DE60310968T2 - Sicherheits- und Privatsphärenverbesserungen für Sicherheitseinrichtungen - Google Patents

Sicherheits- und Privatsphärenverbesserungen für Sicherheitseinrichtungen Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Authentication und Key Agreement (AKA) bzw. Authentifikations- und Schlüsselübereinstimmungs-Prozeduren in Kommunikationssystemen, und im Besonderen die Verwendung und Konfiguration manipulationssicherer Sicherheitsvorrichtungen in solchen Prozeduren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Im Allgemeinen enthält Authentication und Key Agreement (AKA) bzw. eine Authentifikation- und Schlüsselübereinstimmung eine gegenseitige Authentifikation, was bedeutet, dass jeder der Kommunikationsbeteiligten, so wie ein Benutzer und ein zugehöriger Operator, sicher sein kann, dass der andere Beteiligte der behauptete Beteiligte ist, aber kann auch eine gewährte Privatsphäre enthalten, was zum Beispiel bedeutet, dass der einleitende Beteiligte, normalerweise der Benutzer, ein Pseudonym für seine/ihre Identität verwenden kann. Der Operator wird dann fähig sein, die wahre Identität des Benutzers zu bestimmen, wohingegen kein anderer Beteiligter dazu fähig sein wird. Selbstverständlich ergibt es keinen Sinn, eine Authentifikation durchzuführen, wenn nicht irgendwelche nachfolgenden Aktionen und/oder Prozeduren durchgeführt werden, die die authentifizierten Beteiligten involvieren. Typischerweise resultiert die Authentifikation deshalb schließlich in einer Schlüsselübereinstimmung bzw. Schlüsselvereinbarung, von der ein oder mehrere Schlüssel erhalten werden, die zum Schützen einer weiteren Kommunikation zwischen den Teilnehmern verwendet werden, und zum Sicherstellen, dass jede aufeinander folgende Nachricht von dem anderen Beteiligten abstammt.
  • Viele Netzwerkdienste basieren auf einem Speichern von Benutzerberechtigungsnachweisen (typischerweise ein Geheimschlüssel k und möglicherweise auch Benutzeridentitäten und Pseudonyme) auf einer manipulationssicheren „Sicherheitsvorrichtung", zum Beispiel eine GSM-SIM-(Subscriber Identity Module), eine UMTS-SIM- oder ISIM-(IP Multimedia SIM)Karte, und einem Ermöglichen, dass das Netzwerk mit dieser Vorrichtung durch ein Benutzerendgerät in einem Abfrage-Antwort-Protokoll interagiert, zum Durchführen eines (Teilnehmer-)Authentication und Key Agreement (AKA). Im Folgenden verweisen wir einfach auf solch ein Protokoll als ein AKA-Protokoll. Zum Beispiel enthält dieses die GSM- und UMTS-AKA-Protokolle.
  • Typischerweise arbeitet das Protokoll wie folgt, wie schematisch in 1 veranschaulicht. In einer Subskribiererdatenbank/Authentifikationszentrale, gemeinhin als eine AuC in dem Kontext von Mobilkommunikationssystemen bezeichnet, wird eine erwartete Antwort XRES auf der Grundlage einer Kenntnis des Geheimschlüssel und einer erzeugten Abfrage RAND erzeugt. Das AKA-Protokoll kann, und wird typischerweise, einen AAA-(Authorization, Authentication und Accounting)Server involvieren, der physikalisch mit der AuC untergebracht sein kann oder nicht. Die Abfrage RAND und die erwartete Antwort XRES werden normalerweise an den AAA-Server transferiert. Die Abfrage wird an das Endgerät ME (Mobile Equipment) gesendet, welches mit Hilfe der Sicherheitsvorrichtung die Antwort RES berechnet. Die Antwort wird zurück an den AAA-Server gesendet, und wenn sie mit der erwarteten Antwort übereinstimmt, ist der Benutzer authentifiziert. In 1 ist nur das Abfrage-Antwort-Protokoll gezeigt.
  • In der Realität werden zum Beispiel außerdem Sitzungsschlüssel zur Verschlüsselung erzeugt.
  • Ein Problem ist, dass in manchen Fällen (wiederum zum Beispiel GSM-SIMs, die den COMP128-Algorithmus verwenden) die in dem AKA-Protokoll verwendeten kryptographischen Algorithmen nicht sehr stark sind, und durch Erhalten einer relativ kleinen Anzahl von Abruf-Antwort-Paaren kann ein Angreifer die Sicherheitsvorrichtung rückwärts-entwerfen bzw. reverse-engineeren (und herausfinden, was k ist).
  • Dieses Problem wird durch die Tatsache schlimmer, dass es einige vorgeschlagene Lösungen gibt, wo, um unterschiedliche Typen von Zugriffen und Diensten zu gewinnen, die Sicherheitsvorrichtung aus ihrer normalen Umgebung (zum Beispiel ein Mobiltelefon) herausgezogen werden muss und in eine fremde Umgebung gegeben werden muss. Zum Beispiel wird die Sicherheitsvorrichtung in einen Kartenleser gegeben, der über einen USB-(Universal Serial Bus) Port mit einem PC (Personal Computer) verbunden ist. Da ein PC, im Vergleich zu einem Mobiltelefon, relativ verwundbar für Infektionen durch Viren und Trojaner ist, ist es möglich, dass eine böswillige Software eingepflanzt wird, die, ohne Wissen des Benutzers, Abfrage-Antwort-Werte von der Vorrichtung „zieht" und (möglicherweise später) sie an einen Angreifer zur Analyse weiterleitet. Dies ist eine ernsthafte Bedrohung in Fällen, wo es keine Authentifikation der Abfragen gibt (zum Beispiel alte GSM-Systeme), oder wenn die Abfragen authentifiziert werden, aber ein Sicherheitsmangel in dieser Authentifikation gefunden wird. Die Analyse für Angriffe kann auf einem passiven Mithören (in 1 durch „ATTACK" und durchgezogene Linien angegeben) basieren, oder durch eine aktive Injektion adaptiv ausgewählter Abfragen (in 1 durch „ATTACK" und gestrichelte Linien angegeben).
  • Selbst wenn die Sicherheitskarte immer in dem Endgerät/Telefon verbleibt, gibt es Fälle, wo die Sicherheit beeinträchtigt sein könnte. Zum Beispiel gibt es Vorschläge zum Wiederverwenden des AKA-Protokolls über eine andere Schnittstelle, zum Beispiel Bluetooth oder IRDA, um fähig zu sein, die Berechtigungsnachweise auf der Karte zum Authentifizieren für andere Dienste neben dem Netzwerkzugriff zu verwenden. Zum Beispiel könnte das Telefon mit einer Registrierkasse in einem Geschäft zum Bezahlen für erworbene Güter kommunizieren, als eine „elektronische Geldbörse" agierend. Da zum Beispiel GSM-SIMs nicht per Vorgabe die Vorrichtung authentifizieren können, die eine Authentifikation anfordert (d.h. die Authentifikation ist gegenseitig), gibt es ein Risiko, dass böswillige Vorrichtungen an öffentlichen Plätzen mit der Absicht zum Angreifen schwacher Algorithmen auf den Karten aufgestellt werden. Eine vermutlich schlimmere Bedrohung ist die eines feindlichen Installierens eines böswilligen Agenten in dem Endgerät. Solch ein Agent kann dann ferngesteuert aktiviert werden, wenn ein Angreifer sich für einen Server authentifizieren will, was dem Angreifer AKA-Parameter von dem infizierten Endgerät bereitstellt. Dieses schränkt die Geschäftsfälle ernsthaft ein, in welchen zum Beispiel eine SIM-basierte Authentifikation verwendet werden kann.
  • Stand der Technik
  • In dem sehr speziellen Fall von GSM-SIMs gibt es eine Weiterentwicklung in IETF, [1], zum Verbessern der Sicherheit durch Einkapseln der GSM-A3/A8-Antworten in einem sichereren Algorithmus, so wie den MD5- oder SHA1-Algorithmen, [2]. Genauer genommen werden vielmehr sie, eher als direktes Rückgeben der Werte der A3/A8-Algorithmen, als eine Eingabe an eine stärkere Funktion verwendet, und das Ergebnis dieser Funktion wird anstelle dessen zurückgegeben. Dies beugt einer direkten Analyse der Ausgaben von A3/A8 vor. Diese Arbeit, auf die als ein SIM-Profil des Extensible Authentication Protocol (EAP-SIM) verwiesen werden kann, stellt auch eine Teillösung für die Tatsache bereit, dass mehr als die standardmäßigen 64 Bits eines GSM-Schlüsselmaterials gebraucht werden könnten. Dies wird erreicht durch sequentielles Anfragen der A3/A8-Algorithmen auf unterschiedliche RAND-Werte, mit Verketten der Ergebnisse in einem längeren Schlüssel.
  • 2 veranschaulicht das konventionelle erweiterte Authentifikationsprotokoll EAP-SIM. Die Mobilapparatur (ME) oder ein anderes Benutzerendgerät leitet die Abfrage an das SIM weiter und berechnet die Antwort RES und dann einen Hash-Wert der Antwort. Dieser Hash-Wert wird dann an den AAA-Server als die neue Antwort RES' gesendet. Der AAA-Server implementiert selbstverständlich dieselbe Hash-Funktion. Ein Angreifer, der den Verkehr zwischen dem AAA-Server und der ME belauscht bzw. snifft, wird in diesem Fall nicht direkt Zugriff auf die Ausgabe RES vom A3/A8 haben, sondern nur auf den Hash-Wert, RES', der A3/A8-Ausgabe. Es kann bemerkt werden, dass eine ähnliche Arbeit auch in Entwicklung für UMTS-AKA ist, [3].
  • Während der EAP-SIM-Vorschlag die theoretischen Probleme mit den GSM-A3/A8-Algorithmen adressierte, oder genauer genommen den COMP128-Implementierungen davon, hat er einige Unzulänglichkeiten. Erstens wird die Lösung nur die spezifischen Probleme mit Bezug zu COMP128-GSM lösen. Wenn die EAP-Einkapselung in dem Endgerät, zum Beispiel ein Laptop, implementiert ist, ist die SIM-ME-Schnittstelle, angegeben durch eine umkreiste „1" in 2, auch für Viren und Trojaner verfügbar. Dies impliziert, dass ausgewählte Abfragen und entsprechende Antworten immer noch für Angreifer verfügbar sein werden. Vorzugsweise sollte irgendeine Lösung für dieses bestimmte Problem nicht ein Ändern des SIM-ME-Schnittstellen-Standards erfordern, wie in Referenz [4] spezifiziert. Es wird Zeit benötigen, den Standard zu ändern, und es könnte sogar nicht möglich sein, bevor standardmäßige UMTS-USIMs, die stärker sind und nicht den Extraschutz brauchen, auf dem Markt verfügbar sind. Außerdem ist, wie in der Einführung bemerkt, vorgeschlagen worden, dass UMTS Release 99 (R99) gemäße GSM-Telefone/Netzwerke das stärkere UMTS-AKA unterstützen sollten. Somit ist eine Standardisierungsanstrengung fraglich. Außerdem kann nicht ausgeschlossen werden, dass der EAP-SIM-Vorschlag selbst manche Schwächen hat und später „sehr fein eingestellt" werden muss. Tatsächlich wurde kürzlich entdeckt, dass der Ansatz zum Verwenden einiger RAND-Werte in Reihe zum Ableiten längerer Schlüssel manche Makel hat. Durch Ausstellen desselben, n-mal wiederholten RAND-Wertes, eher als von n unterschiedlichen RAND-Werten, kann die erhaltene effektive Sicherheit immer noch nur äquivalent zu der von einem einzelnen RAND-Wert Erhaltenen sein.
  • Das Dokument ETSI-TS 101 180 (v 8.0.0) Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Security mechanism for the SIM Application Toolkit; Stage 1; GSM 02.48 Release 1999, Mai 2000 (200-05), XP014006016 beschreibt eine Menge von Befehlen und Prozeduren, die es Operatoren ermöglicht, spezifische auf einer SIM-Karte residente Anwendungen zu erschaffen. Im Allgemeinen betrifft das Dokument ein Sichern des SIM Application Toolkit mit Bezug zu einer Kommunikation über das GSM-Netzwerk. Im Allgemeinen betrifft das Dokument einen sicheren Transfer von Application Messages von einer Sending Entity zu einer Receiving Entity. Die Receiving Entity muss eine Application Message aus einem empfangenen Secured Packet rekonstruieren, und, auf eine sichere Weise, der Receiving Application die auf das Secured Packet angewendeten Sicherheitsmechanismen angeben. Ferner erwähnt das Dokument einige Erfordernisse für die sichere Kommunikation, zum Beispiel eine authentifikationsbereitstellende Zusicherung, dass nur autorisierte Teilnehmer Aktionen mit der SIM-Karte durchführen können, und dass ein unautorisierter Zugriff verhindert wird. Dank den Sicherheitsanordnungen gemäß diesem Dokument kann ein sicherer und authentifizierter Zugriff auf die Anwendungsumgebung einer Benutzer SIM getätigt werden, zum Beispiel zur Aktualisierung der Empfangsanwendung. Jedoch betrifft dieses Dokument nicht eine Authentifikation für einen Netzwerkzugriff bzw. Zugang und erwähnt im Allgemeinen nicht irgendein Verfahren zur Authentifikation und Schlüsselübereinstimmung bzw. Schlüsselvereinbarung, ein AKA-Protokoll, und Schwächen des AKA-Protokolls.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung, die durch den unabhängigen Anspruch 1 und Anspruch 16 definiert ist, überwindet diese und andere Nachteile der Anordnungen nach dem Stand der Technik.
  • Es ist eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Sicherheit und/oder Privatsphäre in Verbindung mit einer Authentifikation und/oder Schlüsselübereinstimmung bzw. Schlüsselvereinbarung bereitzustellen.
  • Es ist eine Aufgabe, ein verbessertes SIM oder eine ähnliche manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung bereitzustellen. Bezüglich dessen ist es insbesondere wünschenswert, die Funktionalität der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung für den Zweck einer verbesserten Sicherheit und/oder Privatsphäre zu erweitern.
  • Es ist außerdem eine Aufgabe der Erfindung, die Gesamtsicherheit aufrecht zu erhalten, selbst wenn eine manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung, so wie ein SIM, in einer unsicheren Umgebung verwendet wird, oder beim Wiederverwenden des AKA-Protokolls über eine weniger sichere Schnittstelle.
  • Eine andere Aufgabe ist es, ein Benutzerendgerät bereitzustellen, das für eine verbesserte Sicherheit und/oder Privatsphäre ausgebildet ist.
  • Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Netzwerkserver bereitzustellen, der Sicherheit- und/oder Privatsphärenverbesserungen in manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtungen unterstützt, die in Benutzerendgeräten installiert sind.
  • Wie oben angegeben, betrifft die Erfindung im Allgemeinen eine manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung, so wie ein Subskribiereridentitätsmodul oder ein Äquivalent, das eine Einrichtung zum Speichern von Benutzerberechtigungsnachweisen, mit wenigstens einem Sicherheitsschlüssel, ein AKA-(Authentication und Key Agreement) Modul zum Durchführen eines AKA-Prozesses mit dem Sicherheitsschlüssel, als auch eine Einrichtung zur externen Kommunikation hat.
  • Die Grundidee gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung ist es, die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung mit einer zur Zusammenarbeit mit dem AKA-Modul ausgebildeten Anwendung und einer Einrichtung zum Koppeln des AKA-Moduls mit dieser Anwendung zu versehen.
  • Die mit dem AKA-Modul zusammenarbeitende Anwendung ist vorzugsweise eine Sicherheits- und/oder privatsphärenverbessernde Anwendung, die typischerweise eine Verarbeitung für eine verbesserte Sicherheit und/oder Privatsphäre mit Bezug zu einer Authentifikation und/oder Schlüsselübereinstimmung bzw. Schlüsselvereinbarung des AKA-Moduls durchführt.
  • Zur verbesserten Sicherheit führt die Anwendung etwas unterschiedliche Sicherheitsverarbeitungsaufgaben in. Abhängigkeit von den bestimmten zu erzielenden Sicherheitszielen durch. Im Allgemeinen kann die Verarbeitung für eine verbesserte Sicherheit die Verarbeitung von einem oder mehreren Eingabeparametern (Vorverarbeitung) und/oder Ausgabeparametern (Nachverarbeitung) des AKA-Prozesses umfassen. Zum Beispiel kann eine sicherheitsverbessernde Anwendung konfiguriert sein zum Einkapseln von AKA-Antworten in einem sichereren Algorithmus, wie zum Beispiel in dem oben erwähnten EAP-SIM-Protokoll vorgeschlagen. Gemäß der Erfindung findet die gesamte empfindliche Verarbeitung jedoch in der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung statt, einschließlich der sicherheitsverbessernden Schritte. Unter Berücksichtigung der erhöhten Stärke des EAP-SIM und ähnlicher sicherheitsverbessernder Algorithmen ist die Wahrscheinlichkeit, dass auf ein Abrufen des Geheimschlüssels oder anderer empfindlicher Daten gerichtete Angriffe erfolgreich sein werden, signifikant reduziert. Demgemäß kann die Gesamtsicherheit aufrecht erhalten werden, selbst wenn die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung in einer weniger sicheren Umgebung verwendet wird, so wie ein Personalcomputer (PC), oder beim Wiederverwenden des AKA-Protokolls über eine weniger sichere Schnittstelle, so wie Bluetooth.
  • Andere Beispiele der verbesserten Sicherheitsanwendung, die durch die Sicherheitsanwendung der Erfindung durchgeführt werden kann, enthalten i) ein Erweitern der Grundsicherheitsfunktionalität zum Erzeugen eines zusätzlichen Schlüsselmaterials, zum Beispiel ein oder mehrere (möglicherweise längere) Schlüssel basierend auf einer oder mehreren Abfrage-Antwort-Anfragen, ii) ein Ausführen wenigstens eines Teils der Berechnungen, die erforderlich sind zum Erzeugen eines gemeinsam genutzten Schlüssels zur Endstellenverschlüsselung bzw. Ende-zu-Ende-Verschlüsselung zwischen Benutzern (auf der Grundlage des Schlüssels in dem SIM oder einer ähnlichen Sicherheitsvorrichtung) und iii) ein Maskieren von durch das AKA-Modul erzeugter AKA-Schlüsselinformation. Zum Beispiel könnte das zusätzliche Schlüsselmaterial nützlich sein für die Zwecke eines gesetzlichen Abfangens mit erhöhter Sicherheit aus der Sicht des Endbenutzers, oder für dem öffentlichen Zugang zugehörige Sicherheitsverbesserungen.
  • Die Erfindung kann außerdem verwendet werden zum Durchführen von Wiedergabeprüfungen, was sicherstellt, dass derselbe AKA-Eingabeparameter (RAND) nicht auf unsichere Weisen wiederverwendet wird. Beim Kombinieren einiger AKA-Ausgabeparameter in eine höhere Sicherheitsantwort oder Schlüssel, ist es im Besonderen wichtig, sicherzustellen, dass eine Menge eindeutiger AKA-Eingabeparameter (RAND-Werte) verwendet wird.
  • Für die Privatsphärenverbesserung ist es ein wichtiger Aspekt, die Benutzeridentität durch Verwalten (Aufrechterhalten oder möglicherweise Erzeugen) zweckgemäßer Benutzerpseudonyme, auch temporäre Benutzeridentifizierer genannt, zu schützen, was später beschrieben werden wird.
  • In dem Kontext der verbesserten Sicherheit ist die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung und/oder das entsprechende Benutzerendgerät vorzugsweise konfiguriert zum Durchführen einer Form einer Sicherheitsstrategieverarbeitung. Die Sicherheitsstrategieverarbeitung umfasst normalerweise eine Sicherheitsstrategieentscheidung und/oder Durchsetzung und basiert vorzugsweise auf einer Information, die Sicherheitsbedingungen in Bezug zu der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung darstellt. Es ist zum Beispiel wichtig, dass die Gesamtsicherheitsverbesserung nicht durch einen unautorisierten Zugriff, zum Beispiel durch Viren oder Trojaner, auf residente Anwendungsdateien und Befehle der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung beeinträchtigt wird, die den AKA-Prozess und die entsprechenden AKA-Parameter freilegen könnten. Deshalb ist die manipulationssichere Vorrichtung vorzugsweise ausgebildet zum Ermöglichen eines Zugriffs auf solche residente Dateien und Befehle nur unter gegebenen Umständen. Im Besonderen sind gewisse residente Dateien und Befehle der manipulationssicheren Vorrichtung vorzugsweise gesperrt, wenn die Sicherheitsvorrichtung aus ihrer normalen Umgebung, zum Beispiel ein Mobiltelefon, herausgezogen wird und in eine feindlichere Umgebung, so wie ein PC oder Ähnliches, eingestöpselt wird. Anstelle dessen werden Anforderungen zur AKA-Verarbeitung brauchbar an die sicherheitsverbessernde Anwendung geleitet. Dieses könnte zum Beispiel verwaltet werden durch Nutzen eines internen oder externen Moduls zum Erfassen der Sicherheitsbedingungen der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung und/oder durch den Benutzer unterschiedliche PIN-Codes oder Äquivalente eingeben zu lassen zum Setzen von Zugriffsrechten in Abhängigkeit von dem Typ der Vorrichtung, in der die Sicherheitsvorrichtung angeordnet ist. Beim Wiederverwenden des AKA-Protokolls über eine weniger sichere Schnittstelle, so wie Bluetooth, kann das Benutzerendgerät ähnlich AKA-Anforderungen an die sicherheitsverbessernde Anwendung umleiten.
  • Es ist erkannt worden, dass es besonders vorteilhaft ist, die sicherheitsverbessernde und/oder privatsphärenverbessernde Anwendung als eine Softwareanwendung zu implementieren, vorzugsweise als ein Applet, das während der Herstellung vorinstalliert sein kann oder als ein authentifizierter Anwendungsdownload in einer Anwendungsumgebung in der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung bereitgestellt sein kann. Zum Beispiel kann die Anwendungsumgebung bereitgestellt sein durch das GSM-SAT (SIM Application Toolkit) gewöhnlicher GSM-SIM-Karten oder das UMTS-SAT von UMTS-SIM-Karten. Im Allgemeinen ist die Anwendung sicher (vorzugsweise authentifiziert und verschlüsselt) in die Anwendungsumgebung von einem Netzwerkserver heruntergeladen, der von einem vertrauenswürdigen Beteiligten bzw. Teilnehmer verwaltet wird, so wie ein dem GSM/UMTS-SIM zugehöriger Netzwerkoperator.
  • Die Anwendung zusammen mit einer oder mehreren Sicherheitsstrategien wird einfach ersetzt oder aufgewertet (selbst über die Luftschnittstelle), so dass das Endgerät/die Sicherheitsvorrichtung die letzte „Version" des Anwendungs-Applets hat. Da die Applets normalerweise unter der Steuerung des Netzwerkoperators oder irgendeines anderen vertrauenswürdigen Beteiligten bzw. Teilnehmers und „unterzeichnet" durch den Operator sind, ist es außerdem weit weniger wahrscheinlich, dass diese durch böswillige Software infiziert werden, als für Applets auf einem gewöhnlichen PC.
  • In einer feindlichen Umgebung, typischerweise in externen Vorrichtungen, werden Abfragen an den AKA-Prozess als Eingabedaten an die Anwendung in der Anwendungsumgebung gesendet, anstelle eines Verwendens des gewöhnlichen Befehls (zum Beispiel der RUN_GSM_ALGORITHMS-Befehl von GSM-SIMs) zum Aufrufen der AKA-Algorithmen.
  • Wenn die Anwendungsdateien-Eingabedaten in die Anwendungsumgebung durch ein Verwenden eines existierenden Befehls transferiert sind, so wie dem ENVELOPE-Befehl des GSM-SAT, erfordert die Eingabe/Ausgabeschnittstelle der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung nicht irgendwelche Änderungen. Dies ist wichtig, da die Erfindung somit nicht existierende Standardspezifikationen verletzt.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die AKA-Algorithmen außerdem wenigstens teilweise implementiert, vorzugsweise zusammen mit der verbesserten Sicherheits- und/oder Privatsphärenverarbeitung als eine Anwendung in der Anwendungsumgebung der manipulationssicheren Vorrichtung. Offensichtlich erfordert dieser Ansatz nicht eine spezielle Schnittstelle zwischen dem residenten AKA-Modul und der Anwendungsumgebung, da sowohl die verbesserte Sicherheits- und/oder Privatsphärenverarbeitung als auch die AKA-Algorithmen sich in der Anwendungsumgebung befinden. Selbstverständlich wird es immer noch eine Programmcodeschnittstelle zwischen den AKA-Algorithmen und der sicherheitsverbessernden Funktionalität geben.
  • Es sollte verstanden werden, dass, obwohl eine Softwareimplementierung besonders vorteilhaft ist, es auch möglich ist, die AKA-zusammenarbeitende Anwendung vorgefertigt als Hardware in einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung zu haben, mit einer mehr oder weniger direkten Schnittstelle zwischen der Hardware-Anwendung und dem AKA-Modul.
  • Die Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
    • • Aus der Sicht des Endgeräts zeigt die vorliegende Erfindung, wie man alte SIMs und ähnliche manipulationssichere Sicherheitsvorrichtungen mit einer zusätzlichen Sicherheitsschicht erweitert und verbessert, die die Vorrichtung in feindlichen, Viren und Trojanern ausgesetzten Umgebungen schützt.
    • • Sie zeigt außerdem einen einfachen Weg zum Erweitern der Funktionalität zum Erreichen neuer Sicherheits-/Privatsphärenziele basierend auf alter Technologie.
    • • Ein Hauptverdienst ist, dass die Lösung zukunftssicher ist und einfach auf eine sichere Weise durch authentifizierte Downloads zu administrieren ist.
    • • Die Lösung ist in gewisser Hinsicht transparent für die Vorrichtung, in die die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung gestöpselt ist. Außerdem ermöglicht sie einen sicheren Fernzugang direkt zu der Sicherheitsvorrichtung, so wie ein SIM, wenn die Sicherheitsvorrichtung noch in dem originalen (mobilen) Endgerät ist, mit Kommunizieren zum Beispiel über Bluetooth. Dies bedeutet, dass das Endgerät als eine „generische" Authentifikationsvorrichtung verwendet werden kann, ohne Bedrohung für die Sicherheit des SIM.
    • • Aus der Sicht des Netzwerks sollte beachtet werden, dass der AuC-(oder ein ähnlicher)Knoten vollständig unverändert gelassen werden kann, es ist nur der AAA-Server, wenn solch ein Server verwendet wird, der die zusätzliche Sicherheitsverarbeitung implementieren muss.
    • • Schließlich haben viele der vorgeschlagenen Ausführungsformen keinen Einfluss auf Standards, sondern können eine kleine Änderung der APIs der internen SAT-Umgebungen in Richtung der normalen SIM-Funktionalität erfordern.
  • Andere durch die vorliegende Erfindung gebotene Vorteile werden beim Lesen der unten gegebenen Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung erkannt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung, zusammen mit anderen Aufgaben und Vorteilen davon, wird am besten mit Verweis auf die folgende Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm einer typischen Abfrage-Antwort-Authentifikationsprozedur nach dem Stand der Technik, das eine Informationsübertragung zwischen relevanten Beteiligten veranschaulicht.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm einer Abfrage-Antwort-Authentifikation nach dem Stand der Technik, die mit dem EAP-SIM-Protokoll erweitert ist.
  • 3 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm eines mit einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ausgerüsteten Endgerätes.
  • 5 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer manipulationssicheren Vorrichtung gemäß der Erfindung, die als ein Teilnehmeridentitätsmodul realisiert ist.
  • 6 ist ein schematisches Diagramm eines Netzwerkservers, der Sicherheits- und/oder Privatsphärenverbesserungen in manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtungen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung unterstützt.
  • 7 ist ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform einer manipulationssicheren Vorrichtung, in der eine oder mehrere Sicherheitsstrategien und eine entsprechende Sicherheitsstrategieverarbeitung in der Anwendungsumgebung der Sicherheitsvorrichtung implementiert sind.
  • 8 ist ein Blockdiagramm einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer manipulationssicheren Vorrichtung gemäß der Erfindung, die als ein Subskribiereridentitätsmodul realisiert ist.
  • 9 ist ein Blockdiagramm noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform einer manipulationssicheren Vorrichtung gemäß der Erfindung, die als ein Subskribiereridentitätsmodul realisiert ist.
  • 10 ist ein schematisches Blockdiagramm einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung, das den Betrieb einer sicherheitsverbessernden Anwendung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 11 ist ein schematisches Blockdiagramm einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung, das eine sicherheitsverbessernde Anwendung mit einer Verkapselung bzw. Einkapselung und einer vergleichenden Vorverarbeitung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 12 ist ein Diagramm, das einen Authentifikationsprozess mit einer Privatsphärenverbesserung veranschaulicht, die durch ein manipulationssicheres Subskribiereridentitätsmodul gemäß der Erfindung erhalten ist.
  • 13 ist ein Blockdiagramm einer anderen beispielhaften Ausführungsform einer manipulationssicheren Vorrichtung gemäß der Erfindung die als ein Subskribiereridentitätsmodul realisiert ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
  • In sämtlichen Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen für entsprechende oder ähnliche Elemente verwendet werden.
  • Wie unten beschrieben werden wird, ist es möglich, die obigen und andere Sicherheitsziele auf eine Weise zu erhalten, die ungeachtet der Algorithmen verwendet werden kann, die aktuell auf der Sicherheitsvorrichtung implementiert sind.
  • Die Grundidee gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung ist es, sowohl eine zum Zusammenarbeiten mit dem AKA-Modul ausgebildete Anwendung als auch eine Schnittstelle, zum Beispiel eine API oder ähnliche Schnittstelle, zwischen dem AKA-Modul und der Anwendung bereitzustellen, wie schematisch in 3 veranschaulicht.
  • 3 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung gemäß der Erfindung. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst im Grunde genommen eine Schaltlogik 11, ein AKA-Modul 12, sicher gespeicherte Benutzerberechtigungsnachweise 13 mit wenigstens einem Sicherheitsschlüssel K (möglicherweise auch Benutzeridentitäten und Pseudonyme), eine zum Zusammenarbeiten mit dem AKA-Modul ausgebildete Anwendung 14 und eine mehr oder weniger direkte Schnittstelle zwischen dem AKA-Modul 12 und der AKA-Zusammenarbeitsanwendung 14. Die Schaltlogik 11 analysiert an die Sicherheitsvorrichtung gesendete Befehle und wickelt eine Kommunikation mit internen Funktionen ab. Das AKA-Modul 12 umfasst Algorithmen zur Authentifikation und/oder Schlüsselübereinstimmung bzw. Schlüsselvereinbarung wenigstens teilweise basierend auf dem Sicherheitsschlüssel K.
  • Die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung ist vorzugsweise zur Implementierung in einer Netzwerkvorrichtung, beispielsweise ein Benutzerendgerät oder Äquivalentes, ausgebildet. 4 veranschaulicht ein Benutzerendgerät 20, so wie ein Mobiltelefon oder ein Personalcomputer, das im Allgemeinen eine Form von Netzwerkkommunikationsfähigkeiten 25 und eine manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung 10 hat, die zu der in 3 Gezeigten ähnlich ist.
  • Die mit dem AKA-Modul zusammenarbeitende Anwendung ist normalerweise eine Anwendung mit Bezug zu einer Authentifikation und/oder Schlüsselübereinstimmung bzw.
  • Schlüsselvereinbarung, und vorzugsweise eine sicherheits- und/oder privatsphärenverbessernde Anwendung.
  • Zur verbesserten Sicherheit führt die Anwendung etwas unterschiedliche Sicherheitsverarbeitungsaufgaben in Abhängigkeit von den bestimmten Sicherheitszielen durch. Die verbesserte Sicherheitsverarbeitung hat normalerweise einen Bezug zu einer Authentifikation und/oder Schlüsselübereinstimmung bzw. Schlüsselvereinbarung des AKA-Moduls, und ist zugehörig zu Eingabeparametern und/oder Ausgabeparametern des AKA-Prozesses.
  • In dem Kontext einer verbesserten Sicherheit sind die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung und/oder das entsprechende Benutzerendgerät vorzugsweise konfiguriert zum Durchführen einer Form einer Sicherheitsstrategieverarbeitung. Die Sicherheitsstrategieverarbeitung umfasst normalerweise eine Sicherheitsstrategieentscheidung und/oder Durchsetzung, und basiert vorzugsweise auf einer Information, die die Sicherheitsbedingungen in Bezug zu der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung darstellt, wie später detaillierter beschrieben werden wird.
  • Zur verbesserten Privatsphäre verwaltet die Anwendung zum Beispiel Benutzerpseudonyme.
  • Die Erfindung wird nun vorwiegend in dem Kontext von GSM-SIMs vorgestellt werden, obwohl die Ideen auch auf UMTS-SIMs anwendbar sind, oder tatsächlich auf irgendeine manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung mit einer AKA-Funktionalität, oder eine ähnliche Anwendung und Schnittstelle, wie unten beschrieben. Andere Beispiele enthalten die für 3GPP-IP-Multimedia verwendeten ISIMs, oder allgemeiner UICC-Karten, die einige SIMs gleichzeitig enthalten können.
  • Die Anwendung ist vorzugsweise als eine Softwareanwendung implementiert, die während der Herstellung vorinstalliert sein kann oder als ein authentifizierter Anwendungsdownload in eine Anwendungsumgebung der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung bereitgestellt ist.
  • Das in 5 veranschaulichte SIM 10 enthält eine Schaltlogik 11, ein AKA-Modul 12, einen Sicherheitsschlüssel K 13, eine Anwendungsumgebung 15 und vorzugsweise auch ein Modul 16 zum Erfassen von Sicherheitsbedingungen mit Bezug zu dem SIM, zum Beispiel, ob das SIM 10 in seiner normalen sicheren Umgebung oder in einer weniger sicheren Umgebung betrieben wird. Die Schaltlogik 11 analysiert die an das SIM gesendeten Befehle, wickelt eine Kommunikation mit internen Modulen ab und leitet nach außen gerichtete Daten an das Benutzerendgerät weiter, in dem das SIM sich befindet. Das AKA-Modul 12 führt einen AKA-Prozess mit Verwenden des Sicherheitsschlüssels K, zum Beispiel ein einer Client-Operator-Subskription zugehöriger Subskriptionsschlüssel, oder einem davon abgeleiteten Schlüssel durch. In GSM-SIMs sind diese Funktion im Allgemeinen die A3/A8-AKA-Algorithmen.
  • Die Anwendungsumgebung
  • Die Anwendungsumgebung 15 ist vorteilhafterweise durch das Anwendungs-Toolkit des Subskribiereridentitätsmoduls bereitgestellt und ist im Allgemeinen eine zum Ausführen von Code fähige Umgebung. Für ein GSM-SIM kann die Anwendungsumgebung durch das SIM Application Toolkit (SAT) [5] bereitgestellt sein, wohingegen die analoge Anwendungsumgebung eines UMTS-SIM (USIM) durch UMTS SAT (USAT) [6] bereitgestellt ist.
  • Für ein GSM-SIM spezifiziert die SIM-ME-(SIM-Mobil Equipment) Schnittstelle die „Befehle" und Daten, die ans/vom SIM/ME gesendet werden können. Um zum Beispiel die GSM-A3/A8-AKA-Algorithmen laufen zu lassen, gibt es einen RUN_GSM_ALGORITHMS-Befehl, der Eingabeparameter/Ausgabeergebnisse an die/von den residenten AKA-Algorithmen routet bzw. leitet. Die AKA-Algorithmen berechnen eine Antwort und/oder einen oder mehrere Schlüssel auf der Grundlage der Abfrage-RAND (und des gespeicherten Sicherheitsschlüssels). In der Liste von über die SIM-ME-Schnittstelle möglichen Befehlen weisen wir speziell auf den ENVELOPE-Befehl hin. Dieser Befehl ist beabsichtigt zum Senden von mehr oder weniger beliebigen Daten an das SIM zur Verwendung mit dem SIM Application Toolkit (SAT). Das Eingabe-/Ausgabeformat für das SIM ist explizit spezifiziert, aber es gibt einen hohen Freiheitsgrad hinsichtlich dessen, was die Anwendungen exakt tun können oder nicht. Zum Beispiel könnte die Anwendung ein ziemlich allgemeines Java Applet sein, siehe Referenz [7]. Dem Applet können verschiedene Authentifikationsgrade für den Zugriff auf residente GSM-bezogene Dateien gegeben werden, wobei es eine Möglichkeit ist, „vollen GSM-Zugriff" zu geben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die AKA-Zusammenarbeitsanwendung 14 in der durch das SIM-Anwendungs-Toolkit bereitgestellten Anwendungsumgebung implementiert, mit Verwenden des ENVELOPE-Befehls oder eines analogen Befehls. Eingabe-/Ausgabedaten für die Anwendung werden vorzugsweise auch in das SAT mittels des ENVELOPE-Befehls transferiert.
  • Zur Kommunikation zwischen der Softwareanwendung 14 in der SAT-Umgebung 15 und dem AKA-Modul 12 gibt es vorzugsweise eine spezielle Schnittstelle, so wie eine dedizierte API, zwischen dem AKA-Modul 12 und der SAT-Anwendungsumgebung 15.
  • Das SIM Application Toolkit (SAT) befähigt den Operator, entweder die AKA-Zusammenarbeitsanwendung 14 in das SIM „hart zu codieren" oder über die Luft herunterzuladen. In dem letzteren Fall des Herunterladens ist es außerdem möglich (und wird stark empfohlen), die Anwendung als von einem vertrauten Anbieter bzw. Teilnehmer, so wie dem richtigen Operator, kommend zu authentifizieren. Dies ist wichtig, da es einen Schutz gegenüber einem Herunterladen von „Viren" von böswilligen Servern gibt. Die heruntergeladene Anwendung kann auch verschlüsselt sein, so dass der Anwendungsinhalt nicht außerhalb des SIM verfügbar ist. Für Sicherheitsaspekte mit Bezug zu dem GSM-SAT wird auf [8] verwiesen. Durch Implementieren der Anwendung in der Anwendungsumgebung des SIM ist es außerdem möglich, die Funktionalität davon aufzuwerten. Aufwertungen werden einfach mit Verwenden des ENVELOPE-Befehls heruntergeladen.
  • 6 ist ein schematisches Diagramm eines Netzwerkservers, der einen Download von Sicherheits- und/oder Privatsphärenverbesserungsanwendungen oder Applets in eine manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung unterstützt. Der Netzwerkserver 30 wird typischerweise durch einen vertrauenswürdigen Beteiligten bzw. Teilnehmer verwaltet, so wie der Netzwerkoperator, und umfasst im Grunde eine Applet-Quelle 31, ein Modul 32 für Verschlüsselungs-/Authentifikationszwecke und ein Download-Modul 33.
  • Sicherheitsstrategieverarbeitung
  • Wie zuvor erwähnt, ist typischerweise eine Form einer Sicherheitsstrategieverarbeitung in der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung und/oder dem Benutzerendgerät implementiert, und die Sicherheitsstrategieverarbeitung basiert vorzugsweise auf einer Information, die die Sicherheitsbedingungen der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung darstellt. Beispiele relevanter Sicherheitsbedingungen können die Umgebung, in der die Sicherheitsvorrichtung betrieben wird, die Schnittstelle, über die eine Anforderung zur AKA-Verarbeitung kommt, das von dem Benutzerendgerät zur Netzwerkkommunikation verwendete Netzwerk usw. enthalten.
  • Zur erhöhten Sicherheitssteuerung bzw. Sicherheitskontrolle autorisiert das SIM oder allgemeiner die Sicherheitsvorrichtung vorzugsweise einen Zugriff auf residente Anwendungsdateien und Befehle, die den AKA-Prozess und die entsprechenden AKA-Parameter freilegen könnten, nur unter gewissen Sicherheitsbedingungen oder Umständen. Die Sicherheitsbedingungen können zum Beispiel intern in der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung oder extern, zum Beispiel durch das Benutzerendgerät, erfasst werden.
  • Aus 5 ist wiederum ersichtlich, dass das SIM ein Modul 16 zur Erfassung von Sicherheitsbedingungen enthält, so wie die Umgebung, in der das SIM platziert ist. Zum Beispiel autorisiert das SIM oder allgemeiner die Sicherheitsvorrichtung vorzugsweise einen Zugriff auf residente Anwendungsdateien und Befehle, die den AKA-Prozess und die entsprechenden AKA-Parameter freilegen könnten, nur, wenn das SIM in seiner normalen Umgebung (zum Beispiel ein Mobiltelefon) betrieben wird. Wenn das SIM sich in einer fremden weniger sicheren Umgebung befindet oder anderweitig freigelegt ist, ist ein Zugriff auf solche residente Dateien und Befehle vorzugsweise gesperrt. Anstelle dessen können Anforderungen zur AKA-Verarbeitung geeignet an die sicherheits- und/oder privatsphärenverbessernde Anwendung geleitet werden. Dies ist ein perfektes Beispiel einer Sicherheitsstrategie, die in der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung implementiert und durchgesetzt ist.
  • Es sollte verstanden werden, dass die verbesserte Sicherheits- und/oder Privatsphärenverarbeitung nicht erforderlich sein braucht, wenn die Sicherheitsvorrichtung in ihrer normalen Umgebung betrieben wird, mit Verwenden der normalen Netzwerkschnittstelle des Benutzerendgeräts. Andererseits kann es, für unsichere Umgebungen, vorteilhaft sein, die Sicherheitsverarbeitung in Abhängigkeit von der bestimmten unsicheren Umgebung, in der das SIM platziert ist, individuell anzupassen. In der Praxis kann dieses durch Bereitstellen einer Anzahl unterschiedlich individuell angepasster sicherheitsverbessernder Module oder Unteranwendungen und Auswählen unter diesen Modulen in Abhängigkeit von der Umgebung erreicht werden.
  • Wenn zum Beispiel ein GSM-SIM extern von seiner normalen Umgebung verwendet wird, ist es empfehlenswert, dass der/die normale RUN_GSM_ALGORITHMS-Befehl/Schnittstelle deaktiviert sein kann (anderenfalls könnte ein Virus diesen Befehl immer noch verwenden). Eine Anzahl von Möglichkeiten zum Erreichen solch einer Deaktivierung wird nun beschrieben werden.
  • Wenn das SIM nur außerhalb des normalen Endgerätes verwendet werden soll (d.h., dass wir ein Spezialzweck-SIM haben), dann kann man ein SIM einfach herstellen, so dass es nicht den RUN_GSM_ALGORITHMS-Befehl annimmt, oder so dass dieser Befehl immer intern an die SAT-Umgebung und die darin laufende(n) Softwareanwendung(en) „umgeleitet" wird. Selbstverständlich kann es in diesem Fall auftreten, dass es besser ist, einfach ein Spezialzweck-SIM von Grund auf aufzubauen. Wenn die meisten der existierenden SIM-Architekturen wiederverwendet werden können, ist dieses selbstverständlich jedoch ein Vorteil.
  • Wie in 5 veranschaulicht, ist die Sicherheitsvorrichtung oder das SIM vorzugsweise mit der Fähigkeit zum Prüfen der/des Identität/Typs des Endgeräts oder Handapparats bereitgestellt, in dem es verwendet wird. Dies kann beim Hochfahren durchgeführt und durch das Modul 16 erreicht werden, das konfiguriert ist zum Erfassen, ob das SIM 10 in seiner normalen sicheren Umgebung (normalerweise das Mobilgerät) oder in einer weniger sicheren Umgebung, so wie ein PC oder Ähnliches, betrieben ist. Das Erfassungsmodul 16 steuert vorzugsweise die Schaltlogik 11, so dass AKA-Anforderungen direkt an das AKA-Modul transferiert werden oder an die Anwendungsumgebung in Abhängigkeit von den Umständen umgeleitet werden. Diese Funktionalität könnte somit genutzt werden, so dass, wenn das SIM entdeckt oder argwöhnt, dass es nicht in dem (korrekten) Endgerät/Handapparat ist, es vermutet, dass es extern (in einer unsicheren Umgebung) ist und in einen Modus tritt, wo es nur die SAT-Befehle annimmt, und sämtliche Anforderungen zum AKA-Zugriff durch residente Dateien oder Befehle verweigert werden.
  • Es gibt außerdem eine Möglichkeit, mehr als einen PIN-Code mit dem SIM zu verknüpfen. In diesem Fall könnte ein spezifischer PIN-Code das SIM informieren, dass es in einer externen Vorrichtung verwendet ist, und Zugriffsrechte demgemäß setzen, so dass nur die „ungefährlichen" SAT-Befehle angenommen werden. Hierbei kann es sein, dass der PIN-Code für den normalen SIM-Zugriff erneut bestätigt werden muss, um eine Aktivierung eines Normalzugriffs aufgrund eines Irrtums zu verhindern.
  • Es ist auch möglich, eine oder mehrere Sicherheitsstrategien und eine entsprechende Sicherheitsstrategieverarbeitung in der Anwendungsumgebung der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung zu implementieren, wie schematisch in 7 angegeben. In diesem Beispiel enthält die Anwendungsumgebung 15 eine AKA-Zusammenarbeitsanwendung 14A, so wie eine sicherheitsverbessernde Anwendung, und eine Sicherheitsstrategieanwendung 14B. Die Sicherheitsstrategieanwendung 14B kann teilweise oder vollständig mit der sicherheitsverbessernden Anwendung 14A integriert sein, oder als eine separate Anwendung bereitgestellt sein. In einem praktischen Szenario kann der normale AKA-Befehl bzw. können die normalen AKA-Befehle per Vorgabe beim Hochfahren gesperrt sein (zum Beispiel durch Steuern der Schaltlogik 11 oder mittels anderer Einrichtungen), und anfangs wird eine Information hinsichtlich der Sicherheitsbedingungen des SIM an die Sicherheitsstrategieanwendung 14B transferiert, die dann eine Sicherheitsstrategieentscheidung für passende weitere Aktionen vornimmt. Wenn zum Beispiel die Sicherheitsstrategieanwendung 14B informiert wird, dass das SIM in seiner normalen Umgebung (zum Beispiel das Mobilgerät) platziert ist, gibt die Sicherheitsstrategieanwendung 14B den normalen AKA-Befehl bzw. die normalen AKA-Befehle frei. Wenn die Sicherheitsstrategieanwendung 14B informiert wird, dass das SIM in einer anderen weniger sicheren Umgebung platziert ist, wird der normale AKA-Befehl bzw. die normalen AKA-Befehle weiterhin gesperrt bleiben, und sämtliche Anforderungen zur AKA-Verarbeitung werden an die sicherheitsverbessernde Anwendung 14A transferiert, die die AKA-Anforderungen gemäß der anwendbaren Sicherheitsstrategie abwickelt. Die Sicherheitsbedingungen des SIM können intern oder extern des SIM erfasst werden, obwohl ein höherer Grad einer Autonomie und Sicherheit erhalten werden kann, wenn das SIM selbst mit einer Funktionalität zum Erfassen der relevanten Sicherheitsbedingungen versehen ist. Die Sicherheitsstrategien und die entsprechende Sicherheitsstrategieverarbeitung können entweder von einem vertrauenswürdigen Beteiligten bzw. Teilnehmer, so wie dem Heimoperator, „hart codiert" sein, oder in die Anwendungsumgebung der SIM heruntergeladen (verschlüsselt/authentifiziert) sein. Die SAT-Umgebung und der ENVELOPE-Befehl (oder Äquivalentes) tätigen Downloads ausgestellter Sicherheitsstrategien als auch praktisch machbarer Strategieänderungen.
  • Selbst wenn das SIM in dem normalen Endgerät (Mobilgerät) betrieben wird, kann es wünschenswert sein, das AKA-Protokoll über andere Schnittstellen als die normale (GSM/UMTS) Netzwerkschnittstelle wieder zu verwenden. Um die Sicherheitsfragen in diesem Fall abzuwickeln, sind unterschiedliche Lösungen machbar.
  • In zum Beispiel einem typischen Bezahlungsszenario wird der Benutzer einfach eine Bezahlungsanwendung starten, die einem standardisierten Protokoll folgt, in der eine AKA-Anforderung an eine sicherheitsverbessernde Anwendung umgeleitet wird, mit Verwenden von zum Beispiel dem ENVELOPE-Befehl oder einem äquivalenten Befehl.
  • Außerdem kann es, in dem obigen Bezahlungsszenario, für den Benutzer wünschenswert sein, anonym bezüglich dritter Teilnehmer zu bleiben. Deshalb kann eine ein Benutzerpseudonym erzeugende privatsphärenverbessernde Anwendung nach zweckmäßiger und sicherer Authentifikation aufgerufen werden, wie es später detaillierter beschrieben werden wird.
  • Darüber hinaus kann das Endgerät (Mobilgerät) konfiguriert sein zum Bestimmen, ob die AKA-Anforderung anfangs über die normale Netzwerkschnittstelle kommt, oder über eine andere Schnittstelle, so wie Bluetooth- oder IRDA-(Infrared Data Association) Schnittstellen. Dieses bedeutet zum Beispiel, dass das Mobilgerät selbst fähig ist zum Erfassen, wenn bzw. wann eine Anforderung für einen SIM-Zugriff über weniger sichere Schnittstellen kommt, und demgemäßen passenden Tätigen von Aktionen. Der Ursprung der Anforderung kann zum Beispiel durch das Endgerät basierend auf einer Port-Identifikation (IR Port, Bluetooth Port, Normal Radio Interface Port usw.) bestimmt werden. Anstelle eines direkten Transferierens einer Anforderung zur AKA-Anforderung an das AKA-Modul, mit Verwenden des normalen residenten Befehls, wird typischerweise die AKA-Anforderung an die sicherheitsverbessernde Anwendung durch das Endgerät mit Verwenden des SAT-Anwendungsumgebungsbefehls umgeleitet, wenn die Anforderung über die Bluetooth- oder IRDA-Schnittstelle kommt. Dies ist ein anderes Beispiel einer Sicherheitsstrategie, die geeignet ist zur Implementierung durch die Erfindung. Hierbei kann es außerdem vorteilhaft sein, die Sicherheitsverarbeitung individuell anzupassen durch Bereitstellen einer Anzahl unterschiedlicher Unteranwendungen und Auswählen unter den Unteranwendungen in Abhängigkeit von dem bestimmten Typ einer durch das Endgerät verwendeten Schnittstelle.
  • Ein anderes Beispiel einer zur Implementierung in einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung der Erfindung geeigneten Sicherheitsstrategie hat Bezug zu den existierenden Vorschlägen zum Verbessern der Sicherheit der 3GPP-Gb-Schnittstelle [13]. Bei vorhandener Sicherheit gibt es auch einen Bedarf für Strategien, die regeln wie/wann eine Sicherheit zu verwenden ist. Manchmal kann eine niedrige/keine Sicherheit angenommen werden, manchmal nicht. Während einer Verhandlung über die zu verwendenden Sicherheitsalgorithmen kann es, genauer genommen, ein Problem geben, dass eine Person dazwischen einen so genannten „Runtergebieten-Angriff" (Bidding-Down Attack) durchführt. Es sei angenommen, dass das Mobilendgerät an das Netzwerk signalisiert, dass es fähig ist zum Verwenden von Sicherheitsalgorithmen „A" und „B", wobei „A" viel stärker als „B" ist. Wenn ein Angreifer nun einfach „A" aus der Liste unterstützter Algorithmen löscht, wird das Netzwerk glauben, dass das Mobilgerät nur „B" unterstützt, und das Mobilendgerät/Netzwerk werden ein Verwenden einer suboptimalen Sicherheit beschließen, selbst wenn beide Teilnehmer auch „A" unterstützen. Aus diesem Grund gibt es einen Vorschlag zum Hinzufügen einer Form eines Integritätsschutzes der Verhandlung. Jedoch wird es für eine gewisse Zeit ein Gemisch von die verbesserte Sicherheitsverhandlung unterstützenden Netzwerken als auch mancher Netzwerke geben, die noch nicht aufgewertet worden sind. Deshalb können Operatoren eine Strategie an ihre Subskribierer ausstellen, mit Diktieren, ob das Mobilendgerät eine unsichere Verhandlung in einem fremden besuchten Netzwerk annehmen sollte. Offensichtlich ist eine attraktive Platzierung für diese Strategiesteuerung in der Anwendungsumgebung einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung, so wie einem SIM. Die Entscheidung, ob eine unsichere Verhandlung angenommen werden sollte, basiert vorzugsweise auf der Information, die über AKA integritätsgeschützt ist.
  • Noch eine andere Variante einer Sicherheitsstrategieverarbeitung ist ein Identifizieren des Netzwerks/Operators, zum Beispiel durch Untersuchen eingehender AKA-Parameter, und individuelles Anpassen der nachfolgenden Sicherheitsverarbeitung in Abhängigkeit von der Netzwerk/Operator-Identität. Dies nimmt an, dass unterschiedliche Operatoren basierend auf beispielsweise einkommenden AKA-Parametern unterschieden werden können.
  • Zur Veranschaulichung ist ein Beispiel einer Sicherheitsstrategietabelle zur Implementierung in einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung gemäß der Erfindung unten dargestellt.
  • Tabelle I
    Figure 00300001
  • Modifizierungen für das Benutzerendgerät
  • Es ist überaus wünschenswert, die SIM/ME-Schnittstelle intakt zu halten, ohne Auswirkung auf die Standards (selbst wenn neue Befehle hinzugefügt werden müssen, können wenigstens die SIMs immer noch rückwärts kompatibel zu dem Standard sein). Selbstverständlich ist es auch wichtig, die Frage zu berücksichtigen, ob die Endgeräte/Handapparate durch die Erfindung unbetroffen bleiben. Wenn das SIM extern vom Endgerät/Handapparat verwendet werden soll, gibt es offensichtlich keinen Bedarf zum Ändern des Handapparats, da er nicht involviert sein wird. In dem Fall, dass der zu verwendende Handapparat ein „Authentifikations-Token" ist, wie oben diskutiert, gibt es üblicherweise einen Bedarf zur Modifizierung. Jedoch erfordert allein die bloße Tatsache, dass es möglich sein sollte, GSM-AKA-Befehle über IRDA oder Bluetooth laufen zu lassen, Modifizierungen (Verbinden des SIM mit Bluetooth/IRDA), und unsere Erfindung mit Bezug zu der SIM-Funktionalität macht es nicht schwieriger, diese Änderungen einzuführen.
  • Alternativer Ort zur Implementierung der AKA-Algorithmen
  • Es ist auch möglich, obwohl etwas weniger bevorzugt, die AKA-Algorithmen oder wenigstens Teile davon als eine Anwendung in der Anwendungsumgebung der manipulationssicheren Vorrichtung zu implementieren mit einem Lesezugriff auf den Sicherheitsschlüssel (oder möglicherweise einem davon abgeleiteten Schlüssel), wie in 8 und 9 veranschaulicht. In 8 sind die AKA-Zusammenarbeitsanwendung 14 und die AKA-Algorithmen 12 als separate Anwendungen implementiert, die miteinander zusammenarbeiten. Alternativ sind jedoch die zwei Funktionen 12, 14, wenigstens teilweise, in dieselbe Softwareanwendung integriert, wie schematisch in 9 veranschaulicht.
  • Im Folgenden wird die Erfindung vorwiegend mit Verweis auf verschiedene nicht einschränkende Beispiele einer verbesserten Sicherheitsverarbeitung und Privatsphärenverarbeitung beschrieben werden, implementiert als Software in einer SAT-Umgebung eines SIM.
  • Zur weiteren Information über grundlegende Details der GSM-SIM-Spezifikation wird auf [9] verwiesen.
  • Beispiel einer verbesserten Sicherheitsverarbeitung
  • Beispielsweise zum Erhöhen der Sicherheit für ein GSM-SIM, zum Zweck einer normalen GSM-AKA, könnten die folgenden Schritte unternommen werden.
  • Eine SIM-Karte wird hergestellt, die [4, 5 und 9] folgt, aber zusätzlich eine interne API oder ähnliche Schnittstelle, von der SAT-Umgebung an die A3/A8-Algorithmen, hat. Man beachte, dass dieses keinen Einfluss auf existierende SIM-Standardspezifikationen hat.
  • Wenn das SIM extern zu dem Telefon verwendet werden soll, eingestöpselt in eine andere Vorrichtung, ist es außerdem sehr empfehlenswert, Bereitstellungen zu treffen, so dass der normale RUN_GSM_ALGORITHMS-Befehl gesperrt werden kann. Zu diesem Zweck sind einige unterschiedliche Lösungen möglich, wie zuvor erläutert.
  • Der Operator stellt dem SIM (entweder während der Herstellung oder zu einer späteren Zeit wie einem authentifizierten Anwendungsdownload) eine Anwendung zum Durchführen einer verbesserten Sicherheitsverarbeitung in der SAT-Umgebung bereit. Die sicherheitsverbessernde Anwendung könnte zum Beispiel konfiguriert sein zum Einkapseln von AKA-Antworten in einen sichereren Algorithmus, wie zum Beispiel in dem EAP-SIM-Protokoll vorgeschlagen. Die Abfragen (RANDs) werden als Eingabedaten an die SAT-Anwendung vielmehr mittels des ENVELOPE-Befehls gesendet, als einem Verwenden des RUN_GSM_ALGORITHMS-Befehls auf der SIM-ME-Schnittstelle. Alternativ wird das gesamte Applet in Echtzeit für jede Authentifikation heruntergeladen. Dies ergibt den Vorteil, dass es möglich gemacht wird, das Netzwerk zu authentifizieren (da das Applet authentifiziert ist) und sicherzustellen, dass das Endgerät immer die letzte „Version" des Applets hat. Selbstverständlich wird diese Authentifikation im Allgemeinen ohnehin ohne Herunterladen des gesamten Applets erreicht werden, zum Beispiel durch Betreiben eines Protokolls, in dem die „RAND"-Werte authentifiziert sind und möglicherweise auch zur Wiedergabe geprüft sind und die Authentifikation/Frische in der SAT-Anwendung selbst jedes Mal verifiziert wird.
  • Ungeachtet des Endgerättyps, an den das SIM angefügt ist, und die Weise, in der auf das SIM zugegriffen wird (durch Bluetooth, IRDA, im Kartenleser usw.), findet sämtliche AKA-bezogene Verarbeitung auf dem SIM statt, einschließlich der sicherheitsverbessernden Schritte. Die verbesserte Sicherheitsverarbeitung kann eine Manipulation von Ausgabeparametern und/oder Eingabeparametern des AKA-Prozesses involvieren, wie schematisch für eine allgemeine manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung in 10 veranschaulicht.
  • Zum Beispiel basiert das EAP-SIM-Protokoll auf einer Einkapselung bzw. Verkapselung empfindlicher Parameter durch Manipulieren von AKA-Ausgabeparametern. Mit einer gegeben Anzahl von AKA-Antworten RES(1), ..., RES(n), resultierend von einer Menge von Anfangs-RAND-Werten, RAND(1), ... RAND(n), können die AKA-Antworten in der folgenden Weise zum Produzieren einer resultierenden Antwort höherer Sicherheit RES' verkapselt sein:
    h(Schlüssel, RES(1), ..., (RES(n))
    wobei h eine verschlüsselte Funktion bzw. Schlüsselfunktion ist, zum Beispiel auf SHA-1 basierend. Die n Antworten werden, mit anderen Worten, in eine einzelne Antwort durch eine Schlüsselfunktion zusammengefasst. Ähnlich kann ein längerer Schlüssel Kc' erzeugt werden durch Verketten der Schlüssel Kc(1), ... Kc(n), aus der obigen Menge von RAND-Werten resultierend, möglicherweise durch eine zusätzliche Verarbeitung gefolgt.
  • Es wurde kürzlich entdeckt, dass der Ansatz zum Verwenden einiger RAND-Werte in Folge zum Ableiten längerer Schlüssel Fehler hat [11]. Zum Beispiel kann, durch Ausstellen vielmehr des n-mal wiederholten selben RAND-Wertes, als n unterschiedlichen RAND-Werten, die erhaltene effektive Sicherheit immer noch nur äquivalent zu der von einem einzelnen RAND-Wert Erhaltenen sein. Durch Vergleichen der relevanten Menge von AKA-Eingabeparametern zur Frische und/oder Eindeutigkeit kann dieses bestimmte Problem im Allgemeinen gelöst werden. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung enthält die auf der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung 10 (zum Beispiel ein SIM) implementierte sicherheitsverbessernde Anwendung 14 deshalb einen Komparator 17 zusammen mit einem Einkapselungsmodul 18, wie schematisch in 11 veranschaulicht. Das Einkapselungsmodul 18 führt zum Beispiel eine Einkapselung bzw. Verkapselung durch eine Kombination einer vorbestimmten Anzahl aufeinander folgender AKA-Ausgabeparameter (Kc, RES) durch, die in Reaktion auf eine Anzahl entsprechender AKA-Eingabeparameter (RAND) erzeugt sind. Der Komparator 17 vergleicht die relevante Menge aufeinander folgender AKA-Eingabeparameter (RAND) zum Verifizieren, dass sämtliche dieser AKA-Eingabeparameter eindeutig sind. Typischerweise erwartet der Komparator 17 ein Empfangen einer Menge, die eine gegebene Anzahl aufeinander folgender Eingabeparameter (RAND-Werte) für die gesamte Einkapselung bzw. Verkapselung umfasst, und vergleicht jeden eingehenden Eingabeparameter gegen jeden der vorherigen Eingabeparameter in dieser Menge. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die resultierenden „maskierten" AKA-Ausgabeparameter (Kc', RES') in Reaktion auf eine Menge eindeutiger AKA-Eingabeparameter (RAND-Werte) erzeugt sind. Wenn gewünscht, können die AKA-Eingabeparameter auch in das Einkapselungsmodul 18 als zusätzliche Eingabe für die Einkapselung gespeist werden, wie durch die gestrichelte Linie in 11 angegeben. Alternativ kann die Frische/Eindeutigkeit der AKA-Eingabeparameter auf andere Weisen bestimmt werden, zum Beispiel durch Verwenden zeit-gestempelter AKA-Eingabeparameter und Prüfen, dass die Zeitstempel einer gegebenen Menge von Parametern innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls sind.
  • Noch ein anderes Merkmal von dem EAP-SIM-Protokoll, das verallgemeinert und in einer AKA-Zusammenarbeitsanwendung implementiert sein kann, ist eine Authentifikation des Netzwerks, über welches das Benutzerendgerät kommuniziert. Im normalen GSM-AKA sendet das Netzwerk eine Authentifikationsanforderung zusammen mit einem RAND, und das SIM erwidert einfach mit einer Antwort RES. Diese Authentifikation kann erweitert werden, durch Zulassen, dass das SIM oder die äquivalente manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung einen neuen Zufallswert RAND' an die Netzwerkseite in Reaktion auf die Authentifikationsanforderung sendet. Das Netzwerk berechnet dann einen MAC (Message Authentication Code) oder Ähnliches basierend auf dem empfangenen RAND' und einem vom RAND und dem SIM-Schlüssel K abgeleiteten Sitzungsschlüssel, und sendet den MAC an das SIM zur Verifizierung der Authentizität des Netzwerks zurück. Die relevanten Schritte eines solchen erweiterten Protokolls könnten auf die folgende Weise entworfen sein:
    • 1. Netzwerk sendet Authentifikationsanforderung an SIM.
    • 2. SIM sendet RAND' an Netzwerk.
    • 3. Netzwerk erzeugt RAND, berechnet MAC (Schlüssel, RAND, RAND', ...) und sendet RAND und MAC an das SIM.
    • 4. SIM prüft MAC, und, wenn in Ordnung, berechnet Schlüssel/Antworten.
  • Die Einkapselung bzw. Verkapselung von AKA-Schlüssel-Antworten, in dem EAP-SIM-Protokoll vorgeschlagen, impliziert im Allgemeinen eine Manipulation von AKA-Ausgabeparametern. Es ist jedoch möglich, die Eingabeparameter für den AKA-Prozess zu manipulieren. Zum Beispiel kann eine neue manipulierte Eingabe berechnet werden als:
    h(Schlüssel, RAND),
    so dass die Ausgabeantwort gleicht:
    A8(Schlüssel, h(Schlüssel, RAND)),
    wobei h eine verschlüsselte Funktion bzw. Schlüsselfunktion ist, zum Beispiel basierend auf SHA-1. Ein Beispiel einer Manipulation sowohl der Eingabeparameter als auch der Ausgabeparameter ist es, die abschließende resultierende Ausgabeantwort zu erzeugen als:
    g(Schlüssel, A8(Schlüssel, h(Schlüssel, RAND))),
    wobei g und h verschlüsselte Funktionen bzw. Schlüsselfunktionen sind, zum Beispiel auf SHA-1 basierend.
  • Außerhalb des SIM sind keine empfindlichen Daten verfügbar und die Sicherheitsfunktionalität kann auch erweitert werden zum Bereitstellen von mehr als einem Schlüssel usw.
  • Eine entsprechende Manipulation/Einkapselung könnte für UMTS durchgeführt werden, mit Verwenden von USIMs. Auch für für 3GPP-IP-Multimedia verwendete ISIMs gibt es einen Vorschlag zum „Einkapseln" von Authentifikationsnachrichten in dem HTTP-Digest-Protokoll [12]. Diese Einkapselung kann durch die aktuelle Erfindung erreicht werden.
  • Beispiele einer Vorverarbeitung von AKA-Eingabeparametern enthalten:
    • • Verifizierung der AKA-Eingabeparameter-Frische;
    • • Verifizierung der AKA-Eingabeparameter-Integrität;
    • • AKA-Eingabeparameter-Entschlüsselung;
    • • AKA-Eingabeparameter-Kombination;
    • • Sicherheitsstrategieentscheidung basierend auf AKA-Eingabeparameter(n).
  • Beispiele einer Nachverarbeitung von AKA-Ausgabeparametern enthalten:
    • • Zusammenfassung einer Anzahl erzeugter AKA-Ausgabeparameter (Kc und/oder RES) in einen oder mehrere (möglicherweise längere) modifizierte AKA-Ausgabeparameter (Kc' und/oder RES');
    • • Integritätsschutz erzeugter AKA-Ausgabeparameter;
    • • Verschlüsselung erzeugter AKA-Ausgabeparameter;
    • • Strategieentscheidung und/oder Durchsetzung von AKA-Ausgabeparameter(n) basierend auf einer AKA-Eingabeparameter-Untersuchung.
  • Verbesserte Sicherheitsverarbeitung zum gesetzlichen Abfangen
  • Es gibt gesetzliche Anforderungen hinsichtlich eines gesetzlichen Abfangens. Das heißt, dass Netzwerkoperatoren per gerichtlicher Anordnung fähig sein müssen zum Liefern einer Klartextkonversation an Gesetzdurchsetzungsbehörden. In dem klassischen GSM-Fall ist dieses einfach, da nur die Verbindung zwischen ME und der RBS (Radio Base Station) verschlüsselt ist (mit einem Schlüssel, den der Operator kennt).
  • Es wird erwartet, dass wir bald eine Ende-zu-Ende-(e2e) Verschlüsselung zwischen Benutzern sehen werden, d.h., dass bevor die Konversation startet, eine e2e-Schlüsselübereinstimmung bzw. Schlüsselvereinbarung zwischen den zwei Benutzern durchgeführt wird, zum Beispiel mit Verwenden des wie in [10] spezifizierten Protokolls MIKEY. Dies erschwert ein gesetzliches Abfangen, da der Operator fähig sein muss zum Deduzieren desselben Schlüssels, wie die Benutzer ihn erhalten und gemeinsam untereinander nutzen. Die Erfindung schlägt vor, dass wenigstens Teile der Operationen und Berechnungen, die in Verbindung mit der e2e-Schlüsselvereinbarung erforderlich sind, als eine Anwendung in einer SAT-ähnlichen Umgebung implementiert sind, durch Aufwerten des SIM mit einer Anwendung, die, basierend auf dem von dem Operator und Benutzer gemeinsam genutzten Schlüssel k, auch Ende-zu-Ende-Schlüssel zwischen Benutzern A und B ableitet, die „automatisch" dem Operator ebenfalls bekannt werden.
  • Es sei zum Beispiel gx eine Potenzierung in einer geeigneten (sicheren) Gruppe G, zum Beispiel die ganzen Zahlen Modulo eine Primzahl p, oder die Punkte einer elliptischen Kurve über ein finites Feld. Das Ergebnis der GSM-(oder UMTS-) AKA für Benutzer A ist ein Schlüssel kA. Ähnlich bekommt Benutzer B einen Schlüssel kB. Wir führen nun ein Diffie-Hellman-Protokoll, [14], durch, wo A an B gkA sendet, und B an A gkB sendet. Der gemeinsam genutzte Schlüssel ist gkA*kB. Einer der beiden oder jeder Operator (Heimatoperator von A oder B) kann, durch Kennen von kA (oder kB) und Beobachten von gkB (oder gkA), denselben Schlüssel berechnen.
  • Man beachte, dass, wenn das Endgerät, mit dieser Extrafunktionalität erweitert werden soll, es wiederum wünschenswert ist, die gkA (und gkB) Berechnung in dem SIM selbst zu implementieren, da anderenfalls kA (und kB) die geschützte Umgebung des SIM verlassen müssen. Mit der vorliegenden Erfindung kann die gesamte Berechnung tatsächlich in dem SIM getätigt werden, vorzugsweise in einer SAT-Anwendung, das einfach mit neuen Schlüsselaustauschverfahren aufgewertet werden kann.
  • Zur Information hinsichtlich einer e2e-Verschlüsselung und einem gesetzlichen Abfangen verweisen wir hiermit auf unsere frühere Patentanmeldung [15], die hiermit durch Verweis aufgenommen ist.
  • Immer noch ein Problem, in [15] diskutiert, ist es, dass nicht nur die Heimatoperatoren zum „Belauschen" der Kommunikation zwischen A und B fähig sein werden, sondern auch der Operator der besuchten Netzwerke, in denen A und B momentan sind. Dies könnte eine Bedrohung sein, wenn der Operator des besuchten Netzwerks nicht 100%-vertrauenswürdig ist. Dieses ist ein Effekt davon, dass kA (und kB) an die besuchten Netzwerke gesendet wird. Um dieses zu lösen, kann das in [15] vorgeschlagene Verfahren oder ein ähnliches Verfahren verwendet werden. Es sei k der zwischen dem Benutzer und dem Heimatnetz gemeinsam genutzte Schlüssel (auf dem SIM gespeichert). Anstelle eines Sendens von kA = kdf(k, RAND) an das besuchte Netz, wobei kdf eine Schlüsselableitungsfunktion ist, senden wir kA' = f(kA) (und ähnlich für kB) an das besuchte Netz, wobei f eine Einwegfunktion ist. Die Einwegeigenschaft stellt sicher, dass jemand, der nur kA' kennt, noch nicht weiß, was kA ist. Der Schlüssel kA' wird nun (transparent) zur normalen GSM-UMTS-Sicherheit verwendet, wohingegen es immer noch kA (und kB) ist, das als eine Basis für die e2e-Schlüsselvereinbarung zwischen A und B verwendet wird, mit Verwenden von zum Beispiel dem Diffie-Hellman-Protokoll. Nun können nur die Heimatoperatoren ein gesetzliches Abfangen durchführen. Die Idee gemäß der Erfindung ist es, die Maskierungsfunktionalität der Funktion f in einer SAT-ähnlichen Anwendung zu implementieren.
  • Verbesserte Sicherheitsverarbeitung zum öffentlichen Zugriff
  • Ein Problem, das auf den letzten Punkt oben bezogen ist, ist das Folgende. Es gibt Pläne, öffentliche „Hot-Spots" bereitzustellen, wo Mobilbenutzer temporär höhere Bitraten durch eine andere Zugriffstechnologie bzw. Zugangstechnologie, zum Beispiel IEEE 802.11 WLAN (Wireless LAN), erlangen können. Ein Problem hierbei ist, dass die „Basisstation" oder ein AP (Access Point) in einer nicht vertrauenswürdigen Umgebung sind. Dieses könnte bedeuten, dass ein physikalisches „Abgreifen" in den AP nach empfindlichen Daten, so wie Schlüsseln zum Integritätsschutz von Verkehr, notwendig für den Operator zum korrekten Abrechnen des Verkehrs, möglich ist. Deshalb existieren manche Ideen, in denen der Integritätsschutz in manch anderem Knoten abgeschlossen ist, ASN (Access Services Node) genannt, weiter in dem Netzwerk, somit besser geschützt. Es kann immer noch einen konventionellen 802.11- oder ähnlichen Integritätsschutz am Platze zwischen dem Endgerät und dem AP geben, und somit werden zwei Schlüssel benötigt:
    • • ein Schlüssel, k1, zum Schützen der ME-AP-Verbindung; und
    • • ein Schlüssel, k2, zum Schützen der ME-ASN-Verbindung, der in dem AP nicht verfügbar sein darf.
  • Dies bedeutet, dass, basierend auf dem Subskribiererschlüssel, der auf dem SIM gespeichert ist, vielmehr zwei Schlüssel abgeleitet werden müssen, als nur einer. Darüber hinaus darf k2 von k1 nicht deduzierbar sein. Dieses kann erreicht werden durch Ableiten von k2 mit Verwenden des normalen AKA-Protokolls, und dann von k1 = f(k2) für eine geeignete Einwegfunktion, wobei nur dieses letztere k1 an den AP gesendet wird. Wiederum kann wenigstens die Erzeugung des weiteren Schlüssels k1 sicher als eine SAT-Anwendung auf dem SIM selbst mit Verwenden der aktuellen Erfindung implementiert sein.
  • Privatsphärenverbesserungen
  • In einem anderen Aspekt der Erfindung wird das SIM oder eine ähnliche Sicherheitsvorrichtung (und im Besonderen das Anwendungs-Toolkit davon) verwendet zum Verbessern der Privatsphäre des Benutzers auf eine passende weise, zum Beispiel durch Verwalten von Benutzerpseudonymen.
  • Typischerweise wird einem Benutzer ein temporärer Identifizierer oder ein temporäres Pseudonym während eines Anhängens an das Netzwerk zugewiesen, um seine wahre Identität zu schützen. Außerdem kann das Pseudonym mehrmals aufgefrischt werden, um sogar ein Verbinden von Transaktionen unmöglich zu machen. Vorzugsweise ist die temporäre ID, tmpID, nur eine Kette bzw. ein String, der zufällig jedes Mal ausgewählt wird, wenn der Benutzer verbindet. Sie bzw. er könnte durch den Benutzer (zum Beispiel durch die Kommunikationsvorrichtung des Benutzers) ausgewählt werden oder an ihn durch das Netzwerk zugewiesen werden. Letzteres hat den Vorteil, dass es einfach ist, eine Eindeutigkeit für jedes verwendete Pseudonym sicherzustellen.
  • Es sollte aber verstanden werden, dass die Zuweisung von Benutzerpseudonymen sowohl das Netzwerk als auch das Benutzerendgerät involvieren kann. Zum Beispiel kann die temporäre ID durch ein erstes Teil von dem Netzwerk und ein zweites Teil, das zum Beispiel spezifisch für den Heimatoperator des Benutzers sein kann, von dem Benutzerendgerät definiert werden. Ein Beispiel solch einer tmpID kann „4711@xyz.com" sein, wobei der erste Teil „4711" durch das Netzwerk zugewiesen wird, und der zweite Teil „@xyz.com" in dem Benutzerendgerät zugewiesen wird.
  • Man betrachte ein Mehrzugriffsszenario, wobei der Benutzer ab und zu den Zugriff ändert. Dem Benutzer wird typischerweise eine neue Identität zugewiesen, wenn der Zugriff sich ändert. Jedoch muss die neue Zuweisung normalerweise auf der alten tmpID, d.h. der für das vorherige Netzwerk/Vorrichtung verwendeten ID oder der in einer vorherigen Sitzung mit demselben Netzwerk verwendeten ID basieren. Dies bedeutet, dass die tmpID irgendwie anfangs über das neue Zugriffsverfahren bzw. Zugangsverfahren oder den Dienst-Provider getragen werden muss. Dieses verursacht Synchronisationsprobleme. Zum Beispiel könnte der Benutzer den GPRS-Endgerätzugriff zu einem WLAN-Zugriff auf einem Laptop-Computer ändern.
  • Mit der vorliegenden Erfindung ist es dem SIM, oder einer ähnlichen Sicherheitsvorrichtung, möglich, die tmpIDs zu speichern und zu administrieren, vorzugsweise in einer SAT-Anwendung oder Äquivalentem. Wenn der Benutzer den Zugriff ändert, wird das SIM mit dem neuen Endgerät verbunden (zum Beispiel indem es physikalisch bewegt wird), wodurch die aktuelle tmpID (und möglicherweise andere existierende Sicherheitsparameter) über die neue Vorrichtung transferiert wird. Das neue Netzwerk kann, vorzugsweise nach einem Authentifizieren des Benutzers (das AKA-Modul involvierend), nun ihm eine neue temporäre ID, tmpID', zuweisen. In dem etwas einfacheren Fall, dass dasselbe Endgerät verwendet wird, aber für eine neue Sitzung, wird sich das SIM ähnlich an die zuvor verwendete ID „erinnern" und braucht nicht physikalisch bewegt zu werden.
  • Wie in 12 veranschaulicht, werden Berechtigungsnachweise (einschließlich von zum Beispiel Authentifikationsantworten und einer bereits existierenden ID) von dem SIM 10 abgerufen (0), das in einem ersten Benutzerendgerät 20-1 angeordnet ist, und ein Benutzer/Netzwerkauthentifikationsprotokoll zwischen dem SIM 10 und einem ersten Zugriffsnetzwerk 40-1 wird ausgeführt (1). Diese Authentifikation involviert (2) möglicherweise einen externen Authentifikationsserver 50. Der Benutzer erhält ein neues Pseudonym (3), tmpID, das in dem SIM 10-1 gespeichert wird (4). Schritte (1-4/3-4) können optional bei Intervallen wiederholt werden, was in einer erneuten Authentifikation und/oder neuen Pseudonymen resultiert. Nach einer gewissen Zeit findet der Benutzer des ersten Benutzerendgerätes 20-1 es wünschenswert, den Zugriff zu einem zweiten Benutzerendgerät 20-2 und einem zweiten Zugriffsnetzwerk 40-2 zu ändern. Das SIM 10 wird zu dem zweiten Benutzerendgerät 20-2 bewegt (5). Mit Verwenden der existierenden Berechtigungsnachweise/tmpID (6) muss sich der Benutzer möglicherweise erneut bei dem neuen Netzwerk 40-2 authentifizieren (7), was erneut möglicherweise den Authentifikationsserver 50 involviert (8). Möglicherweise wird das Benutzerpseudonym auf einen neuen Wert tmpID' aufgefrischt (9) und dieser neue Wert wird dann in dem SIM 10 gespeichert. Wiederum können die Schritte (7-9/8-9) bei Intervallen wiederholt werden, um die Privatsphäre und Sicherheit zu verbessern.
  • Selbstverständlich kann es der Fall sein, dass zwei Endgeräte 20-1 und 20-2 identisch sind und die zwei Zugriffe bzw. Zugänge durch unterschiedliche Zugriffseinrichtungen in demselben Endgerät 20 erhalten werden, wobei in diesem Fall das SIM 10 niemals das Endgerät verlässt, aber noch IDs über Zugriffsänderungen bzw. Zugangsänderungen verwaltet.
  • Die Ausführung der privatsphärenverbessernden Anwendung ist typischerweise bedingungsabhängig, abhängig davon, ob oder nicht die AKA-Authentifikation erfolgreich ist. Die privatsphärenverbessernde Anwendung wird zum Beispiel nur in Reaktion auf eine erfolgreiche Authentifikation ausgeführt.
  • Unter Betrachtung des Falls, wenn der temporäre Identifizierer, wenigstens teilweise, durch das Benutzerendgerät zugewiesen ist, kann es möglich sein, die neue tmpID' oder wenigstens Teile davon durch Verwenden des AKA-Moduls zu erzeugen, zum Beispiel durch Berechnen der neuen tmpID' als:
    neue tmpID' = s(Schlüssel, A8(Schlüssel, alte tmpID)),
    wobei s eine verschlüsselte Funktion bzw. Schlüsselfunktion ist, zum Beispiel auf SHA-1 basierend. In diesem bestimmten Beispiel wird die privatsphärenverbessernde Anwendung in der SAT-Umgebung des SIM die alte tmpID an das AKA-Modul senden und eine A8-Antwort empfangen, die von der privatsphärenverbessernden Anwendung zum Berechnen der neuen tmpID' verwendet wird.
  • Alternativ weist das Netzwerk ein neues Pseudonym tmpID' für den Benutzer zu. Das zugewiesene Pseudonym wird dann sicher an das SIM oder eine äquivalente manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung transferiert (verschlüsselt/authentifiziert), in dem/der das Pseudonym entschlüsselt und/oder authentifiziert wird mittels des SIM-Schlüssels, und in der privatsphärenverbessernden Anwendung aufgezeichnet und administriert wird. In noch einer anderen Ausführungsform rechnet die privatsphärenverbessernde Anwendung einfach eine neue tmpID' auf eine Zufallszahl um, die von dem Netzwerk angenommen wird, wenn die AKA-Antwort korrekt ist.
  • Hardware-Implementierungen
  • Es sollte verstanden werden, dass, obwohl eine Software-Implementierung besonders vorteilhaft ist, es auch möglich ist, dass die AKA-Zusammenarbeitsanwendung als Hardware in der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung vorgefertigt ist, mit einer mehr oder weniger direkten Schnittstelle zwischen der Hardware-Anwendung und dem AKA-Modul.
  • 13 veranschaulicht ein Beispiel einer besonders vorteilhaften Hardware-Implementierung, die die Anwendungsumgebung des SIM und die existierenden Befehle (zum Beispiel den ENVELOPE-Befehl) zum Transferieren von Eingabedaten an die Anwendungsumgebung nutzt, und dann die Eingabedaten von der Anwendungsumgebung über eine zusätzliche Schnittstelle an das vorgefertigte Hardware-Anwendungsmodul auf dem SIM leitet. Die Hardware-Anwendung ist mehr oder weniger direkt mit dem AKA-Modul zusammengeschaltet, vorzugsweise durch eine spezielle Schnittstelle, und leitet schließlich die Ausgabedaten an das Benutzerendgerät über die Anwendungsumgebung weiter.
  • In noch einer anderen Implementierung sind das AKA-Modul und die Zusammenarbeitsanwendung, so wie eine sicherheitsverbessernde Anwendung, in demselben Hardware-Schaltkreis auf dem SIM integriert. In solch einer integrierten Hardware-Implementierung sollte es jedoch vorzugsweise immer noch möglich sein, zwischen der normalen AKA-Verarbeitung und der verbesserten AKA-Verarbeitung in Abhängigkeit von der Betriebsumgebung des SIM auszuwählen.
  • Eine Hardware-Implementierung schließt nicht die Möglichkeit eines späteren Herunterladens einer Software-Anwendung aus, die die Hardware-Anwendung ersetzen kann, oder einer Software-Korrektur, die mit der Hardware-Anwendung zusammenarbeiten kann.
  • Schließlich verweisen wir auf unsere frühere Patentanmeldung [16].
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich als Beispiele gegeben, und es sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Weitere Modifizierungen, Änderungen und Verbesserungen, die die hier offenbarten und beanspruchten zugrunde liegenden Prinzipien beibehalten, sind innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
  • Referenzen
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    • [3] Arkko und Haverinen: "EAP AKA Authentication", draft-arkko-pppext-eap-aka-04.txt, IETF.
    • [4] 3GPP TS 11.11 Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Terminals Specification of the Subscriber Identity Module – Mobile Equipment (SIM-ME) interface.
    • [5] 3GPP TS 11.14 Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Specification of the SIM Application Toolkit for the Subscriber Identity Module – Mobile Equipment (SIM-ME) interface.
    • [6] 3GPP TS 31.111 Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Terminals; USIM Application Toolkit (USAT).
    • [7] 3GPP TS 03.19 Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Terminals; Subscriber Identity Module Application Programming Interface (SIM API) for Java CardTM; Stage 2.
    • [8] 3GPP TS03. 48 Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Terminals; Security Mechanisms for the SIM application toolkit; Stage 2.
    • [9] ETSI TS 100 922 Technical Specification Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Subscriber Identity Modules (SIM); Functional characteristics.
    • [10] Arkko, Carrara, Lindholm, Näslund, und Norrman, "MIKEY: Multimedia Internet KEYing", draft-ietf-msec-mikey-04.txt, IETF.
    • [11] Sarvar Patel, "Analysis of EAP-SIM Session Key Agreement", im Internet am 29. Mai 2003 veröffentlicht.
    • [12] Niemi, Arkko, Torvinen, IETF RFC 3310, "HTTP Digest Authentication Using", September 2002.
    • [13] 3GPP TSG WG3 Security, "Enhanced Security for A/Gb", 15.–18. Juli 2003.
    • [14] Menezes, van Oorschot, und Vanstone: "Handbook of Applied Cryptography", CRC Press, Seiten 489–541.
    • [15] UK Patentanmeldung Nr. 0129339-8, eingereicht am 7. Dezember 2001.
    • [16] Internationale Patentanmeldung WO 02/084980, beansprucht die Priorität von der schwedischen Patentanmeldung Nr. 0101295-4, eingereicht am 10. April 2001.

Claims (23)

  1. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung in einem Benutzerendgerät zur Authentifikation eines Netzwerks, über das das Benutzerendgerät zu kommunizieren beabsichtigt, das Mittel zum Speichern der Benutzerberechtigungsnachweise aufweist, umfassend einen Sicherheitsschlüssel, ein Authentifikations- und Schlüsselübereinstimmungs-, nachfolgend bezeichnet als AKA, Modul zur Durchführung eines AKA-Prozesses mit dem Sicherheitsschlüssel und Mittel für externe Kommunikation, dadurch gekennzeichnet, dass die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung ferner umfasst: eine sicherheitsverbessernde Anwendung zur Zusammenarbeit mit dem AKA-Modul, Mittel zur Kopplung des AKA-Moduls und der Zusammenarbeitsanwendung, Mittel zur Ermittlung, ob die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung in ihrer normalen Umgebung betrieben wird basierend auf Informationen, die Sicherheitszustände in Bezug auf die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung darstellen, die über das Mittel für externe Kommunikation empfangen werden, und Mittel zur Übertragung einer Anforderung für AKA-Verarbeitung direkt an das AKA-Modul, wenn die Vorrichtung in ihrer normalen Umgebung betrieben wird, und andernfalls an die sicherheitsverbessernde Anwendung.
  2. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zusammenarbeitsanwendung eine sicherheitsverbessernde Verarbeitung eines oder mehrerer Eingabeparameter und/oder Ausgabeparameter des AKA-Prozesses durchführt.
  3. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die verbesserte Sicherheitsverarbeitung eine Verkapselung des mindestens einen AKA-Parameters umfasst.
  4. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die verbesserte Sicherheitsverarbeitung eine Evaluierung einer vorgegebenen Anzahl aufeinander folgender AKA-Parameter zum Verifizieren, dass die AKA-Eingabeparameter sicher genutzt werden können, umfasst.
  5. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die verbesserte Sicherheitsverarbeitung ferner Kombination einer vorgegebenen Anzahl aufeinander folgender AKA-Ausgabeparameter umfasst, die in Reaktion auf eine Anzahl übereinstimmender einmaliger AKA-Eingabeparameter erzeugt wurden.
  6. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend Mittel zur Durchführung von Sicherheitsstrategieverarbeitung basierend auf Informationen, die die Umgebung darstellen, in der die Vorrichtung betrieben wird.
  7. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Sicherheitsbedingungen mindestens eine Umgebung, in der die Sicherheitsvorrichtung betrieben wird, und die Netzwerkschnittstelle widerspiegeln, über die eine Anforderung für AKA-Verarbeitung veranlasst wird.
  8. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Mittel zur Durchführung der Sicherheitsstrategieverarbeitung Mittel zur selektiven Deaktivierung des direkten Zugangs zu dem AKA-Modul umfasst.
  9. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zusammenarbeitsanwendung mindestens einen Teil der Berechnungen in Verbindung mit der Endstellenschlüsselübereinstimmung zwischen den Benutzern durchführt.
  10. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zusammenarbeitsanwendung Schlüsselinformationen maskiert, die von dem AKA-Modul erzeugt werden.
  11. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zusammenarbeitsanwendung eine Softwareanwendung ist, die in einer Anwendungsumgebung der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung installiert ist.
  12. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Zusammenarbeitsanwendung sicher in die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung von einem vertrauenswürdigen Anbieter heruntergeladen wird.
  13. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zusammenarbeitsanwendung eine privatsphärenverbessernde Anwendung ist, die ein Benutzerpseudonym verwaltet.
  14. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die privatsphärenverbessernde Anwendung eine AKA-Antwort von dem AKA-Modul basierend auf einem alten Benutzerpseudonym und zum Erzeugen eines neuen Benutzerpseudonyms basierend auf der empfangenen AKA-Antwort anfordert.
  15. Manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Anwendung und zumindest teilweise das AKA-Modul als eine Softwareanwendung in einer Anwendungsumgebung der Vorrichtung umgesetzt sind.
  16. Benutzerendgerät, das mit einer manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung bereitgestellt ist, die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung weist Mittel zur Speicherung der Benutzerberechtigungsnachweise auf, einschließlich mindestens eines Sicherheitsschlüssel, eines Authentifikations- und Schlüsselübereinstimmungs-, nachfolgend bezeichnet als AKA, Moduls zur Durchführung eines AKA-Prozesses mit dem Sicherheitsschlüssel und Mittel zur Kommunikation mit dem Benutzerendgerät, dadurch gekennzeichnet, dass die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung ferner umfasst: – eine sicherheitsverbessernde Anwendung zur Zusammenarbeit mit dem AKA-Modul und – Mittel zur Kopplung des AKA-Moduls und der Zusammenarbeitsanwendung, – Mittel zur Ermittlung, ob die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung in ihrer normalen Umgebung betrieben wird basierend auf Informationen, die Sicherheitszustände in Bezug auf die manipulationssichere Sicherheitsvorrichtung darstellen, die über das Mittel für Kommunikation mit dem Benutzerendgerät empfangen werden, – Mittel zur Übertragung einer Anforderung für AKA-Verarbeitung direkt an das AKA-Modul, wenn die Vorrichtung in ihrer normalen Umgebung betrieben wird, und andernfalls an die sicherheitsverbessernde Anwendung.
  17. Benutzerendgerät nach Anspruch 16, wobei die Zusammenarbeitsanwendung mindestens eine einer sicherheitsverbessernden Anwendung und einer privatsphärenverbessernden Anwendung ist.
  18. Benutzerendgerät nach Anspruch 16, wobei die Zusammenarbeitsanwendung verbesserte Sicherheitsverarbeitung eines oder mehrerer Eingabeparameter und/oder Ausgabeparameter der AKA-Prozesse durchführt.
  19. Benutzerendgerät nach Anspruch 18, wobei die Verarbeitung Verkapselung des mindestens einen AKA-Parameters zur Erzeugung eines Ausgabeparameters mit höherer Sicherheit als der mindestens eine AKA-Parameter umfasst.
  20. Benutzerendgerät nach Anspruch 16, wobei das Mittel zur Durchführung der Sicherheitsstrategieverarbeitung in der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung zur selektiven Deaktivierung des direkten Zugangs zu dem AKA-Modul umgesetzt ist.
  21. Benutzerendgerät nach Anspruch 16, wobei die Zusammenarbeitsanwendung eine sicherheitsverbessernde Anwendung umfasst, und das Benutzerendgerät umfasst ferner Mittel zur Übertragung einer Anforderung für AKA-Verarbeitung direkt an das AKA-Modul oder an die sicherheitsverbessernde Anwendung in Abhängigkeit von der Art der Schnittstelle, über die die Anforderungen empfangen wird.
  22. Benutzerendgerät nach Anspruch 21, wobei die sicherheitsverbessernde Anwendung eine Anzahl verschiedener sicherheitsverbessernder Module umfasst, und die sicherheitsverbessernde Anwendung wird aus den sicherheitsverbessernden Modulen in Abhängigkeit von der Art der Schnittstelle ausgewählt.
  23. Benutzerendgerät nach Anspruch 16, wobei die Zusammenarbeitsanwendung eine Softwareanwendung ist, die in einer Anwendungsumgebung der manipulationssicheren Sicherheitsvorrichtung installiert ist.
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