DE19919909C2 - Signierung und Signaturprüfung von Nachrichten - Google Patents
Signierung und Signaturprüfung von NachrichtenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Signierung und Singnaturprüfung
von Nachrichten unter Verwendung geheimer Schlüssel.
Für die Fälschungssicherung von Nachrichten ist bekannt,
daß mit Hilfe von symmetrischer Kryptographie eine Signatur
gebildet wird, mittels derer der Empfänger mit sehr hoher
Wahrscheinlichkeit prüfen kann, ob die Nachricht unver
fälscht übermittelt wurde und von dem vorgegebenen Absender
stammt. Voraussetzung ist jedoch, daß Absender und Empfän
ger über einen gemeinsamen geheimen Schlüssel verfügen, der
sicher gespeichert sein muß. Ein solches Verfahren ist bei
spielsweise in der Patenschrift US 4,549,075 beschrieben.
Symmetrische Kryptographie, insbesondere das DES-Verfahren,
wird häufig in Chipkarten eingesetzt, weil es sehr effizi
ent programmierbar ist. Die Chipkarten weisen ferner einen
Permanentspeicher auf, in dem ein Hauptschlüssel sicher ge
heim gespeichert ist, der auch in einer Zentrale sicher ge
speichert ist.
Soll nun eine Nachricht fälschungsgesichert von einem Ab
sender an den Empfänger, hier die Chipkarte, gesendet wer
den, so muß bislang der Absender die Nachricht von der Zen
trale signieren lassen, da die Zentrale den geheimen Haupt
schlüssel nicht dem Absender zur Verfügung stellen kann,
ohne das Gesamtsystem zu schwächen. Zudem sind Maßnahmen
notwendig, damit die Nachricht bei der Übertragung von dem
Absender zur Hauptstelle gegen Verfälschung und Vortäu
schung eines legitimen Absenders geschützt ist.
In der Patentschrift US 5,754,656 wird ein Verfahren dargestellt, bei
dem eine Nachricht, die von einem Terminal 10 erzeugt wird, von einer
Chipkarte 20 mit einem ersten Schlüsselpaar K(A, C) signiert wird,
dann zu einem Hostrechner 40 geschickt, dort entschlüsselt, mit einem
zweiten Schlüsselpaar K(B, C) neu verschlüsselt und dann dem Rechner
30 geschickt wird. Hierbei handelt es sich um eine bekannte Um
schlüsslung, bei der die zu signierende Nachricht an eine Zentrale
geschickt werden muß, die einen mit dem vorgesehenen Empfänger
gemeinsamen geheimen Schlüssel hat.
In den Patentanmeldung EP 0 804 003 A2 und DE 197 18 547 A1 werden
Signaturverfahren mit asymmetrischen ('public key') Algorithmen
beschrieben, die per se keine gemeinsamen Hauptschlüssel benötigen,
aber erheblich rechenaufwendiger sind als die symmetrischen ('private
key') Verfahren.
In der Patentschrift US 5,768,385 und in der Veröffentlichung
"Beutelspacher, A., u. a., Chipkarten als Sicherheitswerkzeug, Berlin
1991, S. 96-71" wird die Signatur wiederum durch eine Zentrale
geprüft.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Fäl
schungssicherung von Nachrichten durch eine Signatur anzu
geben, die von einem Absender gebildet und zu einem Empfän
ger gesendet werden kann, ohne daß der Absender über den
geheimen Hauptschlüssel verfügt, den der Empfänger und eine
Zentrale gemeinsam haben, oder die Nachricht zuvor zu der
Zentrale zwecks Signaturbildung gesendet werden muß.
Die Erfindung benutzt ein Verfahren, bei dem die Zentrale
Signierschlüssel vorab bildet und dem Absender bereit
stellt. Der Empfänger kann, wie genauer in den Ausführungs
beispielen beschrieben wird, den Signierschlüssel nachbil
den und damit die Nachricht prüfen.
Es handelt sich um ein Verfahren zur Signierung einer Nach
richt, wobei eine Zentrale und der Empfänger einen perma
nenten gemeinsamen Hauptschlüssel haben. Die Zentrale er
zeugt vorab eine Sequenzzahl und aus dieser mittels einer
Einwegfunktion einen Signierschlüssel. Beides wird gesi
chert dem Absender bereitstellt. Der Absender bildet mit
tels des Signierschlüssels eine Signatur der Nachricht und
sendet sie mit Sequenzzahl und Nachricht an den Empfänger.
Der Empfänger bildet mittels Einwegfunktion, Hauptschlüssel
und Sequenzzahl einen Prüfschlüssel und prüft damit die Si
gnatur der Nachricht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit
den beigefügten Zeichnung die Erfindung an Hand eines Aus
führungsbeispiels erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm, in dem der Datenfluß mit den betei
ligten Komponenten symbolisiert ist.
In Fig. 1 sind die drei Teilnehmer an dem Verfahren, näm
lich die Zentrale 10, der Absender 20 und der Empfänger 30,
durch punktstrichlierte Linien getrennt, angedeutet.
Die Zentrale 10 enthält einen gesicherten Speicher 11 für
einen geheimen Schlüssel, der ansonsten beispielsweise in
einem symmetrischen kryptographischen Verschlüsslungs- oder
Signierverfahren verwendet wird. Der Empfänger 30 enthält
einen entsprechenden Speicher 11', der denselben Schlüssel
enthält. Das Einschreiben dieses Schlüssels erfolgt bei
spielsweise in der Zentrale bei der Initialisierung, wenn
es sich bei dem Empfänger 30 um eine Chipkarte handelt. An
dernfalls sind aus der Kryptographie bekannte Schlüsselver
teilungsverfahren anzuwenden. Dabei wird der Schlüssel nur
einmal oder in sehr großen Zeitabständen gespeichert; für
das Verfahren nach der Erfindung ist die Speicherung als
permanent anzusehen.
Die Zentrale 10 enthält ferner einen Sequenzgenerator 12.
Dieser liefert eine Reihe von jeweils unterschiedlichen
Zahlen. Im einfachsten Fall ist dies eine fortlaufende Num
mer. Besser ist jedoch die Verwendung eines bekannten Pseu
do-Zufallszahlengenerators, z. B. nach der Modulo-Methode.
Bei richtiger Wahl der Parameter liefern diese Pseudo-
Zufallszahlen-Generatoren eine Folge von jeweils neuen Zah
len, bis der durch den Modulus bestimmte Zyklus durchlaufen
ist. Auch können absteigende Nummern oder solche mit einer
Schrittweite größer als Eins verwendet werden. Gleichfalls
möglich ist die Verwendung von Datum und Uhrzeit als ein
deutig Sequenznummer, gegebenenfalls als Zahl der Sekunden
seit einem verabredeten Beginn.
Die Zentrale erzeugt also ein oder mehrere Sequenznummern
12. Aus einer solchen Sequenznummer 12 wird mittels des
Hauptschlüssels durch einen Einweg-Verschlüssler 13 ein Si
gnierschlüssel 14 gebildet. Dies geschieht am einfachsten,
indem die Sequenznummer 12 mittels des Hauptschlüssels ver
schlüsselt wird. Hierbei wird eine kurze Sequenznummer
durch weitere Daten auf die Blocklänge des Verschlüsslungs
verfahrens aufgefüllt. Zwar sind hierzu binäre Nullen ver
wendbar; besser ist eine Funktion der Sequenznummer, z. B.
deren Quadrat. Auch möglich ist ein konstanter Text, der
nicht aus binären Nullen besteht und vertraulich gehalten
wird. Da meist die Blockgröße in der Größenordnung der
Schlüssellänge liegt, ist das Ergebnis als Schlüssel wei
terverwendbar; gegebenfalls sind Bits aufzufüllen oder
durch Faltung die Bitzahl zu reduzieren.
Wesentliche Eigenschaft des Einweg-Verschlüsslers ist es,
daß ein Rückschluß auf den Hauptschlüssel praktisch nicht
möglich ist. Obwohl die soeben beschriebene Methode keine
Einweg-Verschlüsslung ist, weil z. B. der Empfänger durch
Dechiffiriern aus dem Signierschlüssel die Sequenzzahl bil
den könnte, ist die "Einweg"-Funktionalität wesentlich.
Daher werden in anderen Ausführungsformen andere Einweg-
Funktion verwendet, die Hauptschlüssel und Sequenznummer
reproduzierbar zu einem Signierschlüssel verknüpfen, ohne
daß jemand ohne den Hauptschlüssel zu einer gegebenen Se
quenznummer einen gültigen Signierschlüssel bzw. umgekehrt
bilden oder aus dem Signierschlüssel und der Sequenznummer
den Hauptschlüssel bestimmen kann. Solche Verfahren werden
allgemein als "Message Authentication Codes" (MAC) bezeich
net. Ein solcher kann insbesondere durch eine beliebige,
kryptographisch sichere Einweg-Funktion auf eine Kombinati
on von Hauptschlüssel und Sequenznummer gebildet werden.
Als Kombination sind u. a. Konkatenation, Exklusiv-Oder,
Multiplikation mit oder ohne Modulobildung, Addition mög
lich.
Die Zentrale 10 stellt also ein oder mehrere Paare von Se
quenznummer 12 und daraus erzeugtem Signierschlüssel 14 be
reit. Dies kann z. B. Ausdrucken auf Sicherheitspapier,
durch Einspeichern in eine weitere Chipkarte oder durch
sonstige gesicherte Datenübermittlung geschehen. Diese Paa
re werden dem Absender 20 vorab zur Verfügung gestellt und
müssen von diesem gesichert und vertraulich gespeichert
werden.
Der Absender 20, der eine Nachricht 21 an den Empfänger 30
senden möchte, entnimmt ein Paar von Sequenznummer 12 und
Signierschlüssel 14 und bestimmt die Signatur der Nachricht
21 mittels des Signieres 24. Bevorzugt wird auch hierbei
das DES-Verfahren, z. B. nach ANSI X9.9, verwendet. Alterna
tiv kann eine Signatur durch eine Kombination einer krypto
graphischen Hash-Funktion mit einem "message authentication
code" erzeugt werden. Verfahren hierzu sind in der krypto
graphischen Literatur vielfach und ausführlich beschrieben.
Sodann bildet der Absender eine Datensatz 22, der drei Fel
der mit der Sequenznummer 22a, der Nachricht 22b und der
Signatur 22c enthält. Der soeben verwendete Signierschlüs
sel 14 wird gelöscht.
Nunmehr wird der Datensatz 22 zu dem Empfänger 30 übertra
gen, welcher damit einen Datensatz 22' erhält, der wiederum
drei Felder enthält, die als Sequenznummer 22a', Nachricht
22b' und Signatur 22c' angesehen werden. Üblicherweise wird
dieser Datensatz bereits von anderen Sicherungs- oder Plau
sibilitäts-Mechanismen gegen Übertragungsfehler gesichert.
Der Empfänger extrahiert aus dem empfangenen Datensatz 22'
die Sequenznummer 22a' und führt diese zusammen mit dem
Hauptschlüssel 11' einer Einweg-Verschlüsslung 13' zu, die
dieselbe wie die Einweg-Verschlüsslung 13 in der Zentrale
10 bzw. dazu funktionsgleich ist. Am Ausgang der Einweg-
Funktion entsteht ein Prüfschlüssel 14'. Dieser ist, wenn
die Sequenznummer korrekt übertragen wurde, gleich dem Si
gnierschlüssel 14, den der Absender 20 verwendet hat. Der
Prüfschlüssel 14' wird zusammen mit der eingetroffenen
Nachricht 22b' und der eingetroffenen Signatur 22c' einem
Signaturprüfer 38 zugeführt wird. Passen alle drei zueinan
der, erzeugt der Signaturprüfer 38 an seinem Ausgang ein
Freigabesignal für die Weiterverwendung der Nachricht. Der
Prüfschlüssel 14' wird, unabhängig von dem Ergebnis, mit
Abschluß der Prüfung vernichtet.
In einer Weiterbildung der Erfindung führt der Empfänger
eine Liste bereits benutzter Sequenzzahlen und weist Nach
richten mit bereits verwendeten Sequenzzahlen ab. Damit ist
eine zusätzliche Sicherheit gegen Mißbrauch gegeben.
Da die die Sequenzzahl bevorzugt durch einen deterministi
schen Generator erzeugt wird, kann die Übermittlung der Se
quenzzahl entfallen. Da ohnehin der gemeinsame Hauptschlüs
sel in gesicherter Umgebung an den Empfänger übertragen
werden muß, kann zugleich der Anfangswert des Generators
übertragen werden. Mit jeder empfangenen Nachricht erzeugt
der Empfänger einen neuen Wert für die Sequenzzahl und bil
det damit den Prüfschlüssel 14', ohne daß die Sequenzzahl
mit übertragen werden muß. Um robust gegenüber Doppelüber
tragungen und verlorene Nachrichten zu sein, wird dann
zweckmäßig auch einer der letzten und folgenden Sequenzah
len mit verwendet werden. Auch hier kann die Zentrale dem
Absender mehrere Signierschlüssel 14 bereitstellen, die
dann vom Absender in der vorgegebenen Reihenfolge verwendet
werden sollen.
Eine mögliche Anwendung der Erfindung liegt auf dem Gebiet
der Geldausgabeautomaten. Die Zentrale ist dabei die Ban
kenzentrale, die für die Prüfung der PIN einen Hauptschlüs
sel verwendet und an den Hersteller von Geldautomaten in
der Zentrale personalisierte Prüfmoduln liefert. Als Absen
der kommt ein Hersteller oder eine lokale Bankenorgansation
in Betracht, die beispielsweise einen Umrechnungskurs oder
einen Rabattsatz in den Geldausgabeautmaten laden möchte;
aber weder einen eigenen geheimen Schlüssel in den Geldau
tomaten einbrigen kann noch einen eigenen Sicherheitsmodul
einbauen möchte.
Falls kein nichtflüchtiger Speicher im Empfänger vorhanden
ist, kann der Empfänger auch die Sequenzzahlen von Anfang
erzeugen und mit jeder die Signatur verproben. Der Verlust
an Sicherheit ist dabei gering, jedoch ist keine Sicherhiet
gegen Doppelbenutzung gegeben.
Claims (10)
1. Verfahren zur Signierung einer Nachricht (22) durch ei
nen Absender (20) und Prüfung der Signatur durch einen
Empfänger, wobei eine Zentrale (10) und ein Empfänger
(30) über einen geheimen gemeinsamen Hauptschlüssel
(11, 11') verfügen, mit den Merkmalen:
- - Die Zentrale (10)
- - erzeugt eine Sequenzzahl (12) und
- - aus dieser unter Verwendung des Hauptschlüssels (11) mittels einer Einweg-Verschlüsslung (13) einen Signierschlüssel (14) und
- - stellt dem Absender den Signierschlüssel (14) be reit;
- - der Absender (20)
- - bildet mittels des Signierschlüssels (14) eine Si gnatur (22c) über die Nachricht (21, 22b) und
- - sendet an den Empfänger einen Nachrichtensatz (22), der zumindest die Nachricht (22b) und die Signatur (22c), enthält.
- - Der Empfänger (30)
- - bestimmt die Sequenzzahl (22a'),
- - bildet den mittels der Einweg-Verschlüsslung (13') und dem Hauptschlüssel (11') einen Prüfschlüssel (14') und
- - prüft damit die Signatur (22c) der Nachricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sequenzzahl (12,
22a, 22a') zusammen mit dem Signierschlüssel (14) von
der Zentrale an den Absender (20) übergeben und von
diesem über den Datensatz (22, 22') an den Empfänger
übergeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sequenzzahl (12)
durch einen Generator synchron zu der Anzahl der ver
wendeten Signier- bzw. Prüfschlüssel in der Zentrale
(10) und bei dem Empfänger erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sequenzzahl (12)
durch einen Generator synchron zu der Anzahl der ver
wendeten Signier- bzw. Prüfschlüssel in der Zentrale
(10) und bei dem Absender erzeugt und über den Daten
satz (22, 22') an den Empfänger übergeben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo
bei die Sequenzzahl durch einen Generator für Pseudo-
Zufallszahlen erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo
bei als Einweg-Verschlüsslung die Verschlüsselung der
Sequenzzahl mittels des Hauptschlüssels verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo
bei die Zentrale (10) vorab mehrere Signierschlüssel
(14) erzeugt und diese, ggf. gemeinsam mit den zugehö
rigen Sequenzzahlen (12), an den Absender (30) übermit
telt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo
bei der Empfänger (30) eine Liste bereits verwendeter
Sequenzzahlen führt und bereits verwendete Sequenzzah
len abweist.
9. Einrichtung zur Signierung einer Nachricht (22, 22'),
die von einem Absender (20) an einen Empfänger (30) ge
schickt wird, mit den Merkmalen:
- - Eine Zentrale (10) und der Empfänger (30) verfügen über einen ersten und zweiten Speicher für einen ge heimen gemeinsamen Hauptschlüssel (11, 11');
- - in der Zentrale (10) ist ein erster Einweg- Verschlüssler (13) an einem Eingang mit dem ersten geschützten Speicher (11), an einem anderen Eingang mit einem Generator (12) für eine Sequenzzahl verbun den,
- - der Ausgang des Einweg-Verschlüsslers (13) ist über ein Transportmedium mit dem Absender (20) verbunden,
- - beim Absender ist ein Signatur-Generator (24) vorge sehen, dessen Eingänge mit dem Ausgang des Einweg- Verschlüsslers und der zu signierenden Nachricht (21, 22b) verbunden sind,
- - der Ausgang des Signatur-Generators (24) ist mit ei ner Einrichtung verbunden, die mindestens die Signa tur (22c) und die Nachricht (22b) zu einem Nachrich tenblock (22) assembliert und deren Ausgang über ein Transportmedium mit dem Empfänger (30) verbunden ist,
- - im Empfänger ist ein Signatur-Prüfer (38) vorgese hen, an dessen Eingänge einerseits mit der Nachricht (22b') und der Signatur (22c') des über das Trans portmedium eingetroffenen Nachrichtenblocks (22'),
- - andererseits mit dem Ausgang eines zweiten Einweg- Verschlüsslers (13') verbunden ist, dessen Eingänge einerseits mit dem zweiten Speicher (11') für den geheimen Hauptschlüssel und mit einem Mittel zur Be reitstellung einer Sequenznummer (22a') verbunden ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei ein Generator die
Sequenzzahl (22a') nach einem deterministischen Verfah
ren ein oder meherere Sequenzzahlen entsprechend der
Anzahl der Prüfungen erzeugt.
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