DE60023170T2 - Zentralisierte kryptographische Datenverarbeitung mit hohem Durchsatz - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein zentralisiertes kryptographisches Verfahren und System, das insbesondere auf Anwendungen gerichtet ist, die hohe kryptographische Leistungen verlangen.
  • In einem System verteilter Dienste wie dem Gebührenfernsehen, dem Zahlungsverkehr mit Bankkarte oder über das Internet werden für die zwischen einem Verwaltungszentrum und den Benutzermoduln ausgetauschten Daten kryptographische Mittel eingesetzt, um die Echtheit und Vertraulichkeit der Daten garantieren zu können.
  • Je nach dem Anwendungstyp kann die Zahl der Benutzermoduln hoch sein, und jeder dieser Moduln richtet die Daten über Konzentratoren an eines oder mehrere der Verwaltungszentren, die die Aufgabe haben, die Transaktionen zu authentifizieren und auszuführen. Diese Operationen beruhen auf verschlüsselten Kommunikationen und verlangen einerseits bei den Benutzermoduln und andererseits beim Verwaltungszentrum kryptographische Mittel. Wenn man eine grosse Anzahl von Benutzermoduln bedienen will, so kann man sich leicht vorstellen, dass die kryptographischen Mittel bei der Zentrale sehr leistungsstark sein müssen, während die kryptographischen Mittel beim Benutzer, die jedem Benutzer eigen sind, nicht die gleichen Bedürfnisse haben.
  • Während also ein in einer Chipkarte vorhandener Prozessor in der Lage ist, diese Daten auf der Seite des Benutzermoduls zu verarbeiten, werden hingegen im Allgemeinen auf der Seite des Verwaltungszentrums leistungsstarke Computer installiert.
  • Ein entscheidender Punkt ist der Zugriff auf die Verschlüsselungsschlüssel. Im Verwaltungszentrum werden die kryptographischen Operationen in einem spezifischen kryptographischen Modul ausgeführt, auf dessen Sicherheit besondere Aufmerksamkeit gelenkt wird. Dieser besteht unter anderem aus einem Prozessor hoher Kapazität, der den kryptographischen Operationen fest zugeordnet ist, sowie einem Speicher, der die Schlüssel enthält. Aus Gründen der Sicherheit befinden sich diese Moduln entweder an einem geschützten Ort wie einem Safe oder einem verschlos senen Raum oder sind in einem Gehäuse verkapselt, dessen Öffnung gleich mit welchen Mitteln die Löschung der vertraulichen Daten bewirkt.
  • Obwohl diese Vorkehrungen unleugbare Qualitäten aufweisen, sind diese Moduln auf Grund ihrer elektronischen Struktur anfällig und können durch eine böswillige Person verwundbar sein. So kann der Angestellte, der den Schlüssel verwahrt, mit dem der Raum geöffnet werden kann, wo sich die kryptographischen Moduln befinden, leicht auf den Speicher zugreifen, in dem die kryptographischen Schlüssel gespeichert sind. Ein solcher Eingriff kann sich für die Sicherheit des Systems und die Glaubwürdigkeit des Dienstleisters als katastrophal erweisen.
  • Ausserdem haben diese kryptographischen Moduln trotz ihrer hohen Verarbeitungskapazität nicht die erforderliche Anpassungsfähigkeit, wenn höhere Kapazitäten notwendig werden. Ein Leistungsanstieg von 10% bringt zum Beispiel eine Verdoppelung des kryptographischen Moduls mit sich, wodurch die Kapazität tatsächlich um 100% ansteigt. Ein weiterer Aspekt ist die Aktualisierung dieser Moduln, die bei dafür speziell entwickelten Karten schwierig bleibt.
  • Es ist bekannt, mehr als eine Chipkarte für die Entschlüsselungsoperationen im Abonnentenmodul einzusetzen; diese Konfiguration wird im Dokument WO 96/07267 wie auch in der Veröffentlichung EBU Technical Review Nr. 266 "Functional Model of a Conditional Access System" beschrieben. Allerdings wird das Vorhandensein dieser mehrfachen Karten auf der Empfängerseite dadurch erforderlich, dass mehrere Quellen entschlüsselt werden sollen, die unterschiedliche Schlüssel oder unterschiedliche kryptographische Funktionen verwenden. Das Vorhandensein dieser Karten ermöglicht es nur, die Verträglichkeit mit verschiedenen Normen zu gewährleisten, bietet aber keine Lösung für das Problem, grosse Datenströme zu verarbeiten.
  • Das Problem, das die vorliegende Erfindung zu lösen beabsichtigt, ist die Verfügbarkeit eines kryptographischen Moduls, der eine hohe Sicherheit gegenüber einer Intrusion sowohl auf der Seite der Hardware als auch auf der Seite der Software sowie eine hohe Anpassungsfähigkeit in Abhängigkeit von der verlangten kryptographischen Leistung bietet und leicht aktualisiert werden kann.
  • Dieses Ziel wird voll erreicht durch das zentralisierte kryptographische System, das in Anspruch 1 definiert ist und einen Steuermodul sowie zumindest einen kryptographischen Modul umfasst, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder kryptographische Modul aus einem oder mehreren Schnittstellenmoduln zusammengesetzt ist, an denen ein oder mehrere monolithische Sicherheitseinheiten vorhanden sind.
  • Unter einer monolithischen Sicherheitseinheit versteht man eine Einheit, die alle Elemente vereint, die für die kryptographischen Operationen erforderlich sind, und die diese auf einem einzigen Träger zusammenfasst, um ihre Sicherheit zu gewährleisten. Sie besteht allgemein aus einem einzigen elektronischen Chip, der über einen mechanischen oder elektronischen Intrusionsschutz verfügt. Andere Strukturen, die sich zum Beispiel aus zwei elektronischen Chips zusammensetzen, werden ebenfalls unter dem Begriff „monolithisch" geführt, solange sie eng miteinander verbunden sind und durch die Händler als ein einziges Element geliefert werden.
  • Erfindungsgemäss umfasst der kryptographische Modul einen ersten oder Steuermodul, der die Aufgabe hat, die eingehenden und ausgehenden, zu verarbeitenden Daten zu verwalten. Er erlaubt es, die erwünschte kryptographische Leistung zu bestimmen, und kennt die verfügbare kryptographische Leistung. Dieser Steuermodul kann Hardware oder Software sein. Um die Datenverarbeitung auszuführen, verfügt er über ein oder mehrere Schnittstellenmoduln, an denen sich monolithische Sicherheitseinheiten befinden. Jede dieser Einheiten umfasst eine kryptographische Recheneinheit, einen Speicher, der zumindest einen Teil der Verschlüsselungsschlüssel enthält, sowie Mittel für die Kommunikation mit dem Schnittstellenmodul. Die Schlüssel befinden sich unverschlüsselt einzig und allein in den Sicherheitseinheiten, die wie zuvor angedeutet ein hohes Sicherheitsniveau besitzen. Dieses Niveau wird dadurch erreicht, dass sie aus einer einzigen fest zugeordneten und zu diesem Zweck geprüften Schaltung bestehen. Ihre Struktur ermöglicht es ihnen nicht, hohe Verarbeitungskapazitäten zu erreichen, weshalb eine erhöhte kryptographische Leistung durch den Einsatz einer grossen Anzahl dieser Einheiten gewährleistet wird. Je höher die vom System verlangte kryptographische Leistung, desto mehr von diesen Einheiten werden eingeschaltet.
  • Diese Konfiguration ermöglicht es, eine hohe Anpassungsfähigkeit bezüglich der kryptographischen Leistung des ganzen Geräts zu gewährleisten, indem je nach den Bedürfnissen weitere Sicherheitseinheiten hinzugefügt werden. Diese Konfiguration erlaubt es, der Nachfrage durch Hinzufügen der erforderlichen Sicherheitseinheiten nachzukommen.
  • Einer Ausformung der Erfindung zufolge werden die monolithischen Sicherheitseinheiten abnehmbar auf die Schnittstellenmoduln montiert. Das ermöglicht eine leichte Aktualisierung der letzteren, während sich die Technologie rasch weiterentwickelt. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht in ihrem Preis, da diese Sicherheitseinheiten in grossen Stückzahlen hergestellt werden und daher einen attraktiven Preis haben können.
  • Einer Ausformung der Erfindung zufolge sind die Sicherheitseinheiten Chipkarten, die den Normen der ISO 7816 entsprechen.
  • Diese Erfindung erstreckt sich ebenfalls auf das Verfahren der zentralisierten kryptographischen Verarbeitung, die in Anspruch 8 definiert ist.
  • Diesem Verfahren zufolge hängt die Anzahl der arbeitenden Sicherheitseinheiten von dem vom kryptographischen Modul verlangten Datenfluss ab. Da nämlich keine der Einheiten eine genügend hohe Leistung besitzt, um eine grosse Anzahl kryptographischer Operationen in kurzer Zeit zu bewältigen, werden mehrere Sicherheitseinheiten herangezogen. Der Steuermodul und der Schnittstellenmodul veranlassen die Parallelschaltung der Resourcen der Sicherheitseinheiten.
  • Eine der Funktionen des Schnittstellenmoduls besteht in der Verwaltung der stromab verfügbaren Resourcen. In einer Phase der Initialisierung führt der Schnittstellenmodul eine Bestandsaufnahme der Sicherheitseinheiten aus, die ihm beigeordnet sind, und erfasst ihre Eigenschaften. Diese Datei der Resourcen dient der Lenkung der Anforderungen in Übereinstimmung mit den Eigenschaften dieser Einheiten.
  • In einer Variante der Erfindung werden die gleichen kryptographischen Operationen durch mehrere Sicherheitseinheiten ausgeführt und die unterschiedlichen Ergebnisse verglichen. Wenn sich die Ergebnisse unterscheiden, schickt der Steuermodul eine Fehlermeldung an die Schaltstelle. Diese kann auf verschiedene Weise reagieren, zum Beispiel indem sie feststellt, welche der Sicherheitseinheiten für den Fehler verantwortlich ist, indem sie entweder eine Bezugs-Sicherheitseinheit heran zieht oder mehrere Sicherheitseinheiten einsetzt und herausfindet, welche ein unterschiedliches Ergebnis schickt.
  • Das Ergebnis dieser Prüfung wird an die Resourcenliste gemeldet, damit der oder die fehlerhaften Einheiten nicht weiter eingesetzt werden.
  • Unter der Annahme, dass der Fehler nicht von einer Sicherheitseinheit, sondern von allen Sicherheitseinheiten des gleichen Schnittstellenmoduls kommt, werden die parallelen kryptographischen Operationen durch zwei Sicherheitseinheiten ausgeführt, die sich an zwei verschiedenen Schnittstellenmoduln befinden. Bestimmte Parameter werden nämlich im Schnittstellenmodul gespeichert, und ihre Änderung kann eine Fehlfunktion aller Sicherheitseinheiten nach sich ziehen.
  • Um sich einer guten Funktion dieser verschiedenen Moduln zu vergewissern, können Testoperationen an den nicht im Einsatz befindlichen Sicherheitseinheiten ausgeführt werden. Diese Tests können mit Bezugsdaten ausgeführt werden, deren Ergebnis im Voraus bekannt ist, oder parallel an mehreren Moduln mit zufällig erzeugten Daten ablaufen, indem dann die Ergebnisse verglichen werden.
  • Die Erfindung wird sich besser verstehen lassen durch die folgende eingehende Beschreibung, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt, die als keineswegs eingrenzendes Beispiel gegeben sind und in denen:
  • 1 ein zentralisiertes kryptographisches System des Standes der Technik darstellt;
  • 2 ein erfindungsgemässes kryptographisches System darstellt.
  • In 1 werden schematisch die verschiedenen Blöcke der Gruppe dargestellt, die für die Verschlüsselung in einem Verwaltungszentrum verantwortlich ist. Auf dem Bus, der die verschiedenen Daten befördert, die zum Funktionieren des Verwaltungszentrums erforderlich sind, finden sich die zu verschlüsselnden Daten. Wenn eine solche Operation durch das Verwaltungszentrum verlangt wird, wird auf das spezialisierte kryptographische System zugegriffen, das hier durch den Block CM des Steuermoduls und durch den Block EM des kryptographischen Moduls dargestellt wird. Der Steuermodul CM hat die Aufgabe, den Zugriff auf den kryptographischen Modul EM zu filtrieren, d.h. er bietet einen Schutz gegen Angriffe, die von aussen über den Datenbus lanciert werden. Er ist nicht dafür ausgelegt, einem Lokalangriff zu widerstehen, sei dieser physisch oder „informatisch" wie zum Beispiel durch das Bedienungspersonal.
  • Dieser Modul CM übermittelt die Daten, nachdem er sie gefiltert hat, zur Verarbeitung an den kryptographischen Modul EM. Wie weiter oben angedeutet, verfügt dieser über leistungsstarke Mittel, um in sehr kurzer Zeit die kryptographischen Operationen auszuführen und die erhöhten Anforderungen des zentralen Datenbusses zu befriedigen. Um dies zu tun, verfügt er in seinem Speicher über unverschlüsselte Schlüssel. In unserem Beispiel befindet sich dieser Modul an einem physisch geschützten Ort, um zu vermeiden, dass ein Dritter zu seinem eigenen Nutzen die Schlüssel herausziehen oder die Software abändern könnte.
  • 2 zeigt die Architektur des erfindungsgemässen Systems. Wir finden wieder den Steuermodul CM, der als Softwarefilter gegen äussere Angriffe wirkt. Wie in 2 angedeutet, ist dieser Modul mit mehreren Schnittstellenmoduln IM verbunden. Diese Moduln besitzen einen Softwareschutz, was besagt, dass eine bestimmte Anzahl von Operationen (Lesen zum Beispiel) ganz einfach nicht möglich ist. Diese Moduln sind hingegen physisch nicht geschützt, denn diese Funktion wird den Sicherheitseinheiten PIM überlassen. Jeder Schnittstellenmodul IM umfasst eine bestimmte Anzahl dieser Einheiten PIM, um die kryptographischen Leistungen steigern zu können.
  • Eine weitere Aufgabe dieses Moduls CM besteht darin, die vom Zentralbus kommenden Anforderungen an die Sicherheitseinheiten weiterzuleiten. Wenn die gewünschte Operation beendet ist (eine Verschlüsselung zum Beispiel), wird das Ergebnis an den Modul CM übermitteln, der die Einheit benachrichtigt, die diese Operation angefordert hat. Um die Verteilung der Anforderungen zu gewährleisten, verfügt der Modul CM über eine Liste verfügbarer Resourcen. Wenn ein Fehler entdeckt worden ist, wird die dafür verantwortliche Einheit in der Aufstellung der Resourcen desaktiviert.
  • Es ist nicht notwendig, dass alle Sicherheitseinheiten vom gleichen Typ sind. Es ist möglich, dass bestimmte dieser Einheiten über eine kryptographische Recheneinheit verfügen, die auf einem Algorithmus beruht, der sich von denen der anderen Ein heiten unterscheidet. In unserem Beispiel verfügen bestimmte Einheiten zum Beispiel über eine Einheit vom Typ RSA, während andere über eine Einheit vom Typ DES oder IDEA verfügen.
  • Diese Daten sind in der Liste der Resourcen enthalten, die im Modul CM gespeichert ist. Dieser Modul lenkt die Anforderungen in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit und Kapazität der Sicherheitseinheiten.
  • In einer Variante der Erfindung sind die Schnittstellenmoduln Karten vom Typ PCI, während die Sicherheitseinheiten Chipkarten vom Typ ISO 7816 sind.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in erster Linie die Verschlüsselung der Daten betrifft, ist die oben beschriebene Architektur gleichfalls bei der Entschlüsselung eines Datenstromes anwendbar. So ist es zum Beispiel möglich, dass die Benutzer beim Kauf einer Sendung zahlreich auf das Verwaltungszentrum zugreifen und einen beachtlichen zu entschlüsselnden Datenstrom erzeugen. Die Sicherheitseinheiten werden dann für die Entschlüsselung der Daten herangezogen.

Claims (13)

  1. Zentralisiertes kryptographisches System hoher Leistung, in einem Verwaltungszentrum befindlich, dafür bestimmt, die an eine Mehrzahl von Benutzermoduln zu übermittelnden Daten zu verarbeiten, einen Steuermodul (CM) sowie zumindest einen kryptographischen Modul (EM) umfassend und dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermodul Mittel aufweist, um die erforderliche kryptographische Leistung festzustellen und die verfügbaren kryptographischen Resourcen zu kennen, und dadurch, dass jeder kryptographische Modul aus zumindest einem Schnittstellenmodul (IM) besteht, an den parallel eine Mehrheit von monolithischen Sicherheitseinheiten (PIM) angeschlossen ist, wobei diese Sicherheitseinheiten einen Teil des benannten kryptographischen Systems bilden.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinheit (PIM) zumindest eine Recheneinheit für die kryptographischen Funktionen, einen Speicher, der die kryptographischen Schlüssel enthält, sowie Mittel der Kommunikation mit dem Schnittstellenmodul umfasst.
  3. System nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinheit (PIM) in abnehmbarer Weise auf den Schnittstellenmodul (IM) montiert ist.
  4. System nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinheit (PIM) in Gestalt einer Chipkarte vorliegt.
  5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Chipkarte den Normen der ISO 7816 entspricht.
  6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die monolithischen Sicherheitseinheiten (PIM) kryptographische Recheneinheiten unterschiedlichen Typs wie zum Beispiel RSA, DES, T-DES oder IDEA besitzen.
  7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermodul (CM) eine Liste der Resourcen der monolithischen Einheiten umfasst, in der die verfügbare Anzahl, ihr Zustand, ihre Version und ihre kryptographische Kapazität verzeichnet ist.
  8. Verfahren der zentralisierten Ver- und Entschlüsselung von zwischen einem Verwaltungszentrum und einer Mehrheit von Benutzermoduln übermittelten Daten, darin bestehend, dass durch das Verwltungszentrum zu verschlüsselnde oder zu entschlüsselnde Daten an einen Steuermodul (CM) übermittelt werden, der in einem kryptographischen Modul (EM) des benannten Verwaltungszentrums angeordnet ist, wobei dieser Steuermodul Mittel umfasst, um die erforderliche kryptographische Leistung festzustellen und die verfügbaren kryptographischen Resourcen zu kennen, wobei dieser Steuermodul ausserdem zumindest einen Schnittstellenmodul (IM) umfasst und über diesen Schnittstellenmodul (IM) die zu verschlüsselnden oder zu entschlüsselnden Daten an eine Mehrheit von monolithischen Sicherheitseinheiten (PIM) übermittelt, die parallel an diesen Schnittstellenmodul angeschlossen sind, wobei diese Sicherheitseinheiten je nach dem Datenfluss mit kryptographischen Operationen beauftragt werden.
  9. Verfahren der kryptographischen Verarbeitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, an mehrere Sicherheitseinheiten (PIM) die gleichen zu verarbeitenden Daten zu übermitteln, die von den Sicherheitseinheiten (PIM) zurückkommenden Daten zu vergleichen und eine ausserhalb befindliche Stelle davon zu benachrichtigen, wenn die Werte sich unterscheiden.
  10. Verfahren der kryptographischen Verarbeitung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die gleichen zu verarbeitenden Daten an Sicherheitseinheiten (PIM) zu übermitteln, die an verschiedene Schnittstellenmoduln (IM) angeschlossen sind.
  11. Verfahren der kryptographischen Verarbeitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, kryptographische Testoperationen an einem oder mehreren Sicherheitseinheiten (PIM) auszuführen, die sich nicht im Einsatz befinden, und das Ergebnis mit einem Bezugsergebnis zu vergleichen.
  12. Verfahren der kryptographischen Verarbeitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, kryptographische Testoperationen an zumindest drei Sicherheitseinheiten (PIM) auszuführen, die sich nicht im Einsatz befinden, und die Ergebnisse zu vergleichen, um festzustellen, ob diese Einheiten (PIM) funktionsfähig sind.
  13. Verfahren der kryptographischen Verarbeitung nach Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Sicherheitseinheiten (PIM) dank einer Resourcenliste zu verwalten, die sich im Steuermodul (CM) befindet, wobei diese Liste die Anzahl der verfügbaren Einheiten, ihren Zustand, ihre Version und ihre kryptographische Kapazität umfasst.
DE60023170T 1999-11-08 2000-11-02 Zentralisierte kryptographische Datenverarbeitung mit hohem Durchsatz Expired - Lifetime DE60023170T2 (de)

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CH204599 1999-11-08
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