WO2024022847A1 - Herstellung einer drahtlosen daten-verbindung - Google Patents

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WO2024022847A1
WO2024022847A1 PCT/EP2023/069639 EP2023069639W WO2024022847A1 WO 2024022847 A1 WO2024022847 A1 WO 2024022847A1 EP 2023069639 W EP2023069639 W EP 2023069639W WO 2024022847 A1 WO2024022847 A1 WO 2024022847A1
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pin
data connection
wireless data
designed
connection
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PCT/EP2023/069639
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Kiepfer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00—Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/50—Secure pairing of devices
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L63/00—Network architectures or network communication protocols for network security
    • H04L63/18—Network architectures or network communication protocols for network security using different networks or channels, e.g. using out of band channels

Definitions

  • the invention relates to a device with an interface for a wireless data connection and a method for establishing a wireless data connection between a first and second device with such an interface.
  • a method is used to pair Bluetooth devices in which a PIN is used to ensure that the desired devices are connected to one another.
  • a display in the vehicle can show a PIN generated by the vehicle, which must be manually entered into the smartphone.
  • the smartphone then transmits this PIN to the vehicle, which means it is authenticated. This makes it much more difficult for people outside the vehicle to connect a Bluetooth device to the vehicle.
  • Some devices have no display and no input option. In the end user area, these are, for example, headsets.
  • headsets For many devices in an industrial environment, the installation of a display and input option is out of the question for reasons of size and/or cost. The described type of pairing with a PIN cannot be used with such devices.
  • An alternative mechanism for pairing without a PIN works by putting the device to be paired into a pairing mode, for example by pressing a button. As a result, the device then accepts all pairing requests from other devices.
  • the disadvantage is that this procedure has a low level of security, as any unwanted device in the immediate vicinity can then also perform a pairing.
  • Another alternative mechanism uses a predefined and consistent PIN. This can be read using an inscription or QR code or can be available in the device manual. This variant also only has a low security level.
  • a further object of the invention is to provide devices that are suitable for carrying out the method.
  • the device comprises an interface for a wireless data connection, a controllable signal device for generating an optical or acoustic signal and a control device for the interface and for the controllable signal device.
  • the control device is designed to carry out a PIN exchange procedure for establishing a data connection with a second device, which includes the steps:
  • Another device has an interface for a wireless data connection, an optical or acoustic detector and a control device for the interface and for the detector.
  • the control device is designed to carry out a PIN exchange procedure for establishing a data connection with a second device, which includes the steps:
  • the first and second devices described in this way act together, each as both a transmitter and a receiver of the PIN.
  • a PIN exchange procedure is carried out.
  • the first device generates and stores a PIN and transmits the PIN optically or acoustically to the second device.
  • the second device receives the PIN optically or acoustically and transmits the PIN back to the first device using the wireless data connection.
  • the wireless data connection will only be established if the stored PIN corresponds to the PIN received via the wireless connection on the first device.
  • a data channel is advantageously used for transmission with the signal device, which on the one hand is not a radio channel and on the other hand is already used in many devices is available . This means that the procedure can easily be applied to existing devices.
  • this has the advantage that the data connection is recorded much more securely with the second device that is intended for this purpose, by placing the optical or acoustic signal device in the vicinity of this second one device is brought.
  • the establishment of such a connection in a malicious manner by third devices is made more difficult because it is more difficult for the third devices to receive the transmission of the PIN via optical or acoustic means than the radio-based wireless data connection.
  • a PIN Personal Identification Number
  • a PIN is usually understood to be a character string, typically a digit sequence made up of any number of characters.
  • the returned PIN is received in the first device via the wireless data connection. This is always possible, even if the desired data connection does not yet exist and receiving the PIN only creates the prerequisite for this.
  • Establishing the data connection means that the devices accept and process physically received data from each other beyond the PIN exchange procedure. However, if the data connection is not established, for example because the PIN sent back was incorrect, both devices physically receive the transmissions from the other device, but do not process them further than until it is determined that there is no connection to the other device.
  • the control device can be designed to generate a new PIN for each establishment of a data connection using a method for generating random numbers. This ensures that there is no security risk due to an already fixed and saved PIN.
  • PINs can become known and be used as soon as they become known, so that a connection can be established by third-party devices as if the third-party devices corresponded to the second device, i.e. H . the device that receives the PIN visually or acoustically.
  • the signaling device can be a light-emitting diode.
  • Light-emitting diodes are small, inexpensive and low-consumption and are therefore widely installed in small and large devices to display simple signals. Such signals are, for example, a light indicating that the device is ready for operation or that a battery is low.
  • a control system is already available that can also generate time-variable signals such as flashing.
  • Light-emitting diodes are also advantageously very responsive and can therefore also display signals with high temporal resolution. They are therefore particularly suitable for transmitting a PIN as invisibly and quickly as possible.
  • the PIN can be encoded, for example, using values for brightness variation and switching duration.
  • the signaling device can comprise several light-emitting diodes, in particular an RGB LED.
  • RGB LEDs are also often installed in small and large devices to display operating status signals.
  • a multicolored LED can be used to make a more complex modulation of the signal, which is more difficult to decipher. It is also possible to transmit a longer representation of the PIN, which results, for example, after encryption, more quickly.
  • relative ones can also be set here Values between the LEDs are used to encode the PIN.
  • the signaling device can be a loudspeaker. Loudspeakers are also found in many small devices and are able to modulate the sound generated so that data can be transmitted.
  • the speaker can be a piezo speaker.
  • the control device can be designed to encrypt the PIN before transmission, in particular with a private key for a PGP process, and to receive the PIN in a decrypted form.
  • the security of the client device can be further increased by using an encryption method.
  • a third-party device that maliciously wants to establish a data connection with the device must be able to carry out the decryption. If, for example, a private key from a PGP process is used for encryption, a third-party device must know the public key.
  • the establishment of the data connection is expediently aborted if the PIN is not sent back in decrypted form. For example, if the PIN is only sent back in encrypted form, which is easily possible, no connection will be established. This ensures that only a second device that can decrypt the PIN, for example has the public key, can establish the data connection with the device.
  • the control device can be designed to convert the PIN into a time-discrete representation using an inverse Fast Fourier transformation and to control the signal device based on the result of the conversion.
  • other forms of converting the PIN into controlling the signaling device can also be used.
  • the control can take place in the manner of a Morse code.
  • the control device can be designed to convert the signal received by the detector into the PIN using a fast Fourier transformation.
  • the control device can also be designed to transmit a checksum together with the PIN.
  • the checksum enables the receiving device to determine whether the PIN was transmitted without errors.
  • control device is then expediently designed to receive a checksum together with the PIN and to use the checksum to determine whether the PIN was transmitted without errors.
  • the first device can also be designed to send the PIN several times anyway. In this case, the second device can discard an incorrectly received PIN and receive the PIN again.
  • the wireless data connection can be a connection based on the Bluetooth standard.
  • Bluetooth connections are widespread, even in industrial environments.
  • Establishing a Bluetooth data connection also known as pairing, involves exchanging a PIN when the device is equipped accordingly, in which a user manually enters the PIN on one of the devices.
  • Devices that do not support this work without a PIN or with a factory-set PIN.
  • the wireless data connection can also be a connection based on the WiFi standard. Even with such a data connection, it is advantageous if the PIN is broadcast via the signaling device in order to make connecting simple devices more secure.
  • the invention is described and explained in more detail below using the exemplary embodiments shown in the figures. Show it :
  • Figure 1 shows a sensor and a control system that establish a Bluetooth connection
  • Figure 2 shows a schematic of a method for secure Bluetooth pairing
  • Figure 3 shows a circuit breaker and a tablet PC that establish a WiFi connection.
  • the following exemplary embodiments describe the process based on pairing two Bluetooth-enabled devices. However, this is just an example and the invention can also be used for other types of wireless data connections, such as WiFi. It is preferably used for radio standards. Radio standards are considered here to be those that use frequencies in the MHz to GHz range.
  • FIG. 1 shows a first device, which in this case is an industrial sensor 11. Furthermore, Figure 1 shows a second device, which in this case is an industrial control system 12.
  • the control system 12 is designed to be able to address, control and read a large number of sensors 11 wirelessly.
  • the control system 12 can be set up, for example, in a factory building or a manufacturing plant.
  • the second device can also be a device that establishes a connection to other networks, for example to a data network such as the Internet and, for example, to a cloud service.
  • the function of the device can, for example, correspond to a router that is equipped for a Bluetooth connection.
  • the sensor 11 should then be connected wirelessly, in this example via Bluetooth, to the control system 12.
  • the sensor 11 has no keyboard or other input options.
  • the sensor 11 also lacks a screen for outputting information. A pairing procedure in which a PIN is generated and displayed on one of the devices and in which the input must be made on the other device cannot be carried out with the sensor 11.
  • the senor 11 has an infrared LED 13, which can be controlled and modulated by the microcontroller 14 built into the sensor 11. If a pairing is now to take place, in which the sensor 11 is connected to the control system 12 via Bluetooth for data exchange, then a PIN exchange procedure is carried out that uses this infrared LED 13.
  • the PIN exchange procedure is shown schematically in Figure 2.
  • a new PIN is generated by the microcontroller 14 in a first step 21.
  • the PIN can be any symbol sequence, for example an alphanumeric character string or just a number sequence. It is generated using a process for generating random numbers. Such methods are known from computer technology, as are the methods and ways of storing the generated PIN in the memory of the microcontroller 14. The PIN is saved temporarily for later comparison.
  • the PIN generated in this way is emitted in a second step 22 with the infrared LED 13.
  • an inverse fast Fourier transformation IFFT
  • IFFT inverse fast Fourier transformation
  • the infrared LED 13 controlled by the microcontroller 14 is controlled in such a way that the modulation sequence is run through one or more times.
  • the Infrared LED 13 has its brightness as its only degree of freedom, but this can be modulated very quickly and thus emit a complex data sequence.
  • an I FFT another form of converting the PIN into a brightness sequence can also be used in other embodiments.
  • a sequence of discrete brightnesses can be used. In the simplest case, this corresponds to Morse code, but in more complex variants, more than two brightness levels can also be used. This means that data transmission can be made faster on the one hand, but also more complex on the other.
  • One goal here can be to make the PIN as difficult as possible for third parties to read.
  • the conversion of the PIN into the brightness sequence can be made more complex than would be necessary for pure data transmission.
  • the infrared signal emitted in this way is received by the control system 12 in a third step 23 with an infrared detector 15.
  • a microcontroller 16 of the control system 12 determines the PIN from the received signal, for example using a Fast Fourier Transformation (FFT).
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • the control system 12 now uses Bluetooth to transmit the PIN back to the sensor 11. The requirements for the necessary local proximity or line of sight are significantly lower than for optical transmission.
  • the sensor 11 receives the PIN in a fifth step 25 and compares the PIN received in this way with the originally sent PIN, which was stored by the sensor 11. If these match, then the sensor 11 accepts the connection. Thus, in a sixth step 26, a Bluetooth connection is established between the sensor 11 and the control system 12. However, if the PIN does not match or is not included in the return, the sensor 11 rejects the connection in a seventh step 27.
  • the establishment of a connection is secured by a PIN that is newly generated with each pairing.
  • This PIN is transmitted between the devices using simple means, in this case infrared LED 13 and infrared detector 15, which is significantly more difficult to intercept than the transmission via Bluetooth itself.
  • FIG. 3 shows a first device, which in this case is a circuit breaker 31.
  • Figure 1 shows a second device, which in this case is a tablet PC 32.
  • the second device can also be a smartphone.
  • the circuit breaker 31 is constructed in an industrial environment. For example, it may be a DC switch in a factory DC system. Both devices are designed for a wireless data connection with a respective WiFi interface 34, 35. A WiFi connection should be established between the circuit breaker 31 and the tablet PC 32.
  • the circuit breaker 31 should have no display and no sufficient input option for a PIN.
  • the circuit breaker 31 includes an RGB LED 33 for a status display, which can be controlled and modulated by the microcontroller 14 installed in the circuit breaker 31. If a connection is now to be established between the circuit breaker 31 and the tablet PC 32, then the PIN exchange procedure introduced in FIG. 2 is carried out again. In this case, the PIN is broadcast using the RGB LED 33. With the three individual diodes that form the RGB LED 33, more complex modulation can be carried out than is possible with a single LED. Here again, the modulation can be carried out in such a way that it is as difficult as possible for outsiders to recognize the type of modulation.
  • the PIN is received on the side of the tablet PC 32 using the camera 36 installed in the tablet PC 32.

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Abstract

Für das Herstellen einer drahtlosen Daten-Verbindung zwischen einem ersten und zweiten Gerät, insbesondere beim Bluetooth-Pairing, erzeugt das erste Gerät eine PIN und übermittelt diese optisch oder akustisch an das zweite Gerät, das die PIN optisch oder akustisch empfängt. Das zweite Gerät überträgt die PIN dann über die drahtlose Daten-Verbindung zurück an das erste Gerät. Das erste Gerät nimmt die drahtlose Daten-Verbindung nur dann auf, wenn die PIN korrekt vom zweiten Gerät empfangen wird.

Description

Beschreibung
Herstellung einer drahtlosen Daten-Verbindung
Die Erfindung betri f ft ein Gerät mit einer Schnittstelle für eine drahtlose Daten-Verbindung und ein Verfahren für die Herstellung einer drahtlosen Daten-Verbindung zwischen einem ersten und zweiten Gerät mit einer solchen Schnittstelle .
Für das Pairing von Bluetooth-Geräten wird im Ideal fall ein Verfahren verwendet , bei dem mittels einer PIN sichergestellt wird, dass die gewünschten Geräte miteinander verbunden sind . Bei der Verbindung von einem Smartphone mit einem Fahrzeug kann beispielsweise ein Display im Fahrzeug eine vom Fahrzeug erzeugte PIN anzeigen, die manuell in das Smartphone eingege- ben werden muss . Das Smartphone überträgt sodann diese PIN an das Fahrzeug, wodurch es authenti fi ziert ist . Dadurch wird es Personen außerhalb des Fahrzeugs deutlich erschwert , ein Bluetooth-Gerät mit dem Fahrzeug zu verbinden .
Manche Geräte verfügen über kein Display und keine Eingabe- möglichkeit . Im Enduser-Bereich sind das beispielsweise Headsets . Bei vielen Geräten im industriellen Umfeld kommen aus Größen- und/oder Kostengründen der Einbau von Display und Eingabemöglichkeit nicht in Frage . Bei solchen Geräten kann die beschriebene Art des Pairings mit einer PIN nicht verwen- det werden .
Ein alternativer Mechanismus für das Pairing ohne PIN funkti- oniert so , dass das zu pairende Gerät in einen Pairingmodus versetzt wird, beispielsweise durch Eindrücken einer Taste . In der Folge akzeptiert das Gerät dann aber alle Pairingre- quests von anderen Geräten . Nachteilig daran ist , dass dieses Vorgehen eine niedrige Sicherheit aufweist , da j edes unge- wünschte Gerät in der näheren Umgebung dann ebenfalls ein Pairing vornehmen kann . Ein weiterer alternativer Mechanismus verwendet eine vordefi- nierte und gleichbleibende PIN . Diese kann per Aufschri ft oder QR-Code ablesbar sein oder im Handbuch des Geräts ver- fügbar sein . Auch diese Variante weist nur eine niedrige Si- cherheitsstuf e auf .
Aufgrund der niedrigen Sicherheit sind beide alternativen Me- chanismen in einem industriellen Umfeld nachteilig .
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für das Pairing anzugeben, das eine verbesserte Sicherheit bei solchen Gerä- ten bietet , die über keine ausreichenden Anzeigen und Einga- bemöglichkeiten verfügen . Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, solche Geräte anzugeben, die für die Durchfüh- rung des Verfahrens geeignet sind .
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Geräte durch Geräte mit den Merkmalen von Anspruch 1 und von Anspruch 2 gelöst . Hin- sichtlich des Verfahrens besteht eine Lösung in dem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 .
Das erfindungsgemäße Gerät umfasst eine Schnittstelle für ei- ne drahtlose Daten-Verbindung, eine steuerbare Signal- Einrichtung zur Erzeugung eines optischen oder akustischen Signals und eine Steuereinrichtung für die Schnittstelle so- wie für die steuerbare Signal-Einrichtung .
Die Steuereinrichtung ist dabei ausgestaltet , für die Aufnah- me einer Datenverbindung mit einem zweiten Gerät ein PIN- Austauschverfahren durchzuführen, das die Schritte umfasst :
- Erzeugung und Speicherung einer PIN für diese Aufnahme ei- ner Datenverbindung,
- Ausstrahlung der PIN mit der Signal-Einrichtung, um dem zweiten Gerät den Empfang zu ermöglichen,
- Rück-Empfang der PIN vom zweiten Gerät über die drahtlose Datenverbindung, - Aufnahme der Datenverbindung nur dann, wenn die empfangene PIN der gespeicherten PIN entspricht .
Ein weiteres erfindungsgemäßes Gerät weist eine Schnittstelle für eine drahtlose Daten-Verbindung, einen optischen oder akustischen Detektor und eine Steuereinrichtung für die Schnittstelle sowie für den Detektor auf .
Dabei ist die Steuereinrichtung ausgestaltet , für die Aufnah- me einer Datenverbindung mit einem zweiten Gerät ein PIN- Austauschverfahren durchzuführen, das die Schritte umfasst :
- Empfangen einer PIN für diese Aufnahme einer Datenverbin- dung vom zweiten Gerät mittels des Detektors ,
- Rück-Sendung der PIN an das zweite Gerät über die drahtlose Daten-Verbindung .
Das erste und zweite so beschriebene Gerät agieren zusammen, j eweils sowohl als Sender und Empfänger der PIN .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Herstellung einer drahtlosen Daten-Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Gerät wird ein PIN-Austauschverfahren durchgeführt .
Dabei erzeugt und speichert das erste Gerät eine PIN und überträgt die PIN optisch oder akustisch zum zweiten Gerät . Das zweite Gerät empfängt die PIN optisch oder akustisch und überträgt die PIN mittels der drahtlosen Daten-Verbindung zum ersten Gerät zurück . Die drahtlose Daten-Verbindung wird nur dann aufgenommen, wenn die gespeicherte PIN der mittels der drahtlosen Verbindung beim ersten Gerät empfangenen PIN ent- spricht .
Bei den erfindungsgemäßen Geräten und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also vorteilhaft zur Übermittlung mit der Sig- nal-Einrichtung ein Datenkanal genutzt , der zum einen kein Funkkanal ist und zum anderen aber bei vielen Geräten bereits vorhanden ist . Hierdurch kann die Vorgehensweise einfach auf bestehende Geräte angewendet werden .
Für das erste Gerät , das die PIN erzeugt , entsteht hierbei der Vorteil , dass eine Aufnahme der Datenverbindung wesent- lich sicherer genau mit demj enigen zweiten Gerät passiert , das dafür vorgesehen ist , indem die optische oder akustische Signal-Einrichtung in die Nähe dieses zweiten Geräts gebracht wird . Die Aufnahme einer solchen Verbindung in böswilliger Weise durch dritte Geräte wird erschwert , da es für die drit- ten Geräte schwieriger ist , die Übertragung der PIN auf opti- schem oder akustischem Weg zu empfangen als die funkbasierte drahtlose Datenverbindung .
Unter einer PIN ( Personal Identi fication Number ) wird hier in üblicher Weise eine Zeichenfolge , typischerweise eine Zi f- fernfolge aus einer beliebigen Anzahl von Zeichen verstanden .
Der Empfang der zurückgesendeten PIN im ersten Gerät erfolgt dabei über die drahtlose Datenverbindung . Das ist stets mög- lich, auch wenn die gewünschte Datenverbindung noch gar nicht besteht und der Empfang der PIN erst die Voraussetzung dafür schaf ft . Unter dem Aufnehmen der Datenverbindung wird ver- standen, dass die Geräte über das PIN-Austauschverfahren hin- aus physisch empfangene Daten voneinander akzeptieren und verarbeiten . Kommt die Datenverbindung hingegen nicht zustan- de , beispielsweise weil die zurückgesendete PIN falsch war, empfangen zwar beide Geräte die Sendungen des j eweils anderen Geräts physisch, verarbeiten diese aber nicht weiter als bis zur Feststellung, dass keine Verbindung zum anderen Gerät be- steht .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den ab- hängigen Ansprüchen hervor . Dabei kann die Aus führungs form der unabhängigen Ansprüche mit den Merkmalen eines der Unter- ansprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Un- teransprüchen kombiniert werden . Demgemäß können noch zusätz- lich folgende Merkmale vorgesehen werden : Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, für j ede Auf- nahme einer Datenverbindung mit einem Verfahren zur Zufalls- zahlenerzeugung eine neue PIN zu erzeugen . Hierdurch wird si- chergestellt , dass nicht ein Sicherheitsrisiko durch eine be- reits feststehende und gespeicherte PIN besteht . Solche PINs können bekannt werden und ab dem Bekanntwerden verwendet wer- den, sodass eine Verbindungsaufnahme durch Drittgeräte so durchgeführt werden kann, als ob die Drittgeräte dem zweiten Gerät entsprächen, d . h . demj enigen Gerät , das die PIN optisch oder akustisch empfängt .
Die Signal-Einrichtung kann eine Leuchtdiode sein . Leuchtdi- oden sind klein, günstig und verbrauchsarm und werden daher weitverbreitet in kleinen wie großen Geräten verbaut , um ein- fache Signale anzuzeigen . Solche Signale sind beispielsweise ein Leuchten für Betriebsbereitschaft des Geräts oder einen niedrigen Ladestand eines Akkus . Für viele Anwendungen ist hierzu schon eine Steuerung vorhanden, die auch zeitlich va- riable Signale wie Blinken erzeugen können . Leuchtdioden sind weiterhin vorteilhaft sehr reaktionsschnell und können daher auch zeitlich hochaufgelöste Signale anzeigen . Sie sind daher besonders gut geeignet zur möglichst unsichtbaren und schnel- len Übertragung einer PIN . Die PIN kann dabei beispielsweise durch Werte für Helligkeitsvariation und Schaltdauer kodiert werden .
In einer besonderen Ausgestaltung kann die Signal-Einrichtung mehrere Leuchtdioden umfassen, insbesondere eine RGB-LED sein . Auch RGB-LEDs sind häufig in kleinen wie großen Geräten verbaut , um Signale zum Betriebs zustand anzuzeigen . Mit einer mehrfarbigen LED kann eine komplexere Modulation des Signals vorgenommen werden, die schwieriger zu entschlüsseln ist . Es ist auch möglich, eine längere Darstellung der PIN, die sich beispielsweise nach einer Verschlüsselung ergibt , schneller zu übertragen . Zusätzlich zu der Helligkeitsvariation und Schaltdauer von einzelnen der LEDs können hier auch relative Werte zwischen den LEDs zur Kodierung der PIN verwendet wer- den .
Alternativ kann die Signal-Einrichtung ein Lautsprecher sein . Auch Lautsprecher sind in vielen Kleingeräten vorhanden und in der Lage , den erzeugten Schall so zu modulieren, dass eine Datenübertragung vorgenommen werden kann . Beispielsweise kann der Lautsprecher ein Piezo-Lautsprecher sein .
Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, die PIN vor der Übermittlung zu verschlüsseln, insbesondere mit einem priva- ten Schlüssel für ein PGP-Verf ahren, und den Empfang der PIN in einer entschlüsselten Form durchzuführen . Über die Verwen- dung eines Verschlüsselungsverfahrens kann die Sicherheit für das Client-Gerät weiter erhöht werden . Ein Fremdgerät , dass böswillig ein eine Datenverbindung mit dem Gerät aufnehmen möchte , muss die Entschlüsselung vornehmen können . Wird für die Verschlüsselung beispielsweise ein privater Key eines PGP-Verf ährens verwendet , muss ein Drittgerät dazu den Public Key kennen .
Die Aufnahme der Datenverbindung wird hierbei zweckmäßig ab- gebrochen, wenn die PIN nicht entschlüsselt zurück übermit- telt wird . Wird die PIN also beispielsweise nur in der ver- schlüsselten Form zurückgeschickt , was leicht möglich ist , kommt keine Verbindung zustande . Hierdurch wird sicherge- stellt , dass nur ein zweites Gerät , das die PIN entschlüsseln kann, also beispielsweise den öf fentlichen Schlüssel besitzt , die Datenverbindung mit dem Gerät aufnehmen kann .
Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, die PIN mittels einer inversen Fast-Fourier-Trans formation in eine zeitdis- krete Darstellung zu wandeln und die Signal-Einrichtung an- hand des Ergebnisses der Wandlung anzusteuern . Alternativ können auch andere Formen der Wandlung der PIN in die Ansteu- erung der Signal-Einrichtung verwendet werden . Beispielsweise kann die Ansteuerung nach der Art eines Morse-Codes stattfin- den . Bei dem zweiten Gerät kann die Steuereinrichtung ausgestaltet sein, das mit dem Detektor empfangene Signal mittels einer Fast-Fourier-Trans formation in die PIN zu wandeln .
Die Steuereinrichtung kann ferner ausgestaltet sein, zusammen mit der PIN eine Prüfsumme zu übertragen . Die Prüfsumme er- möglicht dem empfangenden Gerät , fest zustellen, ob die Über- tragung der PIN fehlerfrei stattgefunden hat .
Bei dem zweiten Gerät ist die Steuereinrichtung dann zweckmä- ßig ausgestaltet , zusammen mit der PIN eine Prüfsumme zu emp- fangen und anhand der Prüfsumme zu ermitteln, ob die PIN feh- lerfrei übertragen wurde .
Wurde die PIN nicht fehlerfrei übertragen, kann signalisiert werden, dass eine erneute Übertragung vorgenommen werden soll . Alternativ kann das erste Gerät auch ausgestaltet sein, die Aussendung der PIN ohnehin mehrfach vorzunehmen . In die- sem Fall kann das zweite Gerät eine falsch empfangene PIN verwerfen und die PIN erneut empfangen .
Bei der drahtlosen Daten-Verbindung kann es sich um eine Ver- bindung nach dem Bluetooth-Standard handeln . Bluetooth- Verbindungen sind weitverbreitet , auch im industriellen Um- feld . Die Aufnahme einer Bluetooth-Datenverbindung, auch als Pairing bekannt , umfasst bei entsprechend ausgestatteten Ge- rät einen PIN-Austausch, bei dem ein Nutzer die PIN bei einem der Geräte manuell eingibt . Geräte , die so etwas nicht unter- stützen, arbeiten dagegen ohne PIN oder mit einer werksseitig festgelegten PIN .
Alternativ kann es sich bei der drahtlosen Daten-Verbindung auch um eine Verbindung nach dem WiFi-Standard handeln . Auch bei einer solchen Datenverbindung ist es vorteilhaft , wenn die PIN über die Signal-Einrichtung ausgestrahlt wird, um ei- ne Verbindungsaufnahme einfacher Geräte sicherer zu machen . Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und er- läutert . Es zeigen :
Figur 1 einen Sensor und eine Steuerungsanlage , die eine Bluetooth-Verbindung aufnehmen,
Figur 2 schematisch ein Verfahren zum sicheren Bluetooth- Pairing,
Figur 3 ein Leitungsschutzschalter und ein Tablet-PC, die eine WiFi-Verbindung aufnehmen .
Die folgenden Aus führungsbeispiele beschreiben das Verfahren anhand des Pairings zweier Bluetooth- fähiger Geräte . Dies ist aber nur ein Beispiel und die Erfindung kann ebenso gut für andere Arten der drahtlosen Daten-Verbindung, beispielsweise WiFi verwendet werden . Bevorzugt kommt es bei Funk-Standards zum Einsatz . Als Funk-Standards werden hierin solche angese- hen, die Frequenzen im MHz- bis GHz-Bereich verwenden .
Anhand von Figur 1 wird ein erstes Aus führungsbeispiel für die Erfindung erläutert . Figur 1 zeigt ein erstes Gerät , das in diesem Fall ein industrieller Sensor 11 ist . Weiterhin zeigt Figur 1 ein zweites Gerät , das in diesem Fall eine in- dustrielle Steuerungsanlage 12 ist . Die Steuerungsanlage 12 ist ausgestaltet , eine Viel zahl von Sensoren 11 drahtlos an- sprechen, steuern und auslesen zu können . Die Steuerungsanla- ge 12 kann beispielsweise in einem Fabrikgebäude oder einer Fertigungsanlage aufgebaut sein .
In anderen Aus führungsvarianten kann es sich bei dem zweiten Gerät auch um ein Gerät handeln, das eine Verbindung zu ande- ren Netzwerken herstellt , beispielsweise zu einem Datennetz wie dem Internet und darüber beispielsweise zu einem Cloud- Service . Das Gerät kann hierbei beispielsweise in der Funkti- on einem Router entsprechen, der für eine Bluetooth- Verbindung ausgerüstet ist . Der Sensor 11 soll in der Folge drahtlos , in diesem Beispiel per Bluetooth, mit der Steuerungsanlage 12 verbunden werden . Der Sensor 11 weist als relativ kleines Gerät keine Tastatur oder andere Eingabemöglichkeiten auf . Ebenso fehlt dem Sensor 11 ein Bildschirm für die Ausgabe von Informationen . Ein Pai- ring-Verf ahren, bei dem eine PIN erzeugt und auf einem der Geräte angezeigt wird und bei dem die Eingabe beim anderen Gerät erfolgen muss , kann mit dem Sensor 11 nicht durchge- führt werden .
Der Sensor 11 hat j edoch eine Infrarot-LED 13 , die vom im Sensor 11 verbauten Mikrocontroller 14 angesteuert und modu- liert werden kann . Soll nun ein Pairing erfolgen, bei dem der Sensor 11 per Bluetooth mit der Steuerungsanlage 12 für den Datenaustausch verbunden wird, dann wird ein PIN-Austausch- verfahren durchgeführt , das diese Infrarot-LED 13 nutzt . Das PIN-Austauschverfahren ist schematisch in Figur 2 darge- stellt .
Bei dem PIN-Austauschverfahren wird in einem ersten Schritt 21 durch den Mikrocontroller 14 eine neue PIN erzeugt . Die PIN kann im Prinzip j ede Symbol folge sein, beispielsweise ei- ne alphanumerische Zeichenfolge oder einfach nur eine Zi f- fernfolge . Die Erzeugung erfolgt durch ein Verfahren zur Er- zeugung von Zufalls zahlen . Solche Verfahren sind aus der Com- putertechnik ebenso bekannt wie die Verfahren und Arten, die erzeugte PIN im Speicher des Mikrocontrollers 14 abzulegen . Die PIN wird für einen späteren Vergleich zwischengespei- chert .
Die so erzeugte PIN wird in einem zweiten Schritt 22 mit der Infrarot-LED 13 ausgestrahlt . Um das zu tun, kann beispiels- weise eine inverse Fast-Fourier-Trans formation ( I FFT ) verwen- det werden, um aus der PIN eine Modulations folge für die Inf- rarot-LED 13 zu erzeugen . Die durch den Mikrocontroller 14 angesteuerte Infrarot-LED 13 wird so gesteuert , dass die Mo- dulations folge ein- oder mehrere Male durchlaufen wird . Die Infrarot-LED 13 hat als einzigen Freiheitsgrad ihre Hellig- keit , diese kann aber sehr schnell moduliert werden und somit eine komplexe Datenfolge ausstrahlen .
Statt einer I FFT kann in anderen Ausgestaltungen auch eine andere Form der Wandlung der PIN in eine Helligkeits folge verwendet werden . Beispielsweise kann eine Folge von diskre- ten Helligkeiten verwendet werden . Im einfachsten Fall ent- spricht diese einem Morse-Code , in komplexeren Varianten kön- nen aber auch mehr als zwei Helligkeitsstufen verwendet wer- den . Damit kann die Datenübertragung einerseits schneller, andererseits aber auch komplexer gemacht werden . Hierbei kann ein Ziel sein, die PIN möglichst schwer für Dritte auslesbar zu machen . Hierzu kann die Wandlung der PIN in die Hellig- keits folge komplexer gemacht werden, als es für die reine Da- tenübertragung notwendig wäre .
Weiterhin ist es in anderen Varianten möglich, dass zusätz- lich zur PIN eine Prüfsumme übertragen wird, anhand derer der korrekte Empfang überprüft werden kann . Prüf summen für sich genommen sind aus dem Stand der Technik bekannt .
Die derart ausgestrahlte Infrarot-Signal wird von der Steue- rungsanlage 12 in einem dritten Schritt 23 mit einem Infra- rot-Detektor 15 empfangen . Ein Mikrocontroller 16 der Steue- rungsanlage 12 ermittelt aus dem empfangenen Signal bei- spielsweise mittels einer Fast-Fourier-Trans formation ( FFT ) die PIN . Die PIN ist somit auf optischem Weg von dem Sensor 11 an die Steuerungsanlage 12 übertragen worden .
Es ist dafür zweckmäßig, wenn der Sensor 11 in der Nähe der Steuerungsanlage 12 ist , wenn das Pairing stattfinden soll . Zusätzlich ist es zweckmäßig, wenn die Infrarot-LED 13 so ausgerichtet ist , dass ein guter Empfang durch den Infrarot- Detektor 15 möglich ist . Im Gegensatz zu Funk-Signalen, die Wände j e nach Beschaf fenheit gut durchdringen können, ist das Infrarot-Signal außerhalb eines Raums und j e nach Stärke ab- seits der direkten Sichtlinie kaum noch zu empfangen . In einem vierten Schritt 24 verwendet nun die Steuerungsanla- ge 12 Bluetooth, um die PIN zurück an den Sensor 11 zu über- tragen . Die Anforderungen an die hierzu nötige örtliche Nähe oder Sichtlinie sind dabei wesentlich geringer als bei der optischen Übertragung .
Der Sensor 11 empfängt die PIN in einem fünften Schritt 25 und vergleicht die so empfangene PIN mit der ursprünglich versendeten PIN, die vom Sensor 11 gespeichert wurde . Stimmen diese überein, dann akzeptiert der Sensor 11 die Verbindung . Somit ist in einem sechsten Schritt 26 eine Bluetooth- Verbindung zwischen dem Sensor 11 und der Steuerungsanlage 12 hergestellt . Stimmt die PIN hingegen nicht überein oder ist in der Rücksendung nicht enthalten, lehnt der Sensor 11 die Verbindung in einem siebten Schritt 27 ab .
Im Gegensatz zu einer Verbindungsaufnahme mit einer festste- henden PIN, die möglicherweise auch für alle Sensoren vom Typ von Sensor 11 gleich ist , oder gar keiner PIN, wird also hier die Verbindungsaufnahme durch eine bei j edem Pairing neu er- zeugte PIN abgesichert . Diese PIN wird durch einfache Mittel , in diesem Fall Infrarot-LED 13 und Infrarot-Detektor 15 zwi- schen den Geräten übertragen, was deutlich schwieriger abzu- hören ist als die Übertragung durch Bluetooth selbst .
Anhand von Figur 3 wird ein zweites Aus führungsbeispiel für die Erfindung erläutert . Gleichartige Bauelemente sind hier- bei mit denselben Bezugs zeichen versehen wie in Figur 1 . Fi- gur 3 zeigt ein erstes Gerät , das in diesem Fall ein Lei- tungsschutzschalter 31 ist . Weiterhin zeigt Figur 1 ein zwei- tes Gerät , das in diesem Fall ein Tablet-PC 32 ist . Analog kann das zweite Gerät auch ein Smartphone sein . Der Leitungs- schutzschalter 31 ist in einem industriellen Umfeld aufge- baut . Beispielsweise kann es sich um einen Gleichstrom- Schalter in einer Fabrik-Gleichstrom-Anlage handeln . Beide Geräte sind für eine drahtlose Datenverbindung mit einer j e- weiligen WiFi-Schnittstelle 34 , 35 ausgestaltet . Zwischen dem Leitungsschutzschalter 31 und dem Tablet-PC 32 soll eine WiFi-Verbindung hergestellt werden . Der Leitungs- schutzschalter 31 soll in diesem Aus führungsbeispiel kein Display und keine ausreichende Eingabemöglichkeit für eine PIN aufweisen .
Der Leitungsschutzschalter 31 umfasst j edoch für eine Status- anzeige eine RGB-LED 33 , die vom im Leitungsschutzschalter 31 verbauten Mikrocontroller 14 angesteuert und moduliert werden kann . Soll nun ein Verbindungsaufnahme zwischen dem Leitungs- schutzschalter 31 und dem Tablet-PC 32 erfolgen, dann wird wiederum das in Figur 2 eingeführte PIN-Austauschverfahren durchgeführt . In diesem Fall wird die PIN mittels der RGB-LED 33 ausgestrahlt . Dabei kann mit den drei einzelnen Dioden, die die RGB-LED 33 bilden, eine komplexere Modulation vorge- nommen werden, als dies mit einer einzelnen LED möglich ist . Hierbei kann wiederum die Modulation so vorgenommen werden, dass es außenstehenden möglichst erschwert wird, die Art der Modulation zu erkennen . Der Empfang der PIN passiert auf der Seite des Tablet-PC 32 mittels der im Tablet-PC 32 verbauten Kamera 36 . I st diese , wie in Smartphone häufig anzutref fen, ein Active Pixel Sensor ( auch als CMOS-Sensor bekannt im Ge- gensatz zu den in Digitalkameras und Videokameras verwendeten CCDs ) , kann eine verhältnismäßig schnelle Modulation detek- tiert werden . Die Rückübertragung der PIN vom Tablet-PC 32 zum Leitungsschutzschalter 31 erfolgt analog zum ersten Aus- führungsbeispiel mittels der WiFi-Schnittstellen 34 , 35 .
Be zugs Zeichen
11 Sensor
12 S t eue rungs anl age 13 Inf rarot-LED
14 , 16 Mikrocontroller
15 Infrarot- Defekt or
17 , 18 Bluetooth-Schnittstelle
21...27 erster bis siebter Schritt 31 Le itungs schütz schal ter
32 Tablet-PC
33 RGB-LED
34 , 35 WiFi -Schnitt stelle
36 Kamera

Claims

Patentansprüche
1. Gerät (11, 31) mit
- einer Schnittstelle (17, 34) für eine drahtlose Daten- Verbindung,
- einer steuerbaren Signal-Einrichtung (13, 33) zur Erzeugung eines optischen oder akustischen Signals,
- einer Steuereinrichtung (14) für die Schnittstelle (17, 34) sowie für die steuerbare Signal-Einrichtung (13, 33) , wobei die Steuereinrichtung (14) ausgestaltet ist, für die Aufnahme einer Datenverbindung mit einem zweiten Gerät (12,
32) ein PIN-Austauschverfahren durchzuführen, das die Schrit- te umfasst:
- Erzeugung (21) und Speicherung einer PIN für diese Aufnahme einer Datenverbindung,
- Ausstrahlung (22) der PIN mit der Signal-Einrichtung (13,
33) , um dem zweiten Gerät (12, 32) den Empfang zu ermögli- chen,
- Rück-Empfang (33) der PIN vom zweiten Gerät (12, 32) über die drahtlose Datenverbindung,
- Aufnahme der Datenverbindung nur dann, wenn die empfangene PIN der gespeicherten PIN entspricht.
2. Gerät (11, 31) nach Anspruch 1, derart ausgestaltet, dass für jede Aufnahme einer Datenverbindung mit einem Verfahren zur Zufallszahlenerzeugung eine neue PIN erzeugt wird.
3. Gerät (11, 31) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Signal- Einrichtung (13, 33) eine Leuchtdiode (13) ist.
4. Gerät (11, 31) nach Anspruch 3, bei dem die Signal- Einrichtung (13) mehrere Leuchtdioden umfasst, insbesondere eine RGB-LED (33) ist.
5. Gerät (11, 31) nach Anspruch 1, bei dem die Signal- Einrichtung (13, 33) ein Lautsprecher ist.
6. Gerät (11, 31) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (17, 34) ausgestaltet ist, die PIN vor der Übermittlung zu verschlüsseln, insbesondere mit einem privaten Schlüssel für ein PGP-Verf ahren, und den Empfang der PIN in einer entschlüsselten Form durchzuführen.
7. Gerät (11, 31) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (14) ausgestaltet ist, die PIN mit- tels einer inversen Fast-Fourier-Transformation in eine zeit- diskrete Darstellung zu wandeln und die Signal-Einrichtung (13, 33) anhand des Ergebnisses der Wandlung anzusteuern.
8. Gerät (11, 31) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (14) ausgestaltet ist, zusammen mit der PIN eine Prüfsumme zu übertragen.
9. Gerät (12, 32) mit einer Schnittstelle (18, 35) für eine drahtlose Daten-Verbindung,
- einem optischen oder akustischen Detektor (15, 36) ,
- einer Steuereinrichtung (16) für die Schnittstelle (18, 35) sowie für den Detektor (15, 36) , wobei die Steuereinrichtung (16) ausgestaltet ist, für die Aufnahme einer Datenverbindung mit einem zweiten Gerät (11, 31) ein PIN-Austauschverfahren durchzuführen, das die Schrit- te umfasst:
- Empfangen einer PIN für diese Aufnahme einer Datenverbin- dung vom zweiten Gerät (11, 31) mittels des Detektors (15, 36) ,
- Rück-Sendung der PIN an das zweite Gerät (11, 31) über die drahtlose Daten-Verbindung.
10. Gerät (12, 32) nach Anspruch 9, bei dem die Steuerein- richtung (16) ausgestaltet ist, das mit dem Detektor (15, 36) empfangene Signal mittels einer Fast-Fourier-Transformation in die PIN zu wandeln.
11. Gerät (12, 32) nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Steu- ereinrichtung (16) ausgestaltet ist, zusammen mit der PIN ei- ne Prüfsumme zu empfangen und anhand der Prüfsumme zu ermit- teln, ob die PIN fehlerfrei übertragen wurde.
12. Gerät (11, 12, 31, 32) nach einem der vorangehenden An- sprüche, bei dem die drahtlose Daten-Verbindung eine Verbin- dung nach dem Bluetooth-Standard ist.
13. Gerät (11, 12, 31, 32) nach einem der vorangehenden An- sprüche, bei dem die drahtlose Daten-Verbindung eine Verbin- dung nach dem WiFi-Standard ist.
14. Verfahren für die Herstellung einer drahtlosen Daten- Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Gerät (11, 12, 31, 32) , bei dem ein PIN-Austauschverfahren durchgeführt wird, bei dem
- das erste Gerät (11, 31) eine PIN erzeugt und speichert,
- das erste Gerät (11, 31) die PIN optisch oder akustisch zum zweiten Gerät (12, 32) überträgt,
- das zweite Gerät (12, 32) die PIN optisch oder akustisch empfängt,
- das zweite Gerät (12, 32) die PIN mittels der drahtlosen Daten-Verbindung zum ersten Gerät (11, 31) überträgt,
- die Verbindung nur dann aufgenommen wird, wenn die gespei- cherte PIN der mittels der drahtlosen Verbindung beim ersten Gerät (11, 31) empfangenen PIN entspricht.
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JP2002073565A (ja) * 2000-09-04 2002-03-12 Nec Corp 電子機器の認証システムとその認証方法
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