DE10105987A1 - Datenverarbeitungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Datenverarbeitungsvorrichtung mit einer funktionsprogrammierbaren Logikschaltung mit einer Programmierschnittstelle. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Berechtigungskontrolleinheit vorgesehen ist, durch die die Programmierschnittstelle vor einem unberechtigten Zugriff geschützt ist. Dadurch wird erreicht, daß eine kundenspezifische Funktionsanpassung von Halbleiterbausteinen vorgenommen werden kann und eine nachträgliche Änderung durch Unberechtigte verhindert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Datenverarbeitungsvorrichtung mit einer funktionsprogrammierbaren Logikschaltung mit einer Pro­ grammierschnittstelle.

Integrierte Halbleiterbausteine lassen sich an kundenspezifi­ sche Anforderungen anpassen, indem die betroffenen Funktionen über eine Software realisiert werden. Diese ist verhältnismä­ ßig einfach an die speziellen Wünsche anpaßbar. Softwarelö­ sungen sind aber relativ langsam im Vergleich zu einer hard­ waretechnischen Realisierung. Eine weitere bekannte Möglich­ keit sind funktionsprogrammierbare Logikschaltungen, die bei­ spielsweise als FPGAs (Field Programmable Gate Array) bekannt sind. Diese bieten aber keine oder nur ungenügende Sicherun­ gen gegen unbefugten Zugriff. Das ist jedoch für den Einsatz in vielen Chipkarten und Sicherheits-ICs erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Datenverarbeitung­ vorrichtung anzugeben, die einfache Möglichkeiten zur Ände­ rung der Funktion vorsieht, aber trotzdem eine schnelle Da­ tenverarbeitung ermöglicht und hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeich­ net, daß eine Berechtigungskontrolleinheit vorgesehen ist, durch die die Programmierschnittstelle vor einem unberechtig­ ten Zugriff geschützt ist.

Die Datenverarbeitungvorrichtung ist also nicht nur program­ mierbar, sondern es werden auch weitere Maßnahmen vorgesehen, um eine Reprommierung durch Unberechtigte zu verhindern. Vor­ teilhafterweise geschieht dies so, daß die Berechtigungskon­ trollvorrichtung mit der funktionsprogrammierbaren Logikschaltung und der Programmierschnittstelle in einer Einheit realisiert ist. So kann eine Manipulationsdetektionsvorrich­ tung vorgesehen werden, die Software- und vor allem Hardwa­ reattacken entdeckt sowie entsprechende Reaktionen, bei­ spielsweise eine Meldung an eine Zentrale oder die Löschung sicherheitsrelevanter Daten, auslösen kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Berechtigungskontrolleinheit durch einen Mikroprozessor rea­ lisiert, der auch für andere Aufgaben einsetzbar ist. Dadurch können durch die erfindungsgemäße Datenverarbeitungsvorrich­ tung komplexe Aufgaben bewältigt werden. Ein Einsatzgebiet hierfür ist der Einsatz als Chipkarte für Pay-TV-Anwendungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einer erfin­ dungsgemäßen Chipkarte im Normalbetrieb und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einer erfin­ dungsgemäßen Chipkarte bei der Neuprogrammierung.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Datenverarbeitungs­ vorrichtung 20 dargestellt, die eine funktionsprogrammierbare Logikschaltung 21 und eine Berechtigungskontrolleinheit 23 aufweist. Zur Programmierung bzw. Reprogrammierung der Logik­ schaltung 21 ist eine interne Programmierschnittstelle 22 vor­ gesehen. Der Zugriff auf diese Programmierschnittstelle ist durch die Berechtigungskontrolleinheit 23 gesichert. Nur wenn eine PIN richtig eingegeben wurde oder, bei Verwendung eines biometrischen Sensors, die biometrische Merkmale positiv mit in einem Speicher abgelegten Mustern verglichen wurden, kann ein Programmiervorgang ausgeführt werden.

Ein Unberechtigter könnte nun versuchen, durch eine hardware­ technische Manipulation unter Umgehung der Berechtigungskon­ trolleinheit 23 direkten Zugriff zu der Programierschnitt­ stelle 22 zu erlangen. Daher ist zusätzlich eine Manipulati­ onsdetektionsvorrichtung 24 vorgesehen, durch die eine solche Hardwareattacke erkennbar ist. Nachfolgend werden geeignete Reaktionen, beispielsweise eine Meldung an eine Zentrale oder die Löschung sicherheitsrelevanter Daten vorgenommen.

Während ein Programmiervorgang nur über die Berechtigungskon­ trolleinheit 23 erfolgen kann, sind die normalen Zugriffe auf die Funktionen der Logikschaltung über Schnittstellen 25 mög­ lich. Genauso können Zusatzkomponenten unter Verwendung der Schnittstellen 25 direkt mit der Logikschaltung verbunden werden.

Eine exemplarische Anwendung einer erfindungsgemäßen Daten­ verarbeitungsvorrichtung in Form einer Chipkarte ist in der Fig. 2 dargestellt. Dort erfolgt die Anwendung in Verbindung mit einem Decoder für Pay-TV-Anwendungen.

Die grundlegende Funktionsweise von Pay-TV-Anwendungen be­ steht darin, daß das Fernsehsignal so verschlüsselt ist, daß es vom Fernsehgerät nicht dargestellt werden kann. Die Ent­ schlüsselung des Fernsehsignales erfolgt in einem Decoder, der als sogenannte Set-Top-Box bekannt ist. Um den Decoder für ein bestimmtes Programm benutzen zu können, muß der Be­ nutzer eine Chipkarte besitzen, die von dem Anbieter gegen Bezahlung ausgegeben wird.

Zur technischen Realisierung wird in der Austastlücke des Fernsehsignales ein sogenanter Challenge-Wert übertragen und vom Decoder an die Chipkarte weitergeleitet. In der Chipkarte bzw. in dem darin enthaltenen Mikroprozessor wird ein krypto­ graphischer Algorithmus unter Verwendung eines gespeicherten Schlüssels auf den Challenge-Wert angewandt und ein Response- Wert an den Decoder zurückgegeben. Dieser kann daraufhin eine Entschlüsselung des Fernsehsignales vornehmen. Bei dem De­ coder handelt es sich meist um ein standardisiertes Gerät, so daß mehrere Pay-TV-Programme unter Verwendung verschiedener Chipkarten mit dem gleichen Decodergerät entschlüsselt werden können.

Da die Karten zur Entschlüsselung eines Fernsehprogrammes für alle Benutzer gleich sind, hat es sich für Angreifer als lu­ krativ erwiesen, die Chipkartenfunktionen mit Nachbildungen zu simulieren und zu verkaufen. Diese Nachbildungen verwenden herkömmliche Mikroprozessoren und sind oft mit großen Teilen der Originalsoftware der Pay-TV-Karten ausgestattet. Das technische Problem bei der Verhinderung von Nachbildungen rührt daher, daß alle Karten eines Systems funktional gleich sind und somit relativ einfach nachgebildet werden können.

Bisher wurde versucht, durch regelmäßiges Wechseln des kryp­ tographischen Schlüssels die Lebensdauer eines illegalen Kar­ tensimulators zu verkürzen. Neuere Simulatoren erlauben je­ doch das Wechseln des Schlüssels über eine Tastatur oder über eine PC-Schnittstelle. Die neuen Schlüssel wiederum werden über das Internet verbreitet.

Ein weiterer Ansatz zur Verhinderung der Nachbildungen ist die Integration von kundenspezifischen Bausteinen (ASICs) als zweitem Chip auf dem Chipkartenmodul. Diese Bausteine können aber ebenfalls nach einem einmaligen Reverse Engineering Pro­ zess in Hardware auf einem Simulator nachgebildet werden.

Die Probleme bezüglich des Einsatzes von Chipkarten bei Pay- TV-Anwendungen oder Telefonkarten sind in der Zeitschrift "A la card", Ausgabe 26-27/97, Seite 315 ff. genauer ausgeführt. Dort wird vorgeschlagen, die Chipkarten mit Kryptocoprozesso­ ren auszustatten, um so einen Nachbau zu erschweren. Da deren Datendurchsatz hoch ist im Vergleich zu einer externen Logik, die zur Nachbildung deren Funktionen verwendet wird, kann ein Nachbau nur unter Verwendung ebenfalls eines Kryptocoprozessors erfolgen. Dies erschwert zwar den Nachbau, jedoch bleibt das verbotene Nachbilden aufgrund der hohen Stückzahlen lu­ krativ.

Die in der Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Chipkarte 1 zur Verwendung mit einem Pay-TV-Decoder weist einen Mikrocon­ troller 2 und eine funktionsprogrammierbare Hardwarekomponen­ te 3, z. B. ein FPGA, auf. Der Mikrocontroller 2 bildet mit der funktionsprogrammierbaren Hardwarekomponente 3 eine Ein­ heit 4. Zur Programmierung der funktionsprogrammierbaren Hardwarekomponente 3 ist zudem eine Programmiervorrichtung 5 vorgesehen. Im normalen Betrieb wird ein Fernsehsignal 10 an den Decoder 11 übertragen. Das Fernsehsignal 10 enthält so­ wohl ein Datensignal 12 für die Darstellung der Fernsehbilder als auch einen Challenge-Wert 13, der, wie eingangs beschrie­ ben, an die Chipkarte weitergeleitet wird. Die Anwendung ei­ nes Kryptoalgorithmus auf den Challenge-Wert 13 durch den Mi­ krocontroller und/oder die funktionsprogrammierbare Hardware­ komponente liefert einen Response-Wert 14, der an den Decoder 11 zurückgegeben wird und es diesem ermöglicht, aufgrund ei­ ner Schlüsselfunktion des Response-Werts oder einer Bestim­ mung von Initialwerten, das Datensignal 12 zu decodieren und als Videosignal 15 an ein Fernsehgerät weiterzuleiten.

Die Fig. 3 zeigt, wie eine Neuprogrammierung der funktions­ programmierbaren Hardwarekomponente 3 erfolgt. In diesem Fall wird mit dem Datensignal 12 ein Programmierbefehl 16 in der Austastlücke übertragen, so daß es für den Benutzer unbemerkt bleibt. Der Decoder leitet den Programmierbefehl 16 an die Chipkarte weiter, wo daraufhin die Programmiervorrichtung 5 angesprochen wird, die die Reprogrammierung der funktionspro­ grammierbaren Hardwarekomponente 3 vornimmt. Die Sendeanstalt hat nun die Möglichkeit, das Fernsehsignal anders zu ver­ schlüsseln bzw. die Challenge-Werte zu verändern, so daß nur unter Anwendung der neu programmierten Funktion eine Decodie­ rung möglich ist. Wenn der Reprogrammierungsvorgang häufig, beispielsweise jede Stunde, durchgeführt wird, ist es für Angreifer wenig praktikabel, jedesmal den neuen Algorithmus zu analysieren und ein FPGA entsprechend zu programmieren.

Zur direkten Nachbildung der Pay-TV-Chipkarte kann der An­ greifer darüber hinaus auch keine handelsüblichen Mikrocon­ troller verwenden, sondern müßte ein Gesamt-Reverse- Engineering sowie eine Fabrikation der Einheit 4 mit dem Mi­ krocontroller 2 und der funktionsprogrammierbaren Hardware­ komponente 3 starten.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvor­ richtung ist natürlich nicht auf Pay-TV-Anwendungen be­ schränkt, sondern kann auf alle Systeme angewandt werden, in denen hohe Anforderungen an Programmierbarkeit und Sicherheit gefordert werden.

Bezugszeichenliste

1

Chipkarte

2

Mikrocontroller

3

funktionsprogrammierbare Logikschaltung

4

Einheit

5

Programmiervorrichtung

10

Fernsehsignal

11

Decoder

12

Datensignal

13

Challenge-Wert

14

Response-Wert

15

Videosignal

16

Steuerbefehl

20

Datenverarbeitungsvorrichtung

21

funktionsprogrammierbare Logikschaltung

22

Programmierschnittstelle

23

Berechtigungskontrolleinheit

24

Manipulationsdetektionsvorrichtung

25

Schnittstellen

Claims (4)

1. Datenverarbeitungsvorrichtung mit einer funktionsprogram­ mierbaren Logikschaltung (3; 21) mit einer Programmier­ schnittstelle (5; 22), dadurch gekennzeichnet, daß eine Berechtigungs­ kontrolleinheit (2; 23) vorgesehen ist, durch die die Pro­ grammierschnittstelle (5; 22) vor einem unberechtigten Zu­ griff geschützt ist.

2. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die funkti­ onsprogrammierbare Hardwarekomponente (3; 21) ein Kryptoalgo­ rithmus ausgeführt wird.

3. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Manipulationsde­ tektionsvorrichtung (24) vorgesehen ist, durch die Manipula­ tionen an der funktionsprogammierbaren Logikschaltung (21), der Berechtigungskontrolleinheit (23) und der Programmier­ schnittstelle (22) feststellbar sind.

4. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechtigungskon­ trollvorrichtung (2; 23) in einem Mikroprozessor realisiert ist, der auch für sonstige Aufgaben einsetzbar ist.