EP3476098A1 - Verfahren und anordnung zur gesicherten elektronischen datenkommunikation - Google Patents

Verfahren und anordnung zur gesicherten elektronischen datenkommunikation

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EP3476098A1
EP3476098A1 EP17743301.8A EP17743301A EP3476098A1 EP 3476098 A1 EP3476098 A1 EP 3476098A1 EP 17743301 A EP17743301 A EP 17743301A EP 3476098 A1 EP3476098 A1 EP 3476098A1
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EP
European Patent Office
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zone
key
message
secret
information processing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17743301.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Eckelmann-Wendt
Stefan Gerken
Markus Seemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of EP3476098A1 publication Critical patent/EP3476098A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L63/00—Network architectures or network communication protocols for network security
    • H04L63/04—Network architectures or network communication protocols for network security for providing a confidential data exchange among entities communicating through data packet networks
    • H04L63/0428—Network architectures or network communication protocols for network security for providing a confidential data exchange among entities communicating through data packet networks wherein the data content is protected, e.g. by encrypting or encapsulating the payload
    • H04L63/0442—Network architectures or network communication protocols for network security for providing a confidential data exchange among entities communicating through data packet networks wherein the data content is protected, e.g. by encrypting or encapsulating the payload wherein the sending and receiving network entities apply asymmetric encryption, i.e. different keys for encryption and decryption
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    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0819—Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s)
    • H04L9/0825—Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s) using asymmetric-key encryption or public key infrastructure [PKI], e.g. key signature or public key certificates
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F21/00—Security arrangements for protecting computers, components thereof, programs or data against unauthorised activity
    • G06F21/70—Protecting specific internal or peripheral components, in which the protection of a component leads to protection of the entire computer
    • G06F21/71—Protecting specific internal or peripheral components, in which the protection of a component leads to protection of the entire computer to assure secure computing or processing of information
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Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for secure electronic data communication according to the
  • an information processing unit may publish a message without addressing a particular recipient. Potential recipients do not need to be aware of the publishing entity. It is also not necessary that the unit that publishes a message, a response message gets to the ver ⁇ -published message. On the other hand, depending ⁇ de can information-processing unit that is registered as a recipient of a message specific messages based on predetermined criteria subscribe.
  • a block or packet-based data communications is considered generation, based for example on news datagrams Tele ⁇ programs, or the like, as opposed to a Stream-based data communication.
  • information processing units are understood to be essentially technical units, in particular control programs of technical units.
  • programs and / or processes that can be executed on a computer can be information processing units within the meaning of the present invention.
  • Data communication includes any type of messages exchanged between the information processing units.
  • such messages may serve to directly or indirectly control rail traffic. This applies, for example, the operation of switches and signal systems, the examination of track sections as to whether they are free or busy, and the like.
  • the data communication can be cryptographically secured.
  • each information processing unit consisting of a public key and a secret key assigned to a key pair
  • a proof of authenticity a message publica ⁇ fentlichende unit generate in that these signs a ⁇ After directing means of the associated unit of the secret Keyring ⁇ sels. An entity that subscribes to this message can then verify that signature using the public key of the publishing entity.
  • a disadvantage of this solution is that due to the very large ⁇ number of information processing units that are involved for example in the control of rail transport, the management and provision of all public keys and in particular the security of all secret key requires considerable effort.
  • the object of the present invention is therefore to propose an arrangement and a method which reduces the complexity of providing secure electronic packet or block-based data communication in the context of a Decreased publish / subscribe model between information processing units while maintaining the same level of security.
  • an arrangement for secure electronic data communication between information-processing units of the arrangement is provided. It is based on the publish / subscribe model and the kommunika ⁇ tion is secured on the basis of an asymmetric encryption method.
  • Each of the information processing units is assigned to a zone secured by hardware, in which the respective information processing unit is arranged.
  • Each of the zones is assigned at least one zone key pair, each consisting of a public zone key and a secret zone key.
  • Each of the zones includes at least one formed as a hardware module from ⁇ encryption unit which is arranged to store the or the secret key secured zone and to perform cryptographic operations by means of the or the secret key zone and the zone or public key.
  • the encryption unit is the only ⁇ A standardized to the appropriate zone, which has access to the secret or key zone.
  • the inventive method for secure electronic data communication according to the publish / subscribe model Zvi ⁇ rule information processing units of an arrangement based on an asymmetric encryption method includes fully basically the step of:
  • the zone key pair is generated in the zone itself, preferably by the encryption unit assigned to the zone.
  • the secret Zo ⁇ nen knowl then never leaves the encryption unit and is thus optimally secured.
  • An inventive hardware module is configured secured as an encryption unit includes at least a secret key of a key pair of an asymmetric encryption ⁇ systems to store and execute cryptographic Ope ⁇ nen by the secret key. Because the encryption unit is designed as a hardware module, not only stored in secret zone key is adequately secured, but by the encryption unit conducted cryptographic Opera ⁇ tions such. As encrypting, decrypting, digitally signing or verifying a digital signature, can be performed much faster compared to a functionally comparable software module. This brings great benefits, in particular in connection with applications, which have to meet real-time requirements.
  • a computing unit in particular a server, comprises at least one hardware module according to the invention and at least one information-processing unit.
  • the calculation unit is configured to support a method of the type described above and below in the role of a hardwaremä ⁇ SSIG secured zone.
  • the invention is based on the realization that it is not necessary in vorlie ⁇ constricting context that a private Keyring ⁇ selschreib must be created for each one ⁇ zelne information processing unit, but that it is sufficient to group the suitable information processing units, that is defined, assigned to secure zones, and only each of these zones to assign a separate key pair, a so-called zone key pair.
  • the term to be "hardware-secured” is understood to the effect that the corresponding zone against intrusion from the outside secured not only access rights or other software ⁇ medium, but at least also physically, by means of specific hardware resources.
  • a zone by a computer in particular a server is provided. It is possible that a computer includes a plurality of various ⁇ dene zones in accordance with the present invention, and consequently, several serving as the encryption units of these zones hardware modules.
  • zone in the more non-preferred, but possible case in that a zone comprises a plurality of computers, there are zone-internal connections between the computers which are separate and physically separate from connections to the outside.
  • zone is used in the context of the present invention in accordance with a definition of this B egriffs used as z. In the standard IEC62443-3-3, under point 3.1.47.
  • such information- processing units can be assigned to a zone that are already arranged in the zone. If the zone is provided for example by ei ⁇ nen server can be assigned on the server ⁇ executable programs or processes as an information-processing ⁇ de units this zone.
  • the He-making ⁇ data communication may, in principle in a known manner based on the asymmetric system Ver etc. It does not matter whether the informati ⁇ onsverinde unit that publishes a message is assigned to the same zone as a message abon ⁇ nating information processing unit.
  • a publication informa ⁇ tion processing unit may be arranged, one (in the Re ⁇ gel cryptographically secure sender information z.
  • a subscribing information processing unit is then arranged to evaluate the sender information to determine the identity of the publishing entity.
  • a first information processing unit of a first region is configured to publish a ⁇ After reporting. The message is then likewiseis cryptographically secured under Ver ⁇ application of the associated secret zone of the first zone.
  • a second informati ⁇ onsveronde unit is adapted to authenticate the message un ⁇ ter using the associated public zone of the first zone key as a message that has been sent from an information processing unit of the first zone.
  • the first information processing unit may be adapted, a sender information in the message to integrie ⁇ ren.
  • the second information processing unit may be adapted to evaluate the sender information to determine the identity of the sender of the message.
  • the step of publishing a message following substeps umfas ⁇ can sen:
  • the message is created by the first information processing unit. Then, a hash value of the message is determined, preferably by the first informationsverarbei ⁇ tend unit itself. Alternatively, the formation of the Hashwer- tes also be performed by the encryption unit of the corresponding zone.
  • the hash value is digitally signed by the encryption unit of the zone to which the first information-processing unit is assigned by means of the secret zone key information assigned to the zone and stored in the encryption unit. This can for example take place in that the hash value is encrypted by the secret Zonenschlüs ⁇ sels.
  • the signed hash value is then appended to the message by the first information processing unit and the
  • the step of authenticating the message by the second information processing unit then comprises, prior ⁇ preferably the following partial steps:
  • the verified hash value is then compared to the reference hash value. Only in case of a match is the message considered authentic - that is, a message published by an information processing unit of the first zone.
  • the encryption unit of each zone is directed a ⁇ comprising to generate a new zone ⁇ en public key and a new secret key zone, the zone for a new zone key pair.
  • the keys assigned to a zone are preferably exchanged at regular or irregular intervals.
  • the new public zone key can then be published by the encryption unit via a message. This message will be secured by means of the previous ge ⁇ heimen key zone of the zone.
  • Each information-processing unit that subscribes to this message is thereby informed about an exchange of the key pair in the corresponding zone and, after receiving the new public zone key of that zone, can also authenticate such messages, which are then encrypted using the newly created secret zone key of this kryptogra - be secured phically.
  • the encryption unit is therefore preferably also set up to at least temporarily store various secret zone keys in a secure manner.
  • Different solutions can be found to publish the initial public zone shell. In principle, it must be ensured that no public zone keys are introduced into the system without authorization. A possibility friendliness is part of all zones to provide the key with conventionally known ⁇ th digital certificates from a part of the system, ie, trusted certification respected ⁇ fiz istsinstanz. Alternatively, all zones can be equipped with a secret master key, by means of which the initial public zone key can be securely published. Finally, there is the possibility that public zone keys will be distributed between adjacent zones via secure communication channels existing between these zones, for example based on a Diff / Hellman method.
  • the encryption unit simultaneously stores various secret zone keys, also of different lengths. These various secret zone keys are associated in a conventionally known manner respective public zone key corresponding length.
  • the method may include the steps of: generating a further zone key pair be ⁇ standing from a further public zone key and a further secret-zone key, wherein the key ⁇ length of the key of the further zone key pair on the key length, the key of the zone key pair deviate ⁇ chen can.
  • the further zone key pair is associated with the respective zone and the further secret Zonenschlüs ⁇ sel is stored secured in the encryption unit of the zone.
  • a zone can be assigned, for example, four zone tags of different length, for example with the bowl ⁇ lengths 40 bits, 80 bits, 200 bits and 400 bits. The shorter the keys, the more often they are exchanged.
  • a message to publish a newly generated public key zone by means of the old secret key zone - of the sliding surfaces ⁇ length - is cryptographically secured, according to a a message for publishing a new public zone key of a first length is cryptographically secured by means of a secret Zo ⁇ nen everybodyls a second length, wherein the second key length exceeds the first key length.
  • a 40-bit key is secured, for example by means of an 80-bit key, an 80-bit Schlüs ⁇ sel means of a 200-bit key, etc. Since in the context of data communication in the arrangement basically every published message in the above ⁇ be written It should be ensured that the creation and checking of the corresponding signatures can be carried out quickly, for example in connection with railway signaling technology.
  • the time required to create or verify a signature, ie in particular to encrypt and decrypt a hash value via a message again depends directly on the length of the keys used. DA ago shorter secret zone key to back up very often published ⁇ lichenden messages are used in a preferred embodiment.
  • shorter zone secret keys should then be correspondingly more frequently by new ge ⁇ home-zone key (of the same length) is replaced, in the manner described above.
  • Longer secret zone keys can be used to back up messages that are published less often, such as a message. B. News with which newly generated public zone key ver ⁇ shares. Longer keys offer greater security than shorter keys.
  • the method may include the steps of:
  • the backup by means of the two secret keys is carried out separately, as described above, ie the message is attached two digitally signed hash values, one of which is signed by means of the first secret zone key and the second by means of the second secret zone key. It ver ⁇ is that more than two secret zone keys, for example three or four, can be used to save a message cryptographically.
  • a subscribing unit only needs a check of the signatures at ⁇ .
  • each message may be sent using the "old" secret zone key and the "new", ie. H. of the newly created secret zone key. After a predetermined time can then be dispensed with the backup using the "old" secret zone key.
  • FIG. 1 steps of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an arrangement 10 for secure electronic data communication, as could be done, for example, in railroad signaling technology.
  • the arrangement 10 comprises a plurality of information processing units 21, 22, 23, 31, 32, 33, between which the data communication takes place via a data communication network 40.
  • the data communication takes place by the so-called ⁇ publish / subscribe model.
  • a message is published by an information processing unit 21, without specifically addressing one or more recipients of the message, similar to a broadcast or multicast method.
  • Each information processing ⁇ A standardized 22, 23, 31, 32, 33 can subscribe to particular messages according to predetermined criteria, that is, register as a recipient of a message.
  • a message can also be subscribed to by a plurality of information processing units 22, 23, 31, 32, 33.
  • the information processing units 21, 22, 23, 31, 32, 33 are each assigned to different hardware-secured zones 20, 30, d. H. Each of the information-processing units is assigned to one of the zones 20, 30.
  • Zones 20, 30 are hardware-based and optionally additionally formed by software in such a way that an unauthorized intrusion from the outside into the zone 20, 30 is not possible.
  • the Number of zones is variable and can be greater than two. The example in FIG. 1 is limited to the two zones 20, 30 for the sake of simplicity.
  • an information processing unit 21, 31 is assigned to the zone 20, 30 in which it is arranged.
  • the first group of information processing units 21, 22, 23 corresponds to one in the embodiment shown
  • This server 42 is connected to the data communication network 40 and may be arranged, for example, in a control center or the like. From this server 42 news are published by subscribing which of informationsverarbei ⁇ Tenden units of the same or a different zone 30 can be defined.
  • Such other information processing units 31, 32, 33 may be, for example, control programs of technical devices, for example controllers of switches or signal systems.
  • the information processing units 31, 32, 33 are associated with a various of the first zone 20 second zone 30 which is provided on a white ⁇ direct server 44, which is also connected to the data communication network 40th
  • Each of the zones 20, 30 is assigned a zone key pair 120, 130, each comprising a public zone key 122, 132 and a secret zone key 124, 134, whereby an authenticatable data communication between information processing units 21, 22, 23, 31, 32, 33 , can be carried out regardless of the zone belonging, as is described below with reference to Fig. 2 in more detail Darge ⁇ is.
  • Each of the zones 20, 30 each comprises an opening formed as a hardware module encryption unit 25, 35. That is turned ⁇ directed, at least in the zone 20, 30 respectively associated secret key zone 124, 134 secured to stores.
  • the encryption unit 25 of a zone 20 stores, in addition also the respective associated public zone keys 122, and optionally the public zones ⁇ key 132 in other areas 30.
  • the encryption unit 25, 35 is established, cryptographic operations using the secret zone key 124 to execute 134th
  • the information processing units 21, 22, 23, a zone 20 are each arranged to communicate with the Ver Bachlungsein ⁇ standardized 25 of the zone 20, for example, the encryption unit 25 digital data to be signed to give and receive signed data.
  • Fig. 2 are steps of a method for secure electronic data communication according to the
  • each of the information processing units 21, 22, 23, 31, 32, 33 of the hardware secured zone 20, 30 is assigned, in which the respective unit is angeord ⁇ net.
  • the number of zones is not limited to two. The number of information processing units per zone is variable.
  • step S2 the individual zones 20, 30 see cryptographic key assigned by means of which then an nachfol ⁇ constricting data communication between the information processing units 21, 31 secured, in particular can be made authenticated.
  • step S2.1 a zone key pair 120, 130 is first generated for each of the zones 20, 30.
  • Such a zone key pair comprises in each case a public zone key 122, 132 and a secret zone key 124, 134.
  • step S2.2 each zone 20, 30 which for this zone, he testified ⁇ zone key pair 120, is assigned to the 130th
  • step S2.3 of a zone 20 30 associated with the behest ⁇ zone me key 124 is stored secured 30 134 in the encryption unit 25, 35 of the respective zone 20.
  • the information processing units 21, 31 of a zone 20, 30 generally have no access to the secret zone key 124, 134.
  • the public zone keys 122, 132 can be provided in a conventionally known manner to all information-processing units or all zones 20, 30 of the arrangement 10.
  • step S3 a tendency informationsverarbei ⁇ unit 21 of the first group 20 then publishes a message, which can be subscribed to by any other information processing units 22, 31st The message is digitally signed by means of the secret key 124 of the first zone 20.
  • a hash value is first formed over the message. This hash value is then signed by the encryption unit 25 using the secret key zone, ⁇ example, by the hash value is encrypted by this secret Zonenschlüs ⁇ sels 124th Subsequently, the Locks ⁇ doubted hash value of the message is attached and the message will be published along with the encrypted hash value appended.
  • the information processing unit 31 may, after receiving the message, Judges the origin of the message at step S4 characterized Che ⁇ fen that it verifies the digital signature using the public key zone 122 of the first zone 20th More specifically, unit 31 may form a reference hash via the message.
  • the decrypted hash value matches the refer- ence hash value, it is assumed that the post ⁇ directing actually comes from the zone 20th
  • the infor ⁇ mationsver formatden units 31, 32, 33 of the second zone 30 on the server 44 may, for example, in such a way be arranged to subscribe and further process only messages originating from the server 42, ie signed by means of the secret zone key assigned to the first zone 20.
  • the exact sender identity ie which of the information processing units 21, 22, 23 the message Additionally, for example, it may be coded in a header of the message.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (10) zur gesicherten elektronischen Datenkommunikation gemäß dem Publish/Subscribe-Modell zwischen informationsverarbeitenden Einheiten (21; 31) der Anordnung. Die Datenkommunikation wird auf Basis eines asymmetrischen Verschlüsselungsverfahrens gesichert. Jede der informationsverarbeitenden Einheiten (21; 31) ist einer hardwaremäßig gesicherten Zone (20; 30) zugeordnet, in welcher die jeweilige informationsverarbeitende Einheit (21; 31) angeordnet ist. Jeder der Zonen (20; 30) ist ein Zonenschlüsselpaar (120; 130), bestehend aus einem öffentlichen Zonenschlüssel (122; 132) und einem geheimen Zonenschlüssel (124; 134), zugeordnet. Jede der Zonen (20; 30) umfasst eine als Hardwaremodul ausgebildete Verschlüsselungseinheit (25; 35), die eingerichtet ist, den geheimen Zonenschlüssel (124; 134) gesichert zu speichern und kryptographische Operationen mittels des geheimen Zonenschlüssels (124; 134) auszuführen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur gesicherten elektronischen Datenkommunikation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur gesicherten elektronischen Datenkommunikation gemäß dem
Publish/Subscribe-Modell zwischen informationsverarbeitenden Einheiten der Anordnung auf Basis eines asymmetrischen Ver- Schlüsselungsverfahrens.
Gemäß dem Publish/Subscribe-Modell kann eine informationsver¬ arbeitende Einheit eine Nachricht veröffentlichen, ohne einen bestimmten Empfänger zu adressieren. Potentielle Empfänger müssen der veröffentlichenden Einheit nicht bekannt sein. Es ist auch nicht erforderlich, dass die Einheit, welche eine Nachricht veröffentlicht, eine Antwortnachricht auf die ver¬ öffentlichte Nachricht erhält. Auf der anderen Seite kann je¬ de informationsverarbeitende Einheit bestimmte Nachrichten nach vorgegebenen Kriterien abonnieren, d. h. sich als Empfänger einer Nachricht eintragen.
In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird eine block- oder paketbasierte Datenkommunikation betrachtet, ba- sierend beispielsweise auf Nachrichten, Datagrammen, Tele¬ grammen, oder dergleichen, im Gegensatz zu einer stream- basierten Datenkommunikation.
Als informationsverarbeitende Einheiten werden im Zusammen- hang mit der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen technische Einheiten verstanden, insbesondere Steuerprogramme von technischen Einheiten. Aber auch Programme und/oder Prozesse, welche auf einem Rechner, beispielsweise einem Server, oder einem virtuellen Rechner auf dem Rechner, ausgeführt werden können, können informationsverarbeitende Einheiten im Sinne der vorliegenden Erfindung sein. Eine Datenkommunikation umfasst jede Art von Nachrichten, die zwischen den informationsverarbeitenden Einheiten ausgetauscht werden. In der Eisenbahntechnik, welche ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung darstellt, können solche Nachrichten beispielsweise dazu dienen, den Eisenbahnverkehr direkt oder indirekt zu steuern. Dies betrifft beispielsweise den Betrieb von Weichen und Signalanlagen, die Prüfung von Gleisabschnitten dahingehend, ob diese frei oder besetzt sind, und dergleichen mehr.
Um diese Nachrichten gegen unautorisierten Zugriff zu schützen, insbesondere zum Schutz der Authentizität der Nachricht, kann die Datenkommunikation kryptographisch gesichert werden. Die Verwendung einer asymmetrischen Verschlüsselung, bei der jeder informationsverarbeitenden Einheit ein Schlüsselpaar, bestehend aus einem öffentlichen Schlüssel und einem geheimen Schlüssel, zugeordnet wird, bietet hier grundsätzlich hinrei¬ chenden Schutz. Es wird dadurch eine zuverlässige Möglichkeit bereitgestellt, die Authentizität einer Nachricht zu prüfen. Einen Authentizitätsnachweis kann eine die Nachricht veröf¬ fentlichende Einheit dadurch erzeugen, dass diese eine Nach¬ richt mittels des der Einheit zugeordneten geheimen Schlüs¬ sels signiert. Eine Einheit, die diese Nachricht abonniert, kann diese Signatur dann mittels des öffentlichen Schlüssels der veröffentlichenden Einheit überprüfen.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass aufgrund der sehr gro¬ ßen Anzahl von informationsverarbeitenden Einheiten, die beispielsweise an der Steuerung des Eisenbahnverkehrs beteiligt sind, die Verwaltung und Bereitstellung aller öffentlichen Schlüssel sowie insbesondere die Sicherung aller geheimen Schlüssel erheblichen Aufwand erfordert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine An- Ordnung und ein Verfahren vorzuschlagen, welche den Aufwand zum Bereitstellen einer gesicherten elektronischen paket- oder blockbasierten Datenkommunikation im Rahmen eines Publish/Subscribe-Modells zwischen informationsverarbeitenden Einheiten bei gleichbleibendem Sicherheitsniveau verringert.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur gesicherten elektro- nischen Datenkommunikation zwischen informationsverarbeitenden Einheiten der Anordnung zur Verfügung gestellt. Es liegt das Publish/Subscribe-Modell zugrunde und die Datenkommunika¬ tion wird auf Basis eines asymmetrischen Verschlüsselungsverfahrens gesichert. Jede der informationsverarbeitenden Ein- heiten ist einer hardwaremäßig gesicherten Zone zugeordnet, in welcher die jeweilige informationsverarbeitende Einheit angeordnet ist. Jeder der Zonen ist zumindest ein Zonen- schlüsselpaar, bestehend jeweils aus einem öffentlichen Zonenschlüssel und einem geheimen Zonenschlüssel, zugeordnet. Jede der Zonen umfasst zumindest eine als Hardwaremodul aus¬ gebildete Verschlüsselungseinheit, die eingerichtet ist, den oder die geheimen Zonenschlüssel gesichert zu speichern und kryptographische Operationen mittels des oder der geheimen Zonenschlüssel und des oder der öffentlichen Zonenschlüssel auszuführen.
Vorzugsweise ist die Verschlüsselungseinheit die einzige Ein¬ heit der entsprechenden Zone, welche Zugriff auf den oder die geheimen Zonenschlüssel hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur gesicherten elektronischen Datenkommunikation gemäß dem Publish/Subscribe-Modell zwi¬ schen informationsverarbeitenden Einheiten einer Anordnung auf Basis eines asymmetrischen Verschlüsselungsverfahrens um- fasst grundsätzlich den folgenden Schritt:
Zuordnen jeder der informationsverarbeitenden Einheiten zu einer hardwaremäßig gesicherten Zone, in welcher die jeweili¬ ge informationsverarbeitende Einheit angeordnet ist. Für jede der Zonen werden weiterhin die folgenden Schritte ausgeführt :
Erzeugen zumindest eines Zonenschlüsselpaares , bestehend aus einem öffentlichen Zonenschlüssel und einem geheimen Zonen- Schlüssel;
Zuordnen des Zonenschlüsselpaares zu der Zone, und gesicher¬ tes Speichern des geheimen Zonenschlüssels in einer als Hard¬ waremodul ausgebildeten Verschlüsselungseinheit der Zone, wo¬ bei die Verschlüsselungseinheit eingerichtet ist, kryptogra- phische Operationen mittels des geheimen Zonenschlüssels und des öffentlichen Zonenschlüssels auszuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Zonenschlüs- selpaar in der Zone selbst, vorzugsweise durch die der Zone zugeordnete Verschlüsselungseinheit, erzeugt. Der geheime Zo¬ nenschlüssel verlässt dann die Verschlüsselungseinheit nie und ist dadurch optimal gesichert.
Ein erfindungsgemäßes Hardwaremodul ist eingerichtet, als Verschlüsselungseinheit zumindest einen geheimen Schlüssel eines Schlüsselpaares eines asymmetrischen Verschlüsselungs¬ systems gesichert zu speichern und kryptographische Operatio¬ nen mittels des geheimen Schlüssels auszuführen. Dadurch, dass die Verschlüsselungseinheit als Hardwaremodul ausgebildet ist, ist nicht nur der darin gespeicherte geheime Zonenschlüssel hinreichend gesichert, sondern seitens der Verschlüsselungseinheit durchgeführte kryptographische Opera¬ tionen, wie z. B. Verschlüsseln, Entschlüsseln, digitales Signieren oder Verifizieren einer digitalen Signatur, können im Vergleich zu einem funktional vergleichbaren Softwaremodul erheblich schneller ausgeführt werden. Dies bringt insbesondere im Zusammenhang mit Anwendungen große Vorteile, welche EchtZeitanforderungen zu erfüllen haben.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, insbesondere ein Server, umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes Hardwaremodul sowie zumindest eine informationsverarbeitende Einheit. Die Rechen- einheit ist eingerichtet, ein Verfahren der vorstehend und nachfolgend beschriebenen Art in der Rolle einer hardwaremä¬ ßig gesicherten Zone zu unterstützen. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es im vorlie¬ genden Zusammenhang nicht notwendig ist, dass für jede ein¬ zelne informationsverarbeitende Einheit ein eigenes Schlüs¬ selpaar erzeugt werden muss, sondern dass es ausreicht, die informationsverarbeitenden Einheiten geeignet zu gruppieren, d. h. definierten, hardwaremäßig gesicherten Zonen zuzuordnen, und lediglich jeder dieser Zonen ein eigenes Schlüsselpaar, ein so genanntes Zonenschlüsselpaar zuzuordnen.
Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung soll der Begriff „hardwaremäßig gesichert" dahingehend verstanden werden, dass die entsprechende Zone gegen ein unbefugtes Eindringen von außen nicht allein über Zugriffsrechte oder andere Software¬ mittel, sondern zumindest zusätzlich physisch, mittels spezifischer Hardwaremittel, gesichert ist. Vorzugsweise wird eine Zone durch einen Rechner, insbesondere einen Server, bereitgestellt. Es ist möglich, dass ein Rechner mehrere verschie¬ dene Zonen im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst, und folglich mehrere als Verschlüsselungseinheiten dieser Zonen dienende Hardwaremodule. In dem eher nicht bevorzugten, aber möglichen Fall, dass eine Zone eine Mehrzahl von Rechnern umfasst, bestehen zwischen den Rechnern zoneninterne Verbindungen, die separat und physisch getrennt von Verbindungen nach außen vorliegen. Der Begriff der Zone wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit einer Definition dieses Begriffs verwendet, wie sie z. B. in der Norm IEC62443-3-3, unter Punkt 3.1.47 zu finden ist.
Einer Zone können dabei insbesondere solche informationsver¬ arbeitende Einheiten zugeordnet werden, die bereits in der Zone angeordnet sind. Wenn die Zone beispielsweise durch ei¬ nen Server bereitgestellt wird, können auf dem Server aus¬ führbare Programme oder Prozesse als informationsverarbeiten¬ de Einheiten dieser Zone zugeordnet werden. Wie nachstehend noch im Detail dargelegt, kann gemäß der Er¬ findung eine Datenkommunikation grundsätzlich in bekannter Weise, basierend auf dem asymmetrischen Verschlüsselungssys- tem erfolgen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die informati¬ onsverarbeitende Einheit, die eine Nachricht veröffentlicht, derselben Zone zugeordnet ist, wie eine die Nachricht abon¬ nierende informationsverarbeitende Einheit. Zusätzlich zu der Information, aus welcher Zone eine Nachricht stammt, welche Information mittels des der Zone zugeordneten geheimen Zonenschlüssels erzeugt wird, kann eine veröffentlichende informa¬ tionsverarbeitende Einheit eingerichtet sein, eine in der Re¬ gel kryptographisch nicht abgesicherte Absenderinformation (z. B. in Form einer so genannten Publisher UUID) in die Nachricht zu integrieren, beispielsweise in einem Nachrichtenkopf (Header) . Eine abonnierende informationsverarbeitende Einheit ist dann eingerichtet, die Absenderinformation zur Feststellung der Identität der veröffentlichenden Einheit aus zuwerten .
Gemäß einer Ausführungsform ist eine erste informationsverarbeitende Einheit einer ersten Zone eingerichtet, eine Nach¬ richt zu veröffentlichen. Die Nachricht wird dabei unter Ver¬ wendung des der ersten Zone zugeordneten geheimen Zonen- schlüsseis kryptographisch gesichert. Eine zweite informati¬ onsverarbeitende Einheit ist eingerichtet, die Nachricht un¬ ter Verwendung des der ersten Zone zugeordneten öffentlichen Zonenschlüssels als eine Nachricht zu authentifizieren, die von einer informationsverarbeitenden Einheit der ersten Zone gesendet worden ist.
Die erste informationsverarbeitende Einheit kann eingerichtet sein, eine Absenderinformation in die Nachricht zu integrie¬ ren. Die zweite informationsverarbeitende Einheit kann einge- richtet sein, die Absenderinformation zur Feststellung der Identität des Absenders der Nachricht auszuwerten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Schritt des Veröffentlichens einer Nachricht folgende Teilschritte umfas¬ sen :
Die Nachricht wird durch die erste informationsverarbeitende Einheit erstellt. Dann wird ein Hashwert über die Nachricht bestimmt, vorzugsweise durch die erste informationsverarbei¬ tende Einheit selbst. Alternativ kann das Bilden des Hashwer- tes auch durch die Verschlüsselungseinheit der entsprechenden Zone erfolgen.
Anschließend wird der Hashwert durch die Verschlüsselungseinheit der Zone, welcher die erste informationsverarbeitende Einheit zugeordnet ist, mittels des der Zone zugeordneten, in der Verschlüsselungseinheit gespeicherten geheimen Zonen- schlüsseis digital signiert. Dies kann beispielweise dadurch erfolgen, dass der Hashwert mittels des geheimen Zonenschlüs¬ sels verschlüsselt wird.
Der signierte Hashwert wird dann durch die erste informati- onsverarbeitende Einheit an die Nachricht angehängt und die
Nachricht wird durch die erste informationsverarbeitende Ein¬ heit zusammen mit dem angehängten digital signierten Hashwert veröffentlicht . Der Schritt des Authentifizierens der Nachricht durch die zweite informationsverarbeitende Einheit umfasst dann vor¬ zugsweise folgende Teilschritte:
Es wird ein Referenz-Hashwert über die Nachricht bestimmt, durch die zweite informationsverarbeitende Einheit oder durch die Verschlüsselungseinheit der Zone, der die zweite informa¬ tionsverarbeitende Einheit zugeordnet ist.
Anschließend verifiziert die Verschlüsselungseinheit der Zo¬ ne, der die zweite informationsverarbeitende Einheit zugeord- net ist, den an die Nachricht angehängten digital signierten Hashwert mittels des der ersten Zone zugeordneten öffentli¬ chen Zonenschlüssels. Dies kann dadurch erfolgen, dass ein verschlüsselter Hashwert mittels des der ersten Zone zugeord¬ neten öffentlichen Zonenschlüssels entschlüsselt wird.
Der verifizierte Hashwert wird dann mit dem Referenz-Hashwert verglichen. Lediglich bei Übereinstimmung wird die Nachricht als authentisch angesehen - d. h. als eine Nachricht, die von einer informationsverarbeitenden Einheit der ersten Zone veröffentlicht worden ist. Vorzugsweise ist die Verschlüsselungseinheit jeder Zone ein¬ gerichtet, ein neues Zonenschlüsselpaar, umfassend einen neu¬ en öffentlichen Zonenschlüssel und einen neuen geheimen Zonenschlüssel, für die Zone zu erzeugen. Um die Sicherheit und Authentizität der Datenkommunikation aufrechtzuerhalten, wer- den vorzugsweise in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen die einer Zone zugeordneten Schlüssel ausgetauscht.
Der neue öffentliche Zonenschlüssel kann dann seitens der Verschlüsselungseinheit über eine Nachricht veröffentlicht werden. Diese Nachricht wird noch mittels des bisherigen ge¬ heimen Zonenschlüssels der Zone gesichert.
Jede informationsverarbeitende Einheit, die diese Nachricht abonniert, wird dadurch über einen Austausch des Schlüssel- paares in der entsprechenden Zone informiert und kann, nach Erhalt des neuen öffentlichen Zonenschlüssels dieser Zone, auch solche Nachrichten authentifizieren, die dann mittels des neu erzeugten geheimen Zonenschlüssels dieser kryptogra- phisch gesichert werden.
Die Verschlüsselungseinheit ist demnach vorzugsweise auch eingerichtet, zumindest temporär verschiedene geheime Zonen¬ schlüssel gesichert zu speichern. Zum Veröffentlichen der initialen öffentlichen Zonenschüssel können verschiedene Lösungen gefunden werden. Grundsätzlich muss sichergestellt werden, dass keine öffentlichen Zonen¬ schlüssel unbefugt in das System eingeführt werden. Eine Mög- lichkeit besteht darin, die Schlüssel mit herkömmlich bekann¬ ten digitalen Zertifikaten einer seitens des Systems, d. h. seitens aller Zonen, als vertrauenswürdig angesehenen Zerti¬ fizierungsinstanz zu versehen. Alternativ können alle Zonen mit einem geheimen Masterschlüssel ausgestattet sein, mittels dessen die initialen öffentlichen Zonenschlüssel gesichert veröffentlich werden können. Schließlich besteht die Möglichkeit, dass öffentliche Zonenschlüssel zwischen benachbarten Zonen über zwischen diesen Zonen bestehende, gesicherte Kom- munikationskanäle, beispielsweise auf Basis eines Dif- fie/Hellman-Verfahrens , verbreitet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Verschlüsselungseinheit gleichzeitig verschiedene geheime Zonenschlüssel, auch verschiedener Länge, speichert. Diesen verschiedenen geheimen Zonenschlüsseln sind in herkömmlich bekannter Weise jeweilige öffentliche Zonenschlüssel entsprechender Länge zugeordnet. Mit anderen Worten kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen: Erzeugen eines weiteren Zonenschlüsselpaares, be¬ stehend aus einem weiteren öffentlichen Zonenschlüssel und einem weiteren geheimen Zonenschlüssel, wobei die Schlüssel¬ länge der Schlüssel des weiteren Zonenschlüsselpaares von der Schlüssellänge der Schlüssel des Zonenschlüsselpaares abwei¬ chen kann. Das weitere Zonenschlüsselpaar wird der entsprechenden Zone zugeordnet und der weitere geheime Zonenschlüs¬ sel wird in der Verschlüsselungseinheit der Zone gesichert gespeichert .
Einer Zone können beispielsweise vier Zonenschlüsselpaare verschiedener Länge zugeordnet werden, z.B. mit den Schüssel¬ längen 40 Bit, 80 Bit, 200 Bit und 400 Bit. Je kürzer die Schlüssel, desto öfter werden diese ausgetauscht. Alternativ zu der oben beschriebenen Variante, wonach eine Nachricht zum Veröffentlichen eines neu erzeugten öffentlichen Zonenschlüssels mittels des alten geheimen Zonenschlüssels - der glei¬ chen Länge - kryptographisch gesichert wird, kann gemäß einer bevorzugten Variante auch wie folgt vorgegangen werden: Eine Nachricht zum Veröffentlichen eines neuen öffentlichen Zonenschlüssels einer ersten Länge wird mittels eines geheimen Zo¬ nenschlüssels einer zweiten Länge kryptographisch gesichert, wobei die zweite Schlüssellänge die erste Schlüssellänge übersteigt. D.h. ein 40-Bit Schlüssel wird beispielsweise mittels eines 80-Bit Schlüssels gesichert, ein 80-Bit Schlüs¬ sel mittels eines 200-Bit Schlüssels, etc. Da im Rahmen der Datenkommunikation in der Anordnung grundsätzlich jede veröffentlichte Nachricht in der vorstehend be¬ schriebenen Weise gesichert werden soll - und dies können beispielsweise im Zusammenhang mit der Eisenbahnsignaltechnik sehr viele Nachrichten sein - ist es wichtig, dass das Er- stellen und Prüfen der entsprechenden Signaturen schnell erfolgen kann. Die Zeit, die zum Erstellen oder Prüfen einer Signatur, d. h. insbesondere zum Ver- und Entschlüsseln eines Hashwertes über eine Nachricht, benötigt wird, hängt wiederum direkt mit der Länge der verwendeten Schlüssel zusammen. Da- her werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kürzere geheime Zonenschlüssel zum Sichern von sehr oft zu veröffent¬ lichenden Nachrichten verwendet. Diese kürzeren geheimen Zonenschlüssel sollten dann entsprechend öfter durch neue ge¬ heime Zonenschlüssel (der gleichen Länge) ersetzt werden, in der vorstehend beschriebenen Weise. Längere geheime Zonen¬ schlüssel können zum Sichern von Nachrichten verwendet werden, die weniger oft veröffentlicht werden, z. B. Nachrichten, mit denen neu erzeugte öffentliche Zonenschlüssel ver¬ teilt werden. Längere Schlüssel bieten grundsätzlich höhere Sicherheit als kürzere Schlüssel.
In dem Fall, dass einer Zone dauerhaft oder temporär verschiedene geheime Zonenschlüssel zugeordnet sind, kann es vorteilhaft sein, eine veröffentlichte Nachricht mittels ver- schiedener geheimer Zonenschlüssel in vorstehend beschriebe¬ ner Weise kryptographisch zu sichern. Mit anderen Worten kann das Verfahren folgende Schritte umfassen :
Veröffentlichen einer Nachricht durch eine erste informati¬ onsverarbeitende Einheit einer ersten Zone, wobei die Nach- rieht unter Verwendung eines ersten der ersten Zone zugeordneten geheimen Zonenschlüssels kryptographisch gesichert wird, und wobei die Nachricht zusätzlich unter Verwendung ei¬ nes zweiten der ersten Zone zugeordneten geheimen Zonenschlüssels kryptographisch gesichert wird, welcher von dem ersten geheimen Zonenschlüssel verschieden ist. Das Sichern mittels der beiden geheimen Schlüssel erfolgt dabei separat, wie vorstehend beschrieben, d. h. der Nachricht werden zwei digital signierte Hashwerte angehängt, wobei der eine mittels des ersten geheimen Zonenschlüssels signiert ist und der zweite mittels des zweiten geheimen Zonenschlüssels. Es ver¬ steht sich, dass auch mehr als zwei geheime Zonenschlüssel, beispielsweise drei oder vier, verwendet werden können, um eine Nachricht kryptographisch zu sichern. Zum Authentifizieren einer solchen mehrfach gesicherten Nachricht muss eine abonnierende Einheit lediglich eine der bei¬ den Signaturen prüfen.
Eine solche Vorgehensweise ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn sich ein kürzlich neu erzeugter öffentlicher Zonenschlüssel noch nicht hinreichend in der Anordnung verbreitet hat. Für eine Übergangszeit kann somit jede Nachricht mittels des „alten" geheimen Zonenschlüssels und des „neuen", d. h. des kürzlich neu erzeugten geheimen Zonenschlüssels, gesi- chert werden. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit kann dann auf das Sichern mittels des „alten" geheimen Zonenschlüssels verzichtet werden.
Grundsätzlich kann durch das Sichern einer Nachricht unter Verwendung verschiedener geheimer Zonenschlüssel die Sicherheit der Datenübertragung erhöht und gegebenenfalls einer lo¬ kal oder zeitlich ungleichen Verteilung öffentlicher Zonenschlüssel Rechnung getragen werden. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungs- gemäßen Anordnung und
Figur 2 Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Figur 1 ist eine Anordnung 10 zur gesicherten elektro- nischen Datenkommunikation gezeigt, wie sie beispielsweise in der in der Eisenbahnsignaltechnik erfolgen könnte. Die Anordnung 10 umfasst eine Mehrzahl von informationsverarbeitenden Einheiten 21, 22, 23, 31, 32, 33, zwischen welchen die Datenkommunikation über ein Datenkommunikationsnetzwerk 40 er- folgt. Die Datenkommunikation erfolgt dabei nach dem so ge¬ nannten Publish/Subscribe-Modell . Dabei wird eine Nachricht seitens einer informationsverarbeitenden Einheit 21 veröffentlicht, ohne dass spezifisch ein oder mehrere Empfänger der Nachricht adressiert werden, ähnlich einem Broadcast- oder Multicast-Verfahren . Jede informationsverarbeitende Ein¬ heit 22, 23, 31, 32, 33 kann bestimmte Nachrichten nach vorgegebenen Kriterien abonnieren, d. h. sich als Empfänger einer Nachricht eintragen. Mit anderen Worten kann eine Nachricht auch von einer Mehrzahl von informationsverarbeitenden Einheiten 22, 23, 31, 32, 33 abonniert werden.
Die informationsverarbeitenden Einheiten 21, 22, 23, 31, 32, 33 sind dabei jeweils verschiedenen hardwaremäßig gesicherten Zonen 20, 30 zugeordnet, d. h. jede der informationsverarbei- tenden Einheiten ist einer der Zonen 20, 30 zugeordnet. Die
Zonen 20, 30 sind hardwaremäßig und gegebenenfalls zusätzlich softwaremäßig derart ausgebildet, dass ein unbefugtes Ein¬ dringen von außen in die Zone 20, 30 nicht möglich ist. Die Anzahl der Zonen ist variabel und kann größer sein als zwei. Das Beispiel in Fig. 1 ist lediglich der Einfachheit halber auf die beiden Zonen 20, 30 beschränkt. In der Regel wird eine informationsverarbeitende Einheit 21, 31 derjenigen Zone 20, 30 zugeordnet, in der sie angeordnet ist .
Die erste Gruppe von informationsverarbeitenden Einheiten 21, 22, 23 entspricht in der gezeigten Ausführungsform einer
Mehrzahl von Programmen oder Prozessen, die auf einem Server 42 ausführbar sind, welcher die hardwaremäßig gesicherte Zone 20 bereitstellt oder umfasst. Dieser Server 42 ist mit dem Datenkommunikationsnetzwerk 40 verbunden und kann beispielsweise in einer Leitstelle oder dergleichen angeordnet sein. Von diesem Server 42 aus werden Nachrichten veröffentlicht, welche von informationsverarbei¬ tenden Einheiten derselben oder einer anderen Zone 30 abon- niert werden können. Solche anderen informationsverarbeitenden Einheiten 31, 32, 33 können beispielsweise Steuerprogramme technischer Geräte sein, beispielsweise Steuergeräte von Weichen oder Signalanalgen. Die informationsverarbeitenden Einheiten 31, 32, 33 sind einer von der ersten Zone 20 ver- schiedenen zweiten Zone 30 zugeordnet, welche auf einem wei¬ teren Server 44 bereitgestellt wird, der ebenfalls mit dem Datenkommunikationsnetzwerk 40 verbunden ist.
Jeder der Zonen 20, 30 ist ein Zonenschlüsselpaar 120, 130 zugeordnet, umfassend jeweils einen öffentlichen Zonenschlüs¬ sel 122, 132 und einen geheimen Zonenschlüssel 124, 134, womit eine authentifizierbare Datenkommunikation zwischen informationsverarbeitenden Einheiten 21, 22, 23, 31, 32, 33, unabhängig von der Zonenzugehörigkeit, erfolgen kann, wie dies nachfolgend mit Bezug auf Fig. 2 noch genauer darge¬ stellt wird. Jede der Zonen 20, 30 umfasst jeweils eine als Hardwaremodul ausgebildete Verschlüsselungseinheit 25, 35. Diese ist einge¬ richtet, zumindest den der Zone 20, 30 jeweils zugeordneten geheimen Zonenschlüssel 124, 134 gesichert zu speichert. Vor- zugsweise speichert die Verschlüsselungseinheit 25 einer Zone 20 zusätzlich auch den jeweils zugehörigen öffentlichen Zonenschlüssel 122 sowie gegebenenfalls öffentlichen Zonen¬ schlüssel 132 anderer Zonen 30. Die Verschlüsselungseinheit 25, 35 ist eingerichtet, kryptographische Operationen mittels des geheimen Zonenschlüssels 124, 134 auszuführen.
Die informationsverarbeitenden Einheiten 21, 22, 23 einer Zone 20 sind jeweils eingerichtet, mit der Verschlüsselungsein¬ heit 25 der Zone 20 zu kommunizieren, beispielsweise um der Verschlüsselungseinheit 25 digital zu signierende Daten zu übergeben und signierte Daten zu empfangen.
In Fig. 2 sind Schritte eines Verfahrens zur gesicherten elektronischen Datenkommunikation gemäß dem
Publish/Subscribe-Modells zwischen informationsverarbeitenden Einheiten 21, 31 der Anordnung 10 aus Fig. 1 auf Basis eines asymmetrischen Verschlüsselungsverfahrens exemplarisch ge¬ zeigt . In Schritt Sl wird jede der informationsverarbeitenden Einheiten 21, 22, 23, 31, 32, 33 der hardwaremäßig gesicherten Zone 20, 30 zugeordnet, in der die jeweilige Einheit angeord¬ net ist. Wie bereits vorstehend beschrieben, sind in der exemplarisch in Fig. 1 dargestellten Anordnung 10 nur zwei Zonen 20, 30 vorgesehen. Es versteht sich, dass die Anzahl der Zonen nicht auf zwei beschränkt ist. Die Anzahl der in¬ formationsverarbeitenden Einheiten je Zone ist variabel.
In Schritt S2 werden den einzelnen Zonen 20, 30 kryptographi- sehe Schlüssel zugeordnet, mittels welcher dann eine nachfol¬ gende Datenkommunikation zwischen informationsverarbeitenden Einheiten 21, 31 gesichert, insbesondere authentifizierbar gemacht werden kann. In Schritt S2.1 wird zuerst für jede der Zonen 20, 30 ein Zo- nenschlüsselpaar 120, 130 erzeugt. Ein solches Zonenschlüs- selpaar umfasst jeweils einen öffentlichen Zonenschlüssel 122, 132 und einen geheimen Zonenschlüssel 124, 134.
In Schritt S2.2 wird jeder Zone 20, 30 das für diese Zone er¬ zeugte Zonenschlüsselpaar 120, 130 zugeordnet. In Schritt S2.3 wird der einer Zone 20, 30 zugeordnete gehei¬ me Zonenschlüssel 124, 134 in der Verschlüsselungseinheit 25, 35 der jeweiligen Zone 20, 30 gesichert gespeichert. Die in¬ formationsverarbeitenden Einheiten 21, 31 einer Zone 20, 30 haben in der Regel keinen Zugriff auf den geheimen Zonen- Schlüssel 124, 134.
Die öffentlichen Zonenschlüssel 122, 132 können dabei in herkömmlich bekannter Weise allen informationsverarbeitenden Einheiten bzw. allen Zonen 20, 30 der Anordnung 10 zur Verfü- gung gestellt werden.
In Schritt S3 veröffentlicht dann eine informationsverarbei¬ tende Einheit 21 der ersten Gruppe 20 eine Nachricht, welche von beliebigen anderen informationsverarbeitenden Einheiten 22, 31 abonniert werden kann. Die Nachricht wird mittels des geheimen Schlüssels 124 der ersten Zone 20 digital signiert.
Genauer wird zuerst ein Hashwert über die Nachricht gebildet. Dieser Hashwert wird dann durch die Verschlüsselungseinheit 25 mittels des geheimen Zonenschlüssels signiert, beispiels¬ weise indem der Hashwert mittels dieses geheimen Zonenschlüs¬ sels 124 verschlüsselt wird. Anschließend wird der verschlüs¬ selte Hashwert der Nachricht angehängt und die Nachricht wird zusammen mit dem angehängten verschlüsselten Hashwert veröf- fentlicht.
Hat beispielsweise die informationsverarbeitende Einheit 31 diese Nachricht abonniert, so kann sie nach Erhalt der Nach- rieht die Herkunft der Nachricht in Schritt S4 dadurch prü¬ fen, dass sie mittels des öffentlichen Zonenschlüssels 122 der ersten Zone 20 die digitale Signatur verifiziert. Genauer kann die Einheit 31 einen Referenz-Hashwert über die Nachricht bilden. Den der Nachricht angehängten verschlüssel¬ ten Hashwert kann die Verschlüsselungseinheit 35 der Zone 30, der die Einheit 31 zugeordnet ist, mittels der der Zone 20 zugeordneten öffentlichen Zonenschlüssels 122 entschlüsseln. In dem Fall, dass der entschlüsselte Hashwert mit dem Refe- renz-Hashwert übereinstimmt, wird angenommen, dass die Nach¬ richt tatsächlich aus der Zone 20 stammt.
Damit kann sichergestellt werden, dass keine Nachrichten mit einer falschen Identität in die Anordnung 10 eingeschleust werden (so genanntes „Masquerade" gemäß EN 50159) . Die infor¬ mationsverarbeitenden Einheiten 31, 32, 33 der zweiten Zone 30 auf dem Server 44 können beispielsweise derart eingerichtet sein, dass sie lediglich Nachrichten abonnieren und wei- terverarbeiten, die von dem Server 42 stammen, d. h. mittels des der ersten Zone 20 zugeordneten geheimen Zonenschlüssels signiert worden sind. Die genaue Absenderidentität, d. h. welche der informationsverarbeitenden Einheiten 21, 22, 23 die Nachricht veröffentlicht hat, kann zusätzlich beispiels- weise in einem Header der Nachricht codiert sein.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs¬ beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (10) zur gesicherten elektronischen Datenkommunikation
- gemäß dem Publish/Subscribe-Modell
zwischen informationsverarbeitenden Einheiten (21; 22; 23; 31; 32; 33) der Anordnung (10)
auf Basis eines asymmetrischen Verschlüsselungsverfahrens,
- wobei jede der informationsverarbeitenden Einheiten (21; 22; 23) einer hardwaremäßig gesicherten Zone (20) zugeordnet ist, in welcher die jeweilige informationsverarbeitende Ein¬ heit (21; 22; 23) angeordnet ist, und wobei
jeder der Zonen (20; 30) ein Zonenschlüsselpaar (120; 130), bestehend aus einem öffentlichen Zonenschlüssel (122;
132) und einem geheimen Zonenschlüssel (124; 134), zugeordnet ist, wobei
jede der Zonen (20; 30) eine als Hardwaremodul ausgebil¬ dete Verschlüsselungseinheit (25; 35) umfasst, die eingerich- tet ist, den geheimen Zonenschlüssel (124; 134) gesichert zu speichern und kryptographische Operationen mittels des gehei¬ men Zonenschlüssels (124; 134) auszuführen.
2. Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der hardwaremäßig gesicherten Zonen (20;
30)
ein Server oder
ein virtueller Rechner auf einem Server ist.
3. Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste informationsverarbeitende Einheit (21) einer ersten Zone (20) eingerichtet ist, eine Nachricht zu veröffentlichen, wobei die Nachricht unter Verwendung des der ersten Zone (20) zugeordneten geheimen Zonenschlüssels (124) kryptographisch gesichert ist, und dass eine zweite in¬ formationsverarbeitende Einheit (31) eingerichtet ist, die Nachricht unter Verwendung des der ersten Zone (20) zugeord¬ neten öffentlichen Zonenschlüssels (122) als eine Nachricht zu authentifizieren, die von einer informationsverarbeitenden Einheit (21) der ersten Zone (20) veröffentlicht worden ist.
4. Anordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste informationsverarbeitende Einheit (21) einge¬ richtet ist, eine Absenderinformation in die Nachricht zu in¬ tegrieren, und wobei die zweite informationsverarbeitende Einheit (31) eingerichtet ist, die Absenderinformation zur Feststellung der Identität des Absenders der Nachricht auszu- werten.
5. Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (10) informationsverarbei¬ tende Einheiten (21; 22; 23; 31; 32; 33) in Form technischer Einheiten (31; 32; 33), insbesondere
in Form von Steuerprogrammen technischer Einheiten und/oder
in Form von auf einem Server oder einem virtuellen Rechner auf einem Server ausführbaren Prozessen
umfasst.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlüsselungseinheit (25; 35) jeder Zone (20; 30) eingerichtet ist,
- ein neues Zonenschlüsselpaar, umfassend einen neuen öffentlichen Zonenschlüssel und einen neuen geheimen Zonenschlüssel, zu erzeugen und
den neuen öffentlichen Zonenschlüssel über eine Nachricht zu veröffentlichen, welche mittels des bisherigen ge- heimen Zonenschlüssels (124; 134) gesichert wird.
7. Verfahren zur gesicherten elektronischen Datenkommunikation gemäß dem Publish/Subscribe-Modell zwischen informati¬ onsverarbeitenden Einheiten (21; 22; 23; 31; 32; 33) einer Anordnung (10) auf Basis eines asymmetrischen Verschlüsse¬ lungsverfahrens, umfassend die Schritte:
Zuordnen (Sl) jeder der informationsverarbeitenden Einheiten (21; 22; 23; 31; 32; 33) zu einer hardwaremäßig gesi- cherten Zone (20; 30), in welcher die jeweilige informations¬ verarbeitende Einheit (21; 22; 23; 31; 32; 33) angeordnet ist,
für jede der Zonen (20; 30) :
- Erzeugen (S2.1) eines Zonenschlüsselpaares (120;
130), bestehend aus einem öffentlichen Zonenschlüssel (122; 132) und einem geheimen Zonenschlüssel (124; 134), Zuordnen (S2.2) des Zonenschlüsselpaares (120; 130) zu der Zone (20; 30) und
- gesichertes Speichern des geheimen Zonenschlüssels
(124, 134) in einer als Hardwaremodul ausgebildeten Verschlüsselungseinheit (25; 35) der Zone (20; 30), wobei die Verschlüsselungseinheit (25; 35) eingerichtet ist, kryptographische Operationen mittels des geheimen Zonen- schlüsseis (124; 134) auszuführen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Veröffentlichen (S3) einer Nachricht durch eine erste informationsverarbeitende Einheit (21) einer ersten Zone
(20), wobei die Nachricht unter Verwendung des der ersten Zo¬ ne (20) zugeordneten geheimen Zonenschlüssels (124) kryptog- raphisch gesichert wird, und
Authentifizieren (S4) der Nachricht durch eine zweite informationsverarbeitende Einheit (31) unter Verwendung des der ersten Zone (20) zugeordneten öffentlichen Zonenschlüssels (122) als eine Nachricht, die von einer informationsverarbeitenden Einheit (21) der ersten Zone (20) veröffentlicht worden ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Veröffentlichens folgende Teilschritte um- fasst :
Erstellen der Nachricht durch die erste informationsver- arbeitende Einheit (21);
Bestimmen eines Hashwertes über die Nachricht; digitales Signieren, insbesondere Verschlüsseln des Hashwertes mittels des geheimen Zonenschlüssels (124) durch die Verschlüsselungseinheit (25) der ersten Zone (20);
Anhängen des signierten Hashwertes an die Nachricht durch die erste informationsverarbeitende Einheit (21) und
Veröffentlichen der Nachricht zusammen mit dem angehängten digital signierten Hashwert durch die erste informations¬ verarbeitende Einheit (21).
10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Authentifizierens der Nachricht durch die zweite informationsverarbeitende Einheit (31) folgende Teilschritte umfasst:
Bestimmen eines Referenz-Hashwertes über die Nachricht; - Verifizieren, insbesondere Entschlüsseln des an die
Nachricht angehängten Hashwertes auf Basis des der ersten Zo¬ ne (20) zugeordneten öffentlichen Zonenschlüssels (122) durch die Verschlüsselungseinheit (35) der Zone (30), der die zwei¬ te informationsverarbeitende Einheit (31) zugeordnet ist, - Vergleichen des verifizierten Hashwertes mit dem Refe- renz-Hashwert .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte, ausgeführt von der Ver- schlüsselungseinheit (25; 35) einer der Zonen (20; 30) :
Erzeugen eines neuen Zonenschlüsselpaares für die Zone (20; 30), umfassend einen neuen öffentlichen Zonenschlüssel und einen neuen geheimen Zonenschlüssel, und
Veröffentlichen des neuen öffentlichen Zonenschlüssels über eine Nachricht, wobei die Nachricht mittels des bisheri¬ gen geheimen Zonenschlüssels (124; 134) der Zone (20; 30) kryptographisch gesichert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekenn- zeichnet durch die folgenden Schritte für zumindest eine der Zonen (20; 30) :
Erzeugen eines weiteren Zonenschlüsselpaares, bestehend aus einem weiteren öffentlichen Zonenschlüssel und einem wei- teren geheimen Zonenschlüssel, wobei die Schlüssellänge der Schlüssel des weiteren Zonenschlüsselpaares von der Schlüs¬ sellänge der Schlüssel des Zonenschlüsselpaares (120; 130) abweichen kann;
- Zuordnen des weiteren Zonenschlüsselpaares zu der Zone (20; 30) und
gesichertes Speichern des Weiteren geheimen Zonenschlüs¬ sels in der Verschlüsselungseinheit (25; 35) der Zone (20;
30) .
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Veröffentlichen einer Nachricht durch eine erste informationsverarbeitende Einheit (21) einer ersten Zone (20), wo- bei die Nachricht unter Verwendung eines ersten der ersten Zone (20) zugeordneten geheimen Zonenschlüssels (124) kryptographisch gesichert wird, und wobei die Nachricht zusätz¬ lich unter Verwendung eines zweiten der ersten Zone (20) zugeordneten geheimen Zonenschlüssels kryptographisch gesichert wird, welcher von dem ersten geheimen Zonenschlüssel (124) verschieden ist.
14. Hardwaremodul, welches eingerichtet ist, als Verschlüs¬ selungseinheit (25; 35) zumindest einen geheimen Schlüssel eines Schlüsselpaares eines asymmetrischen Verschlüsselungs¬ systems gesichert zu speichern und kryptographische Operatio¬ nen mittels des geheimen Schlüssels auszuführen.
15. Recheneinheit, insbesondere Server, umfassend
- zumindest ein Hardwaremodul nach Anspruch 14, sowie
zumindest eine informationsverarbeitende Einheit (21;
31) , wobei die Recheneinheit eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13 in der Rolle einer hard¬ waremäßig gesicherten Zone (20; 30) zu unterstützen.
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