WO2001013569A1 - Verfahren zur verschlüsselten übertragung von daten zwischen zwei instanzen eines digitalen kommunikationssystems - Google Patents

Verfahren zur verschlüsselten übertragung von daten zwischen zwei instanzen eines digitalen kommunikationssystems Download PDF

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Nils MÄTHNER
Dietmar Müller
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Tegaron Telematics Gmbh
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    • H04L9/0838—Key agreement, i.e. key establishment technique in which a shared key is derived by parties as a function of information contributed by, or associated with, each of these
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    • H04L9/0891—Revocation or update of secret information, e.g. encryption key update or rekeying

Definitions

  • the invention relates to a method for encrypted transmission of data between two instances of a digital communication system, in particular for use in telematics services.
  • RSA is an encryption method according to Rivest, Shamir and Adleman. This is an asymmetrical cryptosystem in which each participant has two keys, a private key and a public key, which are used for complex encryption and decryption.
  • DES Data Encryption Standard
  • DES is a symmetrical encryption method that enables fast encryption by exchanging shared private keys.
  • the object of the invention while avoiding the disadvantages indicated above, is to specify a method for encrypted transmission of data between two instances of a digital communication system, which enables tamper-proof encryption of data with reduced physical security requirements.
  • This object is achieved according to the invention by the features specified in claim 1.
  • the essence of the invention is that between the two instances no fixed key or code is stored in the terminal or in a SIM card with which the encryption of trustworthy information is carried out, but it is exchanged on the basis of between the communication partners Random numbers established a dynamic, temporary key, which is determined with the help of a cryptographic one-way function. This temporary key is used for the secure transmission of data and is not permanently stored in any of the systems involved.
  • the temporary application keys are only temporarily stored in the instances during the regular activity phase and for a limited time, thus minimizing the risk of non-destructive attacks.
  • an authorization check of one or both entities is carried out on the basis of their individual telecommunication address as part of the exchange of the random numbers.
  • MSISDN international mobile subscriber number
  • the one-way function can advantageously be implemented as a DES hash algorithm.
  • DES algorithms are already available in many end devices or end device software.
  • these are preferably exchanged between the instances on different communication paths, transmission channels or frequencies.
  • Another development of the invention provides that a third, arbitrary parameter, permanently implemented in both instances, is additionally used to generate the temporary key. This increases the security of the key against spying.
  • GATS Global Automotive Telematics Standard
  • GATS is based on personalized end devices, which are assigned a unique identification and an associated RSA key during production.
  • An operator-related RSA key with an associated operator-related device identification (EquipmentID) is inserted under the RSA key introduced by the manufacturer.
  • the (DES) keys used for the provision of services are securely transmitted to the terminal under the operator RSA key.
  • subscriber-related data can now be exchanged encrypted between a mobile terminal and a central office without using permanent keys.
  • the encryption takes place in such a way that the exchange of with a terminal into which a service software is loaded Keys are performed with the service center.
  • this service software does not include an initial key.
  • the terminal device determines a random number RAND1 using, for example, a random generator and transmits it to the service center in plain text.
  • the terminal receives a further random number RAND2 from the central office and a time stamp TIMER, which is valid for a period of time T L ⁇ M ⁇ T. This data is transmitted to the end device unencrypted.
  • a temporary key (K ⁇ ) is determined from these three parameters RAND1, RAND2 and timer by means of a cryptographically strong one-way function f (RAND1, RAND2, TIMER), with which trustworthy data can be transmitted in encrypted form for the time period T LIMIT .
  • the one-way function f (RAND1, RAND2, TIMER) is advantageously implemented by means of DES hash, since the DES implementation is already available in the service software of the terminal and the control center.
  • the process of establishing the temporary key is centrally connected to an authorization check based on the subscriber's telecommunications address (e.g. MSISDN).
  • the anonymous terminal / software module is in possession of a key, which represents a temporary use authorization for certain services and ensures the confidentiality and authenticity of subsequent application-related communication processes.
  • the method according to the invention can be transferred in a simple manner to standardized GATS protocols.
  • other protocols can also be used, which are implemented in the form of software in both instances.
  • RAND3 is an arbitrary parameter that is between
  • Production is implemented in the end device / software module.
  • RAND3 is not device specific, so it is for a larger one
  • Device manufacturer introduces RAND3 and the associated parameters into the device / software module during production.
  • RAND3 is not transmitted between the terminal and the control center. Both sides determine the temporary
  • the user authorization for a telematics service which is administratively linked to a telecommunications address (MSISDN)
  • MSISDN telecommunications address
  • the reception of traffic and other Paid information possible via GSM cell broadcast.
  • Applications for the encrypted transmission of telephone calls and Internet data are also conceivable.

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  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Telephonic Communication Services (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verschlüsselten Übertragung von Daten zwischen zwei Instanzen eines digitalen Kommunikationssystems, bei dem kein fester Schlüssel in den Instanzen abgelegt ist, mit dem die Verschlüsselung einer vertrauenswürdigen Information durchgeführt wird, sondern es wird auf Basis von zwischen den Kommunikationspartnern ausgetauschten Zufallszahlen und einem Zeitstempel ein temporärer Schlüssel etabliert. Dieser temporäre Schlüssel wird zur gesicherten Übertragung von Daten verwendet und in keinem der beteiligten Systeme permanent, sondern nur zeitlich befristet gespeichert, wodurch das Risiko eines Ausspähens minimiert wird.

Description

Verfahren zur verschlüsselten Übertragung von Daten zwischen zwei Instanzen eines digitalen Kommuni ationsSystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verschlüsselten Übertragung von Daten zwischen zwei Instanzen eines digitalen Kommunikationssystems, inbesondere zur Anwendung in Telematikdiensten .
Bei Kommunikationssystemen besteht der Bedarf, teilnehmerbezogene Daten verschlüsselt zwischen zwei Instanzen, z.B. zwischen einem mobilen Endgerät und einer Zentrale, in Form einer Punkt-zu-Punkt-Verschlüsselung auszutauschen. Bisher werden dafür vorzugsweise die bekannten RSA- und/oder DES- Verschlüsselungsverfahren angewendet. RSA ist ein Verschlüsselungsverfahren nach Rivest, Shamir und Adleman. Hierbei handelt es sich um ein asymmetrisches Kryptosystem, bei dem jeder Teilnehmer zwei Schlüssel, einen privaten Schlüssel und einen öffentlichen Schlüssel, besitzt, die für eine aufwendige Ver- und Entschlüsselung benutzt werden. DES (Data Encryption Standard) ist ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren, das eine schnelle Verschlüsselung durch Austausch gemeinsamer privater Schlüssel ermöglicht.
Beide genannten Verschlüsselungsverfahren haben den Nachteil, daß eine aufwendige Personalisierung der verwendeten Endgeräte/Instanzen mit Einbringung permanenter Schlüssel notwendig ist, und die Anforderungen an die Endgeräte/Instanzen hinsichtlich manipulationssicherer permanenter Speicherung von Schlüsseln sehr hoch sind.
Die Aufgabe der Erfindung liegt unter Vermeidung der oben angegebenen Nachteile in der Angabe eines Verfahren zur verschlüsselten Übertragung von Daten zwischen zwei Instanzen eines digitalen Kommunikationssystems, welches eine manipulationssichere Verschlüsselung von Daten mit reduziertem physikalischen Sicherheitsaufwand ermöglicht. Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale erreicht.
Der Kern der Erfindung liegt darin, daß zwischen den beiden Instanzen kein fester Schlüssel bzw. Code im Endgerät bzw. in einer SIM-Karte abgelegt wird, mit der die Verschlüsselung einer vertrauenswürdigen Information durchgeführt wird, sondern es wird auf Basis von zwischen den Kommunikationspartnern ausgetauschten Zufallszahlen ein dynamischer, temporärer Schlüssel etabliert, der mit Hilfe einer kryptographischen Einwegfunktion ermittelt wird. Dieser temporäre Schlüssel wird zur gesicherten Übertragung von Daten verwendet und in keinem der beteiligten Systeme permanent gespeichert.
Die temporären Anwendungsschlüssel werden in den Instanzen nur während der regulären Aktivitätsphase und zeitlich befristet zwischengespeichert, somit wird das Risiko durch nicht zerstörungsfreie Angriffe minimiert.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß
• die aufwendige Personalisierung der Endgeräte/Instanzen mit Einbringung permanenter Schlüssel entfallen kann
• eine Reduzierung der physikalischen Sicherheitsanforderungen hinsichtlich einer nicht notwendigen manipulationssicheren permanenten Speicherung von Schlüsseln möglich ist
• zugleich eine hinreichend sichere anonyme Verschlüsselung möglich ist,
• eine manipulationssichere, befristet gerätebezogene Nutzung von Telekommunikationsdiensten möglich ist, und
• der Einsatz von portabler Dienstesoftware, z.B. Unterstützung von Auto-PC u.a. Konzepten ermöglicht wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Rahmen des Austauschs der Zufallszahlen eine Berechtigungsprüfung einer oder beider Instanzen anhand deren individueller Telekommunikationsadresse erfolgt. Bei öffentlichen Mobilkommunikationssystemen kann dazu z.B. die MSISDN (Internationale Mobilteilnehmerufnummer verwendet werden .
Vorteilhaft kann die Einwegfunktion als ein DES-Hash Algorithmus implementiert werden. Diese DES Algorithmen sind bereits in vielen Endgeräten bzw. Endgerätesoftware vorhanden.
Um ein Ausspähen der übermittelten Zufallszahlen zu erschweren, werden diese vorzugsweise auf unterschiedlichen Kommunikationswegen, Übertragungskanälen oder Frequenzen zwischen den Instanzen ausgetauscht.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zusätzlich ein in beiden Instanzen fest implementierter dritter, willkürlicher Parameter zur Erzeugung des temporären Schlüssels verwendet wird. Dadurch läßt sich die Sicherheit des Schlüssels gegen Ausspähen erhöhen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es wird dabei von einem mobilfunkgestützen Telematikstandard (GATS: Global Automotive Telematics Standard) ausgegangen.
GATS basiert auf personalisierten Endgeräten, denen im Rahmen der Produktion eine eindeutige Identifikation und ein zugehöriger RSA-Schlüssel zugewiesen wird.
Unter dem vom Hersteller eingebrachten RSA-Schlüssel wird ein betreiberbezogener RSA-Schlüssel mit einer zugehörigen betreiberbezogenen Geräteidentfifikation (EquipmentlD) eingebracht. Die für die Diensteerbringung verwendeten (DES)- Schlüssel werden gesichert unter den Betreiber-RSA-Schlüssel an das Endgerät übertragen.
Erfindungsgemäß können nun teilnehmerbezogene Daten ohne Verwendung von permanenten Schlüsseln verschlüsselt zwischen einem mobilen Endgerät und einer Zentrale ausgetauscht werden. Die Verschlüsselung erfolgt derart, daß mit einem Endgerät, in das eine Dienstesoftware geladen wird, der Austausch von Schlüsseln mit der Dienstezentrale durchgeführt wird. Diese Dienstesoftware beinhaltet im Gegensatz zu bisherigen GATS- Geraten keinen Anfangsschlussel .
Das Endgerat ermittelt eine Zufallszahl RANDl mittels z.B. einem Zufallsgenerator und überträgt diese an die Dienstezentrale im Klartext. Von der Zentrale erhalt das Endgerat eine weitere Zufallszahl RAND2 sowie einen Zeitstempel TIMER, der für eine Zeitdauer TLιMιT gültig ist. Diese Daten werden dem Endgerat unverschlüsselt übertragen.
Aus diesen drei Parametern RANDl, RAND2 und Timer wird mittels einer kryptographisch starken Einwegfunktion f (RANDl, RAND2, TIMER) ein temporarer Schlüssel (Kτ) ermittelt, mit dem vertrauenswürdige Daten für die Zeitdauer TLIMIT verschlüsselt übertragen werden können. Die Einwegfunktion f (RANDl, RAND2, TIMER) wird vorteilhaft mittels DES-Hash implementiert, da die DES-Implementierung bereits in der Dienste-Software des Endgeräts und der Zentrale vorhanden sind.
Der Prozeß der Etablierung des temporaren Schlüssels ist zentraleseitig verbunden mit einer Berechtigungsprufung auf Basis der Telekommunikationsadresse des Teilnehmers (z.B. MSISDN) . Im Ergebnis des erfindungsgemaßen Verfahrens ist das anonyme Endgerat/Softwaremodul im Besitz eines Schlüssels, der eine zeitlich befristete Nutzungsberechtigung für bestimmte Dienste repräsentiert und die Vertraulichkeit und Authentizität nachfolgender anwendungsbezogener Kommunikationsvorgänge sichert .
In einfacher Weise laßt sich das erfmdungsgemaße Verfahren auf standardisierte GATS-Protokolle übertragen. Es können jedoch auch andere Protokolle angewendet werden, die in Form einer Software in beiden Instanzen implementiert wird.
Darüber hinaus kann ein weiterer Parameter RAND3 im Algorithmus eingebunden werden, um die Sicherheit des Verschlusselungsverfahrens weiter zu erhohen. RAND3 ist ein willkürlicher Parameter, der zwischen
Diensteanbieter und Endgerätehersteller vereinbart und bei
Produktion in das Endgerät/Softwaremodul implementiert wird.
RAND3 ist nicht gerätespezifisch, ist also für eine größere
Anzahl von Geräten gleich, und wird durch einen vereinbarten
Parameter referenziert .
Endgerätehersteller bringt RAND3 und den zugehörigen Parameter bei Produktion in das Endgerät/Softwaremodul ein.
Wichtig ist, daß RAND3 nicht zwischen Endgerät und Zentrale übertragen wird. Beide Seiten ermitteln den temporären
Schlüssel aus f (RANDl, RAND2, RAND3, Zeitstempel)
Mit dem beschriebenen Verschlüsselungsverfahren kann die administrativ an eine Telekommunikationsadresse (MSISDN) geknüpfte Nutzungsberechtigung für einen Telematikdienst unter Nutzung kryptographischer Verfahren temporär auf ein Verkehrstelematik-Endgerät bzw. Softwaremodul übertragen werden. So ist z.B. der Empfang von Verkehrs- u.a. kostenpflichtigen Informationen via GSM Cell Broadcast möglich. Anwendungsfälle für die verschlüsselte Übertragung von Telefongesprächen und Internetdaten sind ebenfalls denkbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur verschlüsselten Übertragung von Daten zwischen zwei Instanzen eines digitalen KommunikationsSystems, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Instanz eine Zufallszahl (RANDl) erzeugt und an die zweite Instanz unverschlüsselt übermittelt wird, daß in der zweiten Instanz eine Zufallszahl (RAND2) erzeugt und zusammen mit einem für eine bestimmte Zeitdauer (TLIMIT) gültigen Zeitstempel (Timer) an die erste Instanz unverschlüsselt übermittelt wird, daß in beiden Instanzen aus der ersten und zweiten Zufallszahl (RANDl, RAND2) sowie dem Zeitstempel (Timer) mittels einer kryptographischen Einwegfunktion ein temporärer Schlüssel (Kτ) ermittelt wird, mit welchem die Instanzen für die Zeitdauer (TLιMιT) verschlüsselt kommunizieren können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß spätestens vor der Übermittlung der zweiten Zufallszahl eine Berechtigungsprüfung einer oder beider Instanzen anhand deren individueller Telekommunikationsadresse erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der temporäre Schlüssel nur für die Zeitdauer (TLIMIT) in den Instanzen abgespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einwegfunktion als ein DES-Hash Algorithmus implementiert ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, "daß die Zufallszahlen (RAND 1, RAND 2) auf unterschiedlichen Kommunikationswegen, Übertragungskanälen oder Frequenzen übermittelt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein in beiden Instanzen fest implementiert dritter, willkürlicher Parameter (RAND3) zur Erzeugung des temporären Schlüssels (Kτ) verwendet wird.
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