WO2007138518A2 - Verfahren zu kryptographischen authentikation - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for cryptographic authentication in access security systems.
  • the advantage of a solution in which the card or the transponder also provides a number that changes from time to time is the increased attack resistance compared to the so-called "replay attack.” This attack and its derivatives could result in an unauthorized base station (attacker). try to read protected information from the transponder or modify information in the transponder EEPROM memory using recorded valid communication sequences.
  • the basic idea of the invention is to provide an algorithm which is used in particular in transponders of cryptographic authentication.
  • it is not a software hardware solution that always uses special hardware. This saves even compared to other methods EEPROM accesses, which are based on the storage of redundant information.
  • Each of the EEPROM segments is used exclusively for storing counter data. This allows in many cases a write access to the EEPROM segments which has been optimized for counter data in order to further increase the permitted number of write cycles.
  • only a small amount of computation is required to implement the method.
  • the method according to the invention uses the characteristic properties of count values for the integrated storage of these values and for error detection and error correction. This also provides effective protection against replay attacks. By updating a new count in only one EEPROM segment after each increment, the number of allowed program cycles can triple compared to prior art methods, while making it difficult to attack the security system.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the incrementing comprises the following steps: a) finding an invalid count in one of three EEPROM segments; b) finding a maximum valid counter reading from the remaining valid counter readings in the presence of an invalid counter reading; c) overwriting the invalid meter reading with a valid meter reading; d) finding a smallest valid counter reading from the three valid counter readings, wherein in the absence of the invalid counter reading step d) follows step a); e) finding a maximum valid meter reading from the three valid meter readings; f) Overwriting the smallest valid counter reading with a valid maximum counter reading.
  • the invalid count is determined by calculating the difference to the two remaining counts, the invalid count having the largest differences to the remaining counts.
  • threshold values are defined for the differences above which a counter reading is recognized as invalid. If the threshold value is exceeded, it can be assumed that the relevant memory segment is invalid - A -
  • Initialization value for a suitable crypto-algorithm which is used for authentication and / or encryption of the communication with a transponder.
  • a practicable variant of the invention provides that the counter readings during the incrementation come from a forward or backward counter.
  • the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. It shows in a schematic representation:
  • Fig. 1 shows a sequence for secure counting and storing in an EEPROM in the context of an increment.
  • the method 100 uses the three EEPROM segments Z 1 , Z 2 , and Z 3 for the secure storage of successive counter readings.
  • the method 100 implements a sequence for secure counting and storage in an EEPROM 10 as part of an increment 11, wherein the increment 11 in the application must be passed through successfully in order subsequently to reach a state in which access (read, write) is achieved. can be allowed on the EEPROM 10, ie only in the case of a successful execution of the command INCREMENT can be released with access, ie a write and read.
  • the counter can in principle be a forward or backward counter. In this embodiment, it is assumed that it is a forward counter of the step size 1.
  • the invalid counter reading in step a) is determined by calculating the differences to the two remaining counter readings, wherein an invalid counter reading has the largest differences to the remaining counter readings.
  • the memory value of such a memory segment is thus identified as invalid and will be overwritten with the new maximum count in step c).
  • this is invalid Count has been removed from one of the memory segments of the EEPROM 10 and has been overwritten by a new valid count. If it should turn out that no invalid meter reading now exists, then in step d) a smallest valid meter reading is retrieved from the three valid meter readings, wherein in the absence of an invalid meter reading the
  • Process step d) immediately follows the process step a). Finally, in step e), the finding of a largest valid counter reading from the now three valid counter readings takes place, so that in the subsequent step f) the smallest valid counter reading can be overwritten with a valid maximum counter reading.
  • the sequence shown here for secure counting and storing in an EEPROM 10 only slightly increments the memory segments of the EEPROM 10, since each new counter reading is stored only in one of the memory segments of the EEPROM 10 and thus a small load of the EEPROM 10 takes place with memory operations.
  • checking the differences generally results in a check of the memory value, so that in general the operational reliability is increased.
  • the EEPROM-based counter reading or a value derived therefrom forms a changing initialization value for a suitable cryptoalgorithm which serves for the authentication and / or encryption of the communication with a transponder 12.
  • the inventive method thus represents a pure software solution that can be used for systems in which a high degree of cryptographic security is required. Application areas are in particular transponder 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kryptographischen Authentifikation in Zugangs- sicherungssystemen. Um eine Softwareldeltasung bereitzustellen, schlagt die Erfindung vor, dass in den Verfahren zur gesicherten Speicherung von Zahlerstanden in einem nicht flEchtigen Speicher (EEPROM) (10) eine Inkrementierung (11) erfolgt und nach jeder Inkrementierung (11) der aktuelle Zählerstand in nur einem EEPROM - Segment aktualisiert wird, wobei ein nachfolgender Zugriff auf den EEPROM (10) nur bei einer erfolgreichen Inkrementierung (11) eines EEPROM basieren Zahlers erfolgt.

Description

VERFAHREN ZUR KRYPTOGRAPHISCHEN AUTHENTIKATION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kryptographischen Authentikation in Zugangssicherungssystemen.
In Zugangssicherungssystemen der Automobiltechnik finden nach dem gegenwärtigen Stand der Technik sog. gegenseitige Authentifizierungsprotokolle Verwendung, bei denen die Berechnung von kryptographischen Signaturen neben geheimen Schlüsseln auch auf veränderlichen Zufallszahlen basiert, die ausschließlich von einer Basisstation bereitgestellt wird. Bei Transpondern für die Automobilanwendungen stellt dabei lediglich die Fahrzeugbasisstation die einzig veränderliche Komponente zur Berechnung der kryptographischen Signaturen bereit.
Im Chipkartenbereich werden gegenwärtig Zufallszahlengeneratoren auch auf der Karte unterstützt, die oft auf speziellen RC-Oszillatoren beruhen. Solchen Realisierungen in Zugangssicherungssystemen sind u. a. aus Kostengründen für Automobilanwendungen kaum realisierbar.
Vorteil einer Lösung, bei der auch die Karte bzw. der Transponder ebenfalls eine von Mal zu Mal wechselnde Zahl bereitstellt, ist die erhöhte Angriffsresistenz gegenüber sog. „Replay- Attacke". Bei dieser Attacke und ihren Derivaten könnte eine nicht autorisierte Basisstation (Angreifer) versuchen, unter Verwendung aufgezeichneter gültiger Kommunikationssequenzen, geschützte Informationen aus dem Transponder auszulesen bzw. Informationen im Transponder EEPROM-Speicher zu modifizieren.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen werden jedoch nicht durch ausschließlichen Einsatz einer Software erzielt. Vielmehr handelt es sich um Hardware- Software-Lösungen, die meist einer Spezialhardware bedürfen. Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur kryptographi- schen Authentikation zur Verfügung zu stellen, welches ausschließlich auf einem kryptischen Algorithmus, insbesondere in Transpondersystemen, beruht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, einen Algorithmus zur Verfügung zu stellen, der insbesondere in Transpondern der kryptographischen Authentikation dient. Gemäß der Erfindung handelt es sich also nicht um eine Software-Hardware-Lösung, bei der auch immer Spezialhardware zur Anwendung kommt. Dies erspart auch im Vergleich zu anderen Verfahren EEPROM-Zugriffe, die auf der Abspeicherung von redundanten Informationen beruhen. Jedes der EEPROM- Segmente wird dabei ausschließlich zur Speicherung von Zählerdaten verwendet. Dies ermöglicht in vielen Fällen einen für Zählerdaten optimierten Schreibzugriff auf die EEPROM- Segmente zur weiteren Erhöhung der zugelassenen Anzahl von Schreibzyklen. Zudem ist nur ein geringer Rechenaufwand zur Implementierung des Verfahrens nötig. Auch ist keine Spezialhardware zur zuverlässigen Erzeugung eines Wechselcodes notwendig, die oftmals leichter angreifbar und zudem teurer ist als diese EEPROM basierte Lösung. Das erfindungs- gemäße Verfahren nutzt die charakteristischen Eigenschaften von Zählwerten zur integrierten Speicherung dieser Werte und zur Fehlerkennung und Fehlerkorrektur. Somit wird auch ein wirksamer Schutz gegen Replay- Attacken bereitgestellt. Dadurch, dass nach jeder Inkrementierung ein neuer Zählerstand in nur einem EEPROM- Segment aktualisiert wird, kann sich die Anzahl der zugelassenen Programmierzyklen im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verdreifachen, wobei gleichzeitig Angriffe auf das Sicherheitssystem erschwert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Inkrementierung folgende Schritte umfasst: a) Aufsuchen eines ungültigen Zählerstandes in einem von drei EEPROM-Segmenten; b) Auffinden eines maximalen gültigen Zählerstandes aus den verbleibenden gültigen Zählerständen bei Existenz eines ungültigen Zählerstandes; c) Überschreiben des ungültigen Zählerstandes mit einem gültigen Zählerstand; d) Auffinden eines kleinsten gültigen Zählerstands aus den drei gültigen Zählerständen, wobei bei Nichtvorhandensein des ungültigen Zählerstandes Schritt d) dem Schritt a) folgt; e) Auffinden eines größten gültigen Zählerstandes aus den drei gültigen Zählerständen; f) Überschreiben des kleinsten gültigen Zählerstandes mit einem gültigen maximalen Zählerstand.
Der Vorteil einer solchen Inkrementierung ist darin zu sehen, dass jede redundante Speicherung vermieden wird und dennoch erreicht, dass bei auftretendem ungültigen Speicherinhalt eines Speichersegmentes der Zählrhythmus nicht gestört wird, da dasjenige Speichersegment, welches einen ungültigen Inhalt erkennt, neu beschrieben wird und somit nachfolgend wieder in allen drei Speichersegmenten gültige Zählstände gespeichert werden, von denen ausgehend weitergezählt werden kann. Da zudem die Speichersegmente ausschließlich zur Speicherung von Zählerständen verwendet werden, können diese Vorgänge optimiert werden und so mit einer Erhöhung der zugelassenen Anzahl von Schreibzyklen erzielt werden.
VorteilhafterweisewirdimSchritta) derungültige Zählerstand, wieinderDE 10201 554 Al eingehend dargelegt, über eine Berechnung der Differenz zu den beiden verbleibenden Zählerständen ermittelt, wobei der ungültige Zählerstand die größten Differenzen zu den verbleibenden Zählerständen aufweist.
Es ist von Vorteil, dass Schwellwerte für die Differenzen definiert werden, ab denen ein Zählerstand als ungültig erkannt wird. Bei Überschreitung des Schwellwertes kann davon ausgegangen werden, dass das betreffende Speichersegment einen ungültigen - A -
Speicherwert enthält. Bei bekanntem Zählrhythmus ist auch bekannt, welche Differenzen die Speicherwerte der Speichersegmente zueinander maximal aufweisen dürfen. Treten zu einem Speicherwert eines Speichersegmentes höhere Differenzen auf, die also den Schwellwert überschreiben, so kann davon ausgegangen werden, dass dieser Speicherwert ungültig ist. Daher kann bereits beim Überschreiben des Schwellwertes davon ausgegangen werden, dass das betreffende Speichersegment zur Speicherung des neuen Zählerstandes unmittelbar ausgewählt wird.
Eine besondere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der EEPROM basierte Zählerstand oder ein aus ihm abgeleiteter Wert einen sich verändernden
Initialisierungswert für einen geeigneten Kryptoalgorithmus bildet, der der Authentifizierung und/oder der Verschlüsselung der Kommunikation mit einem Transponder dient.
Im Rahmen der Erfindung ist nunmehr gegeben, dass zur Berechnung der beiden kryp- tographischen Signaturen (MAC und Response) nun sowohl ein sich ändernder Wert von einer Basisstation, die ein als „Challange" bezeichnete Signal generiert, als auch ein sich ändernder Wert vom Transponder einbezogen werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine Krypto-Session nicht mehrfach ausgeführt werden kann und so Formen der Replay- Attacken vermieden werden können. Zudem ist im Rahmen der Erfindung zu beachten, dass - wie schon erwähnt - nur im Falle einer erfolgreichen Ausführung des Befehls INCREMENT ein Zugriff auf den Anwender-EEPROM gegeben ist. Jede Authentifizierungssequenz mit anschließendem EEPROM-Zugriff kann dabei immer nur einmal aufgezeichnet werden, da zur Erzeugung der Kryptodaten bereits ein anderer Zählerwert verwendet wird.
Eine praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass die Zählerstände bei der Inkre- mentierung von einem Vorwärts- oder Rückwärtszähler stammen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Ablauf zum gesicherten Zählen und Abspeichern in einem EEPROM im Rahmen einer Inkrementierung.
Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren 100, welches die drei EEPROM-Segmen- te Z1, Z2, und Z3 zur gesicherten Speicherung von aufeinander folgenden Zählerständen verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren 100 impliziert einen Ablauf zum gesicherten Zählen und Abspeichern in einem EEPROM 10 im Rahmen einer Inkrementierung 11 , wobei die Inkrementierung 11 in der Applikation erfolgreich durchlaufen werden muss, um nachfolgend einen Zustand zu erreichen, bei dem ein Zugriff (Lesen, Schreiben) auf den EEPROM 10 erlaubt werden kann, d. h. nur im Falle einer erfolg- reichen Ausführung des Befehls INCREMENT kann mit Zugriff, d. h. ein Schreiben und Lesen, freigegeben werden. In einem ersten Schritte a) erfolgt das Aussuchen eines ungültigen Zählerstandes Zinvaiid in einem von drei EEPROM-Segmenten, d. h. es wird danach gefragt, ob ein ungültiger Zählerstand Zinvall(1 unter den Zählerständen Z1, Z2 und Z3 existiert. Liegt ein solcher ungültiger Zählerstand Zinvaiid vor, so erfolgt in einem weiteren Schritt b) das Auffinden eines maximal gültigen Zählerstandes aus den verbleibenden gültigen Zählerständen Z1 und Zj (i, j = 1,2, 3), sofern die Existenz eines ungültigen Zählerstandes vorliegt. Bei dem Zähler kann es sich prinzipiell um einen Vorwärts- oder Rückwärtszähler handeln. In diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass es sich um einen Vorwärtszähler der Schrittweite 1 handelt. Der ungültige Zählerstand in Schritt a) wird dabei über eine Berechnung der Differenzen zu den beiden verbleibenden Zählerständen ermittelt, wobei ein ungültiger Zählerstand die größten Differenzen zu den verbleibenden Zählerständen aufweist. Der Speicherwert eines solchen Speichersegmentes wird somit als ungültig identifiziert und wird mit dem neuen maximalen Zählerstand im Schritt c) überschrieben. Somit ist dieser ungültige Zähl erstand aus einem der Speichersegmente des EEPROM 10 beseitigt worden und durch einen neuen gültigen Zählerstand überschrieben worden. Sollte sich herausstellen, dass nunmehr kein ungültiger Zählerstand existiert, so wird in Schritt d) ein kleinster gültiger Zählerstand aus den drei gültigen Zählerständen ausfindig gemacht, wobei bei Nichtvorhandensein eines ungültigen Zählerstandes der
Verfahrensschritt d) sogleich dem Verfahrensschritt a) folgt. Schließlich erfolgt in dem Schritt e) das Auffinden eines größten gültigen Zählerstandes aus den nunmehr drei gültigen Zählerständen, so dass in dem darauf folgenden Schritt f) der kleinste gültige Zählerstand mit einem gültigen maximalen Zählerstand überschrieben werden kann.
Der hier dargestellte Ablauf zum gesicherten Zählen und Abspeichern in einem EEPROM 10 belastet die Speichersegmente des EEPROM 10 nur geringfügig, da jeder neue Zählerstand nur in einem der Speichersegmente des EEPROM 10 gespeichert wird und somit eine geringe Belastung des EEPROM 10 mit Speichervorgängen stattfindet. Zudem findet durch die Überprüfungen der Differenzen allgemein eine Überprüfung des Speicherwertes statt, so dass im Allgemeinen die Betriebssicherheit erhöht wird. Durch den hier dargestellten Ablauf bildet der EEPROM basierte Zählerstand oder ein aus ihm abgeleiteter Wert einen sich verändernden Initialisierungswert für einen geeigneten Kryptoalgorithmus, der der Authentifzierung und/oder der Verschlüsselung der Kommunikation mit einem Transponder 12 dient. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit eine reine Softwarelösung dar, die für Systeme eingesetzt werden kann, in denen ein hohes Maß an kryptographischer Sicherheit gefordert ist. Anwendungsgebiete sind insbesondere Transponder 12.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 Verfahren
10 EEPROM
11 Inkrementierung 12 Transponder

Claims

PATENT ANSPRÜCHE
1. Verfahren (100) zur kryptographischen Authentikation in Zugangssicherungssystemen, bei dem zur gesicherten Speicherung von Zählerständen in einem nicht-flüchtigen Speicher (EEPROM) (10) eine Inkrementierung (11) erfolgt und nach jeder Inkremen- tierung (11) der aktuelle Zählerstand in nur einem EEPROM-Segment aktualisiert wird, wobei ein nachfolgender Zugriff auf den EEPROM (10) nur bei einer erfolgreichen Inkrementierung (11) eines EEPORM basieren Zählers erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Zugangssicherungssystem um einen Transponder (12) handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Inkrementierung (11) folgende Schritte umfasst: a) Aufsuchen eines ungültigen Zählerstandes in einem von drei EEPROM-Segmenten; b) Auffinden eines maximal gültigen Zählerstandes aus den verbleibenden gültigen Zählerständen bei Existenz eines ungültigen Zählerstandes; c) Überschreibung des ungültigen Zählerstandes mit einem gültigen Zählerstand; d) Auffinden eines kleinsten gültigen Zählerstandes aus den drei gültigen Zählerständen, wobei bei Nichtvorhandensein eines ungültigen Zählerstandes Schritt d) dem Schritt a) folgt; e) Auffinden eines größten gültigen Zählerstandes aus den drei gültigen Zählerständen; f) Überschreibung des kleinsten gültigen Zählerstandes mit einem gültigen maximalen Zählerstand.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) der ungültige Zählerstand über eine Berechnung der Differenzen zu den beiden verbleibenden Zählerständen ermittelt wird, wobei der ungültige Zählerstand die größten Differenzen zu den verbleibenden Zählerständen aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schwellwerte für die Differenzen definiert werden, ab denen ein Zählerstand als ungültig erkannt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der EEPROM basierte Zählerstand oder ein aus ihm abgeleiteter Wert einen sich verändernden Initialisierungswert für einen geeigneten Krypto-Algorithmus bildet, der der Authentifizierung und/oder der Verschlüsselung der Kommunikation mit dem Transponder (12) dient.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zählerstände bei der Inkrementierung (11) von einem Vorwärts- oder Rückwärtszähler stammen.
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