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DE112007003061T5 - Mechanismus zum Schützen eines Schlüssels - Google Patents

Mechanismus zum Schützen eines Schlüssels Download PDF

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DE112007003061T5
DE112007003061T5 DE112007003061T DE112007003061T DE112007003061T5 DE 112007003061 T5 DE112007003061 T5 DE 112007003061T5 DE 112007003061 T DE112007003061 T DE 112007003061T DE 112007003061 T DE112007003061 T DE 112007003061T DE 112007003061 T5 DE112007003061 T5 DE 112007003061T5
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Michel Douguet
Vincent Dupaquis
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Atmel Corp
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Abstract

Verfahren zum Schützen der Integrität eines geheimen Schlüssels in einem für Fehlerangriffe anfälligen Hardware-Kryptographiesystem, wobei das Verfahren umfasst:
Erhalten eines Verschlüsselungsergebnisses und einer entsprechenden Prüfsumme aus bekannten Daten und einem zu schützenden Schlüssel,
Maskieren des geheimen Schlüssels, um einen maskierten Schlüssel zu erhalten,
Laden des maskierten Schlüssels in ein Schlüsselregister,
zu einem beliebigen Zeitpunkt vor der Verwendung des maskierten Schlüssels in dem Hardware-Kryptographiesystem, zuerst Prüfen der Integrität des maskierten Schlüssels durch das Entschlüsseln des Verschlüsselungsergebnisses mit dem maskierten Schlüssel, um ein Entschlüsselungsergebnis zu erhalten, und Vergleichen des Entschlüsselungsergebnisses mit gültigen Daten, und
wenn das Entschlüsselungsergebnis keinen gültigen Daten entspricht, Löschen aller auf den maskierten Schlüssel bezogenen Daten und Melden einer Fehlerinjektion.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft kryptographische Systeme, die beständig gegenüber einer differentiellen Fehleranalyse oder Fehleranalyseangriffen sein sollen, um die Integrität geheimer Schlüssel zu schützen.
  • Stand der Technik
  • Bei der Verwendung von geheimen Schlüsseln kann ein Fehlerinjektions-Schutzmechanismus erforderlich sein. Ein derartiger Mechanismus stellt einen sicheren Schutz des geheimen Schlüssels gegenüber einer differentiellen Fehleranalyse bei einer Schlüsselmanipulation dar. Die differentielle Fehleranalyse ist ein kryptographischer Angriff, der vorübergehende Hardwarefehler und daraus resultierende Berechnungsfehler wie etwa während der Ausführung eines Schlüsselplanungsalgorithmus oder einer letzten Verschlüsselungsrunde erzwingt, um Informationen zu dem kryptographischen Schlüssel zu extrahieren. Diese Fehleranalyse kann auf Kryptosysteme mit öffentlichen und mit geheimen Schlüsseln einschließlich von manipulationssicheren Geräten an Chipkarten angewendet werden. Zum Beispiel beschreiben Eli Biham und Adi Shamir in dem Artikel „Differential Fault Analysis of Secret Key Cryptosystems" in „Advances in Cryptology – CRYPTO' 97", LNCS 1294, (Springer-Verlag, 1997) auf den Seiten 513–525 differentielle Fehleranalyseangriffe auf DES-ähnliche Chiffren.
  • Die gegenwärtig verfügbaren Schutzmechanismen werden offline implementiert und sind nicht für alle Anwendungen geeignet. Zum Beispiel bieten die bestehenden Mechanismen keinen Schutz für Sitzungsschlüssel, die bei Bedarf und nicht im voraus erzeugt werden.
  • Hagai Bar-El et al. beschreiben in dem Artikel „The Sorcerer's Apprentice Guide to Fault Attacks" in „Discretix Technologies White Paper" anlässlich des „Workshop an Fault Detection and Tolerance in Cryptography" in Florenz, Italien, am 30. Juni 2004 (Cryptology ePrint Archive (eprint.iacr.org), Report 2004/100; auch CiteSeer article 705084) verschiedene Verfahren zum Implementieren derartiger Fehlerangriffe auf elektronische, kryptographische Schaltungen und schlagen verschiedene Gegenmaßnahmen vor. Die Gegenmaßnahmen sehen vor allem die Einführung einer Redundanz vor, mit der Operationen berechnet und die Ergebnisse verglichen werden, wobei davon ausgegangen wird, dass keine identischen Fehler repliziert werden können. Das resultierende System bietet eine größere Sicherheit, ist allerdings langsamer und weniger effizient.
  • Es wird deshalb nacheffizienteren Gegenmaßnahmen zum Schutz der Integrität von geheimen Schlüsseln gesucht.
  • Zusammenfassung
  • Die vorliegende Erfindung gibt ein kryptographisches Verfahren an, das die Integrität des geheimen Schlüssels verifiziert, bevor sie diesen in einer kryptographischen Anwendung verwendet. Insbesondere wird eine unter Verwendung des ursprünglichen unmaskierten Schlüssels erhaltene Prüfsumme als Verifizierungssignatur für gültige Daten bei der folgenden Entschlüsselung des Ergebnisses mit einem maskierten Schlüssel verwendet.
  • Das Verfahren zum Schützen der Integrität eines geheimen Schlüssels in einem Hardware-Kryptographiesystem, das ansonsten für Fehlerangriffe anfällig wäre, umfasst das Verwenden des geheimen Schlüssels, um ein Verschlüsselungsergebnis aus bekannten Daten und auch eine Prüfsumme des Verschlüsselungsergebnisses zu erhalten und zu speichern, sowie dann das Maskieren des geheimen Schlüssels. Wenn der maskierte Schlüssel später in einer kryptographischen Anwendung verwendet werden soll, wird zuerst die Integrität des Schlüssels geprüft. Insbesondere wird das gespeicherte Verschlüsselungsergebnis mit dem maskierten Schlüssel entschlüsselt. Wenn sich in einem Vergleich herausstellt, dass das Entschlüsselungsergebnis keinen gültigen Daten entspricht, dann ist die Integritätsprüfung fehlgeschlagen, wobei alle auf den maskierten Schlüssel bezogenen Daten aus dem System entfernt werden und eine Fehlerinjektion gemeldet wird. Wenn das Entschlüsselungsergebnis gültigen Daten entspricht, wurde die Integrität des maskierten Schlüssels bestätigt und kann dieser in dem kryptographischen System verwendet werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Flussdiagramm zu einer beispielhaften Ausführungsform eines Mechanismus zum Schützen eines Schlüssels gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Eine beispielhafte Hardware-Umgebung, in der das Verfahren zum Schützen eines Schlüssels der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, kann einen Hardware-Zufallszahlerzeuger (RNG), einen RAM oder einen nicht-flüchtigen Speicher (z. B. einen Flash-EPROM) für die Speicherung der gesicherten Schlüssel, einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller und einen Speicher zum Speichern eines Programms umfassen. Außerdem kann die Hardware einen Hardware-Coprozessor zum Berechnen von Algorithmen auf der Basis von geheimen Schlüsseln (DES, AED, usw.) umfassen. Ein derartiger Coprozessor kann einen XODER-basierten Mechanismus zum Demaskieren eines Schlüssels ausführen:
    Echter_Schlüssel := Maskierter_Schlüssel XODER Maskierungswert, und entsprechend
    Maskierter-Schlüssel := Echter_Schlüssel XODER Maskierungswert.
  • Es ist also nicht mehr erforderlich, einen Schlüssel in seiner echten Form zu handhaben oder zu speichern; der Schlüssel wird statt dessen in seiner maskierten Form gehandhabt und gespeichert. Außerdem kann die Hardware ein Hardware-Modul für die zyklische Redundanzprüfung (CRC-Modul) zum Durchführen einer Integritätsprüfung umfassen. Ein 16-Bit-Modul wäre angemessen, wobei statt dessen aber auch andere Größen des CRC-Moduls verwendet werden können. Das Verfahren zum Schützen eines Schlüssels der vorliegenden Erfindung funktioniert aber auch ohne einen Coprozessor und ohne ein Hardware-Modul für die zyklische Redundanzprüfung zufrieden stellend.
  • Wie in 1 gezeigt, kann ein Verfahren zum Schützen eines Schlüssels gemäß der vorliegenden Erfindung in Schritt 11 mit dem Eingeben eines Seeds in den Zufallszahlerzeuger (RNG) beginnem. Verschiedene Seeds erzeugen verschiedene zufällige Sequenzen aus dem RNG. Der mit einem Seed versehene RNG wird in späteren Schritten für die Schlüssel-Maskierung verwendet. Deshalb kann das Eingeben eines Seeds in den RNG (Schritt 11) zu einem beliebigen Zeitpunkt vor dem Erzeugen (Schritt 16) von zufälligen Bytes für die Schlüsselmaskierung vorgenommen werden.
  • In dem ersten Hauptteil der Prozedur (Schritte 12 bis 15) werden ein Verschlüsselungsergebnis und eine entsprechende Prüfsumme für die Verwendung in der folgenden Integritätsprüfung des geheimen Schlüssels erhalten.
  • Ein zu schützender geheimer Schlüssel wird unverschlüsselt in ein Schlüsselregister geladen (Schritt 12). Der Schlüssel kann je nach dem kryptographischen Algorithmus eine bestimmte geeignete Länge aufweisen. Es können auch mehr als ein Schlüssel vorhanden sein, wie etwa in einem dreifach-DES, das zwei oder drei unabhängige Schlüssel in aufeinander folgenden Sätzen von Ver- und Entschlüsselungsrunden verwendet. Der kryptographische Algorithmus kann eine Schlüsselerzeugungsroutine umfassen, in welcher der gerade in ein Schlüsselregister (oder in mehrere Register) geladene Schlüssel (mehrere Schlüssel) verwendet wird (verwendet werden), um eine Sequenz von Runden-Teilschlüsseln für verschiedene Runden des Algorithmus zu verwenden. Alle diese Variationen werden in der vorliegenden Erfindung für den Schlüsselschutz verwendet.
  • Dann werden bekannte Daten für die Verwendung in der Schlüsselverifizierung (VERIF_DATA) unter Verwendung des kryptographischen Algorithmus und des zu schützenden Schlüssels verschlüsselt (Schritt 13). Eine Prüfsumme des Verschlüsselungsergebnisses wird zum Beispiel unter Verwendung einer Routine für eine zyklische Redundanzprüfung berechnet (Schritt 14). Das Verschlüsselungsergebnis und die entsprechende Prüfsumme werden als Verifizierungssignatur für das Verschlüsselungsergebnis bewahrt, indem sie zum Beispiel in einem sicheren Speicher gespeichert werden. Die Schlüsselregister werden dann gelöscht (Schritt 15).
  • Dann wird der zuvor mit einem Seed versehene RNG verwendet, um zufällige Bytes für eine Schlüsselmaskierungsoperation zu erzeugen (Schritt 16). Der ursprüngliche geheime Schlüssel (mehrere ursprüngliche geheime Schlüssel) wird (werden) mit den zufälligen Bytes maskiert, indem zum Beispiel eine bitweise XODER-Operation der Schlüsselbits mit einem oder mehreren zufälligen Bytes verwendet wird:
    Maskierter_Schlüssel := Echter_Schlüssel XODER Maskierungswert.
  • Die Anzahl der für die Maskierung erforderlichen zufälligen Bytes hängt von der Schlüsselgröße und von der Anzahl der zu maskierenden Schüssel ab. Wenn mehrere Schlüssel verwendet werden, können gleiche oder unterschiedliche zufällige Bytes für die Maskierung der verschiedenen Schlüssel verwendet werden. Nach der Maskierung wird (werden) der maskierte Schlüssel (die maskierten Schlüssel) an einer bestimmten Position eines sicheren, nicht-flüchtigen Speichers wie etwa eines EEPROMs gespeichert.
  • Der maskierte Schlüssel (die maskierten Schlüssel) wird (werden) von der bestimmten Speicherposition in ein Schlüsselregister (in mehrere Schlüsselregister) geladen. Der maskierte Schlüssel (die maskierten Schlüssel) wird (werden) dann verwendet, um das frühere Verschlüsselungsergebnis unter Verwendung desselben kryptographischen Algorithmus in einer zu der ursprünglichen Verschlüsselung umgekehrten Richtung zu entschlüsseln (Schritt 19). (Es ist zu beachten, dass bei der Verwendung von mehreren Schlüsseln während der Verschlüsselung wie etwa bei einer dreifach-DES die Schlüssel dann für eine korrekte Entschlüsselung in umgekehrter Reihenfolge verwendet werden müssen.) Wenn eine Verschlüsselungsfunktion VERSCHLÜSSELN (Daten, Schlüssel, Maske) und eine entsprechende Entschlüsselungsfunktion ENTSCHLÜSSELN (Daten, Schlüssel, Maske) verwendet werden und VERSCHLÜSSELN (GÜLTIGE...DATEN, Echter Schlüssel, 0) das vorausgehende Verschlüsselungsergebnis ist, dann sollte die Entschlüsselung in Schritt 20 wie folgt sein: ENTSCHLÜSSELN (VERSCHLÜSSELN (GÜLTIGE_DATEN, Echter Schlüssel, 0)), Maskierter_Schlüssel, Maskierungwert) = GÜLTIGE_DATEN, wenn Echter_Schlüssel = Maskierter_Schlüssel XODER Maskierungswert.
  • Das Entschlüsselungsergebnis unter Verwendung des maskierten Schlüssels wird mit den gültigen Daten (GÜLTIGE_DATEN) verglichen. Der maskierte Schlüssel sollte der erzeugten Verifizierungssignatur (Prüfsumme) bei der Verschlüsselung der GÜLTIGEN_DATEN entsprechen. Wenn das Entschlüsselungsergebnis nicht gleich den GÜLTIGEN_DATEN ist, dann schlägt die Integritätsprüfung des maskierten Schlüssels fehl und wird eine Fehlerinjektion gemeldet (Schritt 21). Wenn das Entschlüsselungsergebnis dagegen gleich den GÜLTIGEN_DATEN ist, dann besteht der maskierte Schlüssel die Integritätsprüfung und kann verwendet werden. Nachdem die Integritätsprüfung abgeschlossen ist, werden alle für die Entschlüsselung und die Integritätsprüfung verwendeten Hardware-Register gelöscht (Schritt 22).
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren zum Schützen der Integrität eines geheimen Schlüssels in einem Hardware-Kryptographiesystem umfasst zuerst das Erhalten eines Verschlüsselungsergebnisses (13) und einer entsprechenden Prüfsumme (14) aus bekannten Daten unter Verwendung des geheimen Schlüssels und das Speichern dieser Ergebnisse sowie dann das Maskieren des geheimen Schlüssels (16, 17) und das Speichern des maskierten Schlüssels (18). Wenn der maskierte Schlüssel in einer kryptographischen Anwendung verwendet werden soll, prüft das Verfahren die Integrität des Schlüssels gegenüber Fehlerangriffen, indem es die vorausgehenden Verschlüsselungsergebnisse unter Verwendung des maskierten Schlüssels entschlüsselt (19). Wenn in einem Vergleich (20) festgestellt wird, dass das Verschlüsselungsergebnis gültigen Daten entspricht (BESTANDEN), dann kann der Schlüssel in dem kryptographischen System verwendet werden. Ansonsten (FEHLGESCHLAGEN), werden alle auf den maskierten Schlüssel bezogenen Daten aus dem System gelöscht und wird eine Fehlerinjektion gemeldet (21).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Eli Biham und Adi Shamir in dem Artikel „Differential Fault Analysis of Secret Key Cryptosystems” in „Advances in Cryptology – CRYPTO' 97”, LNCS 1294, (Springer-Verlag, 1997) auf den Seiten 513–525 [0002]
    • - Hagai Bar-El et al. beschreiben in dem Artikel „The Sorcerer's Apprentice Guide to Fault Attacks” in „Discretix Technologies White Paper” anlässlich des „Workshop an Fault Detection and Tolerance in Cryptography” in Florenz, Italien, am 30. Juni 2004 (Cryptology ePrint Archive (eprint.iacr.org), Report 2004/100; auch CiteSeer article 705084) [0004]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Schützen der Integrität eines geheimen Schlüssels in einem für Fehlerangriffe anfälligen Hardware-Kryptographiesystem, wobei das Verfahren umfasst: Erhalten eines Verschlüsselungsergebnisses und einer entsprechenden Prüfsumme aus bekannten Daten und einem zu schützenden Schlüssel, Maskieren des geheimen Schlüssels, um einen maskierten Schlüssel zu erhalten, Laden des maskierten Schlüssels in ein Schlüsselregister, zu einem beliebigen Zeitpunkt vor der Verwendung des maskierten Schlüssels in dem Hardware-Kryptographiesystem, zuerst Prüfen der Integrität des maskierten Schlüssels durch das Entschlüsseln des Verschlüsselungsergebnisses mit dem maskierten Schlüssel, um ein Entschlüsselungsergebnis zu erhalten, und Vergleichen des Entschlüsselungsergebnisses mit gültigen Daten, und wenn das Entschlüsselungsergebnis keinen gültigen Daten entspricht, Löschen aller auf den maskierten Schlüssel bezogenen Daten und Melden einer Fehlerinjektion.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhalten eines Verschlüsselungsergebnisses und der entsprechenden Prüfsumme umfasst: Laden des zu schützenden geheimen Schlüssels unverschlüsselt in ein Schlüsselregister, Eingeben von bekannten Daten in einen Verschlüsselungsalgorithmus und Verschlüsseln der bekannten Daten unter Verwendung des geheimen Schlüssels, um das Verschlüsselungsergebnis zu erhalten, Durchführen einer Prüfsummenberechnung auf dem Verschlüsselungsergebnis, um die entsprechende Prüfsumme zu erhalten, und Speichern der Verschlüsselungsergebnisses und der Prüfsumme in einem sicheren Speicher.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Berechnung der Prüfsumme eine Routine für eine zyklische Redundanzprüfung (CRC) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Maskieren des geheimen Schlüssels das Erzeugen von zufälligen Bytes unter Verwendung einer Zufallszahlerzeugungs-Hardware und das Anwenden der zufälligen Bytes auf den geheimen Schlüssel unter Verwendung einer Maskierungsroutine umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Maskierungsroutine eine bitweise XODER-Operation auf den zufälligen Bytes und dem geheimen Schlüssel ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zufälligen Bytes erzeugt werden, indem ein bekannter Seed in die Zufallszahlerzeugungs-Hardware eingegeben wird, wobei verschiedene Seeds verschiedene Sequenzen von zufälligen Bytes erzeugen.
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