DE4420970A1

DE4420970A1 - Entschlüsselungseinrichtung von Entschlüsselungsalgorithmen und Verfahren zur Durchführung der Ver- und Entschlüsselung derselben

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Publication number: DE4420970A1
Application number: DE19944420970
Authority: DE
Original assignee: ESD VERMOEGENSVERWALTUNGSGESEL
Current assignee: ESD VERMOEGENSVERWALTUNGSGESEL
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 1995-12-21
Also published as: EP0765550A1; WO1995034968A1; AU3862795A

Description

Die Erfindung betrifft eine Entschlüsselungseinrichtung von Entschlüsselungsalgorithmen und das Verfahren zur Durchführung der Ver- und Entschlüsselung derselben, indem die Entschlüsselungseinrichtung Berechtigten den Zugriff gewährt und Unberechtigte vom Zugriff ausschließt.

Digitale Informationen werden in immer größerem Maßstab über gesicherte Verteilungskanäle versandt. Diese Informa tionen sollen aber nur bestimmte Empfänger erreichen und nicht von Unbefugten gelesen werden können. Die Prozeduren zur Übertragung von solchen Informationen sind heute schon sehr an die Bedürfnisse der Industrie angepaßt.

Die weitere Entwicklung der Rechentechnik zeigt aber Probleme bei der Sicherheit der gegenwärtig verwendeten Ver-/Entschlüsselungsalgorithmen auf.

Ein Verschlüsselungsalgorithmus der zur Zeit vorrangig von der Industrie verwendet wird, ist der "data-encryption algorithm" DEA, der von IBM seit 1960 entwickelt und 1977 vom U.S. National Bureau of Standards zur Norm erklärt wurde.

Dieser Verschlüsselungsalgorithmus ist zur Zeit in der Prüfung zur deutschen und internationalen Normung.

Es hat immer wieder Versuche zur Entschlüsselung von mit dem DEA verschlüsselten Informationen gegeben. Diese waren bisher nach dem Stand der Technik (da die Rechenleistungen nicht zur Verfügung standen) nicht erfolgreich.

Es wurden jedoch in jüngster Zeit Spezialprozessoren entwickelt, welche speziell zur Entschlüsselung von Verschlüsselungssystemen geeignet sind. Damit ist es z. B. möglich, den Standard DEA zu brechen (mit Hardwarekosten von ca. 80 000 $, Stand 1992). Einen guten Überblick über die Entwicklung gibt Richard Zippel, in "Programming the Data structure accelerator" in Proceedings of Jerusalem Conference of Information, Technology, Jerusalem, Israel, October 1990.

Damit kommt der Entwicklung und Verwendung von neuen Verschlüsselungsalgorithmen große Bedeutung zu.

Da es aber nicht möglich ist, einen sicheren Verschlüsselungsalgorithmus zu entwickeln, ist es notwendig eine Austauschbarkeit der Algorithmen zu ermöglichen.

Die modernen Möglichkeiten zum Brechen eines Verschlüsselungsalgorithmus beruhen auf dem Vorhandensein von sogenannten Plaintexten (unverschlüsselte Information) und der dazugehörigen Ciphertexte (verschlüsselte Information). Um Blocksysteme, wie z. B. den DEA zu brechen, muß die Menge diese Texte sehr groß sein. Dies ist z. B. notwendig um solche Methoden wie die differentielle Cryptoanalyse von Biham und Shamir durchzuführen. Diese Methode ist der beste zur Zeit bestehende Angriff auf Bockverschlüsselsysteme wie den DEA (beschrieben in Eli Biham und Adi Shamir "Differential Cryptoanalysis of DES-like Cryptosystems" in Journal of Cryptology vol. 4 pp 3-72, 1991).

Es ist also nötig, die Menge der Dritten zur Verfügung stehenden Plain-/Ciphertexte möglichst gering zu halten. Dies ist möglich wenn die Informationen mit öfter wech selnden Verschlüsselungsalgorithmen verschlüsselt werden. Dritte, welche die Nachrichten entschlüsseln wollen, müs sen dann jedesmal einen neuen "Knackalgorithmus" entwickeln, wenn das Verschlüsselungsverfahren gewechselt wird.

Es ist folglich nötig, ein System zu schaffen, welches mit variablen Verschlüsselungsalgorithmen arbeiten kann.

Es ist weiterhin nötig, die Übertragung des Verschlüsselungsalgorithmus gegen Erkennen zu sichern und somit das Brechen des Entschlüsselungsalgorithmus weiter zu erschweren. Dies beruht auf der einfachen Tatsache, daß ein Verschlüsselungsalgorithmus, welcher unbekannt ist, wesentlich schwerer zu brechen ist als ein bekannter. Dies ist ebenfalls nötig, damit nicht bekannt ist, welcher Verschlüsselungsalgorithmus zur Verschlüsselung welcher Informationen eingesetzt wird.

Es besteht also die Notwendigkeit, ein Verfahren zu fin den, mit dem es möglich ist, Verschlüsselungsalgorithmen zu verteilen und die Übertragung dieser gegen Erkunden zu schützen.

Weiterhin ist es notwendig, daß es selbst dem Besitzer eines Entschlüsselungsgerätes nicht möglich ist, das Entschlüsselungsverfahren weiterzugeben und damit die Erkundung des Verschlüsselungsalgorithmus zu ermöglichen.

Es ist ein Spezialprozessor als Teil dieses Verfahrens zu schaffen, der die Verteilung sowie den Schutz der Entschlüsselungsalgorithmen vor Weitergabe preiswert und sicher realisiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentan spruch 1 und Patentanspruch 2 angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1, die die Entschlüsselungseinrichtung von Entschlüsselungsalgorithmen zeigt und dem Verfahren zur Durchführung der Ver- und Entschlüsselung von digitalen Informationen, dargestellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Entschlüsselungseinrichtung von Entschlüsselungsalgorithmen wird zur Verdeutlichung anhand eines Einsatzes in mehreren Personalcomputern gezeigt, wobei digitale Informationen an ausgewählte Besitzer von Entschlüsselungseinrichtungen gesandt werden.

Dabei besteht die dargestellte Entschlüsselungseinrichtung aus einem integrierten Schaltkreis 1, dem ein Zentral prozessor CPU 2, ein interner nichtauslesbarer flüchtiger Speicher mit wahlfreiem Zugriff RAM 3 als Arbeitsspeicher und ein interner nichtauslesbarer nichtflüchtiger Speicher mit wahlfreiem Zugriff ROM 4 in welchem ein in terner nichtauslesbarer Entschlüsselungsalgorithmus (EI) gespeichert ist und ein Interface 5 zugeordnet sind, wel ches zwischen dem Zentralprozessor CPU 2 und dem Perso nalcomputer 6 angeordnet ist und mit dem Personalcomputer 6 mit dem Datenpfad a verbunden ist, und teilweise in ei nen integrierten Schaltkreis integriert ist.

Das Verfahren zur Durchführung der Übertragung des Ent schlüsselungsalgorithmus wird anhand der Fig. 1 gezeigt, indem die Entschlüsselungseinrichtung in mehreren Perso nalcomputern eingesetzt ist, wobei digitale Informationen an ausgewählte Besitzer von Entschlüsselungseinrichtungen gesandt werden.

Die Übertragung eines Entschlüsselungsalgorithmus an eine Entschlüsselungseinrichtung ist wie folgt:
Der Verteiler wählt einen Verschlüsselungsalgorithmus (VE). Dieser sei zum Verschlüsseln der später übertragenen Informationen gedacht. Dieser Verschlüsselungsalgorithmus soll geheim gehalten werden und muß weiterhin sicher genug sein um Sicherheit bei der Verschlüsselung von Nachrichten zu bieten. Dafür würden sich z. B. verschiedene Abarten des DES (z. B. mit verschiedenen S-Boxen) oder andere Verschlüsselungsverfahren eignen.

Nun wird der zum Verschlüsselungsalgorithmus (VE) passende Entschlüsselungsalgorithmus (EE) zum unleserlichen Algorithmus (EEV) verschlüsselt.

Nun kann jeder Benutzer einer Entschlüsselungseinrichtung, der einen Entschlüsselungsalgorithmus erhalten will, sich bei der Verteilerstelle melden. Dies kann z. B. verbal (auch über Telefon), schriftlich oder elektronisch erfolgen. Anhand der öffentlichen Seriennummer der Entschlüsselungseinrichtung muß er sich identifizieren. Da diese Seriennummer nur einmal vergeben wurde, ist eine eindeutige Identifikation der Entschlüsselungseinrichtung möglich. Die Verteilungsstelle kann nun darüber entschei den, ob der Empfänger berechtigt ist, den Ent schlüsselungsalgorithmus zu empfangen. Das kann auch von einer Bezahlung abhängen.

Wenn dies geklärt ist, wird der verschlüsselte Entschlüs selungsalgorithmus zum Benutzer der Entschlüsselungsein richtung übertragen und dort in der Entschlüsselungsein richtung zum Algorithmus (EE) entschlüsselt. Damit ist es dann möglich Nachrichten, die mit dem Verschlüsselungsal gorithmus (VE) verschlüsselt wurden, zu entschlüsseln.

Dies soll nun an einem Ausführungsbeispiel dargestellt werden.

Als Beispiel sei der Empfang eines Entschlüsselungsalgo rithmus durch den Besitzer der Entschlüsselungseinrichtung mit der Seriennummer SN=1 erläutert.

Die Erzeugung des an die Entschlüsselungseinrichtung mit der Seriennummer SN=1 zu übertragenden verschlüsselten Entschlüsselungsalgorithmus erfolgt folgendermaßen:
Der Verteiler der Nachrichten wählt einen Verschlüsse lungsalgorithmus (VE) welcher dann zur Verschlüsselung der später zu übertragenden Nachricht genutzt werden soll. Dieser Verschlüsselungsalgorithmus wird nie öffentlich zu gänglich, sondern nur in verschlüsselter Form übertragen.

Der Hersteller der Entschlüsselungseinrichtung (die Ver teilerstelle der Entschlüsselungsalgorithmen und Nach richten) verfügt über die internen Entschlüsselungsalgo rithmen (EI) und auch die zugehörigen Verschlüsselungsal gorithmen (EIU) aller Entschlüsselungseinrichtungen. Diese sind in einer Datenbank beim Hersteller oder auch beim Verteiler gespeichert.

Es sei EI1 (A), der nur dem Hersteller der Entschlüsse lungseinrichtung bekannte interne Entschlüsselungsalgo rithmus (EI) der Entschlüsselungseinrichtung mit der in ternen Seriennummer SN=1. Weiterhin sei EI1U (A), der ebenfalls nur dem Hersteller der Ent schlüsselungseinrichtung bekannte Verschlüsselungsalgo rithmus passend zu EI1 (X).

Nun wird der, der Entschlüsselungseinrichtung zu übertra gende Entschlüsselungsalgorithmus (EE) verschlüsselt. Dies erfolgt in der Art, daß der Entschlüsselungsalgorithmus (EE) mit dem zum internen Entschlüsselungsalgorithmus (EI) passenden Verschlüsselungsalgorithmus (EIU) zum unleserli chen Algorithmus (EEV) nach folgender Formel verschlüsselt wird:

EEV:=EI1U (EE).

Dieser verschlüsselte Algorithmus (EEV) wird der Ent schlüsselungseinrichtung mit der Seriennummer SN=1 über tragen.

Dies kann z. B. verbal (auch über Telefon), schriftlich oder elektronisch erfolgen.

Der übermittelte Algorithmus ist relativ kurz. Damit ist ein Knacken des internen Entschlüsselungsalgorithmus der Entschlüsselungseinrichtung (EI) schwer möglich. Wie oben gezeigt, müssen für ein Brechen der Verschlüsselung viele Plain- und Ciphertexte vorhanden sein, um erfolgver sprechende Knackalgorithmen verwenden zu können. Dies ist aber in diesem Fall wegen der Kürze des übermittelten verschlüsselten Entschlüsselungsalgorithmus (EEV) nicht möglich.

Nun wird beim Empfänger das Entschlüsselungsgerät funkti onstüchtig gemacht.

Der Ablauf nach dem Einschalten der Versorgungsspannung oder nach einer Unterbrechung der Abarbeitung ist folgender:
Der Zentralprozessor CPU 2 führt mit dem internen nicht auslesbaren nicht flüchtigen Speicher mit wahlfreiem Zu griff ROM 4 und dem internen nichtauslesbaren flüchtigen Speicher mit wahlfreiem Zugriff RAM 3 einen Selbsttest durch. Dies könnte z. B. durch eine Prüfsummenbildung geschehen.

Nun erfolgt das Einlesen des verschlüsselten Entschlüsse lungsalgorithmus′ (EEV) in die Entschlüsselungseinrich tung über das Interface 5. Der Entschlüsselungsalgorithmus wurde vorher in verschlüsselter Form vom Benutzer der Entschlüsselungseinrichtung eingegeben oder in anderer Form eingelesen.

Als nächstes wird mit Hilfe des im internen nichtausles baren nichtflüchtigen Speicher mit wahlfreiem Zugriff ROM 4 gespeicherten Entschlüsselungsalgorithmus (EI) der ver schlüsselt vorliegende Entschlüsselungsalgorithmus (EEV) mit dem internen Entschlüsselungsverfahren (EI) entschlüs selt. Dies geschieht in der Weise, daß der Zentralpro zessor CPU 2 die im internen nichtauslesbaren nicht flüchtigen Speicher mit wahlfreiem Zugriff ROM 4 gespei cherten Entschlüsselungseinrichtung in den Personalcomputer 6 eingegebenen Anweisungen des Entschlüsselungsalgo rithmus (EI) ausführt und den verschlüsselten Entschlüsse lungsalgorithmus (EEV) folgendermaßen entschlüsselt:

EE:=EI1 (EEV).

Bei diesem Verfahren entsteht wieder, da der interne Ent schlüsselungsalgorithmus (EI1) mit dem Verschlüsselungsal gorithmus (EIU1) zusammenpaßt, mit dem der Entschlüsse lungsalgorithmus (EE) verschlüsselt wurde, der ursprüngli che Entschlüsselungsalgorithmus (EE).

Dieser wird im internen nichtauslesbaren flüchtigen Spei cher mit wahlfreiem Zugriff RAM 3 abgespeichert und ist somit nicht von außen erkundbar. Damit ist es nicht mög lich, den Entschlüsselungsalgorithmus weiterzugeben, da er in verschlüsselter Form wertlos ist und in unverschlüssel ter Form nicht vorliegt.

Nun ist die Entschlüsselungseinrichtung einsatzbereit.

Die Entschlüsselung einer verschlüsselten Nachricht (NV), die z. B. verbal (auch über Telefon), schriftlich oder elektronisch übertragen wurde, in der Entschlüsse lungseinrichtung mit der Seriennummer SN=1 erfolgt nun folgendermaßen:
Die CPU lädt über das Interface 5 den Schlüssel (K) und die Nachricht (NV). Dieser Schlüssel muß auf einem siche ren, Dritten nichtzugänglichen Weg übertragen werden, dies kann auch durch Verschlüsselung geschehen.

Dann wird die Nachricht von dem Zentralprozessor CPU 2 mit dem Entschlüsselungsalgorithmus (EE) unter Nutzung des Schlüssels K entschlüsselt.

NE:=EE(NV, K).

Danach wird die entschlüsselte Information (NE) von dem Zentralprozessor CPU 2 über das Interface 5 ausgegeben und steht dem Empfänger zur Verfügung.

Es ist somit möglich, Informationen mit verschiedenen Ver schlüsselungsalgorithmen zu verschlüsseln und mit ver schiedenen Entschlüsselungseinrichtungen zu entschlüsseln, ohne daß der Entschlüsselungsalgorithmus bekannt gemacht werden muß oder vorher schon in der Entschlüsselungsein richtung vorliegt.

Weiterhin ist der übertragene Entschlüsselungsalgorithmus weder weitergebbar oder erkundbar, da er individuell für jedes Entschlüsselungsgerät verschlüsselt übertragen wird und dort nichtauslesbar gespeichert und nur zum internen Gebrauch des Entschlüsselungsgerätes mit der entsprechen den Seriennummer verfügbar ist.

Bezugszeichenliste

1 integrierter Schaltkreis
2 Zentralprozessor CPU
3 interner nichtauslesbarer flüchtiger Speicher mit wahl freiem Zugriff RAM
4 interner nichtauslesbarer nichtflüchtiger Speicher mit wahlfreiem Zugriff ROM
5 Interface
6 Personalcomputer
a Datenpfad

Verwendete Abkürzungen

CPU = Zentralprozessor
DEA = data encryption standard
EI = Entschlüsselungsalgorithmus intern
EI1 = Entschlüsselungsalgorithmus intern für die Entschlüsselungseinrichtung mit der Seriennummer SN=1
EIU = zum internen Entschlüsselungsalgorithmus (EI) passender Verschlüsselungsalgorithmus
EI1U = zum internen Entschlüsselungsalgorithmus (EI1) passender Verschlüsselungsalgorithmus für die Entschlüsselungseinrichtung mit der Seriennummer SN=1
EE = Entschlüsselungsalgorithmus zur Verschlüsselung von Nachrichten
EEV = verschlüsselter Entschlüsselungsalgorithmus zur Übertragung
NE = nichtverschlüsselte oder entschlüsselte Nachricht
NV = verschlüsselte Nachricht
Schlüssel K = Schlüssel zur Entschlüsselung von Nachrichten
VE = Verschlüsselungsalgorithmus beim Verteiler der Infor mationen zur Verschlüsselung der digitalen Informationen passend zu EE
(:=) = ergibt sich aus.

Claims

1. Entschlüsselungseinrichtung von Entschlüsselungsalgo rithmen dadurch gekennzeichnet, daß vom Verteiler des Entschlüsselungsalgorithmus dieser mit einem Verschlüs selungsalgorithmus (EIU) verschlüsselt wird, welcher dem Entschlüsselungsalgorithmus (EI) entspricht, der in der jeweiligen empfangenden Entschlüsselungseinheit intern vorhanden ist, daß der Entschlüsselungsalgorithmus (EI) der Öffentlichkeit nicht zugänglich und auch nicht erkund bar ist, der Nutzer der Entschlüsselungseinrichtung den verschlüsselten Entschlüsselungsalgorithmus in die Ent schlüsselungseinrichtung eingibt und dieser innerhalb der Entschlüsselungseinrichtung entschlüsselt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Entschlüsselungseinrichtung aus einem integrierten Schaltkreis (1), dem ein Zentralpro zessor CPU (2), ein interner nichtauslesbarer flüchtiger Speicher mit wahlfreiem Zugriff RAM (3) als Ar beitsspeicher und ein interner nichtauslesbarer nicht flüchtiger Speicher mit wahlfreiem Zugriff ROM (4) und ei nem Interface (5) zugeordnet sind, indem sich jede Ent schlüsselungseinrichtung von jeder weiteren unterscheidet durch den Inhalt des internen nichtflüchtigen Speichers mit wahlfreiem Zugriff ROM (4) und teilweise in einem in tegrierten Schaltkreis integriert ist und daß das Inter face (5) zwischen dem Zentralprozessor CPU (2) und dem Personalcomputer (6) angeordnet ist und mit dem Zentral prozessor CPU (2) mit dem Datenpfad (a) verbunden sind.

2. Entschlüsselungseinrichtung von Entschlüsselungsalgo rithmen und Verfahren zur Durchführung der Ver- und Ent schlüsselung derselben dadurch gekennzeichnet, daß im
1. Schritt
vom Verteiler der Entschlüsselungsalgorithmen diese mit einem, nur dem Hersteller der Entschlüsselungseinrichtung bekannten Verschlüsselungsalgorithmus (EIU) (welcher dem Entschlüsselungsalgorithmus (EI) in der Entschlüsselungs einheit entspricht), wie folgt verschlüsselt werden: EEV:=EIU (EE)und dieser verschlüsselte Algorithmus (EEV) der Entschlüs selungseinrichtung übertragen wird, wonach die Entschlüs selungseinrichtung, mit dem Zentralprozessor CPU (2) mit dem internen nichtauslesbaren nichtflüchtigen Speicher mit wahlfreiem Zugriff ROM (4) einen Selbsttest durch führt, und das Einlesen des verschlüsselten Entschlüsse lungsalgorithmus (EEV) in das Entschlüsselungsgerät über das Interface (5) erfolgt und nun mit Hilfe des im internen nichtauslesbaren nichtflüchtigen Speicher mit wahlfreiem Zugriff ROM (4) gespeicherten Entschlüsselung salgorithmus (EI) der verschlüsselt vorliegende Entschlüs selungsalgorithmus (EEV) mit dem internen Entschlüsse lungsverfahren (EI) entschlüsselt nachEE:=EI (EEV)wird, wobei bei diesem Verfahren wieder der ursprüngliche Entschlüsselungsalgorithmus (EE) entsteht, welcher im internen nichtauslesbaren flüchtigen Speicher mit wahl freiem Zugriff RAM (3) abgespeichert, und somit nicht von außen erkundbar ist, womit die Entschlüsselungseinrichtung mit dem Entschlüsselungsalgorithmus (EE) einsatzbereit ist und die Entschlüsselung einer Nachricht (NV) folgen dermaßen erfolgt, daß die CPU über das Interface (5) den Schlüssel K, welcher über einen sicheren Übertragungsweg z. B. Verschlüsselung übertragen werden muß, und die Nachricht (NV) lädt und die Nachricht von dem Zentralprozessor CPU (2) mit dem Entschlüsselungsal gorithmus (EE) unter Nutzung des Schlüssels K entschlüs selt wird, nachNE:=EE (NV, K),und die entschlüsselte Information (NE) von dem Zentral prozessor CPU (2) über das Interface- (5) ausgegeben wird und dem Empfänger zur Verfügung steht.