DE69916277T2 - Aufbau einer gesicherten Sitzungsverbindung basierend auf dem Wireless Application Protocol - Google Patents

Aufbau einer gesicherten Sitzungsverbindung basierend auf dem Wireless Application Protocol Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbauen einer sicheren Verbindung zwischen einer Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation über ein drahtloses Kommunikationsnetz gemäß einem Protokoll für drahtlose Anwendungen. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation, auf eine Speicherkarte und auf ein dem Verfahren zugeordnetes System.
  • Das Protokoll für drahtlose Anwendungen (WAP) definiert eine industrieweite Spezifikation für die Entwicklung von Anwendungen, die über drahtlose Kommunikationsnetze arbeiten. Der drahtlose Markt wächst sehr schnell und erreicht neue Kunden und Dienste. Um zu ermöglichen, dass Betreiber und Hersteller die Herausforderungen fortgeschrittener Dienste, der Differenzierung und einer schnellen/flexiblen Diensterstellung erfüllen, sind eine Menge von Protokollen hinsichtlich der Transport-, der Sicherheits-, der Übertragungs-, der Kommunikationssteuer- und der Anwendungsschicht entworfen worden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die WAP-Sicherheitsfunktionalität enthält die Wireless Transport Layer Security (WAPWTLS) und die Sicherheit auf der Anwendungsebene, auf die unter Verwendung von Wireless Markup Language Script (WMLScript) zugegriffen werden kann. Für eine optimale Sicherheit müssen einige Teile der Sicherheitsfunktionalität von einer manipulationssicheren Vorrichtung ausgeführt werden, so dass ein Angreifer keine sensiblen Daten auslesen kann. Solche Daten sind insbesondere die ständigen privaten Schlüssel, die beim WTLS-Quittungsaustausch mit Client-Authentisierung sowie zum Erstellen elektronischer Signaturen auf der Anwendungsebene (wie etwa zur Bestätigung einer Transaktion auf Anwendungsebene) verwendet werden. Außerdem sind die Master-Schlüssel (Master-Geheimnisse) bei WTLS verhältnismäßig langlebig – dies könnten mehrere Tage sein – um häufige volle Quittungsaustausche, die sowohl rechentechnisch als auch wegen der verhältnismäßig großen Datenübertragung recht schwierig sind, zu vermeiden. Die Master-Geheimnisse werden als eine Entropiequelle verwendet, um MAC-Schlüssel und Nachrichtenver schlüsselungsschlüssel zu berechnen, die dazu verwendet werden, je nach Nutzung von WTLS eine beschränkte Anzahl von Nachrichten zu sichern.
  • US-A-5.307.411 beschreibt den Aufbau einer sicheren Kommunikationssitzung zwischen zwei Kommunikationseinheiten wie etwa Telephonen oder Faxgeräten. Die sichere Sitzung wird durch getrennte Verifizierungseinheiten auf der Grundlage von Smart Cards gesteuert, die jeweils einer der Kommunikationseinheiten zugeordnet ist. Diese zwei Verifizierungseinheiten tauschen Zufallszahlen aus, verschlüsseln diese Zahlen unter Verwendung privater Schlüssel und geben die verschlüsselten Zufallszahlen an ihren Ursprung zurück. Daraufhin wird die verschlüsselte Zufallszahl auf der Grundlage öffentlicher Schlüssel entschlüsselt. Wenn die empfangenen Zahlen den gesendeten Zahlen entsprechen, verifizieren die Teilnehmer einander, wobei die sichere Sitzung stattfinden kann. Allerdings erfordert dies, dass beide Kommunikationseinheiten mit einem Smart-Card-Leser versehen sind, der keine notwendige Ausrüstung in einem Server wie z. B. in einem Internet-Server ist. Somit ist dieser Zugang recht beschränkend für den Anwender, da er erfordert, dass beide Teilnehmer einen Smart-Card-Leser besitzen, und weniger geeignet für die Kommunikation zwischen einer Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation und einer Datenkommunikationsvorrichtung. Außerdem muss jedes Mal, wenn zwischen den zwei Kommunikationsvorrichtungen eine Sitzung aufgebaut werden soll, ein Austausch von Schlüsseln erfolgen.
  • Außerdem offenbart US-A-5.371.794 von Sun Microsystems eine Möglichkeit, eine sichere drahtlose Kommunikationsverbindung zwischen einer mobilen Nomadenvorrichtung und einer Basiscomputereinheit zu schaffen. Die Mobilvorrichtung sendet ein Host-Zertifikat zusammen mit einem zufällig gewählten Authentifizierungswert (CH1) und einer Liste unterstützter gemeinsam genutzter Schlüsselalgorithmen an die Basis. Die Basis sendet eine in dem öffentlichen Schlüssel der Mobileinrichtung verschlüsselte Zufallszahl (RN1) und eine Kennung für den ausgewählten Algorithmus an die Mobileinrichtung zurück. Die Basiseinrichtung sichert den Wert RN1 und fügt den Wert CH1 und den ausgewählten Algorithmus zu der Mobileinrichtung hinzu. Die Mobileinrichtung verifiziert gemäß dem öffentlichen Schlüssel der Basiseinrichtung die Signatur in der Nachricht. Wenn der öffentliche Schlüssel verifiziert ist, bestimmt die Mobileinrichtung durch Entschlüsseln des öffentlichen Schlüssels gemäß dem privaten Schlüssel der Mobileinrichtung den Wert von RN1. Daraufhin erzeugt die Mobileinrichtung RN2 und einen Sitzungsschlüssel, wobei sie RN2 gemäß dem öffentlichen Schlüssel der Basiseinrichtung für die Basiseinrichtung verschlüsselt. Die Basiseinrichtung verifiziert und entschlüsselt den RN2 und bestimmt den Sitzungsschlüssel. Schließlich können die Mobileinrichtung und die Basiseinrichtung in eine Datenübertragungsphase eintreten, die die verschlüsselten Daten verwendet, die unter Verwendung des Sitzungsschlüssels, d. h. RN1 + RN2, entschlüsselt worden sind. Die Werte von RN1 und RN2 werden immer aus dem letzten Schlüsselaustausch, d. h. aus dem Anfangsverbindungsaufbau oder aus der letzten Schlüsselaustauschnachricht, je nachdem, was neuer ist, abgeleitet. Das heißt, jedes Mal, wenn eine Datenübertragung erfolgt, werden auf der Grundlage von RN1 und RN2 zwei neue Zahlen erzeugt, was die Datenübertragung recht langsam macht. Somit muss wie in US-A-5.307.411 jedes Mal, wenn zwischen den zwei Vorrichtungen, in diesem Fall zwischen der mobilen Nomadenvorrichtung und der Basiscomputereinheit, eine Sitzung aufgebaut werden soll, ein Austausch von Schlüsseln erfolgen.
  • Ein weiteres Verschlüsselungsschema zur Verwendung bei Smart Cards, das für mobile drahtlose Kommunikationssysteme geeignet ist, ist in WO-A-97/24831 beschrieben. In dieser Anordnung wird in der Smart Card ein Master-Schlüssel (MK) gehalten und aus dem Masterschlüssel ein abgeleiteter Schlüssel (DK) abgeleitet, um die Kommunikationssicherheit zu verbessern. Der abgeleitete Schlüssel wird für jede Datenkommunikationssitzung aufgebaut.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Aufbauen einer sicheren Verbindung zwischen einer Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation und einer Datenkommunikationsvorrichtung auf der Grundlage eines Protokolls für drahtlose Anwendungen.
  • Eine weitere Aufgabe ist es, zu ermöglichen, dass der Anwender eine sichere Verbindung bei einer späteren Gelegenheit erneut aufbaut, da das Aufbauen einer sicheren Verbindung sowohl rechentechnisch als auch wegen der starken Datenübertragung eine schwierige Prozedur ist. Aus diesem Grund ist es notwendig, das gegenseitig vereinbarte Master-Geheimnis für eine verhältnismäßig lange Zeit zu verwenden. Das Problem ist, den Master-Schlüssel auf eine sichere Weise zu speichern. Teilweise wegen dieses Problems ist es die übliche Praxis, den Lebenszyklus des Master-Geheimnisses und der zugeordneten sicheren Sitzung beispielsweise auf 24 Stunden zu begrenzen, wonach die schwierige Schlüsselaufbauprozedur erneut ausgeführt werden muss.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann die Hauptaufgabe dadurch gelöst werden, dass Mittel zur drahtlosen Kommunikation einer Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation, z. B. eines Zellentelephons, mit einer getrennten Einheit, z. B. einer Smart Card oder einer SIM-Card (Teilnehmerkennungsmodul-Karte), verbunden werden, die die sensiblen Daten einer sicheren Verbindung speichern kann. Die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation besitzt Kontaktmittel, z. B. drahtlose Mittel (z. B. Infrarotmittel, Radiofrequenzmittel usw.) oder physikalische Mittel (d. h. einen elektrischen Kontakt), zum Empfang von Informationen von der getrennten Einheit, d. h., die Einheit ist mit Speichermitteln versehen. Die Speichermittel halten Informationen, um den Zugriff der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation über ein drahtloses Kommunikationsnetz, z. B. über ein Zellentelephonnetz, auf eine Datenkommunikationsvorrichtung, z. B. auf einen Server, der ein Protokoll für drahtlose Anwendungen (WAP) unterstützt, zu steuern.
  • Allgemeiner schafft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbauen einer sicheren Verbindung zwischen einer Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation und einer Datenkommunikationsvorrichtung über ein drahtloses Kommunikationsnetz gemäß einem Protokoll für drahtlose Anwendungen, wobei die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation Mittel zur drahtlosen Kommunikation für eine Kommunikation mit der Datenkommunikationsvorrichtung über das Netz, eine getrennte Einheit, die mit Speichermitteln versehen ist, die Informationen für die Steuerung des Zugriffs der Mittel zur drahtlosen Kommunikation über das drahtlose Kommunikationsnetz speichern, und Kontaktmittel, die die Informationen von der getrennten Einheit empfangen, umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Schaffen einer Verbindung zwischen den Mitteln für drahtlose Kommunikation und der getrennten Einheit über die Kontaktmittel, Zugreifen auf die Datenkommunikationsvorrichtung über das drahtlose Kommunikationsnetz, Senden einer Anforderung von der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation zu der Datenkommunikationsvorrichtung, um eine Verbindung aufzubauen, wobei in dem Verfahren die Anforderung Informationen darüber enthält, welchen im Voraus definierten Algorithmus bzw. welche im Voraus definierten Algorithmen die Vorrichtung zur drahtlosen Kommuni kation unterstützt, bei Empfang der Anforderung bei der Datenkommunikationsvorrichtung wenigstens ein Algorithmus ausgewählt wird, dem ein öffentlicher und ein privater Schlüssel zugeordnet sind, eine Nachricht, die den öffentlichen Schlüssel sowie Informationen für den ausgewählten Algorithmus enthält, zu der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation zurückgesendet wird, bei der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation ein Master-Geheimcode erzeugt wird, bei der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation eine Signatur auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, des öffentlichen Schlüssels und des Master-Geheimcodes berechnet wird und eine Antwort, die die berechnete Signatur enthält, an die Datenkommunikationsvorrichtung gesendet wird, bei Empfang der die Signatur enthaltenden Antwort der Master-Geheimcode auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, der empfangenen Signatur und des privaten Schlüssels bei der Datenkommunikationsvorrichtung berechnet wird und eine sichere Verbindung mit der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation aufgebaut wird, und der Master-Geheimcode in den Speichermitteln der getrennten Einheit und in der Datenkommunikationsvorrichtung gesichert wird, um den erneuten Aufbau der sicheren Verbindung bei einer späteren Gelegenheit zu ermöglichen.
  • Außerdem schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation zum Aufbauen einer sicheren Verbindung mit einer Datenkommunikationsvorrichtung auf der Grundlage eines Protokolls für drahtlose Anwendungen, wobei die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation umfasst: Kommunikationsmittel zum Aufbauen einer Verbindung mit einem drahtlosen Kommunikationsnetz, das mit der Datenkommunikationsvorrichtung verbunden ist, eine getrennte Einheit mit Speichermitteln, die mit Informationen versehen ist, um den Zugriff auf die Datenkommunikationsvorrichtung über das drahtlose Kommunikationsnetz zu steuern, Kontaktmittel, die Informationen von der getrennten Einheit empfangen, und Mittel, die einen Master-Geheimcode erzeugen, wobei die Steuermittel so konfiguriert sind, dass sie einen im Voraus definierten Algorithmus zum Erzeugen einer Signatur auf der Grundlage des Master-Geheimcodes und eines von der Datenkommunikationsvorrichtung empfangenen öffentlichen Schlüssels verwenden, der verwendet wird, wenn die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation eine sichere Verbindung mit der Datenkommunikationsvorrichtung aufbaut, wobei die Speichermittel der getrennten Einheit so konfiguriert sind, dass sie wenigstens einen Master-Geheimcode und/oder wenigstens eine Signatur speichern, um den erneuten Aufbau der si cheren Verbindung bei einer späteren Gelegenheit zu ermöglichen.
  • Außerdem schafft die Erfindung eine Speicherkarte zum Aufbauen einer sicheren Verbindung zwischen einer Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation und einer Datenkommunikationsvorrichtung auf der Grundlage eines Protokolls für drahtlose Anwendungen, wobei die Karte so konfiguriert ist, dass sie mit Kontaktmitteln, die in der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation vorgesehen sind, verbunden wird, um Informationen von der Speicherkarte für die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation beim Aufbau einer sicheren Verbindung mit einer Datenkommunikationsvorrichtung bereitzustellen, wobei die Informationen so beschaffen sind, dass sie den Zugriff auf die Datenkommunikationsvorrichtung über ein drahtloses Kommunikationsnetz steuern, wobei die Karte so konfiguriert ist, dass sie einen erzeugten Master-Geheimcode, der auf eine oder auf mehrere Sitzungen mit der Datenkommunikationsvorrichtung bezogen ist, sichert, wenn die sichere Verbindung aufgebaut wird, und in Reaktion auf eine spätere Anforderung von der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation diesen vorher gesicherten Code für die Verwendung während der Kommunikation mit der Datenkommunikationsvorrichtung bereitstellt, um erneut eine sichere Verbindung aufzubauen.
  • Außerdem schafft die Erfindung ein System zum Aufbauen einer sicheren Verbindung, wenn ein Protokoll für drahtlose Anwendungen verwendet wird, mit: einer Datenkommunikationsvorrichtung, einem drahtlosen Kommunikationsnetz, das mit der Datenkommunikationsvorrichtung verbunden ist, einer Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation, die mit der Datenkommunikationsvorrichtung über das drahtlose Kommunikationsnetz gemäß dem Protokoll für drahtlose Anwendungen kommuniziert, wobei die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation Mittel zur drahtlosen Kommunikation für eine Kommunikation mit der Datenkommunikationsvorrichtung über das Netz, eine getrennte Einheit mit Speichermitteln, die mit Informationen zum Steuern des Zugriffs auf die Datenkommunikationsvorrichtung über das drahtlose Kommunikationsnetz versehen ist, und Kontaktmittel zum Empfangen von Informationen von der getrennten Einheit umfasst, wobei die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation so beschaffen ist, dass sie eine Anforderung an die Datenkommunikationsvorrichtung sendet, um eine Verbindung aufzubauen, wobei die Anforderung Informationen darüber enthält, welchen im Voraus definierten Algorithmus bzw. welche im Voraus definierten Algorithmen die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation unterstützt, die Datenkommunikationsvorrichtung so konfiguriert ist, dass sie bei Empfang der Anforderung wenigstens einen Algorithmus auswählt, dem ein öffentlicher Schlüssel und ein privater Schlüssel zugeordnet sind, und eine Nachricht zu der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation zurücksendet, wobei die Nachricht den öffentlichen Schlüssel und Informationen darüber enthält, welchen Algorithmus die Datenkommunikationsvorrichtung wählen wird, die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation so beschaffen ist, dass sie bei Empfang der den öffentlichen Schlüssel enthaltenden Nachricht einen Master-Geheimcode erzeugt, auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, des öffentlichen Schlüssels und des Master-Geheimcodes eine Signatur berechnet und eine Antwort an die Datenkommunikationsvorrichtung sendet, wobei die Antwort die berechnete Signatur enthält, und die Datenkommunikationsvorrichtung so beschaffen ist, dass sie bei Empfang der Antwort den Master-Geheimcode auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, der empfangenen Signatur und des privaten Schlüssels berechnet und eine sichere Verbindung mit der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation aufbaut, und die Speichermittel der getrennten Einheiten so konfiguriert sind, dass sie den Master-Geheimcode sichern, um die Verbindung bei einer späteren Gelegenheit erneut aufzubauen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus den Unteransprüchen offensichtlich.
  • Ein Vorteil der Verwendung der getrennten Einheit bei der Herstellung der sicheren Verbindung ist, dass es wesentlich leichter ist, eine Verbindung zu der Datenkommunikationsvorrichtung erneut aufzubauen. Somit ist es möglich, Informationen, z. B. Signaturen, geheime Schlüssel usw. zur Wiederverwendung in einer weiteren sicheren Verbindung in den Speichermitteln zu sichern. Um Betrug zu vermeiden, kann die Wiederverwendung der sicheren Verbindung auf eine begrenzte Zeitdauer beschränkt werden. Dadurch, dass diese Informationen in den Speichermitteln gesichert werden, wird die zweite Aufgabe gelöst.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass der Anwender beim Wiederherstellen einer sicheren Sitzung weniger zahlt, falls die erforderlichen Informationen für die Wiederherstellung gesichert sind.
  • Um eine Verbindung aufzubauen, verbinden die Mittel zur drahtlosen Kommu nikation mit der getrennten Einheit, wobei die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation auf das drahtlose Kommunikationsnetz zugreift, das mit der Datenkommunikationsrichtung verbunden ist. Daraufhin sendet die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation eine Anforderung zu der Datenkommunikationsvorrichtung. Diese Anforderung enthält Informationen darüber, welchen im Voraus definierten Algorithmus bzw. welche im Voraus definierten Algorithmen die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation unterstützt. Wenn die Datenkommunikationsvorrichtung diese Anforderung empfängt, wählt sie wenigstens einen Algorithmus aus, dem ein öffentlicher Schlüssel und ein privater Schlüssel zugeordnet sind, wobei sie eine Nachricht zu der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation zurücksendet. Diese Nachricht umfassten den öffentlichen Schlüssel sowie Informationen darüber, welchen Algorithmus die Datenkommunikationsvorrichtung ausgewählt hat. Wenn die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation die Nachricht, die den öffentlichen Schlüssel umfasst, empfängt, erzeugt sie einen Master-Geheimcode und berechnet sie auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, des öffentlichen Schlüssels und des Master-Geheimcodes eine Signatur. Anschließend sendet die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation eine Antwort zu der Datenkommunikationsvorrichtung. Diese Antwort umfasst die berechnete Signatur. Wenn die Datenkommunikationsvorrichtung die die Signatur enthaltende Antwort empfängt, berechnet sie auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, der empfangenen Signatur und des privaten Schlüssels den Master-Geheimcode. Schließlich kann die Datenkommunikationsvorrichtung eine sichere Verbindung zu der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation aufbauen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 veranschaulicht schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines tragbaren Handtelephons gemäß der Erfindung.
  • 2 zeigt schematisch die Hauptteile eines Telephons zur Kommunikation mit einem Zellennetz oder schnurlosen Netz.
  • 3 zeigt schematisch, wie die sichere Sitzung zwischen einem Client/Telephon und einem Server gemäß der Erfindung aufgebaut wird.
  • 4 veranschaulicht die Nachrichtenstruktur zum Aufbau einer sicheren Verbindung gemäß der Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Telephons gemäß der Erfindung, wobei zu sehen ist, dass das allgemein mit 1 bezeichnete Telephon eine Anwenderschnittstelle mit einer Tastatur 2, einer Anzeige 3, einem Ein/Aus-Knopf 4, einem Lautsprecher 5 und einem Mikrofon 6 umfasst. Das Telephon 1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist an die Kommunikation über ein Zellennetz angepasst, könnte aber ebenfalls für ein schnurloses Netz konstruiert sein. Die Tastatur 2 besitzt eine erste Tastengruppe 7 als alphanumerische Tasten, mittels der der Anwender eine Telephonnummer eingeben kann, eine Textmeldung (SMS) schreiben kann, einen (der Telephonnummer zugeordneten) Namen schreiben kann usw. Jede der zwölf alphanumerischen Tasten 7 ist jeweils mit einer Ziffer "0–9" oder mit einem Zeichen "#" oder "*" versehen. In der Alpha-Betriebsart sind jeder Taste eine Anzahl von Buchstaben und Sonderzeichen zugeordnet, die bei der Textbearbeitung verwendet werden.
  • Außerdem umfasst die Tastatur 2 zwei Funktionstasten 8, zwei Verbindungsbearbeitungstasten 9 und eine Navigationstaste 10.
  • Die zwei Funktionstasten 8 besitzen eine Funktionalität, die der entspricht, die von den Telephonen Nokia 2110TM, Nokia 8110 TM und Nokia 3810TM bekannt ist. Die Funktionalität der Funktionstaste hängt vom Zustand des Telephons und von der Navigation in dem Menü unter Verwendung einer Navigationstaste ab. Die derzeitige Funktionalität der Funktionstasten 8 ist in der Anzeige 3 direkt über den Tasten 8 in getrennten Feldern gezeigt.
  • Die zwei Verbindungsbearbeitungstasten 9 gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden dazu verwendet, einen Ruf oder einen Konferenzruf aufzubauen, einen Ruf abzuschließen oder einen ankommenden Ruf zurückzuweisen.
  • Die Navigationstaste 10 ist eine Auf/Ab-Taste, die zwischen der Anzeige 3 und der Gruppe der alphanumerischen Tasten 7 mittig auf der vorderen Oberfläche des Telephons angeordnet ist. Hierdurch kann der Anwender diese Taste mit seinem Daumen steuern. Dies ist die beste Stelle, eine Eingabetaste anzuord nen, die genaue motorische Bewegungen erfordert. Viele erfahrene Telephonanwender sind an die Einhandhabung gewöhnt. Sie ordnen das Telephon in der Hand zwischen den Fingerspitzen und dem Handteller an. Hierdurch ist der Daumen zur Informationseingabe frei.
  • Um Verständnis für die Erfindung zu schaffen, zeigt 2 schematisch die wichtigsten Teile einer bevorzugten Ausführungsform des Telephons. Die bevorzugte Ausführungsform des Telephons der Erfindung ist an die Verwendung in Verbindung mit dem GSM-Netz angepasst, wobei die Erfindung aber natürlich ebenfalls in Verbindung mit anderen Telephonnetzen wie etwa mit Zellennetzen in verschiedenen Formen schnurloser Telephonsysteme oder in Zweibandtelephonen, die auf Mengen dieser Systeme/Netze zugreifen, angewendet werden kann. Das Mikrofon 6 zeichnet die Sprache des Anwenders auf, wobei die dadurch gebildeten analogen Signale in einem (nicht gezeigten) A/D-Umsetzer A/D-umgesetzt werden, bevor die Sprache in einem Audioteil 14 codiert wird. Das codierte Sprachsignal wird an den Controller 18 übertragen, der unter anderem die GSM-Endgerät-Software unterstützt. Außerdem bildet der Controller 18 die Schnittstelle zu den Peripherieeinheiten der Vorrichtung, die einen RAM-Speicher 17a und einen Flash-ROM-Speicher 17b, eine SIM-Karte 16, die Anzeige 3 und die Tastatur 2 (sowie die Datenzufuhr, die Stromversorgung usw.) umfassen. Der Controller 18 kommuniziert mit der Sender/Empfänger-Schaltung 19. Der Audioteil 14 sprachcodiert das Signal, das von dem Controller 18 über einen (nicht gezeigten) D/A-Umsetzer an die Hörmuschel 5 übertragen wird.
  • Der Controller 18 ist mit der Anwenderschnittstelle verbunden. Somit ist es der Controller 18, der die Aktivität in dem Telephon überwacht und in Reaktion darauf die Anzeige 3 steuert.
  • Deshalb ist es der Controller 18, der das Auftreten eines Zustandsänderungsereignisses erfasst und den Zustand des Telephons und somit den Anzeigetext ändert. Ein Zustandsänderungsereignis kann durch den Anwender bewirkt werden, wenn er die Tastatur einschließlich der Navigationstaste 10 aktiviert, wobei dieser Ereignistyp ein Eintrittsereignis oder Anwenderereignis genannt wird. Allerdings kann das Netz, das mit dem Telephon kommuniziert, außerdem ein Zustandsänderungsereignis veranlassen. Dieser Ereignistyp und andere Ereignisse außerhalb der Kontrolle des Anwenders werden Nicht-Anwen derereignisse genannt. Nicht-Anwenderereignisse umfassen eine Zustandsänderung während des Verbindungsaufbaus, eine Änderung der Batteriespannung, eine Änderung der Antennenbedingungen, eine Nachricht beim SMS-Empfang usw.
  • Eine Smart Card (SC) ist ein Beispiel einer manipulationssicheren Vorrichtung. In dem Telephon kann sie das Teilnehmerkennungsmodul (SIM) oder eine externe Smart Card sein.
  • Die Art und Weise, in der ein Telephon und eine Smart Card in Wechselwirkung treten, ist als ein Befehls-Antwort-Protokoll spezifiziert. Das Ziel dieses Protokolls ist es, Mittel zu schaffen, damit ein WAP-Handapparat Smart Cards bei der Ausführung von WTLS und Sicherheitsfunktionen auf der Anwendungsebene verwendet. Die hier dargestellte Funktionalität beruht auf der Forderung, dass in der Karte sensible Daten, insbesondere Schlüssel, gespeichert werden können und dass alle Operationen, von denen diese Schlüssel betroffen sind, in der Karte ausgeführt werden können. Um zu definieren, wie umfassend die Funktionalität implementiert ist, werden verschiedene Klassen der Karten eingeführt.
  • Die Spezifikation beruht auf der Normenserie ISO7816 über Smart Cards. Insbesondere nutzt sie die Norm (Entwurf) ISO7816-8 [ISO7816-8]. Wenn diese Funktionalität auf das GSM-SIM angewendet wird, kann es, wo anwendbar, erforderlich sein, außerdem die verwandten GSM-Spezifikationen [GSM11.11] zu erweitern.
  • Gemäß der Erfindung wird die Smart Card 16 dazu verwendet, die Sicherheit der Implementierung der Sicherheitsschicht und bestimmter Funktionen der Anwendungsschicht zu erhöhen. Die Smart Card 16 kann für mehrere Zwecke für WTLS verwendet werden. Der Hauptzweck der Smart Card 16 ist es, während des Quittungsaustauschs, insbesondere, wenn der Quittungsaustausch für die Client-Authentisierung verwendet wird, kryptographische Operationen auszuführen. Außerdem wird der Speicher der Smart Card 16 dazu verwendet, ein Master-Geheimnis, einen öffentlichen Schlüssel und einen weiteren Typ von vertraulichem Material während langlebiger WTLS-Sitzungen zu sichern. Schließlich wird der Speicher der Smart Card 16 dazu verwendet, die Ebenensicherheit der Sitzungen aufzuzeichnen. Gemäß der Erfindung kann die WTLS- Unterstützung in einer Smart Card 16 in Bezug auf die folgenden drei Ausführungsformen beschrieben werden.
  • Erste Ausführungsform
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird die Smart Card 16 zur Speicherung dauerhafter, typischerweise zertifizierter, privater Schlüssel und zur Ausführung von Operationen unter Verwendung dieser Schlüssel verwendet. Die Operationen enthalten Unterzeichnungsoperationen (z. B. ECDSA oder RSA) für die Client-Authentisierung, wenn sie für das ausgewählte Quittungsaustauschschema erforderlich sind; Schlüsselaustauschoperationen unter Verwendung eines festen Client-Schlüssels (z. B. ECDH-Schlüssel in dem ECDH_ECDSA-Quittungsaustausch).
  • Die Smart Card 16 ist nicht erforderlich, um die Berechnung des Master-Geheimnisses oder Operationen unter Verwendung des Master-Schlüssels auszuführen. Diese Berechnungen können vorteilhaft von dem Controller 18 des Telephons ausgeführt werden. Allerdings kann die Smart Card 16 als ein beständiger Speicher für Daten sicherer WTLS-Sitzungen (und -Verbindungen) einschließlich Master-Geheimnissen wirken. In diesem Fall würden die Master-Geheimnisse zur Schlüsselableitung in dem flüchtigen Telephonspeicher (dem RAM 17a) berechnet und verwendet, während sie von dort gelöscht würden, wenn sie im Moment, z. B. wenn der Anwender aus sicheren WAP-Anwendungen austritt, nicht benötigt werden. Der Umstand, dass die Sitzungsdaten nicht im Telephon 1 beständig gespeichert werden, kann die Sicherheit, z. B. im Fall eines gestohlenen Telephons 1, verbessern. Außerdem bringt es eine bessere Benutzerfreundlichkeit im Fall des Auswechselns der Smart Card 16 von einem Telephon 1 zu einem anderen.
  • Außerdem kann die Smart Card 16 für die Übertragbarkeit benötigte Zertifikate speichern. Die Speicherung vertrauenswürdiger Stammzertifikate (oder öffentlicher Schlüssel) besitzt außerdem Bedeutung unter dem Sicherheitsgesichtspunkt: Sie dürfen nicht geändert werden – können aber gefahrlos offenbart werden.
  • Es wird angemerkt, dass bei der Verwendung eines Schlüsselaustauschs, der gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung auf der Verschlüsselung öffentlicher Schlüssel (z. B. RSA) beruht, kein Vorteil darin besteht, eine Verschlüsselung der öffentlichen Schlüssel in der Smart Card 16 vorzunehmen, wenn das Pre-Master-Geheimnis ohnehin zur Berechnung des Master-Geheimnisses in dem Controller 18 an das Telephon 1 zurückgegeben wird.
  • Wenn die Client-Authentisierung in WTLS nicht unterstützt wird, wirkt die Smart Card 16 wenigstens lediglich als ein Speicher für Sitzungsdaten. Falls die Client-Authentisierung unterstützt wird, kann die Karte eine Unterzeichnungsoperation, die auf einem in der Karte gespeicherten privaten Schlüssel (z. B. ECDSA oder RSA) beruht, oder eine Schlüsselübereinstimmungsberechnung (z. B. ECDH), die auf einem festen in der Karte gespeicherten Schlüssel beruht, ausführen.
  • Zweite Ausführungsform
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die Smart Card 16 als eine manipulationssichere Vorrichtung für die gesamte verschlüsselungskritische Funktionalität: Speicherung aller beständigen Schlüssel und Operationen unter Verwendung dieser Schlüssel, verwendet. Neben den gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführten Operationen unterstützt die Smart Card 16 jetzt ebenfalls die Berechnung (ECDH-Schlüsselaustausch) oder Erzeugung (RSA-Schlüsselaustausch) des Pre-Master-Geheimnisses; die Berechnung und Speicherung des Master-Geheimnisses für jede sichere Sitzung; und die Ableitung und Ausgabe des Schlüsselmaterials (für den MAC, den Verschlüsselungsschlüssel, den IV, die Endprüfung) auf der Grundlage des Master-Geheimnisses.
  • Das Telephon 1 speichert den MAC- und den Nachrichtenverschlüsselungsschlüssel, solange sie momentan benötigt werden. Diese Schlüssel besitzen eine begrenzte Lebensdauer, die während des WTLS-Quittungsaustauschs ausgehandelt werden kann – im Extremfall werden sie lediglich für eine einzige Nachricht verwendet. Wenn der Anwender aus den sicheren WAP-Anwendungen austritt, muss das Telephon 1 die Schlüssel aus seinem RAM-Speicher 17a löschen. Bei Bedarf können diese Schlüssel immer von neuem aus dem Master-Geheimnis abgeleitet werden.
  • Ein Angreifer, der einen Nachrichtenverschlüsselungsschlüssel erhält, kann so viel Nachrichten (im Extremfall eine einzelne Nachricht) lesen, wie in der Schlüsselauffrischungskonfiguration abgestimmt sind. Ein Angreifer, der einen MAC-Schlüssel erhält, kann sich während so vieler Nachrichten, wie in der Konfiguration abgestimmt sind (im Extremfall eine einzelne Nachricht), als der gefährdete Teilnehmer ausgeben.
  • Dritte Ausführungsform
  • Bestimmte spezialisierte Smart Cards 16 können als vollständige Sicherheitsmaschinen für die WTLS wirken. Dies erfordert, dass die Smart Card 16 mit ihrer eigenen Verarbeitungseinheit ausgestattet ist und das Telephon 1 lediglich während des Aufbaus einer sicheren Sitzung oder während der Quittungsaustausch-Prozedur als eine Schnittstelle zu dem Zellennetz verwendet. Neben den Operationen gemäß der zweiten Ausführungsform kann die Smart Card 16 MAC- und Verschlüsselungsschlüssel für jede sichere Verbindung speichern; sowie die MAC-Berechnung/Verifizierung und die Verschlüsselung/Entschlüsselung von Nachrichten ausführen.
  • Außerdem kann die Smart Card 16 für die Verifizierung von Zertifikaten und für die Verifizierung digitaler Signaturen verantwortlich sein.
  • Es wird angemerkt, dass die Nachrichtenverschlüsselung in der Smart Card 16 nicht notwendig irgendeine zusätzliche Sicherheit bringt, da die Daten in irgendeinem Fall als unverschlüsselter Text in dem Telephon 1 vorliegen. Dasselbe trifft für die MAC-Berechnung zu; es muss darauf vertraut werden, dass das Telephon 1 die Daten auf richtige Weise ein- und ausgibt. Der einzige Vorteil besteht hier darin, dass der Karte 16 keine Verschlüsselungsschlüssel entnommen zu werden brauchen. Allerdings besitzen die Schlüssel eine beschränkte Lebensdauer, die während des WTLS-Quittungsaustauschs abgestimmt wird – im Extremfall werden sie lediglich für eine einzelne Nachricht verwendet. Gemäß der dritten Ausführungsform enthält die Smart Card 16 sämtliche Algorithmen, so dass sie durch die Ausgeber der Smart Cards gesteuert werden könnten.
  • Smart Card
  • Der Begriff "Smart Card" umfasst eine kartenartige Einheit, die gewisse Spei chermittel enthält, in denen gewisse geheime Informationen gespeichert sind, die den Karteninhaber identifizieren. Die Speichermittel können ein Magnetstreifen sein, der von einem Magnetleser gelesen werden kann, oder können als diskrete Speicherkomponenten wie ein ROM, ein EEPROM usw. vorgesehen sein. Wenn der Anwender die Smart Card in eine mehr oder weniger öffentliche Vorrichtung einführt, kann er autorisiert werden, gewisse Operationen wie etwa Banking-Operationen auszuführen. Derzeit wird der Anwender eines GSM-Telephons durch eine so genannte Teilnehmerkennungsmodul-Karte oder SIM-Karte 16 identifiziert, wobei die Struktur dieses Smart-Card-Typs in der GSM-Spezifikation "Specification of the Subscriber Identity Modul – Mobile Equipment (SIM-ME) interface", GSM 11.11, Version 5.5.0, veröffentlicht vom European Telecommunications Standards Institute: ETSI, definiert ist. Der derzeitige Typ von Smart Cards kann die oben erläuterte erste Ausführungsform unterstützen.
  • Gemplus hat kürzlich eine Smart Card, GemXpresso RAD gestartet, die auf einem 32-Bit-Chip von Texas Instruments beruht, der die ARM7-RISC-Kerntechnologie verwendet. Dieser 32-Bit-RISC-Prozessor besitzt 32 kByte nichtflüchtigen Flash-Speicher und 8 kByte ROM. Wenn die mechanische Schnittstelle der Gemplus-Karte so beschaffen ist, dass sie der GSM-Spezifikation genügt, kann dieser Smart-Card-Typ die zweite und die dritte Ausführungsform unterstützen.
  • Netz
  • 3 zeigt schematisch die sichere Sitzung, d. h. eine sichere Verbindung, zwischen einer Datenkommunikationsvorrichtung und einer Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation, z. B. einem Zellentelephon 1. Grundsätzlich sind der WAP-Inhalt und die WAP-Anwendungen in einer Menge wohlbekannter Inhaltsformate spezifiziert, die auf den bekannten WWW-Inhaltsformaten beruhen. Der Inhalt wird unter Verwendung einer Menge von Standard-Kommunikationsprotokollen übermittelt, die auf den WWW-Kommunikationsprotokollen beruhen. Ein Browser in dem Telephon 1 koordiniert die Anwenderschnittstelle und ist analog einem Standard-Web-Browser.
  • Die Vorrichtung 1 zur drahtlosen Kommunikation ist ein Client 1, der eine sichere Verbindung zu einem Server 20, 30, 40, d. h. zu der Datenkommunika tionsvorrichtung 20, 20, 30, aufbauen möchte. Der Client ist in einer Umgebung vorgesehen, die es ermöglicht, eine breite Vielfalt verschiedener drahtloser Plattformen, z. B. das World Wide Web (WWW), zu erreichen. Die bereitgestellte Umgebung kann als eine Umgebung für drahtlose Anwendungen (WAE) bezeichnet werden. Das heißt, der Client 1 kann durch eine Art Browser, z. B. durch einen Mikro-Browser, unterstützt werden, um auf die verschiedenen mit dem Server verbundenen Dienste zuzugreifen. Um auf diese Dienste zuzugreifen, kann der Browser die folgenden Funktionalitäten umfassen:
    • – Wireless Markup Language (WML) – eine "Light"-Auszeichnungssprache, ähnlich HTML, die aber zur Verwendung in Hand-Mobilendgeräten optimiert ist;
    • – WMLScript – eine "Light"-Script-Sprache, ähnlich JavaScriptTM;
    • – drahtlose Telephonieanwendung (WTA, WTAI) – Telephoniedienste und Programmierschnittstellen; und
    • – Inhaltsformate – eine Menge wohldefinierter Datenformate einschließlich Bildern, Telephonbucheinträgen und Kalenderinformationen.
  • Der Server 20 verwendet ein Protokoll für drahtlose Anwendungen und kann ein Gateway 30 und einen Ursprungs-Server 40 umfassen. Das Gateway 30 ist ebenfalls ein Server, der Informationen zwischen dem Client 1 und dem Ursprungs-Server 40 identifizieren und verschlüsseln/entschlüsseln kann. Das heißt, das Gateway ist mit Codierern und Decodierern (nicht gezeigt) versehen. Außerdem umfasst der Server 20 verschiedene Algorithmen zur Ausführung der Verschlüsselung/Entschlüsselung. Die Verschlüsselung/Entschlüsselung selbst kann mit wohlbekannten Verfahren, z. B. RSA, Diffie-Hellman usw., ausgeführt werden. Der Ursprungs-Server 40 umfasst verschiedene Scripte, die WAP unterstützen, sowie Daten, auf die der Client zugreifen wird. Diese Daten können alle Arten von Informationen, z. B. Wetterberichte, Nachrichten, Informationen von Aktienmärkten usw., sein.
  • Um von dem Client 1 auf den Server 20 zuzugreifen, muss der Server 20 mit einem drahtlosen Kommunikationsnetz 50, z. B. mit einem Zellentelephonnetz, verbunden sein. Somit ist der Client in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit (nicht gezeigten) Kontaktmitteln versehen, um Informationen von einer (nicht gezeigten) getrennten Einheit zu empfangen, die mit Speichermitteln versehen ist. Diese getrennte Einheit kann eine Smart Card, ein Teilnehmerkennungsmodul (SIM) oder dergleichen sein. Die Speichermittel können ein Schreib-Lese-Speicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM) oder dergleichen sein. Ferner umfassen die Speichermittel Informationen zum Steuern des Zugriffs auf den Server 20 über das drahtlose Kommunikationsnetz 50.
  • Um eine sichere Verbindung aufzubauen, verbindet sich der Client 1 mit der getrennten Einheit und greift er auf das drahtlose Kommunikationsnetz 50 zu, das mit dem Server 20 verbunden ist. Daraufhin sendet der Client 1 eine verschlüsselte Anforderung 60 über das Gateway 30. Die verschlüsselte Anforderung 60 umfasst Informationen darüber, welchen im Voraus definierten Algorithmus bzw. welche im Voraus definierten Algorithmen der Client 1 unterstützt. Wenn das Gateway 30 diese verschlüsselte Anforderung 60 empfängt, sendet es 70 die verschlüsselte Anforderung an den Ursprungs-Server 40. Der Ursprungs-Server 40 wählt wenigstens einen Algorithmus aus, dem ein öffentlicher Schlüssel und ein privater Schlüssel zugeordnet sind, und sendet eine Nachricht 80 zurück an das Gateway 30. Das Gateway verschlüsselt die Nachricht und sendet sie 90 an den Client 1. Diese Nachricht 90 umfasst den öffentlichen Schlüssel sowie Informationen darüber, welchen Algorithmus der Server 20 ausgewählt hat. Wenn der Client 1 die den öffentlichen Schlüssel enthaltende verschlüsselte Nachricht 90 empfängt, erzeugt er einen Master-Geheimcode und berechnet er auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, des öffentlichen Schlüssels und des Master-Geheimcodes eine Signatur. Anschließend sendet der Client 1 eine verschlüsselte Antwort 65 an das Gateway 30. Diese verschlüsselte Antwort 65 umfasst die berechnete Signatur. Wenn das Gateway 30 die die Signatur enthaltende verschlüsselte Antwort 80 empfängt, entschlüsselt es die Antwort 75 und sendet sie an den Ursprungs-Server 40. Der Ursprungs-Server berechnet auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, der empfangenen Signatur und des privaten Schlüssels den Master-Geheimcode. Schließlich sendet der Ursprungs-Server 40 eine letzte Nachricht 85 über das Gateway 30 an den Client. Falls der Ursprungs-Server 40 die Anforderung 60 des Clients 1 angenommen hat, kann der Server eine sichere Verbindung zwischen dem Ursprungs-Server 40 und dem Client 1 aufbauen, während die Verbindung andernfalls beendet wird.
  • Aufbau einer sicheren Verbindung
  • 4 veranschaulicht die Nachrichtenstruktur für den Aufbau einer sicheren Verbindung gemäß der Erfindung.
  • Die kryptographischen Parameter der sicheren Sitzung werden durch das WTLS-Quittungsaustausch-Protokoll erzeugt, das über der WTLS-Record-Layer arbeitet. Wenn ein WTLS-Client und -Server zuerst mit der Kommunikation beginnen, stimmen sie eine Protokollversion ab, wählen sie kryptographische Algorithmen, authentisieren sie optional einander und verwenden sie Verschlüsselungstechniken mittels öffentlichem Schlüssel, um ein gemeinsam genutztes Geheimnis zu erzeugen.
  • Das WTLS-Quittungsaustausch-Protokoll ist beschrieben in der Wireless Transport Layer Security Specification, datiert vom 30. April 1998, und ist Teil des Protokolls für drahtlose Anwendungen.
  • Das WTLS-Quittungsaustausch-Protokoll umfasst die folgende Folge von Schritten: Wenn zwischen dem Telephon 1 (dem Client) und dem Server 20 (z. B. einer Bank) eine WAP-Sitzung aufgebaut worden ist und der Client (das Telephon 1) eine sichere Verbindung aufbauen möchte, sendet er als eine erste Nachricht eine Client-hallo-Nachricht 100. Diese Nachricht enthält eine Schlüsselaustauschliste, die in abnehmender Reihenfolge der Präferenz die durch den Client unterstützten Algorithmen zum Austausch kryptographischer Schlüssel enthält. Außerdem definiert jeder Eintrag das Zertifikat oder den öffentlichen Schlüssel, das bzw. den der Client verwenden möchte. Der Server wählt eines oder einen aus oder gibt, falls keine akzeptablen Auswahlen angeboten werden, eine handshake_failure-Warnung zurück und schließt die sichere Verbindung.
  • Wenn der Server 20 eine akzeptable Menge von Algorithmen finden konnte, sendet er in Reaktion auf die Client-hallo-Nachricht 100 eine Server-hallo-Nachricht 101. Falls er eine solche Übereinstimmung nicht finden kann, muss er mit einer handshake_failure-Warnung reagieren. Diese Server-hallo-Nachricht 101 identifiziert die Sitzung und baut die für die Sitzung erforderlichen Parameter auf.
  • Außerdem sendet der Server 20 eine Server-Zertifikat-Nachricht 102. Die Server-Zertifikat-Nachricht 102 folgt immer sofort auf die Server-hallo-Nachricht 101, wobei es der Zweck dieser Server-Zertifikat-Nachricht 102 ist, den in der Client-hallo-Nachricht 100 enthaltenen Verschlüsselungsalgorithmus zu iden tifizieren, den der Server aus der Schlüsselaustauschliste ausgewählt hat. Die Server-Zertifikat-Nachricht 102 enthält ein so genanntes Zertifikat, das einen öffentlichen Schlüssel für den ausgewählten Verschlüsselungsalgorithmus übermittelt. Die Server-Zertifikat-Nachricht 102 enthält Informationen über den Ausgeber des Zertifikats, über den Beginn und das Ende der Gültigkeitszeitdauer sowie relevante Parameter oder den öffentlichen Schlüssel. Der Server kontrolliert die Gültigkeitszeitdauer, wobei der Client die sichere Verbindung erneuern muss, wenn die gewährte Gültigkeitszeitdauer abgelaufen ist. Die Länge der Gültigkeitszeitdauer liegt typischerweise auf dem Niveau einer Woche oder mehr. Die maximale Nummer der Sitzung muss ebenfalls definiert werden.
  • Als eine dritte Nachricht wird sofort nach der Server-Zertifikat-Nachricht 102 eine Server-Schlüsselaustauschnachricht 103 gesendet. Die Server-Schlüsselaustauschnachricht 103 ist optional und wird von dem Server 20 nur dann gesendet, wenn die Server-Zertifikatnachricht 102 nicht genügend Daten enthält, um zu ermöglichen, dass der Client 1 ein Pre-Master-Geheimnis austauscht. Diese Nachricht 103 befördert kryptographische Informationen, die ermöglichen, dass der Client das Pre-Master-Geheimnis übermittelt: entweder einen öffentlichen RSA-Schlüssel zum Verschlüsseln eines Geheimnisses damit oder Ellipsenkurven-Diffie-Hellman-Parameter, mit denen der Client einen Schlüsselaustausch abschließen kann (wobei das Ergebnis das Pre-Master-Geheimnis ist). Da für WTLS zusätzliche Schlüsselaustausch-Suiten definiert sind, die neue Schlüsselaustauschalgorithmen enthalten, wird die Server-Schlüsselaustausch-Nachricht dann und nur dann gesendet, wenn der dem Schlüsselaustauschalgorithmus zugeordnete Zertifikattyp nicht genügend Informationen liefert, damit der Client ein Pre-Master-Geheimnis austauschen kann.
  • Außerdem ist eine vierte Nachricht – eine Server-Zertifikatnachricht 104 – optional. Diese Nachricht 104 fordert ein Zertifikat von dem Client an, falls dies für die ausgewählte Schlüsselsuite geeignet ist. Diese Nachricht folgt unmittelbar auf die Server-Zertifikat-Nachricht 102 und auf die Server-Schlüsselaustausch-Nachricht 103.
  • Um den Client zu informieren, dass der Server die Server-hallo-Sitzung abgeschlossen hat, sendet er eine Server-hallo-fertig-Nachricht 105. Nachdem der Server 20 diese Nachricht 105 gesendet hat, wartet er auf eine Antwort des Client. Diese Nachricht gibt an, dass der Server 20 Nachrichten zur Unterstützung des Schlüsselaustauschs gesendet hat und dass der Client 20 mit seiner Schlüsselaustauschphase fortfahren kann.
  • Bei Empfang der Server-hallo-fertig-Nachricht sollte der Client bei Bedarf verifizieren, dass der Server ein gültiges Zertifikat geliefert hat, und prüfen, dass die Server-hallo-Parameter akzeptabel sind.
  • Falls der Server 20 um eine Client-Zertifikat-Nachricht 107 bittet, muss der Client 1 eine solche senden, nachdem er eine Server-hallo-fertig-Nachricht 105 empfangen hat. Diese Nachricht wird nur dann gesendet, wenn der Server 20 ein Zertifikat anfordert. Falls kein geeignetes Zertifikat verfügbar ist, muss der Client eine Zertifikat-Nachricht senden, die keine Zertifikate enthält. Falls der Server eine Client-Authentisierung erfordert, damit der Quittungsaustausch fortgesetzt wird, kann er mit einer schweren handshake_failure-Warnung reagieren. Die Client-Zertifikate werden unter Verwendung der vorher für Server-Zertifikate definierten Zertifikatstruktur gesendet.
  • Nun beginnt das Telephon 1 oder der Client, eine 20-Byte-Zufallszahl zur Verwendung als Master-Geheimnis 106 für die sicheren Sitzungen zu berechnen. Das Master-Geheimnis 106 wird dazu verwendet, Schlüsselmaterial abzuleiten, das für die Nachrichtenauthentisierungscode-Schlüssel (MAC-Schlüssel) und für die Datenverschlüsselungsschlüssel erforderlich ist. Der MAC und die Datenverschlüsselung schaffen Datenintegrität und Privatsphäre zwischen den kommunizierenden Teilnehmern. Eine Schlüsselaufstellung auf der Grundlage öffentlicher Schlüssel ist sowohl rechentechnisch als auch wegen der starken Datenübertragung eine schwierige Prozedur. Aus diesem Grund besteht ein Bedarf daran, das gegenseitig vereinbarte Master-Geheimnis 106 verhältnismäßig lange Zeit zu verwenden.
  • Der Prozessor oder der Controller 18 des Telephons 1 berechnet das Master-Geheimnis. Zur Speicherung der sensiblen Daten der sicheren Sitzung und zur Ausführung von Operationen unter Verwendung dieser sensiblen Daten wird eine Smart Card, z. B. die SIM-Card 16, verwendet, die als eine manipulationssichere Vorrichtung betrachtet werden, so dass diese Daten die Karte niemals verlassen. In der Praxis werden die sicheren Informationen von der SIM-Karte 16 in den Arbeits-RAM 17a des Prozessors 18 übertragen, wobei diese Informa tionen aber überschrieben werden, wenn keine Sitzung im Gang ist oder wenn das Telephon 1 ausgeschaltet ist.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung führt der Controller 18 die für den Schlüsselaufbau erforderlichen Operationen, z. B. die Diffie-Hellman-Berechnung oder die RSA-Verschlüsselungsberechnung und die komplementären Berechnungen, aus. Daraufhin speichert der Controller 18 den resultierenden geheimen Schlüssel (das Master-Geheimnis 106) beständig in der SIM-Karte 16. Daraufhin führt der Controller 18 auf der Grundlage des Master-Geheimnisses 106 und zusätzlicher Daten (z. B. Startdaten) die Schlüsselableitung aus, wobei er das Schlüsselmaterial für die MAC-Berechnung und -Verschlüsselung erzeugt. Die Schlüsselableitungsfunktion ist sicherheitsprotokollspezifisch. Sie beruht typischerweise auf einer sicheren Hash-Funktion, z. B. SHA-1.
  • Vorzugsweise ist die SIM-Karte 16 als eine Smart Card mit ihrem eigenen Prozessor vorgesehen, wodurch die beiden zum Ausführen der Schlüsselaufstellung und der Schlüsselableitung auf der Grundlage des Master-Geheimnisses erforderlichen Operationen innerhalb der Smart Card ausgeführt werden können. Das Master-Geheimnis und die Daten, die verwendet werden, um es zu berechnen, brauchten die Smart Card dann nie zu verlassen. Somit kann die dem Master-Geheimnis zugeordnete sichere Sitzung während einer langen Zeitdauer verwendet werden.
  • Falls die Client-Zertifikat-Nachricht 107 gesendet wird, folgt auf sie sofort eine Client-Schlüsselaustausch-Nachricht 108. Andernfalls ist sie die erste Nachricht, die von dem Client 1 gesendet wird, nachdem er die Server-hallo-fertig-Nachricht 105 empfangen hat. Mit dieser Nachricht 108 wird entweder durch direkte Übertragung des RSA-verschlüsselten Geheimnisses oder durch die Übertragung des öffentlichen EC-Diffie-Hellman-Schlüssels ein Pre-Master-Geheimnis eingestellt, was ermöglicht, dass jede Seite dem gleichen Pre-Master-Geheimnis zustimmt.
  • Daraufhin wird das Master-Geheimnis 106 unter Verwendung des öffentlichen Schlüssels von dem Server-Zertifikat und des abgestimmten RSA-Algorithmus verschlüsselt. Das Ergebnis wird in einer verschlüsselten Master-Geheimnisnachricht 109 an den Server 20 gesendet.
  • Um eine explizite Verifizierung eines Client-Zertifikats zu schaffen, wird eine Zertifikatverifizierungsnachricht 110 verwendet. Diese Nachricht wird von dem Client erst nach einer Client-Zertifikat-Nachricht 107, die die Unterzeichnungsfähigkeit besitzt (d. h. RSA-Zertifikate), gesendet.
  • Am Ende des Quittungsaustauschs müssen beide Enden fertige Nachrichten 111 und 112 senden, um zu verifizieren, dass der Schlüsselaustausch- und der Authentisierungsprozess erfolgreich waren.
  • Die fertigen Nachrichten 111 und 112 sind die ersten Nachrichten, die mit den eben abgestimmten Algorithmen, Schlüsseln und Geheimnissen geschützt sind. Die Empfänger der fertigen Nachrichten müssen verifizieren, dass die Inhalte richtig sind. Wenn eine Seite ihre fertige Nachricht gesendet und die fertige Nachricht von ihrer Gegenseite empfangen und überprüft hat, kann sie beginnen, Anwendungsdaten 113 über die sichere Verbindung zu senden und zu empfangen. Es ist ein entscheidender oder schwerer Fehler, falls einer fertigen Nachricht keine Verschlüsselungsänderungs-Spezifizierungsnachricht an dem richtigen Punkt in dem Quittungsaustausch vorangeht.
  • Der Wert handshake_messages enthält sämtliche Quittungsaustausch-Nachrichten, beginnend bei Client-hallo bis zu, aber nicht einschließlich, dieser fertigen Nachricht. Die handshake_messages für die fertige Nachricht, die von dem Client gesendet werden, sind verschieden von jenen für die fertige Nachricht, die von dem Server gesendet wird, da diejenige, die als Zweite gesendet wird, die frühere enthält.
  • Solange eine sichere Verbindung gültig ist, kann eine Anwendungsdatensitzung 113 einfach unter Verwendung von Client-hallo-Nachrichten 100 und Server-hallo-Nachrichten 101 begonnen werden.
  • Abkürzungen
    • APDU Anwendungsprotokoll-Dateneinheit
    • API Anwendungsprogrammierungs-Schnittstelle
    • CA Zertifizierungsautorität
    • CBC Verschlüsselungsblockverkettung
    • DF zweckbestimmte Datei
    • DH Diffie-Hellman
    • EC Ellipsenkurve
    • ECC Ellipsenkurven-Kryptographie
    • ECDH Ellipsenkurven-Diffie-Hellman
    • ECDSA digitaler Ellipsenkurven-Signaturalgorithmus
    • EF elementare Datei
    • GSM globales System für die Mobilkommunikation
    • IV Initialisierungsvektor
    • MAC Nachrichtenauthentisierungscode
    • ME Management-Entität
    • OSI offene Systemverbindung
    • PDU Protokolldateneinheit
    • PRF Pseudozufallsfunktion
    • SAP Dienstzugriffspunkt
    • SDU Dienstdateneinheit
    • SHA-1 sicherer Hash-Algorithmus
    • SIM Teilnehmerkennungsmodul
    • SMS Kurznachrichtendienst
    • SSL sichere Sockets-Schicht
    • TLS Transportschichtsicherheit
    • WAP Protokoll für drahtlose Anwendungen
    • WML Wireless Markup Language
    • WMLScript Wireless Markup LanguageScript
    • WDP Wireless Datagram Protocol
    • WSP Wireless Session Protocol
    • WTLS Wireless Transport Layer Security
    • WTP Wireless Transaction Protocol
  • Die obige Liste enthält die in dem vorliegenden Text verwendeten Akronyme. Eine ausführliche Diskussion und Erläuterung der Akronyme ist in den technischen Spezifikationen, die das Protokoll für drahtlose Anwendungen definieren, auf der Internet-Homepage für das WAPFORUM, http://www.wapforum.org/, zu finden.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Aufbauen einer sicheren Verbindung zwischen einer Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation und einer Datenkommunikationsvorrichtung (20, 30, 40) über ein drahtloses Kommunikationsnetz (5A) gemäß einem Protokoll für drahtlose Anwendungen, wobei die Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation Mittel zur drahtlosen Kommunikation für eine Kommunikation mit der Datenkommunikationsvorrichtung über das Netz, eine getrennte Einheit (16), die mit Speichermitteln versehen ist, die Informationen für die Steuerung des Zugriffs der Mittel zur drahtlosen Kommunikation über das drahtlose Kommunikationsnetz speichern, und Kontaktmittel, die die Informationen von der getrennten Einheit empfangen, umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Schaffen einer Verbindung zwischen den Mitteln (1) für drahtlose Kommunikation und der getrennten Einheit (10) über die Kontaktmittel, Zugreifen auf die Datenkommunikationsvorrichtung über das drahtlose Kommunikationsnetz, Senden einer Anforderung (100) von der Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation zu der Datenkommunikationsvorrichtung (20), um eine Verbindung aufzubauen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anforderung Informationen darüber enthält, welchen wenigstens einen im Voraus definierten Algorithmus die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation unterstützt, bei Empfang der Anforderung (100) bei der Datenkommunikationsvorrichtung (20) wenigstens ein Algorithmus ausgewählt wird, dem ein öffentlicher und ein privater Schlüssel zugeordnet sind, eine Nachricht (101), die den öffentlichen Schlüssel sowie Informationen für den ausgewählten Algorithmus enthält, zu der Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation zurückgesendet wird, bei der Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation ein Master-Geheimcode (106) erzeugt wird, bei der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation eine Signatur auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, des öffentlichen Schlüssels und des Master-Geheimcodes berechnet wird und eine Antwort (109), die die berechnete Signatur enthält, an die Datenkommunikationsvorrichtung (20) gesendet wird, bei Empfang der die Signatur enthaltenden Antwort (109) der Master-Geheimcode auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, der empfange nen Signatur und des privaten Schlüssels bei der Datenkommunikationsvorrichtung (20) berechnet wird und eine sichere Verbindung mit der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation aufgebaut wird, und der Master-Geheimcode in den Speichermitteln der getrennten Einheit (16) und in der Datenkommunikationsvorrichtung (20) gesichert wird, um den erneuten Aufbau der sicheren Verbindung bei einer späteren Gelegenheit zu ermöglichen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das einen Schritt umfasst, bei dem der Master-Geheimcode für eine im Voraus definierte Zeit gesichert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das einen Schritt umfasst, bei dem die Verbindung erneut aufgebaut wird, indem eine Anforderung der Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation an die Datenkommunikationsvorrichtung (20) gesendet wird, wobei die Anforderung die auf der Grundlage des gewählten Algorithmus, des öffentlichen Schlüssels und des gespeicherten geheimen Schlüssels berechnete Signatur enthält, und bei Empfang der Anforderung bei der Datenkommunikationsvorrichtung (20) der Master-Geheimcode auf der Grundlage des gewählten Algorithmus, der empfangenen Signatur und des privaten Schlüssels berechnet wird und eine sichere Verbindung mit der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation aufgebaut wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, das das Vorsehen der getrennten Einheit (16) als Smart Card umfasst.
  5. Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation zum Aufbauen einer sicheren Verbindung mit einer Datenkommunikationsvorrichtung (20) auf der Grundlage eines Protokolls für drahtlose Anwendungen, wobei die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation umfasst: Kommunikationsmittel zum Aufbauen einer Verbindung mit einem drahtlosen Kommunikationsnetz, das mit der Datenkommunikationsvorrichtung verbunden ist, eine getrennte Einheit (16) mit Speichermitteln, die mit Informationen versehen ist, um den Zugriff auf die Datenkommunikationsvorrichtung über das drahtlose Kommunikationsnetz zu steuern, Kontaktmittel, die Informatio nen von der getrennten Einheit empfangen, und Mittel (16, 18), die einen Master-Geheimcode erzeugen, gekennzeichnet durch Steuermittel (16, 18), die so konfiguriert sind, dass sie einen im Voraus definierten Algorithmus zum Erzeugen einer Signatur auf der Grundlage des Master-Geheimcodes und eines von der Datenkommunikationsvorrichtung empfangenen öffentlichen Schlüssels verwenden, der verwendet wird, wenn die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation eine sichere Verbindung mit der Datenkommunikationsvorrichtung aufbaut, wobei die Speichermittel der getrennten Einheit (16) so konfiguriert sind, dass sie wenigstens einen Master-Geheimcode und/oder wenigstens eine Signatur speichern, um den erneuten Aufbau der sicheren Verbindung bei einer späteren Gelegenheit zu ermöglichen.
  6. Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation nach Anspruch 5, bei der der Master-Geheimcode in der getrennten Einheit (16) erzeugt wird.
  7. Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Signatur in der getrennten Einheit (16) erzeugt wird.
  8. Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die getrennte Einheit (16) eine Smart Card umfasst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Smart Card ein Teilnehmerkennungsmodul ist.
  10. Speicherkarte (16) zum Aufbauen einer sicheren Verbindung zwischen einer Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation und einer Datenkommunikationsvorrichtung (20) auf der Grundlage eines Protokolls für drahtlose Anwendungen, wobei die Karte so konfiguriert ist, dass sie mit Kontaktmitteln, die in der Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation vorgesehen sind, verbunden wird, um Informationen von der Speicherkarte für die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation beim Aufbau einer sicheren Verbindung mit einer Datenkommunikationsvorrichtung (20) bereitzustellen, wobei die Informationen so beschaffen sind, dass sie den Zugriff auf die Datenkommunikationsvorrichtung über ein drahtloses Kommunikationsnetz steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Karte so konfiguriert ist, dass sie einen erzeugten Master-Geheimcode, der auf eine oder auf mehrere Sitzungen mit der Daten kommunikationsvorrichtung (20) bezogen ist, sichert, wenn die sichere Verbindung aufgebaut wird, und in Reaktion auf eine spätere Anforderung von der Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation diesen vorher gesicherten Code für die Verwendung während der Kommunikation mit der Datenkommunikationsvorrichtung bereitstellt, um erneut eine sichere Verbindung aufzubauen.
  11. Speicherkarte (16) nach Anspruch 10, die ferner Verschlüsselungsmittel zum Verschlüsseln des Master-Geheimcodes umfasst, wobei der Master-Geheimcode als eine Signatur für die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation verwendet wird, wenn eine sichere Verbindung aufgebaut wird.
  12. Speicherkarte (16) nach Anspruch 10 oder 11, die eine sichere Datenbank enthält, die mit wenigstens einem Master-Geheimcode und/oder wenigstens einer Signatur versehen ist, die auf eine oder mehrere Datenkommunikationsvorrichtungen bezogen ist, um erneut eine sichere Verbindung mit einer Datenkommunikationsvorrichtung aufzubauen.
  13. Speicherkarte nach Anspruch 10, 11 oder 12, die eine Smart Card (16) umfasst.
  14. System zum Aufbauen einer sicheren Verbindung, wenn ein Protokoll für drahtlose Anwendungen verwendet wird, mit: einer Datenkommunikationsvorrichtung (20, 30, 40), einem drahtlosen Kommunikationsnetz (5A), das mit der Datenkommunikationsvorrichtung verbunden ist, einer Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation, die mit der Datenkommunikationsvorrichtung über das drahtlose Kommunikationsnetz gemäß dem Protokoll für drahtlose Anwendungen kommuniziert, wobei die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation Mittel zur drahtlosen Kommunikation für eine Kommunikation mit der Datenkommunikationsvorrichtung über das Netz, eine getrennte Einheit (16) mit Speichermitteln, die mit Informationen zum Steuern des Zugriffs auf die Datenkommunikationsvorrichtung über das drahtlose Kommunikationsnetz versehen ist, und Kontaktmittel zum Empfangen von Informationen von der getrennten Einheit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation so beschaffen ist, dass sie eine Anforderung (100) an die Datenkommunikationsvorrichtung sendet, um eine Verbindung aufzubauen, wobei die Anforderung Informationen darüber enthält, welchen wenigstens einen im Voraus definierten Algorithmus die Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation unterstützt, die Datenkommunikationsvorrichtung (20) so konfiguriert ist, dass sie bei Empfang der Anforderung wenigstens einen Algorithmus auswählt, dem ein öffentlicher Schlüssel und ein privater Schlüssel zugeordnet sind, und eine Nachricht (101) zu der Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation zurücksendet, wobei die Nachricht den öffentlichen Schlüssel und Informationen darüber enthält, welchen Algorithmus die Datenkommunikationsvorrichtung wählen wird, die Vorrichtung (20) zur drahtlosen Kommunikation so beschaffen ist, dass sie bei Empfang der den öffentlichen Schlüssel enthaltenden Nachricht einen Master-Geheimcode erzeugt, auf der Grundlage des gewählten Algorithmus, des öffentlichen Schlüssels und des Master-Geheimcodes eine Signatur berechnet und eine Antwort an die Datenkommunikationsvorrichtung sendet, wobei die Antwort (109) die berechnete Signatur enthält, und die Datenkommunikationsvorrichtung (20) so beschaffen ist, dass sie bei Empfang der Antwort (109) den Master-Geheimcode auf der Grundlage des ausgewählten Algorithmus, der empfangenen Signatur und des privaten Schlüssels berechnet und eine sichere Verbindung mit der Vorrichtung (1) zur drahtlosen Kommunikation aufbaut, und die Speichermittel der getrennten Einheiten (16) so konfiguriert sind, dass sie den Master-Geheimcode sichern, um die Verbindung bei einer späteren Gelegenheit erneut aufzubauen.
  15. System nach Anspruch 14, bei dem der Master-Geheimcode so beschaffen ist, dass er für eine im Voraus definierte Zeit gesichert wird.
  16. System nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die getrennte Einheit eine Smart Card (16) ist.
  17. Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation nach einem der Ansprüche 5 bis 9, die einen Mobiltelephonapparat umfasst.
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