WO2002075932A2

WO2002075932A2 - Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante anwendungen und verfahren zum ausführen von sicherheitsrelevanten anwendungen

Info

Publication number: WO2002075932A2
Application number: PCT/EP2002/003040
Authority: WO
Inventors: Berndt Gammel
Original assignee: Infineon Technologies Ag
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2002-09-26
Also published as: DE10113829A1; AU2002247762A1; TW561752B; WO2002075932A3

Abstract

Eine Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Anwendungen umfaßt einen Speicher (10) zum Speichern eines Speicherinhalts in verschlüsselter und komprimierter Form, ein Rechenwerk (12) und eine Einrichtung (14) zum Entschlüsseln (14a) und Dekomprimieren (14b) des verschlüsselten und komprimierten Speicherinhalts, wobei die Einrichtung zum Entschlüsseln und Dekomprimieren datenstrommäßig zwischen dem Speicher und dem Rechenwerk angeordnet ist. Durch Komprimieren von Daten vor dem Verschlüsseln wird bei sicherheitsrelevanten Anwendungen die Verschlüsselungszeit reduziert. Darüber hinaus wird die benötigte Speichermenge des Speichers ebenfalls reduziert. Sowohl Chipfläche als auch Leistungsverbrauch der Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Anwendungen können eingespart werden, was insbesondere für eine Chipkarte (26) mit einer Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Anwendungen vorteilhaft ist.

Description

Beschreibung

Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Anwendungen und Verfahren zum Ausführen von sicherheitsrelevanten Anwendungen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Prozessoranordnungen für sicherheitsrelevante Anwendungen und insbesondere auf Prozessoranordnungen, die für Chipkarten geeignet sind.

Prozessoranordnungen für sicherheitsrelevante Anwendungen, wie z. B. Security Controller, Security Token oder Smart Card Controller werden üblicherweise in Chipkarten eingesetzt, um sicherheitsrelevante Anwendungen auszuführen. Chipkarten mit solchen Prozessoranordnungen werden eingesetzt, um beispiels- weise eine elektronische Unterschrift unter ein elektronisches Dokument zu setzen, um Berechtigungen des Inhabers der Chipkarte zu überprüfen oder um bestimmte Dienste in Anspruch zu nehmen, für die Gebühren zu entrichten sind. Zu diesem Zweck enthalten Chipkarten einen Speicher, in dem geheime Au- thentifikationsdaten, Verschlüsselungsprogramme oder Kommunikationsprogramme gespeichert sind, so daß die Chipkarte mit einem Chipkarten-Terminal kommunizieren kann. Bei Chipkarten ist problematisch, daß dieselben im Besitz des Chipkarteninhabers sind und somit in einer unsicheren Umgebung. Wenn der Chipkarteninhaber einen Angriff auf einen Kryptoalgorithmus bzw. auf Kryptoalgorithmus-Schlüssel durchführen möchte, so kann er aufgrund der Tatsache, daß die Chipkarte zu seiner freien Verfügung ist, beliebig komplizierte Angriffe auf die Chipkarte ausführen.

Um dennoch geheime Algorithmen und/oder Daten, die sich in einem Speicher auf der Chipkarte befinden, zu schützen, werden die Informationen, d. h. Daten und Programme, auf der Chipkarte nicht im Klartext gespeichert, sondern in ver- schlüsselter Form. Hierzu enthalten Prozessoranordnungen für sicherheitsrelevante Daten eine Hardwareeinheit zur Speicher- ver- und -entschlüsselung. Diese hat die Aufgabe, verschlüs- seit im Speicher abgelegten Daten beim Lesen des Prozessors zu entschlüsseln bzw. Klartextdaten, die von einem Rechenwerk erzeugt werden, zu verschlüsseln, damit die von dem Rechenwerk erzeugten Chipkarten im Speicher der Chipkarte ver- schlüsselt abgelegt werden.

Im allgemeinen dauern diese Prozesse im Vergleich zu einem Prozessorzyklus relativ lange, was insbesondere dann der Fall ist, wenn sogenannte harte Verschlüsselungsalgorithmen einge- setzt werden. Die Latenzzeit einer Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Daten bei einem Datenzugriff wird daher sehr hoch.

Typische Prozessoranordnungen für sicherheitsrelevante Anwen- düngen, die für sogenannte Sicherheits-ICs geeignet sind, die auf einer Chipkarte untergebracht werden sollen, haben ferner das Problem des limitierten Speichers. Die Größe der Chipkarte ist begrenzt. Insbesondere ist jedoch auch der Platz auf der Chipkarte begrenzt, der für die Prozessoranordnung in Form einer integrierten Schaltung verwendet werden kann.

Speicherzellen benötigen jedoch relativ viel Chipfläche, weshalb die Speicherressourcen einer Chipkarte bisher sehr begrenzt sind. Andererseits steigen jedoch die Anforderungen an die Chipkarte hinsichtlich der Komplexität der kryptographi- sehen Algorithmen und hinsichtlich der Wortbreite der zu verarbeitenden Datenworte ständig, da als allgemeine Regel gesagt werden kann, daß komplexere Kryptoalgorithmen und längere Datenworte auch eine höhere Sicherheit gegenüber Angreifern liefern. Typische Chipkarten haben Speichergrößen in dem Bereich von 10 bis 100 Kilobyte, so daß ohne weiteres klar wird, daß eine Speicherung komplexerer Programme bereits an dieser Marke scheitern kann.

Andererseits wird es für bestimmte Anwendungen angestrebt, daß die Chipkarte so viel als möglich autonom arbeitet, was bedeutet, daß die Chipkarte möglichst einen kompletten Programmcode eines Kryptoalgorithmus speichern sollte. Der Grund dafür besteht in der Tatsache, daß, wenn ein Chipkartenterminal Programmcode auf die Chipkarte übertragen muß, die Übertragung von dem Terminal zu der Chipkarte abgehört werden kann, wodurch ein Sicherheitsleck entsteht. Andererseits darf auch von den Chipkartenterminals nicht zu viel Rechenleistung bzw. Speicherkapazität verlangt werden, da Chipkartenterminals ebenso wie Chipkarten zu einem vernünftigen Preis angeboten werden müssen, damit sich ein bestimmtes System aus Chipkarte und Chipkartenterminal am Markt überhaupt durchset- zen kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Anwendungen, ein Verfahren zum Ausführen von sicherheitsrelevanten Anwendungen oder eine Chipkarte zu schaffen, die einerseits sicher gegenüber Angriffen sind und andererseits ausreichend Rechnerressourcen zur Verfügung stellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Prozessoranordnung nach Patent- anspruch 1, durch ein Verfahren zum Ausführen von sicherheitsrelevanten Anwendungen nach Patentanspruch 14 oder durch eine Chipkarte nach Patentanspruch 12 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dem Problem der stark limitierten Speicherausstattung und dem Problem der hohen Latenzzeit dadurch begegnet werden kann, daß Daten im Speicher der Chipkarte nicht nur z. B. in verschlüsselter Form abgespeichert werden, sondern ebenfalls in komprimierter Form. Eine erfindungsgemäße Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Anwendung umfaßt neben einem Speicher, einem Rechenwerk und einer Einrichtung zum Entschlüsseln auch eine Einrichtung zum Dekomprimieren des Speicherinhalts, der im Speicher in verschlüsselter und komprimierter Form abgelegt ist.

Es wird bevorzugt, die Speicherdaten zunächst zu entschlüsseln und dann erst zu dekomprimieren, bzw. die im Speicher abzuspeichernden Daten zunächst zu komprimieren und dann erst zu verschlüsseln. Diese Reihenfolge ist dahingehend vorteilhaft, daß der Komprimierungsgewinn bei unverschlüsselten Daten höher ist als bei verschlüsselten Daten. Dies ist der Fall, da Datenkomprimierungsalgorithmen darauf ausgerichtet sind, Korrelationen in den zu komprimierenden Daten zur Datenkompression auszunutzen, während solche Korrelationen nach einer Verschlüsselung von Daten typischerweise nicht mehr vorhanden sind.

Diese Reihenfolge hat ferner einen weiteren Vorteil. Die Zeit, die der Verschlüsselungsalgorithmus benötigt, um Daten zu verschlüsseln, ist proportional zu der Menge von zu verschlüsselnden Daten. Durch eine Datenkompression, die bei- spielsweise die Anzahl von Bits der komprimierten Daten im Vergleich zu den unkomprimierten Daten auf die Hälfte reduziert, führt automatisch dazu, daß der Zeitbedarf für die Verschlüsselung aufgrund der halbierten Datenmenge ebenfalls nur in etwa halb so groß ist. Dasselbe gilt für die Ent- schlüsselung. Die Entschlüsselung wird vorzugsweise vor der Daten-Dekompression ausgeführt.

Problematisch für die Speicherverwaltung der Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Anwendungen ist die Tatsache, daß der Datenkompressionsgewinn von den Daten selbst abhängig ist. Verändern sich die Daten, beispielsweise wenn das Rechenwerk der Prozessoranordnung Daten ausgibt, die in dem Speicher der Prozessoranordnung abgelegt werden sollen, so unterscheidet sich die Größe der komprimierten und verschlüs- selten Ausgangsdaten des Rechenwerks von der Größe der Daten, die überschrieben werden sollen.

Um dieses Problem einfach zu umgehen, werden gemäß der vorliegenden Erfindung lediglich Daten dekomprimiert bzw. kom- primiert, die sich nicht verändern. Diese Daten sind üblicherweise Befehle bzw. der Programmcode, den das Rechenwerk g

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Speicher 10 in komprimierter und verschlüsselter Form schreiben zu können. Zwischen dem Rechenwerk 12 und dem Speicher 10 kann sich ferner eine weitere Datenverbindung 24 befinden, um im Speicher 10 abgespeicherte unkomprimierte und nicht- verschlüsselte Daten in Umgehung der Einrichtung 14 in das Rechenwerk 12 laden zu können.

Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Prozessoranordnung ist vorzugsweise auf einer Chipkarte 26 angeordnet, die fer- ner eine Schnittstelle 28 für einen äußeren Terminal aufweist. Um von dem Rechenwerk 12 Daten zu der Schnittstelle 28 in komprimierter Form zuführen zu können, ist eine Komprimie- rungs/Dekomprimierungs-Einrichtung 30 zwischen das Rechenwerk 12 und die Schnittstelle 28 geschaltet. Die Einrichtung 30 hat ferner eine Dekomprimierungs-Fähigkeit, um über die

Schnittstelle empfangen Daten, die komprimiert sind, zu dekomprimieren, bevor sie in das Rechenwerk 12 eingespeist werden. Die Chipkarte 26 kann ferner eine weitere Datenverbindung 32 umfassen, um Daten unmittelbar von dem Rechenwerk 12 zur Schnittstelle 28 zuzuführen, ohne daß eine Komprimierung oder Dekomprimierung stattfindet. Die Einrichtung kann ferner eine Verschlüsselungs/Entschlüsselungs-Fähigkeit umfassen, so daß die von dem Rechenwerk 12 zur Schnittstelle 28 gelieferten Daten nicht nur komprimiert, sondern auch verschlüsselt sind. Damit können auch verschlüsselte Daten von dem Terminal über die Schnittstelle 28 der Einrichtung 30 zugeführt werden, um dort entschlüsselt zu werden und dann im Rechenwerk 12 im Klartext verarbeitet zu werden.

In ihrer einfachsten Form umfaßt die erfindungsgemäße Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Anwendungen jedoch lediglich die Einrichtung 14 zum Entschlüsseln und Dekomprimieren von in dem Speicher 10 gespeicherten sicherheitsrelevanten Anwendungen. Nachdem Algorithmen zum Dekomprimieren bzw. Algorithmen zum Entschlüsseln wesentlich einfacher aufgebaut sind als die entgegengesetzten Algorithmen zum Komprimieren bzw. zum Verschlüsseln, können diese Algorithmen wesentlich d i d Φ I d O 1 1 φ ü TJ d O Φ D ^•H d 1 0 rH 1 SH 4-J φ

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Claims

Patentansprüche

1. Prozessoranordnung für sicherheitsrelevante Anwendungen, mit folgenden Merkmalen:

einem Speicher (10) zum Speichern eines Speicherinhalts in verschlüsselter und komprimierter Form;

einem Rechenwerk (12); und

einer Einrichtung (14) zum Entschlüsseln (14a) und Dekomprimieren (14b) des verschlüsselten und komprimierten Speicherinhalts, wobei die Einrichtung (14) zum Entschlüsseln und

Dekomprimieren datenstrommäßig zwischen dem Speicher (10) und dem Rechenwerk (12) angeordnet ist.

2. Prozessoranordnung nach Anspruch 1, bei dem der Speicherinhalt, der in verschlüsselter und komprimierter Form gespeichert ist, lediglich Daten aufweist, auf die das Rechen- werk (12) lediglich zum Lesen zugreifen wird, und insbesondere lediglich Programmcode für die sicherheitsrelevanten Anwendungen aufweist.

3. Prozessoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Einrichtung (14) zum Entschlüsseln und Dekomprimieren in

Hardware ausgeführt ist.

bei der nur der Speicherinhalt komprimiert und verschlüsselt im Speicher abgespeichert ist, der nach einer Entschlüsselung (14a), einer Dekompression (14b), einer Verarbeitung in dem Rechenwerk (12), einer Kompression und Verschlüsselung (22) dieselbe Speichermenge in Anspruch nimmt.

6. Prozessoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Befehlspfad und einen Datenpfad aufweist, wobei die Einrichtung (14) zum Entschlüsseln und Dekomprimieren in dem Befehlspfad angeordnet ist, und

bei der in dem Datenpfad eine Zwei-Wege-Einrichtung (44) vorhanden ist, die ausgebildet ist, um Daten, die von dem Speicher (10) zu dem Rechenwerk (12) gelangen sollen, zu ent- schlüsseln und zu dekomprimieren, und um Daten, die von dem

Rechenwerk (12) zu dem Speicher (10) gelangen sollen, zu komprimieren und zu verschlüsseln.

7. Prozessoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe,

bei der die Einrichtung (14) zum Entschlüsseln und Dekomprimieren ausgebildet ist, um den Speicherinhalt zunächst zu entschlüsseln und dann zu dekomprimieren.

Prozessoranordnung nach Anspruch 4,

bei der die Einrichtung (44) zum Komprimieren und Verschlüsseln angeordnet ist, um zunächst zu komprimieren und dann zu verschlüsseln.

9. Prozessoranordnung nach Anspruch 4, 6 oder 8,

bei der das Komprimieren in Software unter Verwendung des Re- chenwerks (12) ausgeführt wird.

10. Prozessoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (14) zum Entschlüsseln und Dekomprimieren ferner ausgebildet ist, um eine Verschlüsse- lungs- und eine Kompressionsfunktion auszuführen, wobei die Einrichtung (14) steuerbar ist, um einen Betriebsmodus auszuführen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die einen unkom- primiert-unverschlüsselt-Modus, einen komprimiert- unverschlüsselt-Modus, einen unkomprimiert-verschlüsselt- Modus oder einen komprimiert-verschlüsselt-Modus aufweist.

11. Prozessoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Speicher (10) einen Speicherbereich zum Speichern unkomprimierter Daten und/oder einen Speicherbereich zum Speichern unverschlüsselter Daten aufweist.

12. Chipkarte mit folgenden Merkmalen:

einem Speicher zum Speichern eines Programminhalts in komprimierter Form;

einem Rechenwerk (12) ;

einer Einrichtung (14b) zum Dekomprimieren des verschlüsselten und komprimierten Speicherinhalts, wobei die Einrichtung (14) zum Dekomprimieren datenstrommäßig zwischen dem Speicher (10) und dem Rechenwerk angeordnet ist; und

einer Schnittstelle (28) zum Kommunizieren mit einem Terminal.

13. Chipkarte nach Anspruch 12, bei der der Speicherinhalt zusätzlich verschlüsselt ist, und die ferner folgendes Merkmal aufweist:

eine Einrichtung (14a) zum Entschlüsseln des verschlüsselten Speicherinhalts .

14. Chipkarte nach Anspruch 12 oder 13, die ferner folgendes Merkmal aufweist:

eine Einrichtung (30) zum Komprimieren von Daten, die über die Schnittstelle (28) zu dem Terminal zu übertragen sind, wobei die Einrichtung (30) zum Komprimieren zwischen dem Rechenwerk (12) und der Schnittstelle (28) angeordnet ist.

15. Verfahren zum Ausführen von sicherheitsrelevanten Anwen- düngen, mit folgenden Schritten:

Abrufen eines Speicherinhalts aus einem Speicher (10) , wobei der Speicherinhalt in dem Speicher in verschlüsselter und komprimierter Form abgespeichert ist;

Entschlüsseln (14a) und Dekomprimieren (14b) des abgerufenen Speicherinhalts; und

Verarbeiten (12) des entschlüsselten und dekomprimierten Speicherinhalts.

16. Verfahren nach Anspruch 15, das mittels einer Chipkarte (26) ausgeführt wird.

Bezugszeichenliste

10 Speicher

12 Rechenwerk

14 Einrichtung zum Entschlüsseln und Dekomprimieren

14a Einrichtung zum Entschlüsseln

14b Einrichtung zum Dekomprimieren

16 Externer Bus

18 Interner Bus

20 Datenleitung

22 Einrichtung zum Komprimieren und Verschlüsseln

24 Datenleitung zwischen Rechenwerk und Speicher

26 Chipkarte

28 Schnittstelle

30 Einrichtung zum Komprimiere/Dekomprimieren

32 Datenleitung zwischen Rechenwerk und Schnittstelle

34 MEMIO

40 Befehls-Cache

42 Daten-Cache

44 Einrichtung zum Verschlüsseln/Entschlüsseln und Komprimieren/Dekomprimieren