DE4223258C3 - Verfahren zur verifizierbaren Übertragung von Daten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Ver­ fahren ist beispielsweise aus der DE-OS 36 11 147 be­ kannt.

Bei vielen Datenübertragungssystemen werden "ge­ heime" Daten leitungslos (beispielsweise im Infrarot- oder HE-Bereich) zwischen einem oder mehreren Sen­ dern und einem oder mehreren Empfängern übertragen. Die übertragene Nachricht wird vom Empfänger über­ prüft, d. h. auf ihre Gültigkeit hin beurteilt; bei erfolgter Verifikation kann eine bestimmte Reaktion ausgelöst werden. Beispielsweise überträgt ein Fernbedienungs­ schlüssel (Sender) seine spezifische Identifikationsnum­ mer (Daten oder "Klartext") an ein Fahrzeug (Empfän­ ger); bei Übereinstimmung mit der im Empfänger ge­ speicherten Nummer wird ein mechanisches Schloß (beispielsweise die Fahrzeugtüre) betätigt.

Obwohl die gesendeten Daten von Unbefugten mit­ gehört werden können, muß die Datenübertragung den­ noch entschlüsselungssicher sein (die Nachahmbarkeit der Nachricht muß verhindert werden), damit der Emp­ fänger vor unbefugten Zugriffen geschützt werden kann.

In der EP 0 215 291 A1 wird eine elektronische Schließeinrichtung für Kraft­ fahrzeuge beschrieben, bei der die Sendernachricht aus einem Geheimtext und einem Kontrolltext gebildet wird; unabhängig von der Sendernachricht wird ein Zeitzähler zeitabhängig übertragen. Der Geheimtext wird durch "Verschleierung" der Daten (des Kontrolltextes) mit dem von einem Oszillator betriebenen Zeitzähler permanent erzeugt. Eine Autosynchronisation des Schloßzählers erfolgt mechanisch bei einer Schlüsselbetätigung durch den Zündschlüssel. Demzufolge ist bei diesem bekannten Verfahren ein erhöhter Stromverbrauch (permanenter Betrieb des Oszillators) gegeben; durch den Dauerbetrieb ist ein Abweichen des Zeitzählers (in beide Richtungen) vom wahren Wert leicht möglich. Durch die "Verschleierung" der Daten kann die Datensicherheit bzw. die Sicherheit der Datenübertragung nicht in vollem Umfang garantiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das eine sehr hohe Entschlüsselungssicher­ heit und Störsicherheit bei dennoch einfacher Daten­ übertragung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 ge­ löst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Datenübertragung wird bei jeder Aktivierung des Senders eine Sendernachricht gebildet, die aus ei­ nem Geheimtext, einem Zählwert und einem Kontroll­ text besteht; im Empfänger wird bei jeder Aktivierung des Empfängers eine der Sendernachricht entsprechen­ de Empfängernachricht mit gleichem Inhalt gebildet und mit der Sendernachricht verglichen. Der Geheim­ text des Senders und des Empfängers wird durch Ver­ schlüsselung der gespeicherten Daten (binärer Klartext) mit einem zufälligen (binären) Schlüsseltext erzeugt, der durch einen von einem Algorithmus angesteuerten Schlüsselgenerator erzeugt und in einem Speicherglied abgespeichert wird. Der momentane Wen des Schlüs­ selgenerators auf der Senderseite wird als Sender-Zähl­ wert mit der Sendernachricht übertragen; der sender­ spezifische Kontrolltext wird als weiteres Unterschei­ dungskriterium an die Sendernachricht angehängt.

Bei der Beurteilung der vom Sender übertragenen Daten erfolgt zunächst eine "Identifier"-Überprüfung durch Vergleich des Kontrolltexts der Sendernachricht mit dem im Empfänger gespeicherten Kontrolltext; stimmen diese überein (pro Sender existiert ein spezifi­ scher Kontrolltext), werden die Zählwerte von Sender und Empfänger verglichen. Ist die Differenz der beiden Zählwerte größer als ein vorgegebener Maximalwert, ist das Datenübertragungssystem asynchron (beispiels­ weise ist die Übertragungsstrecke gestört oder der Sen­ der wurde außerhalb der Reichweite des Empfängers mehrfach betätigt); in diesem Fall muß das System neu synchronisiert werden. Bei gleichen Zählwerten von Sender und Empfänger bzw. bei einer noch zulässigen Abweichung der beiden Zählwerte wird vom Empfän­ ger mit Hilfe des übertragenen Sender-Zählwerts und des auch beim Sender verwendeten Schlüsselgenerators ein Schlüsseltext gebildet. Die endgültige Verifikation der übertragenen Daten erfolgt nun entweder durch den Vergleich des Geheimtextes der Sendernachricht mit dem vermögens des Schlüsseltexts erzeugten Ge­ heimtext des Empfängers oder durch den Vergleich des im Empfänger entschlüsselten (decodierten) Geheim­ texts des Senders mit den im Empfänger gespeicherten Daten (Klartext) oder durch den Vergleich der Schlüs­ seltexte von Sender und Empfänger. Bei der Auswer­ tung arbeiten Sender und Empfänger mit dem gleichen Kontrolltext, Klartext und Schlüssel, wobei nach jeder Erzeugung eines Schlüsseltexts im Sender bzw. Empfän­ ger der momentane Zählwert des Senders bzw. Empfän­ gers durch den Schlüsselgenerator inkrementiert wird.

Das vorgestellte Verfahren vereinigt mehrere Vortei­ le in sich:

• - Die Sendernachricht wird nach jedem Sende­ vorgang geändert, so daß von der Information ei­ nes Sendevorgangs nicht auf den nächsten Sende­ vorgang geschlossen werden kann; durch den zu­ sätzlich übermittelten Kontrolltext kann eine ein­ deutige Unterscheidung zwischen zufällig identi­ schen Geheimtexten verschiedener Sender getrof­ fen und damit eine sehr hohe Sicherheit gewährlei­ stet werden.
• - Falls die übertragene Sendernachricht selbst verschlüsselt wird (Überchiffrierung), kann die Ent­ schlüsselungssicherheit noch weiter gesteigert wer­ den.
• - Der bei der Verifikation durchgeführte Ver­ gleich der Zählwerte von Sender und Empfänger setzt ein "Fenster" für das nächste vom Empfänger zugelassene Sendersignal. Hierdurch kann einer­ seits die letzte gültige Kommunikation zwischen Sender und Empfänger überprüft werden und an­ dererseits der Empfänger innerhalb des Fensters automatisch und schnellstens auf den befugten Sen­ der synchronisiert und damit Rechenzeit eingespart werden (Autosynchronisation); eine Auswertung der übertragenen Daten braucht nur in den zuge­ lassenen Fällen vorgenommen werden.
• - Das Verfahren ist sehr einfach, kann mit einfa­ chen Mitteln implementiert werden und besitzt trotz einfachem Aufbau der übertragenen Nach­ richt eine sehr hohe Sicherheit.
• - Durch Vorgabe bestimmter zulässiger Textkom­ binationen lassen sich mehrere Sender einem Emp­ fänger, einem Sender mehrere Empfänger oder mehrere Sender mehreren Empfängern auf einfa­ che Weise zuordnen; dadurch ist sowohl benutzer­ seitig als auch herstellerseitig ein hoher Komfort gegeben.

Die Erfindung soll weiterhin anhand eines in der Fi­ gur dargestellten Ausführungsbeispiels - einem Daten­ übertragungssystem zwischen einem Sender (beispiels­ weise eine Fernbedienung) und einem Empfänger (bei­ spielsweise das Türschloß eines Kraftfahrzeugs) - be­ schrieben werden.

a) Schlüssel SCHL/Schlüsseltext ST

Der mittels des Algorithmus ALG angesteuerte Schlüsselgenerator SG, beispielsweise ein nicht-lineares binäres Schieberegister mit n-Bit (beispielsweise 32 Bit), liefert eine periodische Anzahl von binären Pseudo-Zu­ fallszahlen mit einer Länge von n-Bit (beispielsweise 32 Bit). Das letzte Bit des nicht-linearen Schieberegi­ sters SG wird dem Speicherglied SP zugeführt und durch n-malige Berechnung ein n-Bit langer Schlüssel­ text ST erzeugt (zur Generierung eines 32-Bit-Schlüs­ seltexts ST sind 32 Berechnungen notwendig).

b) Sender S

Die bei jeder Betätigung der Fernbedienung gene­ rierte Sendernachricht SN besteht aus dem Geheimtext GTS, dem Zählwert ZWS, dem Kontrolltext KTS sowie einem Starttext STT. Der Geheimtext GTS wird durch logische Verknüpfung der Daten DAT bzw. des n-Bit- Klartexts KT mit dem n-Bit-Schlüsseltext ST vermö­ gens des XOR-Glieds LG gebildet. Jeder Sender S be­ sitzt dabei einen unterschiedlichen Klartext KT (Identi­ fikationsnummer), die beispielsweise vom KFZ-Herstel­ ler vorgegeben wird; mit einer 32-Bit-Identifikations­ nummer lassen sich ca. 4 . 10⁹ unterschiedliche Sender kennzeichnen. Der Zählwert ZWS des Senders S wird vom Schlüsselgenerator SG gebildet und gibt an, wie­ viele Schlüsseltexte ST erzeugt wurden, d. h. beim wie­ vielten Schlüsseltext ST sich der Berechnungsalgorith­ mus ALG befindet; bei jeder Berechnung eines neuen Schlüsseltexts ST, d. h. bei jedem Sendevorgang wird der Zählwert ZWS inkrementiert. Zur Erhöhung der Entschlüsselungssicherheit wird der senderspezifische binäre Kontrolltext KTS vom Sender S mitübertragen; bei einer Anzahl von n-zulässigen Sendern muß der Kontrolltext KTS ln n/ln 2 Bit aufweisen. Der Starttext STT am Anfang der Sendernachricht SN versetzt den Empfänger E beim Betätigen des Senders S in den Mo­ dus der Empfangsbereitschaft.

c) Empfänger E

Die im Empfänger E gebildete Empfängernachricht EN besitzt den gleichen Aufbau wie die Sendernach­ richt SN, d. h. sie besteht aus dem Kontrolltext KTE, aus dem vom Schlüsselgenerator SG abhängigen Zählwert ZWE sowie aus dem Geheimtext GTE, der durch logi­ sche Verknüpfung des - mittels des Zählwerts ZWS generierten - Schlüsseltexts ST mit dem Klartext KT gebildet wird. Schlüssel SCHL, Daten DAT und Kon­ trolltext KT werden bei der Initialisierung des Daten­ übertragungssystems vom Sender S den jeweils zuge­ ordneten Empfängern E übermittelt. Bei der Verifika­ tion der übertragenen Daten DAT im Empfänger E wird zunächst der Kontrolltext KTS der Sendernachricht SN mit dem Kontrolltext KTE der Empfängernachricht EN verglichen, damit Manipulationsversuche mit unzulässi­ gen Sendern S (Fernbedienungen) unterbunden bzw. zufällige Übereinstimmungen von aus verschiedenen Klartexten KT erzeugten Geheimtexten GTS/GTE aus­ geschlossen werden können. Weiterhin werden die Zählwerte ZWS und ZWE von Sendernachricht SN und Empfängernachricht EN miteinander verglichen; wei­ chen diese um beispielsweise mehr als 200 voneinander ab, ist das Datenübertragungssystem asynchron und muß - beispielsweise durch manuelle Betätigung des Fahrzeugschlosses mittels eines Schlüssels - neu syn­ chronisiert werden. Schließlich erfolgt eine Überprü­ fung des Geheimtexts GTS der Sendernachricht SN, indem dieser mit dem im Empfänger E generierten Ge­ heimtext GTE verglichen wird oder indem dieser im Empfänger E dechiffriert (mit dem XOR-Glied LG ist eine eindeutige Dechiffrierung möglich) und mit dem Klartext KT bzw. mit den Daten DAT (Identifikations­ nummer) verglichen wird oder indem die Schlüsseltexte ST von Sender S und Empfänger E miteinander vergli­ chen werden.

d) Synchronisation

Beim Sendevorgang im "Normalbetrieb" wird durch den Vergleich und das Angleichen der Zählwerte ZWE und ZWS eine Autosynchronisation von Sender S und Empfänger E vorgenommen. Wird ein Sender S erst­ mals benutzt (bei bereits initialisiertem Empfänger E) oder eine Batterie am Sender S gewechselt oder wei­ chen die Zählwerte ZWS und ZWE (durch oftmaliges Betätigen des Senders S ohne Synchronisation) mehr als zulässig voneinander ab, müssen Sender S und Empfän­ ger E synchronisiert werden. Hierzu wird dem Empfän­ ger E der momentane Senderzustand (Zählwert ZWS und Zufallszahl) übermittelt und nach erfolgreichem Vergleich der Kontrolltexte KTS und KTE im Empfän­ ger E abgespeichert, wenn mindestens eine weitere Be­ dingung - beispielsweise mechanische Schloßbetäti­ gung - erfüllt ist.

e) Initialisierung

Damit eine eindeutige Zuordnung zwischen einem Sender bzw. mehreren Sendern und einem bzw. mehre­ ren Empfängern möglich ist, müssen die Daten bzw. der Kontrolltext (Identifikationsnummer) und die Startzahl des Berechnungsalgorithmus im Sender bzw. in den Sendern und im Empfänger bzw. in den Empfängern abgespeichert werden. Dies kann entweder durch her­ stellerseitige Programmierung sowohl im Sender als auch im Empfänger realisiert werden (beispielsweise mittels Programmierung eines PROMS), wobei eine fe­ ste (nicht mehr vertauschbare) Zuordnung des jeweili­ gen Senders zum Empfänger bzw. der jeweiligen Sen­ der zu den jeweiligen Empfängern getroffen wird. Alter­ nativ dazu kann die herstellerseitige Programmierung allein im Sender erfolgen und eine Übertragung auf die zulässigen Empfänger erst beim Anwender vorgenom­ men werden, was eine variablere Handhabung ermög­ licht; die Kommunikation zwischen Sender und Emp­ fänger erfolgt vorteilhafterweise über einen Diagnose­ rechner, so daß bereits vorhandene Sender bzw. Emp­ fänger nachträglich initialisiert werden können und die Anzahl der legitimierten Sender bzw. Empfänger nach­ träglich erweiterbar ist.

Claims (13)

1. Verfahren zur verifizierbaren Übertragung von Daten (DAT) zwischen min­ destens einem Sender (S) und mindestens einem Empfänger (E), wobei

• a) bei jeder Aktivierung eines Senders (S) eine Sendernachricht (SN) ge­ bildet wird,
• b) bei jeder Aktivierung eines Empfängers (E) eine Empfängernachricht (EN) mit dem gleichen Aufbau und Inhalt wie die Sendernachricht (SN) gebildet und mit der Sendernachricht (SN) verglichen wird,
• c) die übertragenen Daten (DAT) im Empfänger (E) dann verifiziert sind, wenn Sendernachricht (SN) und Empfängernachricht (EN) überein­ stimmen,

dadurch gekennzeichnet,

• a) daß zur entschlüsselungssicheren Übertragung der Daten (DAT) die Sendernachricht (SN) aus einem Geheimtext (GTS), aus einem varia­ blen, betätigungsabhängigen Sender-Zählwert (ZWS) und aus einem senderspezifischen konstanten Kontrolltext (KTS) zusammengesetzt wird,
• b) und daß der Geheimtext (GTS) durch Verknüpfung eines aus den Da­ ten (DAT) gebildeten Klartexts (KT) mit einem variablen Schlüsseltext (ST) erzeugt wird, der bei jeder Aktivierung eines Senders (S) mit Hilfe eines Schlüsselgenerators (SG) generiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verifikation der übertragenen Daten (DAT) zunächst der Kontrolltext (KTS) des Senders (S) mit dem im Empfänger (E) abgespei­ cherten Kontrolltext (KTE) verglichen wird, daß anschließend der momentane Empfänger-Zählwert (ZWE) mit dem Sender-Zählwert (ZWS) verglichen wird, wobei eine weitere Auswertung nur dann er­ folgt, wenn die Differenz der beiden Zählwerte (ZWE, ZWS) unterhalb eines vorgebbaren Maxi­ malwerts liegt, und daß zur weiteren Auswertung vom Empfänger (E) ein Schlüsseltext (ST) mit Hilfe des Sender-Zählwerts (ZWS) und des Schlüsselge­ nerators (SG) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vom Empfänger (E) ein Geheimtext (GTE) durch logische Verknüpfung (LG) des Schlüsseltexts (ST) mit dem im Empfänger (E) aus den gespeicherten Daten (DAT) erzeugten Klar­ text (KT) gebildet und mit dem Geheimtext (GTS) der Sendernachricht (SN) verglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vom Empfänger (E) der Geheimtext (GTS) der Sendernachricht (SN) mit Hilfe des Schlüsseltexts (ST) dechiffriert und mit dem im Empfänger (E) gespeicherten Klartext (KT) vergli­ chen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlüsseltexte (ST) von Sender (S) und Empfänger (E) verglichen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendernachricht (SN) verschlüsselt vom Sender (S) zum Empfänger (E) übertragen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sender (S) mit unterschiedlichen Daten (DAT) und jeweils un­ terschiedlichem Kontrolltext (KTS) einem Empfän­ ger (E) zugeordnet sind, und daß die zulässigen Kombinationen von Kontrolltexten (KTS) und Da­ ten (DAT) im Empfänger (E) abgespeichert sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sender (S) mehre­ ren Empfängern (E) zugeordnet ist, und daß in den Empfängern (E) der zulässige Klartext (KT) und der zulässige Kontrolltext (KTS) des Senders (S) abgespeichert ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der bei jeder Aktivie­ rung eines Senders (S) bzw. Empfängers (E) gene­ rierte Schlüsseltext (ST) durch einen mittels eines Algorithmus (ALG) angesteuerten Schlüsselgene­ rator (SG) erzeugt und in einem Speicherglied (SP) abgespeichert wird, und daß der Schlüsseltext (ST) durch ein Logikglied (LG) mit dem aus den Daten (DAT) gebildeten Klartext (KT) logisch verknüpft wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach jeder Generierung eines neuen Schlüsseltexts (ST) der Zählwert (ZWS, ZWE) des Senders (S) bzw. Empfängers (E) durch den Schlüs­ selgenerator (SG) inkrementiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlüsselgenera­ tor (SG) als nicht-lineares Schieberegister an sei­ nem Ausgang ein Zufalls-Bitmuster erzeugt, dessen jeweils letztes Bit im Speicherglied (SP) abgelegt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung eines Empfängers (E) die komplette Sendernach­ richt (SN) zum Empfänger (E) übertragen und dort abgespeichert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Initialisierung der Empfänger (E) über einen Diagnoserechner erfolgt.