in den Geräten ständig verfügbar zu halten. Man kann statt dessen irgendwo an dem LAN eine Schlüsselverwaltungseinheit vorsehen, die den angeschlossenen Geräten bei Bedarf und auf Anforderung die aktuell für eine bestimmte Verkehrsbeziehung benötigten Schlüssel zuteilt.

Dazu wird jedem an das LAN angeschlossenen Teilnehmer einmalig bei der Installation ein individueller und geheimer Empfangsschlüssel zugeteilt, den bzw. dessen zugehörigen Sendeschlüssel es nur noch einmal (dort aber für alle Teilnehmer) in der Schlüsselverwaltungseinheit gibt oder umgekehrt. Will nun z. B. ein Teilnehmer A an einen Teilnehmer B über das LAN Daten übermitteln, so fordert er zunächst (ggf. verschlüsselt) von der Schlüsselverwaltungseinheit für diese Verkehrsbeziehung einen Schlüssel an. Diese erzeugt nun (mittels Zufallsgenerator) einen Schlüssel bzw. ein Schlüsselpaar bei Verwendung eines asymmetrischen Schlüsselverfahrens und überträgt diesen sowohl an den Teilnehmer B, mit dessen Schlüssel verschlüsselt, als danach auch an den Teilnehmer A, mit dessen Geräteschlüssel verschlüsselt. Teilnehmer A setzt nun den zu übertragenden Datenblock samt Adressen mit dem zugespielten Schlüssel verschlüsselt, wie oben beschrieben, in das LAN ab. Teilnehmer B weiß zu diesem Zeitpunkt noch nicht, von wem er Daten zu erwarten hat, aber er übernimmt jetzt den empfangenen Schlüssel in sein Entschlüsselungsgerät, versucht damit, wie oben beschrieben, alle Daten auf dem LAN zu entschlüsseln, bis er etwas Sinnvolles erkennt und kann dann die mitverschlüsselte Absenderadresse wie auch die Nutzdaten selbst lesen und auswerten.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung kann die Schlüsselverwaltungseinheit bei der Übertragung des Schlüssels an Teilnehmer B auch noch einen Authentikator in Form der mit dem Teilnehmerschlüssel des Teilnehmers B verschlüsselten Adresse des Teilnehmers A mitschicken, wodurch auch hier wiederum eine sichere Absenderauthentikation erreicht werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Übertragung von Daten, die aus Präambel, Zieladresse, Absenderadresse und Nutzdaten bestehen, in einem Bussystem (end-to-end-System), dadurch gekennzeichnet, daß bis auf die Präambel alle Daten durchgehend von Teilnehmer zu Teilnehmer verschlüsselt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung von symmetrischen Schlüsselverfahren jedem Teilnehmer ein Empfangsschlüssel fest zugeordnet ist, daß bei jedem anderen Teilnehmer der zugehörige Sendeschlüssel so installiert wird, daß dieser Sendeschlüssel nicht zum Entschlüsseln mißbraucht werden kann und nicht ohne Zerstörung der Einrichtung, in der er installiert ist, aus dieser ausgelesen werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung von asymmetrischen Schlüsselverfahren jedem Teilnehmer der geheime Entschlüsselungsschlüssel fest zugeordnet ist und daß die zugehörigen öffentlichen Verschlüsselungsschlüssel jedem anderen Teilnehmer mitgeteilt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder gewünschten bzw. erlaubten Verbindung ein Schlüsselpaar zugeordnet wird und daß die Sendeschlüssel der Schlüsselpaare bei allen Teilnehmern und die Empfangsschlüssel nur bei den zugeordneten Teilnehmern der gewünschten bzw. erlaubten Verbindungen installiert sind, oder auf Anforderung von einer zentralen Schlüsselverwaltungseinheit zugeteilt und installiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlüsselpaare vor der Zuteilung mit den jeweils teilnehmereigenen Schlüsseln verschlüsselt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem zugeteilten Schlüsselpaar die Adresse des anfordernden bzw. des angeforderten Teilnehmers, mit dem jeweils teilnehmereigenen Schlüssel verschlüsselt, hinzugefügt wird.