WO2019180210A1 - Verfahren und vorrichtung zum manipulationssicheren übertragen von nutzdaten in einem rechnernetz - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for transmitting user data in a computer network.
- the present invention also relates to a corresponding device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium.
- SCR Selective Catalytic Reduction
- the chemical reaction on the SCR catalyst is selective in that mainly nitrogen oxides (NO, NO 2 ) are reduced, but unwanted side reactions such as the oxidation of sulfur dioxide to sulfur trioxide are largely suppressed.
- truck diesel vehicles sometimes electronic
- CN105065098A provides a device for remote monitoring
- the device comprises a physical protection and control unit and an electronic
- the physical protection and control unit includes an electronic seal, an emission sensor, a fastening device and a fastening screw.
- the emission sensor is by means of
- Fastening device attached to an exhaust pipe of the engine and screwed by means of the fastening screw in selbiges.
- the electronic seal is connected by signals to an electronic control unit (ECU) of the diesel engine.
- the electronic seal transmits a signal to the Internet to prevent a person from getting the signal
- the electronic monitoring unit measures in real time the operating parameters and the
- Emission data index of the diesel engine so that can be processed, analyzed, monitored and recorded, whether the engine is manipulated unauthorized.
- the invention provides a method for transmitting user data in a computer network, a corresponding device, a corresponding one
- the approach according to the invention is based on the recognition that possible attack mechanisms include the manipulation of data streams which are exchanged between control units.
- the following presented Solution also contributes to the peculiarity of manipulation devices
- manipulation-related failure does not pose an immediate mortal danger. This does not mean that every manipulation has to be recognized immediately. It is sufficient if detection is ensured in the longer term.
- prior art methods generally aim to immediately recognize each manipulated message. Such solutions are complex to implement and cause considerable additional overhead at runtime in the form of additionally required bus and memory resources. Furthermore, with such concepts it is usually easy to find out if the manipulation works or not. An inventive mechanism should therefore be safe enough from the outset to preclude manipulation even at a greater expense.
- an advantage of the proposed method lies in its suitability for recognizing such data manipulations in a simple and resource-optimized manner.
- the detection of a manipulation makes it possible, for example, to react appropriately in the vehicle, so that the driver
- Manipulation turns off. For this purpose, a secure detection of manipulations of data transmission, which gets along with an absolute minimum of additional data transmitted, an attacker but even with a known algorithm, a successful - that is unrecognized - manipulation extremely difficult.
- it can be provided to strengthen the process by further measures, in addition to a scatter value (hash) further, not known to a possible attacker variances be introduced.
- a check information can be transmitted separately. (It does not have to be sent synchronously or refer to exactly one message.) Alone the exploitation of the above
- Characteristics would ensure a high test security, even if an additional encryption of the test information is omitted.
- FIG. 1 shows the flowchart of a method according to a first
- FIG. 2 shows schematically a control device according to a second embodiment.
- FIG. 1 illustrates the basic sequence of the invention
- process 11 transfers (process 11) and at least partially mapped by means of a scattering or hash function on scattering values (process 12), which are finally transmitted in turn by means of so-called test messages (process 13).
- the method (10) is compared to conventional algorithms for
- Embodiment will be described. If an attacker wanted to guess the 1-bit information, his probability of success would be to randomly guess the correct answer over n tests, By choosing a sufficiently high number n of tests, a permanent manipulation could be unmasked with almost certainty.
- an 8-byte payload message is transmitted openly.
- the dispensing value serving as check information is sent.
- Test message claims the scatter value related to the user message only 1 bit.
- Sender and receiver calculate the hash from the user message. The receiver checks whether the hash calculated from the user message corresponds to the hash received in the check message.
- the check messages are sent at different times.
- the test message here may take the form of a burst which contains the scatter values of several, for example eight,
- Test messages are made more difficult to analyze as part of a reconstruction of the scatter value function, since a potential attacker can hardly detect whether any check information is used at all and how it is possibly transmitted.
- the number of useful messages for a test message can be variable.
- a single scatter value can be calculated in summary for several, for example three, useful messages.
- the number of useful messages included in each test message can also be variable.
- test messages can be provided with variable identifiers (identifiers, IDs). These in turn like z.
- IDs identifiers
- Value pool or synchronized in a suitable manner.
- the key should be known on both sides. For this purpose he can z. As transmitter and receiver are programmed in the context of production or synchronized between them in each driving cycle. Furthermore, it is advantageous if the key is stored on both sides in a hardware security module (HSM). In this case, a replica of the scatter value would not be possible even with an algorithm known to the attacker.
- This method (10) can be used, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in one
- Control unit (20) be implemented, as the schematic representation of Figure 2 illustrates.
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Abstract
Verfahren (10) zum Übertragen von Nutzdaten in einem Rechnernetz, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Nutzdaten werden mittels Nutzbotschaften übertragen (11), - die Nutzdaten werden zumindest teilweise mittels einer zweiwertigen Streuwertfunktion auf Streuwerte abgebildet (12) und - die Streuwerte werden mittels Prüfbotschaften übertragen (13).
Description
Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum manipulationssicheren Übertragen von
Nutzdaten in einem Rechnernetz
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Nutzdaten in einem Rechnernetz. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
Stand der Technik
In der Abgasreinigungstechnik wird als selektive katalytische
Reduktion ( selective catalytic reduction, SCR) eine Technik zur Reduktion von
Stickoxiden in Abgasen von Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen, Industrieanlagen oder Verbrennungsmotoren bezeichnet. Die chemische Reaktion am SCR-Katalysator ist insofern selektiv, als vor allem Stickoxide (NO, N02) reduziert, unerwünschte Nebenreaktionen wie die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid jedoch weitgehend unterdrückt werden.
Beim Einsatz eines SCR-Systems ist die optimale Zerstäubung sowie
Verdampfung der vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang eingesprühten Lösung maßgeblich. In der Automobilindustrie kommen daher nach dem Stand der Technik verschiedene Dosierpumpen oder Injektoren zum Einsatz, die
- ohne Einschränkung der Allgemeinheit - regelmäßig über einen an den CAN- Feldbus des jeweiligen Fahrzeuges angeschlossenen Injektor- Rechner angesteuert werden.
Da eine selektive katalytische Reaktion die Betriebskosten entsprechend ausgerüsteter Fahrzeuge erhöht, verwenden betrügerische Betreiber
insbesondere von Lkw- Dieselfahrzeugen mitunter elektronische
Abschaltvorrichtungen. Diese sogenannten AdBlue-Killer oder -Emulatoren sind in Staaten mit Emissionsgesetzgebung gesetzlich verboten.
CN105065098A stellt eine Vorrichtung zur Fernüberwachung und
Emissionskontrolle eines Dieselmotors bereit. Die Vorrichtung umfasst eine physikalische Schutz- und Steuereinheit und eine elektronische
Überwachungseinheit. Die physikalische Schutz- und Steuereinheit enthält ein elektronisches Siegel, einen Emissionssensor, eine Befestigungseinrichtung und eine Befestigungsschraube. Der Emissionssensor ist mittels der
Befestigungseinrichtung an einem Abgasrohr des Motors befestigt und mittels der Befestigungsschraube in selbiges eingeschraubt. Ein Kabelbündel, dessen Enden durch das elektronische Siegel gesichert sind, durchdringt ein
Durchgangsloch im Emissionssensor und der Befestigungseinrichtung. Das elektronische Siegel ist durch Signale mit einem Steuergerät ( electronic control unit, ECU) des Dieselmotors verbunden. Das elektronische Siegel überträgt ein Signal an das Internet, um zu verhindern, dass eine Person den
Emissionssensor ohne Genehmigung demontiert oder montiert. Die elektronische Überwachungseinheit misst in Echtzeit die Betriebsparameter und den
Emissionsdatenindex des Dieselmotors, sodass verarbeitet, analysiert, überwacht und aufgezeichnet werden kann, ob der Motor unbefugt manipuliert wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Übertragen von Nutzdaten in einem Rechnernetz, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes
Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mögliche Angriffsmechanismen die Manipulation von Datenströmen umfassen, die zwischen Steuergeräten ausgetauscht werden. Die nachfolgend vorgestellte
Lösung trägt ferner der Besonderheit von Manipulationsgeräten zur
Abgasnachbehandlung Rechnung, dass die„angegriffene“
Abgasnachbehandlung nicht sicherheitskritisch ist, da von ihrem
manipulationsbedingten Ausfall keine unmittelbare Lebensgefahr ausgeht. Damit muss nicht jede Manipulation sofort erkannt werden. Es reicht aus, wenn eine Erkennung auf längere Sicht sichergestellt ist. Verfahren nach dem Stand der Technik zielen in der Regel jedoch darauf ab, jede manipulierte Botschaft unmittelbar zu erkennen. Solche Lösungen sind aufwändig zu implementieren und verursachen auch zur Laufzeit einen beträchtlichen Mehraufwand in Gestalt zusätzlich benötigter Bus- und Speicherressourcen. Weiterhin ist es bei solchen Konzepten in der Regel einfach möglich herauszufinden, ob die Manipulation funktioniert oder nicht. Ein erfindungsgemäßer Mechanismus sollte also von vornherein sicher genug sein, um eine Manipulation auch bei einem größeren Aufwand auszuschließen.
Ein Vorzug des vorgeschlagenen Verfahrens liegt demgegenüber in seiner Eignung, solche Datenmanipulationen auf eine einfache und Ressourcen optimierte Weise zu erkennen. Das Erkennen einer Manipulation ermöglicht es zum Beispiel, im Fahrzeug geeignet zu reagieren, sodass der Fahrer die
Manipulation abstellt. Hierzu dient eine sichere Erkennung von Manipulationen der Datenübertragung, die mit einem absoluten Minimum an zusätzlich übertragenen Daten auskommt, einem Angreifer jedoch selbst bei bekanntem Algorithmus eine erfolgreiche - also unerkannte - Manipulation extrem erschwert.
Die vorgestellte Lösung eröffnet somit eine statistisch sichere
Erkennungsmöglichkeit der Manipulation von übertragenen Daten. Hierzu müssen die normalen Botschaften nicht verändert werden. Es ist auch keine Eins-zu-eins-Prüfung gleichsam in Echtzeit erforderlich.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen
Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann vorgesehen sein, das Verfahren durch weitere Maßnahmen zu stärken, indem zusätzlich zu einem Streuwert ( hash ) weitere, einem mögliche Angreifer nicht bekannte Varianzen
eingeführt werden. Insbesondere kann eine Prüf Information separat übertragen werden. (Sie muss hierzu nicht synchron versendet werden oder sich auf exakt eine Botschaft beziehen.) Allein das Ausnutzen der oben genannten
Eigenschaften würde eine hohe Prüfsicherheit gewährleisten, selbst wenn auf eine zusätzliche Verschlüsselung der Prüfinformation verzichtet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 das Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer ersten
Ausführungsform.
Figur 2 schematisch ein Steuergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 illustriert den grundlegenden Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens (10) zum Übertragen von Nutzdaten in einem Rechnernetz. Die Nutzdaten werden hierzu mittels sogenannter Nutzbotschaften
übertragen (Prozess 11) und zumindest teilweise mittels einer Streuwert- oder Hashfunktion auf Streuwerte abgebildet (Prozess 12), die schließlich ihrerseits mittels sogenannter Prüfbotschaften übertragen werden (Prozess 13).
Gewählt wird hierbei eine Hashfunktion mit sehr starker Datenreduktion, insbesondere von einer gegebenen Nutzdatengröße, z. B: einem
CAN-Datenrahmen ( frame ) einer Breite von 8 Byte oder auch beliebig größeren Datenmengen auf genau 1 Bit. Angesichts dieser beträchtlichen Reduktion ist die Funktion selbstverständlich nicht umkehrbar. Das Ergebnis der Datenreduktion ist vielmehr als Hash oder Fingerprint zu betrachten, sodass zur Erzeugung einschlägige Algorithmen nach dem Stand der Technik zur Anwendung kommen können. Erfindungswesentlich ist dabei die Minimierung der Zielmenge derart, dass der Hashwert einen Informationsgehalt von lediglich 1 Bit aufweist.
Größere, etwas weniger reduzierte Hashes wären zwar ebenfalls möglich, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens (10) gleichwohl nicht vorzuziehen.
Das Verfahren (10) stellt im Vergleich zu üblichen Algorithmen zur
Nachrichtenauthentifizierung somit gänzlich andere Anforderungen an die zu verwendende Hashfunktion. Insofern wird im Rahmen des Funktionsentwurfes normalerweise eine sogenannte Kollisionsfreiheit angestrebt. Dies würde bedeuten, dass jeder Hash eindeutig einer Ausgangsinformation zugeordnet werden kann. Dadurch aber würden große Hashes benötigt, die typischerweise jeweils synchron zur Nutzinformation übertragen würden. In dem hier
beschriebenen Verfahren (10) indes wird eine Kollision nicht nur in Kauf genommen, sondern gezielt verwendet, um eine Nachkonstruktion ( reverse engineering ) der Hashfunktion zu verhindern. Die Sicherheit, eine häufige oder - gemäß dem oben genannten Anwendungsfall - gar permanente Manipulation zu erkennen, wird hierbei durch eine höhere Anzahl von Prüfungen erlangt. Das gilt für variable Daten, deren Auswirkung auf den Streuwert von außen her in nicht vorhersagbar wäre. Der Spezialfall für rein statische Daten oder sich
vorhersehbar ändernder Daten erfordert Zusatzmaßnahmen, wie sie im
Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Würde ein Angreifer die 1-Bit- Information erraten wollen, so betrüge seine Erfolgswahrscheinlichkeit, die richtige Antwort über n Prüfungen zufällig zu erraten,
Durch die Wahl einer ausreichend hohen Anzahl n von Prüfungen ließe sich also eine dauerhafte Manipulation mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit entlarven.
Im Anwendungsfall eines Fahrzeugs etwa werden CAN- Botschaften in der Regel periodisch in einem Zeitabstand von beispielsweise 100 ms versendet. Über einen Fahrzyklus von 20 min Dauer ließen sich entsprechend 12000 s ·— =
120.000 Prüfungen durchführen, was eine praktisch sichere Erkennung erlauben würde. Allein bei 20 Prüfungen läge die A-priori-Wahrscheinlichkeit einer unentdeckten anhaltenden Manipulation unter 10-6.
In einer beispielhaften Ausführung des Verfahrens (10) etwa wird eine 8 Byte umfassende Nutzbotschaft offen übertragen. In einer separaten Botschaft wird der als Prüf Information dienende Streuwert versendet. Innerhalb dieser
Prüfbotschaft beansprucht der auf die Nutzbotschaft bezogene Streuwert
lediglich 1 Bit. Sender und Empfänger berechnen aus der Nutzbotschaft den Hash. Der Empfänger prüft, ob der seinerseits aus der Nutzbotschaft berechnete Hash dem in der Prüfbotschaft empfangenen Hash entspricht.
Eine Voraussetzung für die Nutzung einer zusätzlichen Varianz, wie sie im Folgenden beschrieben wird, ist, dass Sender und Empfänger die jeweiligen Abfolgen von Botschaften - per Entwurfs ko nvention ihres
Kommunikationsprotokolls oder mittels einer geeigneten Synchronisation - bekannt sind.
Gemäß einer solchen Variante werden die Prüfbotschaften zeitlich versetzt gesendet. Die Prüfbotschaft mag hier die Gestalt eines Bitbündels ( burst ) annehmen, welches die Streuwerte mehrerer, zum Beispiel von acht,
Nutzbotschaften umfasst. Durch diese Asymmetrie zwischen Nutz- und
Prüfbotschaften wird deren Analyse im Rahmen einer Nachkonstruktion der Streuwertfunktion erschwert, da ein möglicher Angreifer kaum erkennen kann, ob überhaupt eine Prüfinformation verwendet und wie sie ggf. übertragen wird.
Weiterhin kann die Anzahl der Nutzbotschaften für eine Prüfbotschaft variabel sein. Ein einziger Streuwert kann zusammenfassend für mehrere, beispielsweise drei, Nutzbotschaften berechnet werden. Dabei kann auch die Anzahl der in jeder Prüfbotschaft berücksichtigten Nutzbotschaften variabel sein.
Werden Daten - insbesondere aus anderen Nutzbotschaften -, die für eine Manipulation nicht relevant sind, in die Generierung des Streuwertes einbezogen, so ist eine Analyse durch einen Angreifer kaum möglich. Vorzugsweise werden hierfür mehrere sich dynamisch ändernde Werte verwendet.
Bei einem rein statischen Inhalt der Nutzdaten (ohne Zufügen variabler Daten), ist es sinnvoll, eine Pseudozufallsgröße mit einzubeziehen. Das kann z.B. über einen Zufallsgenerator geschehen.
Denkbar ist auch eine Verschleierung der Prüfbotschaften. Hierzu können letztere mit variablen Kennungen ( identifiers , IDs) versehen werden. Diese wiederum mögen z. B. einem Sender und Empfänger bekannten
Wertevorrat (pool ) entnommen oder auf geeignete Weise synchronisiert werden.
Eine weitere Sicherheitssteigerung ergibt sich, wenn die Berechnung von Hash oder anderweitigen Teilen der Prüfbotschaft zusätzlich einen kryptografischen Schlüssel berücksichtigt. Der Schlüssel sollte hierzu beidseitig bekannt sein. Hierzu kann er z. B. Sender und Empfänger im Rahmen der Produktion einprogrammiert oder zwischen ihnen in jedem Fahrzyklus synchronisiert werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Schlüssel beiderseits in einem Hardwaresicherheitsmodul {Hardware security module, HSM) abgelegt wird. In diesem Fall wäre eine Nachbildung des Streuwertes selbst bei einem dem Angreifer bekannten Algorithmus nicht möglich. Dieses Verfahren (10) kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem
Steuergerät (20) implementiert sein, wie die schematische Darstellung der Figur 2 verdeutlicht.
Claims
1. Verfahren (10) zum Übertragen von Nutzdaten in einem Rechnernetz,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die Nutzdaten werden mittels Nutzbotschaften übertragen (11),
- die Nutzdaten werden zumindest teilweise mittels einer zweiwertigen Streuwertfunktion auf Streuwerte abgebildet (12) und
- die Streuwerte werden mittels Prüfbotschaften übertragen (13).
2. Verfahren (10) nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- das Übertragen (11, 13) erfolgt über einen Feldbus und
- jede Nutzbotschaft umfasst einen Datenrahmen des Feldbusses.
3. Verfahren (10) nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- der Feldbus ist ein CAN.
4. Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- die Prüfbotschaften werden unabhängig von den Streuwerten variiert.
5. Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- die Prüfbotschaften werden von den Nutzbotschaften getrennt
übertragen (13).
6. Verfahren (10) nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmal:
- die Prüfbotschaften und die Nutzbotschaften werden asynchron
zueinander übertragen (11, 13) oder
- das Übertragen erfolgt mittels eines kryptographischen Schlüssels.
7. Verfahren (10) nach Anspruch 5 oder 6,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die mittels mehrerer Nutzbotschaften übertragenen Nutzdaten werden auf einen einzigen Streuwert abgebildet (12).
8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
10. Vorrichtung (20), die eingerichtet ist, das Verfahren (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| DE102018204398.1 | 2018-03-22 | ||
| DE102018204398.1A DE102018204398A1 (de) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | Verfahren und Vorrichtung zum manipulationssicheren Übertragen von Nutzdaten in einem Rechnernetz |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| WO2019180210A1 true WO2019180210A1 (de) | 2019-09-26 |
Family
ID=65911180
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2019/057252 WO2019180210A1 (de) | 2018-03-22 | 2019-03-22 | Verfahren und vorrichtung zum manipulationssicheren übertragen von nutzdaten in einem rechnernetz |
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|---|---|
| DE (1) | DE102018204398A1 (de) |
| WO (1) | WO2019180210A1 (de) |
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- 2019-03-22 WO PCT/EP2019/057252 patent/WO2019180210A1/de active Application Filing
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102018204398A1 (de) | 2019-09-26 |
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Legal Events
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