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Gegenstand
der Erfindung ist eine Chipkarte mit Maßnahmen zur Überwachung
der Datenintegrität
der auf der Chipkarte gespeicherten Daten und Maßnahmen zur Gewährleistung
der Ablaufintegrität, wobei
diese Maßnahmen
in der auf der Chipkarte ablaufenden Software (Betriebssystem und
Applikationen) realisiert sind und automatisch bei der Softwareerstellung
erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass auf der in der Chipkarte implementierten Software (Betriebssystem
und Applikationen) Gegenmaßnahmen eingebaut
werden müssen,
um die Chipkarte gegen äußere Angriffe
zu schützen.
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Solche
Angriffe werden Penetrationsversuche genannt, wo im konkreten Fall
der Chip der Chipkarte physikalischen und/oder chemischen Prozessen
ausgesetzt wird und hierbei versucht wird, gezielt Fehler auf der
Karte zu erzeugen (im Folgenden „Fehlerinduktion” auch bekannt
unter dem Begriff „fault
induction”).
Bekannt sind unter anderem Angriffe mit Hilfe von Laserstrahlen,
Licht, ionisierender Strahlung und mit Spannungs- und Frequenzveränderungen
sowie Stromimpulsen an den Anschlüssen des Chips, sowie physikalische
Manipulationen mittels sehr feinen Sonden/Kontakten und chemische Manipulationen.
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Um
solchen Angriffen zu entgegnen ist es im Stand der Technik bekannt,
dass man bei der Programmierung der Chipkartensoftware zur Sicherung der
Datenintegrität
Daten, Adresswerte und Rücksprungadressen
mit Prüfsummen
oder redundanten Daten versieht und dazu benutzt die Datenintegrität vor und
oder nach der Datenverwendung zu überprüfen. Bezüglich der Ablaufintegrität besteht
ein weiteres bekanntes Verfahren darin, zum Beispiel die Ausführung von
Codes dadurch abzusichern, dass die Abfrage von Bedingungen doppelt
(ggf. in komplementärer
Weise) ausgeführt
wird oder bestimmte Code-Abschnitte redundant vorhanden sind. Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin die Ablaufintegrität
dadurch sicherzustellen, dass logische Programmabfolgen (z. B. Unterprogrammaufrufe)
durch die Weitergabe zusätzlicher
redundanter Informationen auf ihre logische Korrektheit geprüft werden.
Weiters ist auch bekannt, dass Daten zunächst geschrieben werden, danach
zurück
gelesen werden und dann verglichen wird, ob die Daten richtig geschrieben
wurden oder nach mathematischen Operationen zusätzlich die inversen Operationen
durchgeführt
und die Ergebnisse überprüft werden.
Weiters kann durch die Dokumentation der Chip-Hardware vorgegeben
sein, welche Hardware-Gegenmaßnahmen
in bestimmten Fällen zu
Aktivieren oder zu Deaktivieren sind.
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Die
Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dass man
den vorher beschriebenen Sicherungsprozess, gemeint ist die Implementierung
der Gegenmaßnahmen
in die Chipkartensoftware, automatisiert und durch Parameter steuerbar macht.
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Bisher
war es bei der Programmierung einer solchen Software notwendig auf
den speziellen Programmablauf abgestimmte – Sicherungsmechanismen (Gegenmaßnahmen) – sozusagen „von Hand” – einzubauen.
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Weiterer
Nachteil ist, dass bei einer umfangreichen Programmierung von Chipkartensoftware, wie
es beim Stand der Technik der Fall ist, ein außerordentlich hoher Programmieraufwand
entsteht, dessen Prüfung
schwierig ist, der fehleranfällig
ist und der einem großen
Entwicklungsaufwand führt.
Durch die implementierten Gegenmaßnahmen steigen weiters der
Speicherbedarf und die Berechnungszeit der Software.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Chipkarte der
eingangs genannten Art mit einer Absicherung der Software über Software-Gegenmaßnahmen
so weiter zu bilden, dass die Implementierung der Gegenmaßnahmen
in der Chipkartensoftware automatisiert und über Parameter steuerbar erfolgt.
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Zur
Lösung
der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass die Gegenmaßnahmen
durch ein Software-Modul erzeugt werden, welches in die Toolchain
eingreift oder integriert ist.
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Die
Erfindung sieht deshalb eine Chipkarte mit Maßnahmen zur Überwachung
der Datenintegrität
und Maßnahmen
zur Gewährleistung
der Ablaufintegrität
auf Softwarebasis (Software – Gegenmaßnahmen
vor, wobei diese Maßnahmen
in der auf der Chipkarte ablaufenden Software und Applikationen realisiert
sind, um die Chipkarte gegen äußere Angriffe
zu schützen.
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Solche äußeren Angriffe
auf die Chipkarte sind insbesondere
- • Angriffe
mit Hilfe von –
Elektromagnetischen
Wellen (Laserstrahlen, Licht, ionisierender Strahlung)
– Spannungs-
und Frequenzveränderungen
an den Kontakten des Chips
– physikalische Manipulationen
des Chips mittels sehr feine Sonden/Kontakten
– chemische
Manipulationen
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Das
Resultat eines solchen Angriffes ist im Erfolgsfall, dass
- • der
Inhalt einer Speicherzelle (im flüchtigen oder nicht-flüchtigen
Speicherbereich) geändert
wird oder
- • der
Inhalt eines Prozessor-Registers (eines Haupt- oder Co-Prozessors
oder ein spezielles Hardware-Register) geändert wird. Handelt es sich
hierbei beispielsweise um den so genannten Programm Counter, welcher
den als nächsten auszuführenden
Befehl bezeichnet, so wird das Programm an einer anderen Stelle
fortgesetzt.
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Eine
solche Veränderung
des Inhaltes kann grundsätzlich
persistent oder transient sein. Folgende Fälle sind zu unterscheiden:
- • persistente
Veränderung
im nicht flüchtigen Speicher:
alle nachfolgenden Lese-Zugriffe liefern den geänderten Wert zurück.
- • Persistente
Veränderung
im flüchtigen
Speicher: alle nachfolgenden Lese-Zugriffe bis zum nächsten Reset des Chips liefern
den veränderten
Wert zurück
(nach dem Reset ist der Inhalt des flüchtigen Speichers im Allgemeinen
undefiniert).
- • Persistente
Veränderung
eines Prozessor-Registers: alle nachfolgenden Lese-Zugriffe bis
zu dem Zeitpunkt an dem ein neuer Wert in das Register geschrieben
wird (das kann auch selbsttätig von
der Chip-Hardware verursacht werden), liefern den geänderten
Wert zurück
- • Transiente
Veränderung
einer Speicherzelle oder eines Registers: nur der aktuelle Lese-Zugriff auf
die Speicherzelle oder ein Register liefert einen geänderten
Wert zurück.
Alle nachfolgenden Lese-Zugriffe liefern wieder den korrekten Wert zurück. Dieser
Angriff funktioniert im Allgemeinen nur dann, wenn der Angriff exakt
zum Zeitpunkt des Lese-Zugriffs ausgeführt wird. Es handelt sich hier
um den Angriff mit der derzeit höchsten – da auf
realer Hardware am einfachsten ausführbaren – Erfolgsrate.
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Die
derzeit bekannten Angriffe auf reale Hardware haben gemeinsam, dass
das Setzen einer Speicherzelle auf einen bestimmten Wert im Allgemeinen
sehr schwierig ist, sondern ein zumeist ein – von außen für den Angreifer aufgrund von
Speicherverschlüsselungsmechanismen – nicht
vorhersehbares Bit-Muster gesetzt wird oder alle Bits der zu verändernden
Speicherzelle auf den Wert Null oder alle Bits auf den Wert Eins
gesetzt werden.
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Erfindungsgemäß werden
die Gegenmaßnahmen
(redundante Daten und Prüfroutinen)
von einem Software-Modul erzeugt, insbesondere folgende Gegenmaßnahmen
- • Versehen
der Daten, Adresswerte und Rücksprungadressen
mit Prüfsummen
oder redundanten Daten und deren Verarbeitung durch Prüfroutinen
- • Einbringen
von redundanten Codeabschnitten (z. B. doppeltes und ggf. komplementäres Abfragen
von Bedingungen, Weitergabe redundanter Information bei Unterprogrammaufrufen)
zur Sicherung der Ablaufintegrität
logischer Programmabfolgen
- • Einbringen
von zusätzlichem
Code und Daten zur Erkennung von unbeabsichtigten Sprüngen (z.
B. von einem Angreifer induziert) innerhalb des Programmablaufes.
- • Das
Schreiben und nachfolgende Zurücklesen von
Daten
- • Durchführen von
mathematisch inversen Operationen und Kontrolle der Ergebnisse
- • Aktivieren
und Deaktivieren von Hardware-Gegenmaßnahmen gemäß den Vorgaben in der Dokumentation
der Chip-Hardware
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Mit
der Verwendung eines Software-Moduls besteht der Vorteil, dass dieses
automatisch (selbsttätig)
arbeitet und der Benutzereingriff nur beim Start und möglicherweise
bei der Auslesung und Auswertung der Ergebnisse notwendig ist. Ein
solches Software-Modul ist vorteilhaft in die sogenannte Toolchain
integriert.
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Die
Toolchain (deutsch: Werkzeugkette) ist ein Gesamtbegriff für die Programmier- und insbesondere Übersetzungswerkzeuge,
die in einem Projekt eingesetzt werden um den Source-Code zu Erstellen
und in den ablauffähigen
Binärcode
zu übersetzen.
Diese Produkte bilden ein Gesamtsystem oder eine Werkzeugkette,
die für
die Programmierung von sowohl Anwendungen als auch Betriebssystemen
genutzt werden. Der Begriff Toolchain ist ein wichtiger Bestandteil
bei der Entwicklung des Linux Kernels, der Entwicklung der BSD und
ein Standardtool bei der Entwicklung von Eingebetteten Systemen.
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Demzufolge
versteht man unter einer Toolchain (Toolkette) die gesamte Kette
von Softwareentwicklungswerkzeugen, beginnend von der Programmerstellung
und Quellkodeverwaltung über den
Pre-Prozessor, Compiler, Assembler und den Linker bis hin zum Simulator
und Emulator. In manchen Fällen
werden die Werkzeuge für
die Anforderungs- und Änderungsverwaltung
ebenfalls zur Toolchain gezählt.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass man das Softwaremodul zur automatischen Generierung
der Gegenmaßnahmen
in diese Toolchain einfügt.
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Es
bestehen bei der vorliegenden Erfindung also wesentliche Vorteile
gegenüber
der manuellen Programmierung der Gegenmaßnahmen. Die Erfindung vermeidet
diese aufwendige Programmierung und sieht stattdessen ein Software-Modul
vor, welches in die Toolchain (in dem Bereich zwischen dem Source-Code
und dem resultierenden Maschinencode) dazwischen geschaltet ist.
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Hier
bestehen besondere Vorteile, denn der Hardware-Hersteller legt dem
Verwender der Chipkarte (Softwareentwickler) besondere Sicherungsmaßnahmen
auf, wie beispielsweise das Aktivieren und Benutzen von Schutzfunktionen,
die in der Chip-Hardware eingebaut sind sowie von Software-Sicherungsmaßnahmen.
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Hier
setzt die Erfindung ein, die vorsieht, dass die Software-Sicherheitsfunktionalität automatisch
und über
Parameter steuerbar in der Toolchain generiert wird.
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Es
handelt sich also um eine Software-Anwendung, welche in die einzelnen
Elemente der Toolchain (insbesondere Pre-Prozessor, Compiler, Linker,
Assembler) integriert ist, d. h. um eine spezielle Ausführung der
Toolchain bzw. der Compiler-Software.
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Das
Software-Modul zur Erzeugung der Gegenmaßnahmen wird durch Parameter
gesteuert, welche die Art und den Umfang der Gegenmaßnahmen
definieren, insbesondere
- • Welche Arten von Daten durch
redundante Daten abgesichert werden sollen (z. B. Daten im RAM oder
EEPROM, Adresswerte, Registerinhalte)
- • Wie
die redundanten Daten gestaltet sein sollen (z. B. Art der zu benutzenden
Prüfsummen)
- • Welche
Arten von Prüfroutinen
erzeugt werden sollen (Erstellen und Prüfen von Prüfsummen vor/nach der Datenverwendung,
doppeltes Abfragen von Bedingungen ggf. in komplementärer Weise,
redundante Code-Abschnitte, Weitergabe redundanter Information zur
Kontrolle der logischen Programmablauffolgen, Schreiben und nachfolgendes
Lesen und Vergleichen von Daten, Durchführen von mathematisch inversen
Operationen) Wie viel Prüfroutinen
eingebracht werden sollen (absolute oder relative Maßzahl der
Codegröße
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Das
folgende Beispiel illustriert die Vorgehensweise:
Wenn in der
Smartcard-Software z. B. ein Speicherbereich angelegt wird und es
handelt sich dabei um einen kritischen Speicherbereich, wie z. B.
einen Schlüssel,
dann wird üblicherweise
vom Entwickler gefordert, dazu auch eine Prüfsumme abzuspeichern. Der Entwickler
muss die Berechnung der Prüfsumme
programmieren, muss einen Speicherbereich für diese Prüfsumme reservieren und muss
dann auch an bestimmten Stellen des von ihm entwickelten Programms
die Prüfsumme
wieder prüfen.
Die Erfindung besteht nun darin, dass dieser Schritt, das Berechnen
der Prüfsumme,
das Reservieren des Speicherplatzes, das Abspeichern und das nachträgliche Wiederprüfen automatisch
in diesen Software-Code automatisch durch die Toolchain eingefügt, wird
und damit für
den Entwickler auch weitgehend transparent abläuft.
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Zusätzlich kann
nach einer Weiterbildung das Softwaremodul dynamische Parameter
erzeugen, welche zur Laufzeit des Chipkartenbetriebssystem und der
Applikationen vorgeben, wie ausführlich und
wie zeitaufwendig die Gegenmaßnahmen
auszuführen
sind.
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Aus
dem beigefügten
Blockschaltbild ergibt sich, dass die Sicherheit einer Chipkarte
durch das Zusammenspiel sowohl der sicheren Chip-Hardware als auch
der sicheren Software (Applikationen, Betriebssystem und Software-Gegenmaßnahmen,
wie von der Dokumentation gefordert) erzeugt werden muss.
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Der
Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination
der einzelnen Patentansprüche
untereinander.
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Alle
in den Unterlagen, einschließlich
der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden
als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in
Kombination gegenüber
dem Stand der Technik neu sind.
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Es
zeigen:
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1:
Blockschaltbild mit allgemeiner Darstellung des Zusammenspiels von
Software-Entwicklung, sicherer Chip-Hardware und Software Gegenmaßnahmen
in einer Chipkarte.
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2:
Implementierung des Sicherheitscodes in der Toolchain.
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Die
Chipkarte 4 besteht im Prinzip aus einer sicheren Chip-Hardware 2,
Applikationen 6, einem Betriebssystem 7 und Software
Gegenmaßnahmen 1.
Die zur sicheren Chip-Hardware gehörige Dokumentation 3 schreibt
vor, welche Software – Gegenmaßnahmen 1 zu
implementieren sind, um mir dieser sichere Chip-Hardware 2 ein
bestimmtes Produkt (Chipkarte 4) in sicherer Weise umzusetzen.
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Der
Programmierer 5 implementiert Applikationen 6,
Betriebssystem 7 und die Software – Gegenmaßnahmen 1 gemäß den Vorgaben
der Dokumentation 3 für
die sichere Chip-Hardware 2.
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Erfindungsgemäß soll nun
die auf der Chipkarte ablaufende Software (Betriebssystem 7 und Applikationen 6)
durch eine automatisch Erzeugung von Gegenmaßnahmen 15 in der
Toolchain 8 abgesichert werden, ohne dass es der manuellen
Einfügung von
bestimmten Gegenmaßnahmen
bedarf.
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Der
Source-Code 9, der vom Entwickler 5 verfasst wurde,
wird durch die Toolchain 8, die z. B. aus einem Preprozessor 10,
einem Compiler 11, einem Assembler 12 und einem
Linker 13 besteht in den Maschinencode 14 umgewandelt.
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Das
Wichtige der vorliegenden Erfindung ist nun in der zweiten Abbildung, 2 dargestellt,
dass herkömmlich
vom Programmierer 5 verlangt wird, Software Gegenmaßnahmen
gemäß Dokumentation 3 zu
implementieren, beispielsweise bei Datenelementen redundante Daten
zu definieren und ferner Prüfroutinen,
um beispielsweise diese redundanten Daten auf Integrität zu prüfen oder
Maßnahmen,
welche die Ablaufintegrität
sicherstellen.
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Erfindungsgemäß soll dies
nun vermieden werden und stattdessen sollen die Erzeugung der Gegenmaßnahmen 15 (z.
B. redundanten Daten und die Prüfroutinen)
in der den Sourcecode verarbeitenden Software (Toolchain 8)
unter Verwendung des Softwaremoduls 17 erzeugt werden.
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Damit
wird der Programmieraufwand wesentlich verringert, denn es ist nicht
mehr notwendig, im Source-Code 9 die Erzeugung der Gegenmaßnahmen 15 durch
den Programmierer 5 durchzuführen, sondern dies wird nachfolgend
in der nachgeschalteten Toolchain 8 zusammen mit dem Softwaremodul 15 gesteuert
durch die Parameter 18 durchgeführt.
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Die
Gegenmaßnahmen
werden somit mit wesentlich geringerem Entwicklungsaufwand generiert,
wobei auch die Fehlerträchtigkeit
minimiert wird.
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Das
Software-Modul (17) zur Erzeugung der Gegenmaßnahmen
(15) ist vorteilhaft in die Toolchain (Bereich zwischen
dem Source-Code (9), dem Preprozessor (10), dem
Compiler (11), dem Assembler (12), dem Linker
(13)) und dem ausführenden
Organ für
die Ausführung
des Maschinencodes (14) dazwischen geschaltet.
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Damit
besteht der Vorteil, die manuelle und damit nur aufwendig anpassbare
Implementierung der Gegenmaßnamen
zu vermeiden und in die Toolchain zu verlagern, wobei dynamische
Parameter definieren und damit der Toolchain vorgeben, wie und in
welchem Ausmaß die
Umsetzung der Gegenmaßnahmen
stattzufinden hat. Beispielsweise können hier der zur Verfügung stehende
Speicherplatz für
die redundanten Daten sowie der gewünschte Abarbeitungsaufwand
der Prüfroutinen
definiert werden. Die Implementierung eines dynamischen Parameters
hat also den Vorteil, dass man über
diese Variablen frei entscheiden kann, wie die Sicherheitsprozeduren
und in welcher Zeit sie ablaufen, während dies bei einer manuellen
Source-Code-Programmierung nicht oder nur mit großen Aufwand
möglich
ist.
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Mit
den Maßnahmen
der Erfindung wird individuell notwendiger Programmieraufwand eingespart,
weil die Implementierung von Gegenmaßnahmen in die selbsttätig ablaufende
Toolchain verlagert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Software-Gegenmaßnahmen
- 2
- Sichere
Chip-Hardware
- 3
- Dokumentation
- 4
- Chipkarte
- 5
- Programmierer
- 6
- Applikationen
- 7
- Betriebssystem
- 8
- Toolchain
- 9
- Source-Code
- 10
- Preprozessor
- 11
- Compiler
- 12
- Assembler
- 13
- Linker
- 14
- Maschinencode
- 15
- Erzeugung
von Gegenmaßnahmen
- 16
- Analyseinformation
- 17
- Software-Modul
- 18
- Parameter
