DE69031889T2 - Verfahren zur Erzeugung einer einmaligen Zahl für eine Mikroschaltungskarte und Verwendung derselben zur Zusammenarbeit der Karte mit einem Wirtssystem - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung einer einmaligen Zahl für eine Mikroschaltungskarte und Verwendung derselben zur Zusammenarbeit der Karte mit einem Wirtssystem

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer pseudozufalligen einmaligen Zahl NU durch eine Mikro schaltungskarte, wobei jede einmalige Zahl NU durch Verschlüsselung einer einmaligen von der Mikroschaltung erzeugten Eingangsnachricht gebildet wird und zum Individualisieren der Zusammenarbeit, mittels dieser Karte, mit einem Wirtssystem bei einer spezifischen Benutzung der Mikroschaltungskarte dient und die Karte einen RAM-Arbeitsspeicher sowie einen PROM-Festwertspeicher mit einem Herstellerschlüssel PK, einem Ausstellerschlüssel MK, einem Inhabercode CP und einer Seriennummer NS enthält.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf Anwendungen des Verfahrens zum Erzeugen einer einmaligen Zahl, insbesondere zur Authentifikation eines über einen Leser mit einer Mikroschaltungskarte zusammenarbeitenden Wirtssystems, oder zur Rehabilitierung einer Mikroschaltungskarte mittels eines befugten Wirtssystems, die nach einigen (drei) aufeinanderfolgenden falschen Eingaben des Inhabercodes gesperrt wurde.
  • Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Generator zum Erzeugen einer pseudozufälligen einmaligen Zahl eingangs erwähnter Art, auf eine einen derartigen Generator enthaltende Mikroschaltungskarte und auf ein Veriflkationssystem mit einer Reihe miteinander verbundener Einheiten, die ein Wirtssystem, ein Terminal und eine Mikroschaltungskarte eingangs erwähnter Art enthalten. Ein derartiges Verfahren, derartige Einheiten und ein derartiges System werden vorteilhaft für den Datenaustausch bei finanziellen Last- und Gutschriften sowie für andere empfindliche, vertrauliche Transaktionen zwischen den Wirtssystemen und Personen mittels Terminals ohne Bedienungsperson eingesetzt.
  • Eine beliebige oder pseudozufällige Zahl wird im allgemeinen in kryptographischen Protokollen (Übermittlungsvorschriften) zum Verhindern der Neuverwendung (Neueinsatz) verschlüsselter Daten (insbesondere von einer unbefugten Person) oder ganz einfach als Berechtigungs- oder Authentifikationselement verwendet. Allgemein ist die Ausarbeitung eines Algorithinus zum Erzeugen einer pseudozufälligen Zahl kompliziert, was das technische Problem ergibt, einen derartigen Algorithmus zu erfassen, wenn er in einem Mikroprozessorelement mit geringer RAM-Direktzugriffspeicher- und ROM-Festwertspeicher-Kapazität durchgeführt werden muß, wie es bei einer Mikroschaltungskarte der Fall ist. Die Erzeugung einer Zufallszahl erfolgt auf bekannte Weise in einem elektronischen Gerät, das mit einer Mikroschaltungskarte zusammenarbeitet, wie es beispielsweise in der europäischen Patentschrift 0 096 599 beschrieben ist, 9der es wird zum Authentifizieren oder Beglaubigen einer in einem Speicher eines elektronischen Trägers enthaltenen Information ein Generator für Zufaliszahlen (GNA) in einem Transaktionsgerät vorgesehen. Für die Anwendungsgebiete einer Mikroschaltungskarte, die einen höheren Grad an Sicherheit und Vertraulichkeit erfordern, ist es erwünscht, daß die Mikroschaltungskarte selbst die erwähnten (pseudo)zufälligen Zahlen (einmalige Zahlen) erzeugt, was sich dahin auswirkt, daß sie auf gleichen Fuß mit den elektronischen Geräten gestellt wird, die mit ihr zusammenarbeiten (Leser in der Nähe, fernes Wirtssystem) und ihr ermöglichen, selbst im Inneren - unzugänglich - kryptographische Berechnungen, gefolgt von kryptographischen Vergleichen, zur eventuellen Gültigkeitsfeststellung dieser oder jener spezifischen Benutzung durchzuführen.
  • Es sei bemerkt, daß aus der europaischen Patentanmeldung EP-A 0 320 489 ein Verfahren zum Erzeugen einer pseudozufalligen Zahl mit einer Mikroschaltungs karte bekannt ist, bei dem jede pseudozufällige Zahl durch Verschlüsselung einer einmaligen in der Mikroschaltungskarte erzeugten Eingangsnachricht gebildet wird.
  • Die erforderlichen kennzeichnenden Eigenschaften jeder durch die Karte erzeugten einmaligen Zahl sind folgende:
  • die erzeugte Zahl darf nicht voraussehbar sein, um welche zuvor erzeugte Zahl und welchen benutzten Kartentyp es sich auch handelt,
  • die erzeugte Zahl muß bei jeder Spannungszuführ verschieden sein,
  • die erzeugte Zahl muß vom Zeitpunkt ihrer Anforderung unabhängig sein,
  • die erzeugte Zahl ist nur einmal verwendbar (einmalige Zahl).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Mikroschaltungskarte eine pseudozufällige Zahl mittels eines spezifischen Programms der Karte zu erzeugen.
  • Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, in einer Mikroschaltungskarte eine pseudozufällige Zahl durch umkehrbare Verschlüsselung einer in der Karte erzeugten einmaligen Eingangsnachricht zu erzeugen.
  • Der Erfindung liegt weiter noch die Aufgabe zugrunde, in einer Mikroschaltungskarte eine pseudozufällige Zahl durch umkehrbare Verschlüsselung einer in der Karte erzeugten einmaligen Eingangsnachricht nach einem Darstellungsschlüssel zu erzeugen, der aus einer logischen Operation zwischen zwei zuvor in die Karte eingeführten Darstellungsschlüsseln resultiert.
  • Zur Lösung dieser Aufgaben ist ein erfindungsgemäßes Verfahren eingangs erwähnter Art dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl NU erzeugt und in einen RAM- Speicher auf der Karte nach der aufeinanderfolgenden Durchführung folgender Schritte eines spezifischen Programms der Karte eingegeben wird:
  • a - das Verknüpfen der beiden Schlüssel PK und MK mittels der Durchführung einer logischen Operation, deren Ergebnis ein Schlüssel KMP und die Speicherung des Schlüssels KMP in den RAM-Speicher ist, wobei der Schlüssel KMP von der Karte erstellt wird und von außen her unzugänglich ist,
  • b - das Verschlüsseln einer in der Karte erstellten Eingangsnachricht in die einmalige Zahl NU, wobei diese Nachricht sich bei jeder spezifischen Benutzung mit Hilfe eines umkehrbaren Algorithinus ALG, ALG&supmin;¹ unter dem Schlüssel KMP:
  • NU = ALGKMP(ME) andert
  • Es sei bemerkt, daß aus der Patentanmeldung EP-A 0 320 489 ein Verfahren zum Erzeugen einer einmaligen pseudozufälligen Zahl durch eine Mikroschaltungskarte bekannt ist, wobei jede einmalige Zahl bei einer spezifischen Benutzung einer Mikroschaltungskarte zum Individualisieren der Zusammenarbeit mit einem Wirtssystem mit Hilfe der Karte dient, die einmalige Zahl aus einem in einen Speicher der Karte eingegebenen Schlüssel erstellt wird und nach der Durchführung des folgenden Schritts eines spezifischen Programms der Karte in den Speicher der Karte aufgenommen wird:
  • - Verschlüsselung einer einmaligen von der Karte erstellten Eingangsnachricht nach einem Algorithinus gemäß dem Schlüssel in die erwähnte einmalige Zahl, wobei die Nachricht sich bei jeder spezifischen Benutzung ändert.
  • Vorzugsweise ist erfindungsgemäß die logische Operation die Modulo-2- Summation und der angewandte Algorithinus der umkehrbaren Verschlüsselung zur Durchführung der Erfindung das Verschlüsselungssystem mit Geheimschlüssel mit der Bezeichnung Data Encryption Standard (Kurzbezeichnung DES für die Verschlüsselungsaufgabe und DES&supmin;¹ für die Entschlüsselungsaufgabe) nach der Beschreibung in der Veröffentlichung "Federal Information Processing Standards Publication" (FIPS PUB46) vom 15. Januar 1988 des National Bureau of Standards of the American Chamber of Commerce. Dieser Algorithinus ist selbstverständlich in der Mikroschaltungskarte zur Ausführung der kryptographischen Aufgaben und zum Schützen der Daten (siehe darüber die Patentschrift FR 2 611 962 der Anmelderin) vorhanden.
  • Die Eigenschaft der Einmaligkeit der so erhaltenen pseudozufalligen Zahl mit den oben angegebenen charakteristischen Eigenschaften entsteht teilweise aus den Eigenschaften, die die Eingangsnachricht ME und der Schlüssel KMP enthalten müssen. Nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, soweit es sich um die Erzeugung der Eingangsnachricht handelt, ist das Verfahren zum Erzeugen der einmaligen Zahl NU dadurch gekennzeichnet, daß die Karte außerdem einen RAM- Zähler, der die Zahl CTRAM enthält, und einen PROM-Zähler, der die Zahl CTROM enthält, aufweist, und daß die Eingangsnachricht ME durch das Aneinanderreihen der drei Zahlen NS, CTRAM, CTROM gebildet wird, wobei der RAM-Zähler, jedesmal wenn die Karte an Spannung gelegt wird, von 00...0 an startet und bei jeder Erzeugung der einmaligen Zahl NU inkrementiert wird, und der PROM-Zähler bei jeder spezifischen Benutzung, nach jedem Anlegen von Spannung an die Karte oder jeder Rückstellung (RESET) der Karte, inkrementiert wird, wenn der Inhabercode CP nicht eingegeben worden ist oder wenn der RAM- Zähler eine Grenze überschreitet.
  • Bei einem erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsbeispiel, soweit es sich um die Erzeugung des Schlüssels KMP handelt, ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der Schlüssel PK nur dem Hersteller der Karte bekannt und der Schlüssel MK nur dem Aussteller der Karte bekannt und daher der Schlüssel KMP, der sich im RAM-Speicher befindet und mit Sicherheit von außen unzugänglich ist, keiner der beiden Parteien bekannt ist, was der ersten Eigenschaft der Erzeugung der einmaligen Zahl entspricht.
  • Die Inkrementierung der so aufgebauten RAM- und PROM-Zähler erfolgt derart, daß es nicht möglich ist, während der Lebensdauer der Mikroschaltungskarte zweimal dieselbe Eingangsnachricht zu erhalten. Außerdem ist diese Eingangsnachricht für jede Karte einmalig, vorausgesetzt ihre Seriennummer ist einmalig.
  • Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer einmaligen Zahl betriffi die Authentifikation eines mit einer Mikroschaltungs karte zusammenarbeitendem Wirtssystems mit Hilfe eines Lesers unter Anwendung einer Betriebsart des DES, der der M.A.C. nach der Beschreibung im Dokument ANSI X9.9 ist, das von der American Bahkers Association 1982 veröffentlicht wurde; diese Anwendung ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
  • a - das Wirtssystem sendet an die Mikroschaltungskarte eine Anweisung zum Erzeugen einer einmaligen Zahl NU,
  • b - die Karte erzeugt eine einmalige Zahl NU, speichert sie in ihrem RAM-Speicher und sendet sie zum Wirtssystem,
  • c - die Karte und das Wirtssystem berechnen nach dem erwähnten Verschlüsselungsalgorithmus mit demselben Hauptschlüssel KAC der Karte einen Authentifikationswert VAE für das Wirtssystem bzw. VAC für die Karte:
  • VAE = ALGKAC(NU)
  • VAC = ALGKAC(NU)
  • d - das Wirtssystem sendet den Authentifikationswert VAE zur Karte,
  • e - die Karte vergleicht die Authentifikationswerte VAE und VAC und validiert für den Arbeitsablauf ihre Zusammenarbeit mit dem Wirtssystem, wenn und nur wenn folgende Identität im Inneren der Karte bestätigt wird:
  • VAE VAC
  • In diesem Kontext der Zusammenarbeit zwischen Karte und Wirtssystem ermöglicht die Authentifikation des Wirtssystems durch die Karte festzustellen, ob man den richtigen Schlüssel besitzt, und zwar ohne die Gefahr der Verbreitung des Schlüssels, weil die Karte selbst die kryptographische Berechnung VAC durchführt und nicht der Leser, was im letzten Fall die Entnahme des Schlüssels KAC der Karte in Klarschrift zum Leser hin und daher die damit zusammenhängende Gefahr der Verbreitung bedeutet.
  • Eine andere erfindungsgemäße bevorzugte Anwendung des Verfahrens zum Erzeugen einer einmaligen Zahl betriffl die Rehabilitierung der Mikroschaltungskarte nach mehreren, insbesondere drei aufeinanderfolgenden falschen Eingaben des Inhabercodes CP, wobei die Karte mit einem fernen Wirtssystem über einen Leser verbunden ist und das Wirtssystem einen für die Rehabilitation erforderlichen Hauptschlüssel KEC der Karte enthält; diese Anwendung ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
  • a - der Leser sendet der Mikroschaltungskarte eine Erzeugungsanweisung für eine einmalige Zahl NU,
  • b - die Karte erzeugt eine einmalige Zahl NU,
  • c - der Leser speichert die einmalige aus der Karte kommende Zahl NU sowie einen Fehlerparameter PE und führt die Erfassung des vom Kartenbenutzer eingegebenen Inhabercodes CP aus,
  • d - der Leser berechnet eine Rehabilitationsnachricht MR durch die Modulo- 2-Summation:
  • MR=(CP,PE,PE) NU
  • e - der Leser sendet dem Wirtssystem die Rehabilitationsnachricht MR zusammen mit einer Anweisung zur Authentifikation der Nachricht MR,
  • f - das Wirtssystem verschlüsselt die Nachricht MS gemäß dem Schlüssel KEC:
  • RES = ALGKEC(MR)
  • und sendet das Kryptogramm RES zum Leser,
  • g - der Leser überträgt das Kryptogramm RES zur Karte,
  • h - die Karte führt gemäß dem Schlüssel KEC die umgekehrte Verschlüsselung des Kryptogramms RES durch:
  • ALG&supmin;¹KEC(RES) = MR'
  • - die Karte führt die Modulo-2-Summation durch:
  • MR NU=CP', PE', PE"
  • j - die Karte annulliert den Fehlerparameter PE, wenn und nur wenn folgende Identitäten im Inneren der Karte bestätigt sind:
  • CP' CP
  • PE' PE" PE.
  • Die Karte wird so nach einer Sperrung als Folge einer Anzahl zuvor durchgeführter aufeinanderfolgender falscher Eingaben des Inhabercodes, auch mit Benutzercode, Geheimcode oder im Englischen mit Personal Identification Number (PIN) bezeichnet, wieder in einen aktiven Zustand versetzt. Diese Rehabilitation der Karte erfolgt erneut unter perfekter Geheirnhaltung, wobei davon ausgegangen wird, daß der Inhabercode CP nicht on-line zwischen dem Leser und dem Wirtssystem übertragen und der Hauptschlüssel KEC dem Leser nicht mitgeteilt wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine erfindungsgemäße in einen Leser eingeführte Mikroschaltungskarte, wobei diese Anordnung mit einem Wirtssystem verbunden ist,
  • Fig. 2 das Ablaufdiagramm eines Authentifikationsverfahrens zwischen einer Karte und einem Wirtssystem nach der Erfindung,
  • Fig. 3 das Ablaufdiagramm eines Rehabilitationsverfahrens der von einem befugten Wirtssystem gesperrten Karte nach der Erfindung.
  • In Fig. list ein herausnehmbarer und tragbarer elektronischer Träger 1 dargestellt, der nachstehend Mikroschaltungskarte oder kurz Karte genannt wird. Die Mikroschaltung 2 der Karte hat einen im wesentlichen bekannten Aufbau. Dieser Aufbau besteht aus einem 8-Bit-Mikroprozessor 3, der einen RAM-Speicher 10, zwei Direktzugriff-RAM-Pufferspeicher 4 und 5, einen ROM- Prdgrammspeicher 6 und einen Datenspeicher 7 vom EPROM- oder E²PROM-Typ enthält. Der RAM- Speicher 4 ist über einen Zweirichtungs-Adreßbus 8 mit dem Mikroprozessor 3 und der RAM-Speicher 5 über einen Zweirichtungs-Datenbus 9 mit dem Mikroprozessor verbunden. Außerdem ist jeder RAM 4,5 jeweils über einen (nicht dargestellten) Zweirichtungsbus mit den Speichern 6,7 verbunden. Der Speicher 7 ist aus technologischer Sicht ein EPROM, der aber nach der Aufzeichnung bestimmter Daten, wie insbesondere der Schlüssel, wie vorstehend angegeben, derart arbeitet, daß er weder löschbar noch neueinschreibbar ist, d.h. daß er als PROM im Falle eines EPROM arbeitet.
  • Die Karte 1 ist schematisch in einen Leser 11 eingeführt dargestellt. Die Karte hat sechs Kontakte, die in dieser Einführungsposition mit sechs entsprechenden Kontakten des Lesers zusammenarbeiten und in der Figur schematisch in beliebiger Reihenfolge von unten nach oben dargestellt sind: der Ein/Ausgabe-Kontakt I/O flir serielle Ein- und Ausgabe, der Massekontakt GND, die Betriebsspannung der Mikroschaltung VCC (5 V), die Programmierungsspannung VPP, der Taktgeber CLK und die Nullrückstellung RESET. Einige dieser sechs Kontakte sind mit der Mikroschaltung über (nicht dargestellte) Tore verbunden. Mittels einer Schnittstelle 12 und einer Kommunikationsverbindung, beispielsweise einer Übertragungsleitung 13, steht der Leser mit einem fernen Wirt ssystem 14 in Verbindung, das selbst auch eine Schnittstelle 15 hat. Die Übertragungsleitung 13 ist symbolisch durch zwei Leitungen dargestellt, von denen die Leitung 16 die Information aus dem Leser 11 in das Wirtssystem 14 und die Leitung 17 die Information in umgekehrter Richtung übertragt
  • Der Speicher 7 enthält Eingabeschlüssel oder Hauptschlüssel und Berechnungsschlüssel. Unter den Eingabeschlüsseln befindet sich insbesondere ein vom Hersteller in einer Phase vor der Personalisierung eingeführter Herstellerschlüssel PK, der nur dem Hersteller bekannt ist, sowie ein vom Aussteller der Karte in der Phase der Personalisierung eingeführter Ausstellerschlüssel MK, wobei der Aussteller beispielsweise eine Bank und dieser Schlüssel nur dem Aussteller bekannt ist. Der Schlüssel PK schützt die Karte vor unbefugten Personalisierungen; er wird nach einer Loskarte des Herstellers erzeugt. Ein anderer Eingabeschlüssel ist der Inhabercode CP, der dem Inhaber der Karte zugeordnet ist. Dieser Inhabercode muß vertraulich bleiben.
  • Der Speicher 7 enthält auch eine Seriennummer NS, die auf der Karte sichtbar dargestellt, also nicht vertraulich ist, und jede Karte trägt eine derartige Nummer.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise mit Hilfe eines spezifischen Programms im Programmspeicher 6 eine pseudozufällige Zahl, einmalige Zahl genannt, zu erzeugen. Dazu werden drei Mittel benutzt: das erste Mittel besteht darin, im RAM-Speicher 10 der Karte die beiden Schlüssel PK und MK durch eine logische Operation zu verknüpfen, vorzugsweise durch bitweise Summation nach einer Exklusiv-ODER-Funktion (Modulo-2 Summation):
  • PK MK =KMP
  • (PK, MK und KMP enthalten die gleiche Anzahl von Bits, beispielsweise 64).
  • Man bekommt also den Schlüssel KMP, der weder aus der Mikroschaltung 2 entnommen noch von außen her änderbar und somit niemandem bekannt ist.
  • Beim zweiten Mittel wird der Schlüssel KMP mit einer durch die Karte erzeugten Nachricht (Zahl) ME, Eingangsnachricht genannt, kombiniert, deren Haupteigenschaft die Einmaligkeit ist und die sich bei jeder spezifischen Benutzung ändert, aber weder aus der Mikroschaltung 2 entnommen werden kann, noch von außen her änderbar ist. Diese Kombination besteht aus der Verschlüsselung der Nachricht ME nach einem umkehrbaren Algorithinus ALG, ALG&supmin;¹ gemäß dem Schlüssel KMP:
  • ALGKMP(ME) = NU
  • NU: einmalige Zahl (pseudozufällig).
  • Vorzugsweise ist der benutzte umkehrbare Verschlüsselungsalgorithmus das bekannte Verschlüsselungssystem mit Geheimschlüssel nach dem Data Encryption Standard (DES, DES&supmin;¹), von dem eine Literaturstelle bereits angegeben wurde, oder nach dem Data Encryption Algoritlim (DEA, DEA&supmin;¹).
  • Das bei dem Verfahren zum Erzeugen einer einmaligen Zahl NU angewandte dritte Mittel besteht aus dem vorstehend genannten Schritt der Erzeugung der Eingangsnachricht ME. Diese Nachricht ME muß folgende Eigenschaften haben: Sie muß jedesmal, wenn Spannung angelegt wird, anders sein, vom Zeitpunkt ihrer Anforderung unabhängig sein und eine einmalige Zahl sein, d.h. sie darf nur einmal verwendbar sein und sich nie wiederholen. Unter den dem Fachmann bekannten zahlreichen Möglichkeiten der Erzeugung der Zahl ME nach den oben erwähnten Kriterien wird vorzugsweise folgende gewählt, die die Ausbildung eines gestrichelt dargestellten RAM-Zählers 18 im RAM-Speicher 10 beinhaltet, der beispielsweise im Mikroprozessor 3 enthalten ist und dessen Ladezustand mit CTRAM bezeichnet wird, und die Schaffiing eines im PROM-Speicher 7 gestrichelt dargestellten PROM-Zähler 19 beinhaltet, dessen Ladezu stand mit CTROM bezeichnet wird. Die Eingangsnachricht ME besteht aus drei von hoher zu geringer Wertigkeit nebeneinander angeordneten Elementen. Dies sind:
  • Die Seriennummer NS der Karte, in der sich eine Karte von allen anderen unterscheidet und die zunächst in der Phase der Personalisierung (vom Hersteller) eingeführt wird.
  • CTRAM, die bei jeder Erzeugung der einmaligen Zahl NU inkrementiert wird, wobei der RAM-Zähler 18 jedesmal, wenn Spannung an die Karte gelegt wird, oder bei jeder Nullrückstellung (RE SET) von 0 0 ... 0 initialisiert wird.
  • CTROM, die nach jedem Anlegen der Spannung oder jeder Nullrückstellung (RESET) inkrementiert wird, wenn der geheime Inhabercode CP nicht eingegeben wurde oder der RAM-Zähler 18 eine Grenze überschreitet. Die Eingangsnachricht ME hat mithin folgende Form:
  • NS, CTRAM, CTROM
  • Die Inkrementierung (um eine oder mehrere Einheiten) des RAM-Zählers bei jeder Erzeugung der einmaligen Zahl NU gewährleistet, daß die Eingangsnachricht ME sich von einer spezifischen Benutzung der Karte zur folgenden Benutzung ändert, wobei unterstellt wird, daß die Mikroschaltung 2 an Spannung liegt. Dabei wird angestrebt, daß gleiche Sequenzen aufeinanderfolgender Werte der einmaligen Zahl ME nicht erzeugbar sind, und angenommen, daß CTRAM periodisch den Wert Null annimmt, wobei die Inkrementierung des PROM-Zahlers 19 (um eine oder mehrere Einheiten), insbesondere beim Anlegen der Spannung, ermöglicht, die Wiederholung unerwünschter gleicher Sequenzen zu verhindern.
  • Außerdem sind spezifische Inkrementierungsverfahren des Zählers ROM vorgesehen, um eventuellen betrügerischen Manipulationen mit der Karte durch einen Unbefugten entgegenzuwirken. Es handelt sich dabei um die Inkrementierung des Zählers PROM nach einem Eingabefehler des Inhabercodes CP. Wenn ferner ein Betrüger versucht, die Zählmöglichkeiten des RAM-Zählers durch systematisches Erzeugen aufeinanderfolgender NU-Zahlen mit Hilfe der Karte ohne Abschalten oder Nullrückstellung der Mikro schaltung zu erschöpfen, da der RAM-Zähler 18 nach Grenzüberschreitung (Überlauf) nach mehreren zehntausend Versuchen auf Null zurückkehrt, erscheint weiterhin eine von der Sequenz entsprechend den ersten Versuchen abweichende ME-Zahlfolge infolge der Inkrementierung des PROM-Zählers bei der Grenzüberschreitung des RAM- Speichers. Auf diese Weise ist es niemandem möglich, eine Zahl NU, die einer bereits mit der Karte erzeugten Zahl NU gleicht, zu bilden und also außerhalb der Mikroschaltung zu erzeugen, wenn diese Karte spezifisch benutzt wird, was jede Möglichkeit des Betrugs bei denjenigen Anwendungen verhindert, die notwendigerweise mit der Bildung der einmaligen Zahl NU durch die Karte selbst und mit ihrer späteren Verwendung verbunden ist, bei der die Verschlüsselungs- und mathematischen Identitätsüberprüfüngsoperationen erfolgen.
  • Zwei Hauptausführungsarten des Verfahrens zum Erzeugen der einmaligen Zahl NU, wie vorstehend erwähnt, werden anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben, in denen die gestrichelten Pfeile mögliche Schritte der Zusammenarbeit zwischen der Karte CD und dem Wirtssystem HS über den Kartenleser RD bezeichnen.
  • Das Verfahren der Identifikation nach Fig. 2 resümiert folgenden Zustand: Ein Leser, in den eine Karte eingeführt ist, verifiziert bei ihrer Benutzung, daß das ferne Wirtssystem jenes ist, mit dem die Karte als verbunden angenommen wird. In der Figur symbolisiert die Spalte mit den Bezugsziffern 16 und 17 zwischen gestrichelten vertikalen Linien die Übertragungsleitung 13 in Fig. 1.
  • Bei den vorgesehenen Ausführungsarten wird in an sich bekannter Weise angenommen, daß das Wirtssystem einen einzugebenden Hauptschlüssel der Karte kennt oder erkennt, der mit KAC (bzw. KEC) bezeichnet wird und mit dem Verschlüsselungen in der Karte und im Wirtssystem (das außerdem selbst eine Karte zur Durchführung der Verschlüsselungen besitzen kann) vorgenommen werden.
  • Vorzugsweise wird der Schlüssel KAC vorher auf bekannte Weise in Form eines Kryptogramms ID, Identifikationscode genannt, immer verschlüsselt, um eine Übertragung des Schlüssels KAC in Klarschrift zu vermeiden. Dieser mögliche Schritt wird bevorzugt am Anfang des Verfahrens nach Fig. 2 und 3 ausgeführt.
  • Für die Authentifikation nach Fig. 2 sendet der Leser bei 21 eine Anweisung zum Auslesen des Identifikationscodes ID aus der Karte. Der Code ID wird bei 22 von der Karte zum Leser und bei 23 vom Leser zum Wirtssystem übertragen. Der Pfeil 24 bedeutet eine mögliche Anweisung zum Anfordern der einmaligen (pseudozufälligen) Zahl NU durch das Wirtssystem, und der Pfeil 25 dieselbe vom Leser übertragene oder ausgelöste Anweisung. Die Karte erzeugt eine Zahl NU wie oben erwähnt, die im RAM-Speicher 10 festgehalten wird. Bei 26 wird die Zahl NU zum Leser und danach bei 27 vom Leser zum Wirtssystem übertragen. Zunächst berechnet das Wirtssystem also durch umgekehrte Verschlüsselung von ID den einzugebenden Hauptschlüssel KAC der Karte (nach wenigstens einer Abwandlung wird sie zuvor durch die Karte zum Wirtssystem übertragen und anhand einer im Wirtssystem vorgesehenen Tabelle anerkannt):
  • KAC= DES&supmin;¹KA(ID)
  • Der Schlüssel KA ist ein Anwendungsschlüssel, der insbesondere in einem Kontext (Umgebung) M.A.C. nach der Beschreibung im Dokument ANSI X9.9, veröffent licht von der American Bankers Association, angewandt wird, die die mehrmalige Benutzung des Algorithinus DES in Kaskade bei Nachrichten von mehr als 64 Bits bedeutet. Danach berechnet das Wirtssystem einen Authentifikationswert in Form des Kryptogramms VAE:
  • VAE=DESKAC(NU)
  • Bei 28 wird VAE zum Leser übertragen, und dieser speichert ihn für eine spatere Operation. Bei 29 sendet der Kartenleser eine Anweisung zum Berechnen des Authentikationswertes VAC. Die Karte führt also eine Verschlüsselung analog der für VAE im Wirtssystem aus.
  • VAC=DESKAC(NU)
  • Es sei bemerkt, daß in dieser Betriebsart der Authentifikationswert VAC nicht aus der Karte entnommen werden kann.
  • Bei 32 sendet der Leser eine Anweisung zum Vergleichen von VAC und VAE, die er gleichzeitig bei 31 übertragt (wobei VAE im Schritt 28 vom Leser gespeichert wurde). Die Karte führt diesen Vergleich durch:
  • VAE VAC
  • Im Identitätsfall (Y) stellt die Karte die Gültigkeit der Folge der vorgesehenen Operationen für die beabsichtigte Anwendung zwischen der Karte und dem Wirtssystem dar. Wenn nicht (N), meldet die Karte die Ungültigkeit der Folge der Operationen. Bei diesem Authentifikationsvorgang zwischen einer Mikroschaltungskarte und einem Wirtssystem dient die pseudozufällige durch die Karte erzeugte Zahl NU hauptsächlich zum Verhindern der Wiederverwendung des Authentifikationswertes VAE oder VAC.
  • Das schematisch in Fig. 3 dargestellte Prinzip der Fernrehabilitation des Datenaustausches zwischen vier Beteiligten, denselben wie in Fig. 2, d.h. HD, RD, CD und dem Inhaber der Karte, besteht darin, daß eine nach drei aufeinanderfolgenden Eingaben des Geheimcodes CP des Inhabers in den gesperrten Zustand gebrachte Karte, der als gegeben unterstellt wird, wenn die Karte von einer unbefugten Person benutzt wurde oder wenn der Inhaber selbst mehrmals fehlerhafte Versuche angestellt hat, wieder in einen aktiven Zustand gebracht wird. Es wird im folgenden beispielsweise davon ausgegangen, daß der ROM-Speicher 7 u.a. einen bekannten Kontrollbereich mit mehreren freien Bitzeilen (im Zustand 1) enthält, in denen jedesmal eine Aufzeichnung erfolgt, wenn der Inhabercode CP der Karte eingegeben wird. Eine richtige Eingabe von CP zeigt sich mit einem flüchtigen Bit (unumkehrbarer Übergang vom Zustand 1 in den Zustand 0), von links nach rechts in der Zeile und von oben nach unten in den Zeilen. Das flüchtige Bit wird von einem Positionsanzeiger markiert, der bei einer richtigen Eingabe um eine Bitstelle weitergeht. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird nachstehend ein Beispiel mit einer einzigen Bitzeile erläutert. Weiterhin kommt eine falsche Eingabe des Codes in einem nichtflüchtigen Bit zum Ausdruck. Dies wirkt sich dahin aus, daß der Positionsanzeiger zwei Bitpositionen ansteuert, falls die vorangehende Eingabe richtig war. Falls dagegen auch die vorangehende Eingabe falsch war, steuert der Positionsanzeiger nur eine Bitstelle an. Außerdem ist das angezeigte Bit nach der Ansteuerung des Positionsanzeigers immer flüchtig. Die angewandte Lösung, wenn nur einer oder zwei Fehler nacheinander gemacht werden, besteht darin, daß sich die Konfiguration..100.. in ..000.. ändert, d.h. das folgende Bit 1 verschwindet bei einer richtigen Eingabe des Codes. Nachstehende Tabelle zeigt eine Sequenz von Speicherzuständen als praktisches Beispiel, wobei die Position des Positionsanzeigers dadurch angegeben wird, daß die von ihm markierte Bitstelle unterstrichen ist.
  • 1 Fehler 00.001 11.........11
  • 2 Fehler 00.0010 1.........11
  • 1 richtige Eingabe 00.00000 1.......11
  • 1 Fehler 00.0000001 1....11
  • 2 Fehler 00.00000010 1...11 3 Fehler (Sperrung) 00.000000100 1.11
  • Das Speicherprogramm 6 ist zum Feststellen der falschen Konfiguration 1000 in diesem Bereich und zum folgerichtigen Sperren der Karte ausgelegt. Die Adresse des Bits B im Zustand 1, die mit der Bezeichnung Fehlerparameter PE angegeben wird, markiert das Bit B durch seine Zeilennummer und seine Ziffernstelle in der Zeile, wobei die Adresse PE im RAM-Speicher 10 festgehalten wird. Bei der Anwendung nach Fig. 3 wird die Karte CD mit einem fernen Wirtssystem HS über den Leser RD verbunden. Diese Verbindung ist notwendig, da das Wirtssystem den erforderlichen Hauptschlüssel KEC flir die Rehabilitation der Karte enthält, d.h. ihre Entsperrung durch das befligte Verschwindenlassen des Bits B. Vorzugsweise wird, wie bei der Anwendung nach Fig. 2, der Schlüssel KEC nicht in Klarschrift übertragen, und die ersten Datenaustauschvorgänge erfolgen im wesentlichen gemäß dieser ersten Anwendung. Die Datenaustauschvorgänge sind folgende:
  • Das Wirt ssystem HS sendet bei 35 eine Anweisung zum Lesen des Identifikationscodes ID zum Leser RD, und diese Anweisung wird bei 36 vom Leser zur Karte CD übertragen. Der Code ID wird bei 37 von CD nach RD weitergeleitet und danach bei 38 von RD nach HS. Das Wirtssystem berechnet den Schlüssel KEC in Form eines Kryptogramms:
  • KEC = DESK&supmin;¹ (ID)
  • worin K ein Hauptschlüssel und KEC ein aus dem ersten abgeleiteter Schlüssel ist, 39 der in der Karte enthalten ist und als Hauptschlüssel für die betreffende Anwendung betrachtet wird. Bei 39 sendet RD eine Anweisung zum Übertragen des Fehlerparameters PE zur Karte. CD überträgt bei 42 PE nach RD. Der Pfeil 44 stellt eine Anweisung zum Übertragen der (pseudozufälligen) einmaligen Zahl NU von RD nach CD dar; diese Zahl NU wird von der Karte berechnet, im RAM-Speicher festgehalten und bei 45 ebenfalls nach RD übertragen. Der Leser RD fordert den Inhaber auf, seinen Inhabercode bei 43 einzugeben, und führt durch bitweise Modulo-2-Summation die Berechnung einer Rehabilitationsnachricht MR aus:
  • MR=(CP,PE,PE) NU
  • Danach sendet RD dem Wirtssystem HS die Nachricht MR (Pfeil 46) zusammen mit einer Anweisung, die Authentifikation dieser Nachricht anzufordern. HS verschlüsselt MR mit dem Schlüssel KEC:
  • RES=DESKEC(MR)
  • und sendet bei 47 das erzeugte Kryptogramm RES nach RD, der ihn wiederum nach CD (bei 48) überträgt. Schließlich führt die Karte nacheinander drei Berechnungen aus. Die erste Berechnung ist die umgekehrte Verschlüsselung mit dem Schlüssel KEC des Kryptogramms RES:
  • DES&supmin;¹KEC(RES) = MR'
  • wonach das erhaltene Kyyptogramm MR' mit NU durch Modulo-2-Summation verknüpft wird:
  • MR NU=CP,'PE',PE"
  • Hier wird die Eigenschaft der Modulo-2-Summation zum Abgeben eines ersten Operanden ausgenutzt, wonach dieser Operand aufeinanderfolgend zweimal mit einem zweiten Operanden Modub 2 zugesetzt ist. Die dritte und letzte Berechnung besteht einerseits aus der Durchführung des Vergleichs von PE', PE" und PE, und andererseits aus der Feststellung, daß CP' gleich dem in der Karte gespeicher ten Inhabercode CP ist, d.h.:
  • CP' CP
  • PE' PE"
  • PE' PE
  • Wenn es die drei Identitäten gibt (Y, Y), verschwindet das Bit B in der Adresse PE, so daß die Karte rehabilitiert ist. Wenn dagegen wenigstens eine der Identitäten nicht besteht (N,N), behält das Bit B den Wert 1 und die Karte den Sperrzustand.
  • Bei den beschriebenen Berechnungen können Zahlen-Formatierungsprobleme auftreten. Beispielsweise erfordert der Algorithinus DES 64-Bit-Schlüssel; daher müssen die zu verschlüsselnden Daten eine Länge von 64 Bit haben. Wenn die zu verschlüsselnden Daten weniger als 64 Bits haben, müssen sie mit Nullen oder Einsen auf 64 Bits ergänzt werden.
  • Wenn die Karte bei der zweiten Anwendung die Nachricht RES unter Verwendung der Gleichung
  • DES&supmin;¹KEC(RES) = MR'
  • entschlüsselt hat, wonach das entstandene Kryptogramm mit NU durch Modulo-2- Summation verknüpft wird, bekommt man:
  • CP', PE', PE".
  • Wenn die Karte eine Redundanz bei PE feststellt, d.h. PE'=PE", ist sicher, daß das Wirtssystem authentisch ist, da es den richtigen Schlüssel zum Verschlüsseln der Nachricht enthält. Auf diese Weise ermöglicht die Redundanz in diesem Fall die Feststellung der Authentizität des Ausstellers.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erzeugen einer pseudozufalligen einmaligen Zahl NU durch eine Mikro schaltungskarte, wobei jede einmalige Zahl NU zum Individualisieren der Zusammenarbeit - mittels dieser Karte - mit einem Wirtssystem bei einer spezifischen Benutzung der Mikroschaltungskarte dient, die Karte einen RAM- Arbeitsspeicher (10) sowie einen PROM-Festwertspeicher (7) mit einem Herstellerschlüssel PK, einem Ausstellerschlüssel MK, einem Inhabercode CP und einer Seriennummer NS enthält und die erzeugte Zahl NU nach der aufeinanderfolgenden Ausführung folgender Schritte eines spezifischen Programms der Karte in den RAM-Speicher (10) der Karte eingegeben wird:
a - das Verknüpfen der beiden Schlüssel PK und MK unter Ausführung einer logischen Operation, deren Ergebnis ein Schlüssel KMP ist, und die Speicherung des Schlüssels KMP in den RAM-Speicher (10), wobei der Schlüssel KMP von der Karte erstellt wird und von außen her unzugänglich ist,
b - das Verschlüsseln einer in der Karte erstellten einmaligen Eingangsnachricht in die einmalige Zahl NU, wobei sich diese Nachricht bei jeder spezifischen Benutzung mit Hilfe eines umkehrbaren Algorithinus ALG, ALG&supmin;¹ unter dem Schlüssel KMP:
NU = ALGKMP(ME)
ändert.
2. Verfahren zum Erzeugen der einmaligen Zahl NU nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Operation des Schrittes a die Modulo-2- Summation der Schlüssel PK und MK ist
PK MK=KMP.
3. Verfahren zum Erzeugen der einmaligen Zahl NU nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Algorithinus der umkehrbaren Verschlüsselung das Data Encryption Standard (DES, DES&supmin;¹) genannte Verschlüsselungssystem mit Geheimschlüssel ist.
4. Verfahren zum Erzeugen der einmaligen Zahl NU nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Karte außerdem einen die Zahl CTRAM enthaltenden RAM-Zähler (18) und einen die Zahl CTROM enthaltenden PROM-Zähler (19) aufweist, daß die Eingangsnachricht ME durch Aneinanderreihung der drei Zahlen NS, CTRAM, CTROM gebildet wird, wobei der RAM-Zähler (18) jedesmal, wenn Spannung an die Karte gelegt wird, von 00...0 an startet und bei jeder Erzeugung der einmaligen Zahl NU inkrementiert wird, und daß der PROM-Zähler (19) bei einer spezifischen Benutzung nach jedem Anlegen der Spannung an die Karte oder jeder Rückstellung der Karte auf Null (RESET) inkrementiert wird, wenn der Inhabercode CP nicht eingegeben wurde oder wenn der RAM-Zähler eine Grenze überschreitet.
5. Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer einmaligen Zahl NU nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Authentifikation eines mit einer Mikro schaltungskarte (1) über einen Leser (11) zusammenarbeitenden Wirtssystems (14), dadurch gekennzeichnet, daß unter Anwendung des M.A.C. Prinzips folgende Schritte ausgeführt werden.
a - das Wirtssystem (14) sendet der Mikroschaltungskarte (1) eine Anweisung zum Erzeugen einer einmaligen Zahl NU,
b - die Karte erzeugt eine einmalige Zahl NU nach einem der Ansprüche 1 bis 4, speichert sie in ihren RAM-Speicher und sendet sie zum Wirtssystem,
c - die Karte (1) und das Wirtssystem (14) berechnen mit Hilfe des Verschlüsselungsalgorithinus mit einem gleichen Hauptschlüssel KAC der Karte einen Authentifikationswert VAE für das Wirtssystem bzw. VAC für die Karte:
VAE = ALGKAC(NU)
VAC = ALGKAC(NU)
d - das Wirtssystem (14) sendet den Authentifikationswert VAE zur Karte (1),
e - die Karte vergleicht die Authentifikationswerte VAE und VAC und gibt die Folge der Operationen ihrer Zusammenarbeit mit dem Wirtssystem frei, wenn und nur wenn folgende Identität im Inneren der Karte bestätigt wird:
VAE VAC.
6. Anwendung des Verfahrens zum Erzeugen einer einmaligen Zahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Rehabilitierung der Mikroschaltungskarte (1) nach mehreren, insbesondere drei aufeinanderfolgenden falschen Eingaben des Inhabercodes CP, wobei die Karte (1) mit einem fernen Wirtssystem (14) über einen Leser (11) verbunden ist, das Wirtssystem einen für die Rehabilitation erforderlichen Hauptschlüssel KEC der Karte enthält und diese Anwendung durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
a - der Leser (11) sendet der Mikroschaltungskarte (1) eine Anweisung zum Erzeugen einer einmaligen Zahl NU,
b - die Karte erzeugt eine einmalige Zahl NU gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
c - der Leser (11) speichert die einmalige aus der Karte kommende Zahl NU sowie einen Fehlerparameter PE und führt die Erfassung des vom Kartenbenutzer eingegebenen Inhabercodes CP aus,
d - der Leser berechnet eine Rehabilitationsnachricht MR durch Modulo-2- Summation:
MR=(CP,PE,PE) NU
e - der Leser sendet dem Wirtssystem (14) die Rehabilitationsnachricht MR zusammen mit einer Anweisung zur Authentifikation der Nachricht MR,
f - das Wirtssystem verschlüsselt mit dem Schlüssel KEC die Nachricht ME:
RES=ALGKEC(MR)
und sendet das Kryptogramm RES dem Leser (11),
g - der Leser überträgt das Kryptogramm RES zur Karte (1),
h - die Karte führt mit dem Schlüssel KEC die umgekehrte Verschlüsselung des Kryptogramms RES aus: ALG&supmin;¹(RES)= MR'
- die Karte führt die Modulo-2-Summation aus:
MR NU=CP,'PE,'PE"
j - die Karte annulliert den Fehlerparameter PE, wenn und nur wenn folgende Identitäten im Inneren der Karte bestätigt wurden:
7. Generator zum Erzeugen einer einmaligen pseudozufälligen Zahl zum Individualisieren einer besonderen Zugangsoperation zu einer diesen Generator aufweisenden Karte in einer Leser-Wirtssystem-Umgebung (11, 14), wobei der Generator aufweist: Speicherinittel für einen Herstellerschlüssel (PK), Speichermittel für einen Ausstellerschlüssel (MK), Speichermittel für einen Inhabercode (CP), Speichermittel für eine Serie nnummer (NS), einen ersten (RAM-)Zähler (18), einen zweiten (PROM-)Zähler (19), Erzeugungsmittel für eine Eingangsnachricht, die durch die Speichermittel für eine Seriennummer und den ersten und zweiten Zähler geladen werden, um den gesamten so geladenen Inhalt, der daraus hervorgeht, aneinander zu reihen, Schlüssel-Erzeugungsmittel, die durch die Speichermittel für den Herstellerschlüssel und die Speichermittel für den Ausstellerschlüssel geladen werden, um eine Modulo-2-Summation des gesamten so geladenen Inhalts auszuführen, und Verschlüsselungsmittel zum Verschlüsseln der Eingangsnachricht mit Hilfe des Inhalts der Schlüsselerzeugungsmittel, wobei der Generator außerdem Rückstellmittel zum Rückstellen des ersten Zählers (18) in den Ausgangszustand unter der Steuerung jeder Aktivierung der Karte, Inkrementiermittel zum Inkrementieren des ersten Zählers unter der Steuerung jeder Aktivierung der Verschlüsselungsmittel sowie zweite Inkrementiermittel zum Inkrementieren des zweiten Zählers (19) unter der Steuerung einer spezifischen Benutzung nach jeder Aktivierung der Karte oder nach jeder Nullrückstellung der Karte, wenn der Inhabercode nicht eingegeben wurde oder wenn der erste Zähler überläuft, aufweist.
8. Mikroschaltungskarte (1) mit einem Generator nach Anspruch 7.
9. Verifikationssystem mit einer Reihe miteinander verbundener Einrichtungen mit einem Wirtssystem (14), einem Terminal und einer Karte (1) nach Anspruch 8.
10. System nach Anspruch 9 mit Verifikations- und Rehabilitationsmitteln auf zwei Ebenen.
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