DE19850721A1 - Datenträger mit Verschleierung des Stromverbrauchs - Google Patents

Datenträger mit Verschleierung des Stromverbrauchs

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Abstract

Um bei einem Datenträger mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung die Ausspähung von Daten über die Messung des Stromverbrauchs zu vereiteln, wird vorgeschlagen, eine an der Stromversorgung des Datenträgers angeschlossene Lastschaltung dazu vorzusehen, zumindest während sicherheitsrelevanter Operationen der Datenverarbeitungsvorrichtung den Stromverbrauch des Datenträgers zu beeinflussen.

Description

Die Erfindung betrifft sowohl einen Datenträger mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung als auch ein elektronisches Bauteil mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, beispielsweise für einen für einen solchen Datenträger.
In jüngster Vergangenheit wurden Sicherheitsbedenken gegen solche Datenträger geäußert, in welchen behauptet wurde, man könne sicherheitsrelevante Daten durch Beobachtung des Stromverbrauch eines solchen Datenträgers ermitteln. Tatsächlich wird während aller logischen Operationen, und so auch während sensibler Operationen bzw. Teiloperationen (z. B. kryptographische Berechnungen) durch Schaltvorgänge in der Logik Strom abhängig vom Ergebnis bzw. logischen Pegel verbraucht. Eine Messung des von der Schaltung aufgenommenen Stromes soll daher für eine Attacke verwendet werden können, um gehei­ me Daten (Schlüssel) mit Hilfe mathematischer Verfahren (Korrelationen, power analysis) herauszufinden.
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt den Erfolg solcher Ausspähungsmaßnahmen zu vereiteln.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine, an der Stromversorgung des Datenträgers angeschlossene Lastschaltung dazu vorgesehen ist, zumindest während sicherheitsrelevanter Operationen der Datenverarbeitungsvorrichtung den Stromverbrauch des Datenträgers zu beeinflussen.
Auf diese Weise entspricht der äußerlich messbare Stromverbrauch nicht mehr dem Stromverbrauch der Datenverarbeitungsvorrichtung allein, sondern enthält noch eine andere Komponente, die vorzugsweise in keinem direkten Zusammenhang mit den internen Operationen der Datenverarbeitungsvorrichtung stehen sollte.
Eine besonders einfache Ausführungsform besteht darin, die Lastschaltung als steuerbaren Lastwiderstand auszugestalten, welcher im einfachsten Fall aus einem, bzw. einem Netz­ werk aus in Reihe und parallel geschalteten Transistoren bestehen kann, welche parallel zur Datenverarbeitungsvorrichtung an derselben Stromversorgungsleitung angeschlossen sind. Durch entsprechende Ansteuerung des Lastwiderstandes, bzw. der Lastwiderstände können unterschiedliche Lastzustände eingestellt werden.
In einer aufwendigeren Ausführungsform ist eine, zumindest zu Teilen der Datenverarbei­ tungsvorrichtung komplementär aufgebaute Schaltungsanordnung vorgesehen, welche parallel zur Datenverarbeitungsvorrichtung ansteuerbar ist. Auf diese Weise werden Schaltzustandsänderungen, die bei sicherheitsrelevanten Operationen getätigt werden, gleichzeitig komplementär ausgeführt. Auch wenn der Stromverbrauch für verschiedene logische Pegel unterschiedlich sein sollte, ist wegen der komplementären Schaltzustände der Stromverbrauch im Idealfall konstant. Da aber nach außen nicht feststellbar ist, welcher Stromverbrauch auf die tatsächlich an den sicherheitsrelevanten Operation beteiligten logischen Zustände und welcher Stromverbrauch auf die lediglich zur Verschleierung parallel ausgeführten komplementären Schaltzustände zurückzuführen ist, muss nicht einmal ein konstanter Stromverbrauch angestrebt werden. Aus diesem Grund ist es nicht einmal erforderlich die gesamte, für die sicherheitsrelevanten Operationen benötigten Schaltungsteile komplementär auszuführen, es reicht vielmehr aus, auch nur einen Teil der Schaltungsteile komplementär nachzubilden.
Vorzugsweise sind die Lastschaltung und die Datenverarbeitungsvorrichtung auf einem gemeinsamen Schaltkreis integriert, da die Abtrennung der Lastschaltung von der Daten­ verarbeitungsvorrichtung zum Zwecke eines Ausspähungsangriffs weitaus höheren techni­ schen Aufwand voraussetzt, als wenn diese Schaltungsteile voneinander körperlich getrennt auf dem Datenträger angeordnet sind. Insbesondere eine räumliche Vermischung notwen­ diger Schaltungsteile mit komplementären Schaltungsteilen in einem Chip erschwert die Analyse tatsächlich an sicherheitsrelevanten Operationen beteiligter Schaltungsteile.
Die Erfindung wird nun im Einzelnen erläutert:
Die Erfindung findet beispielsweise Anwendung bei sogenannten Chipkarten, bzw. Integrierten Schaltkreisen (Chipkartenchip) für eine solche Chipkarte. Hierbei sind unterschiedliche Bauformen (z. B. SIM card, secure access module für ein Terminal, kontaktloser oder dual interface transponder) möglich, wobei die Stromzuführung über Kontakte, kontaktlos, beispielsweise durch Induktion von Wechselstrom oder auch mittels interner Stromquellen, wie beispielsweise wiederaufladbare Batterien erfolgen kann. Die Erfindung eignet sich daher für jede Art der Stromversorgung. Falls die Erfindung im jeweiligen Chip mitintegriert ist, kann auch durch einen gezielten Angriff auf die innerhalb einer Chipkarte angeordnete Stromversorgung keine verwertbare Information gewonnen werden.
Generell wäre es natürlich möglich, alle logischen Elemente eines Chips als komplementäre Kopie auszuführen. Da Chips in einer Chipkarte mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, sollten sie jedoch eine bestimmte Baugröße nicht überschreiten. Es wird daher als ausreichend erachtet, nur die Logikteile, die sensible Operationen ausführen, komplemen­ tär nachzubilden. Zur Nachbildung scheinen zwei Alternativen vorteilhaft. Zum einen können sicherheitsrelevante Schaltungsteile - die für einen Angreifer hinsichtlich des Stromverbrauchs interessant sind - tatsächlich als komplementäre Logiken auf dem Chip angeordnet und parallel angesteuert werden. Wird z. B. bei der Berechnung eines Krypto­ grammes, bei der ein Geheimnis in Form eines dem Angreifer unbekannten Schlüssels einfließt, zu einem bestimmten, aber innerhalb der Berechnung beliebigen Zeitpunktes, an einem Knoten ein logischer Pegel high (der Zustand zuvor kann low oder high gewesen sein) erzeugt, so wird in der komplementären Logik an dem vergleichbaren Knoten der Zustand low generiert (der Zustand unmittelbar zuvor war high oder low).
Dadurch ist für sensible Operationen die Anzahl der low-high bzw. high-low Übergänge genau gleich groß und die Anzahl der Knoten, die zu einen gegebenen Zeitpunkt high sind entspricht exakt der Anzahl der Knoten mit dem Zustand low. Hierbei entspricht der Platzbedarf der Komplementären Logik genau dem Platzbedarf der nachgebildeten Logik.
Zum anderen ist es auch möglich eine komplementäre Maschine zu realisieren, die sämtliche logische Verknüpfungen - wenn auch nicht identisch - durch Schaltung unterschiedlicher Lastzustände nachbildet.
Diese Maßnahme zielt auf die Erzeugung eines daten- bzw. schlüsselunabhängigen - nicht notwendigerweise konstanten - Stromverbrauches ab, um eine Resistenz gegenüber Attacken, die den Stromverbrauch als Ausgangspunkt (simple oder differential power analysis) heranziehen, zu erreichen. Ziel ist nicht in jedem Fall, eine konstante Stromauf­ nahme der Schaltung durch aufwendige Reglerkonzepte zu erreichen.
Dieses Konzept kann unabhängig von der Ausbildung der Logik (synchrone oder asynchrone Schaltungstechnik) realisiert werden.

Claims (8)

1. Datenträger mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass eine, an der Stromversorgung des Datenträgers angeschlossene Lastschaltung dazu vorgesehen ist, zumindest während sicherheitsrelevanter Operationen der Datenverarbei­ tungsvorrichtung den Stromverbrauch des Datenträgers zu beeinflussen.
2. Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastschaltung aus einem steuerbaren Lastwiderstand gebildet ist.
3. Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest zu Teilen der Datenverarbeitungsvorrichtung komplementär aufgebaute Schaltungsanordnung parallel zur Datenverarbeitungsvorrichtung ansteuerbar ist.
4. Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastschaltung mittels einer eigenen Logik ansteuerbar ausgeführt ist, welche dazu vorgesehen ist, eine zum Stromverbrauch der Datenverarbeitungsvorrichtung komplemen­ tären Lastzustand zu erzeugen.
5. Elektronisches Bauteil, insbesondere ein integriertes Bauteil mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass eine, an der Stromversorgung des elektronischen Bauteils intern angeschlossene Lastschaltung dazu vorgesehen ist, zumindest während sicherheitsrelevanter Operationen der Datenverarbeitungsvorrichtung den Stromverbrauch des elektronischen Bauteils zu beeinflussen.
6. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastschaltung aus einem steuerbaren Lastwiderstand gebildet ist.
7. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lastschaltung, eine zumindest zu Teilen der Datenverarbeitungsvorrichtung komplementär aufgebaute Schaltungsanordnung parallel zur Datenverarbeitungs­ vorrichtung ansteuerbar ist.
8. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastschaltung mittels einer eigenen Logik ansteuerbar ist, welche dazu vorgesehen ist, einen, zum Stromverbrauch der Datenverarbeitungsvorrichtung komplementären Lastzustand zu erzeugen.
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