mit einer sicheren Laufzeitumgebung sowie eine solche Computereinheit

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Computereinheit mit einer sicheren Laufzeitumgebung sowie eine solche Computereinheit. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines mobilen Endgeräts mit einer sicheren Laufzeitumgebung sowie ein solches mobiles Endgerät.

Hintergrund der Erfindung

Mehr und mehr werden mobile Endgeräte in Form von Smartphones dazu verwendet, digitale (elektronische) Transaktionen durchzuführen, beispielsweise das bar-geldlose Bezahlen an einem NFC-Terminal oder der Kauf ei- ner Ware oder einer Dienstleistung bei einem Online- Versandhändler. Bei der Durchführung einer solchen digitalen Transaktion interagiert in der Regel eine auf dem Smartphone implementierte Softwareapplikation (kurz " App" genannt) mit einem Terminal bzw. Server. Dabei ist häufig ein kryp- tographischer Algorithmus, z.B. ein Verschlüsselungsalgorithmus, Teil der auf dem mobilen Endgerät implementierten Softwareapplikation, die auf sicherheitskritische Daten, z.B. PINs, Passwörter, Schlüssel etc., zugreift. In der Vergangenheit sind sicherheitskritische Daten in der Regel auf einem eigenständigen Sicherheitselement des mobilen Endgeräts häufig in Form einer aus dem mobilen Endgerät herausnehmbaren SIM-Karte hinterlegt worden, um diese vor einem Angriff durch unbefugte Person zu schützen.

Ein neuerer Ansatz, der insbesondere bei der Durchführung von digitalen bzw. elektronischen Transaktionen mit einem mobilen Endgerät vorteilhaft eingesetzt werden kann, das kein eigenständiges Sicherheitselement zum sicheren Speichern von sicherheitskritischen Daten aufweist, basiert auf der Idee neben dem herkömmlichen Betriebssystem des mobilen Endgeräts eine sichere Lauf zeitumgebung in Form eines sicheren bzw. gehärteten Betriebssystems auf dem mobilen Endgerät bereitzustellen. Eine solche gesicherte Laufzeitumgebung ist dem Fachmann auch unter dem Begriff "Trusted Exe- cution Environment" oder kurz "TEE" bekannt.

Die Global Platf orm Organisation beschreibt im Allgemeinen mobile Endgerät mit einer zweigeteilten Laufzeitumgebung, nämlich einer normalen Lauf zeitumgebung„Rieh Execution Environment REE" und einer sicheren Lauf zeitumgebung„Trusted Execution Environment TEE". Unter der sicheren Laufzeitumgebung sind speziell gesicherte Sicherheits- Applikationen implementiert, teils mit„Trustlet" bezeichnet. Durch die Sicherheits- Applikationen werden typischerweise Sicherheitsdienste wie Kryptographie, insbesondere Ver- oder/ und Entschlüsselung oder Authentisierung, bereitgestellt, insbesondere an normale Applikationen bereitgestellt, die in der normalen Laufzeitumgebung implementiert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Computereinheit, vorzugweise in Form eines mobilen Endgeräts, mit einer sicheren Laufzeitumgebung sowie eine solche Compute- reinheit, vorzugsweise in Form eines mobilen Endgeräts, bereitzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltun- gen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Computereinheit mit einem Prozessor, auf dem eine normale Lauf zeitumgebung und eine gesicherte Laufzeitumgebung implementiert sind, und einer Speicher- einheit zum Speichern von zu speichernden Daten in einer Datei bereitgestellt. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: das Erstellen einer schlüsselbasierten Prüffuhktion einer Verknüpfung der zu speichernden Daten mit einem Datei-Identifier; und das Speichern der zu speichernden Daten zusammen mit dem erstellten Hashwert unter einem Dateinamen in der Speichereinheit.

Erfindungsgemäß wird also die Prüffunktion nicht lediglich über die Daten einer Datei gebildet, d.h. den Inhalt der Datei, sondern in die Berechnung der Prüffunktion fließt ein eindeutiger Datei-Identifier mit ein. Wird beispielsweise ein Angriff durchgeführt, bei welchem eine eigentlich unlesbare Datei mit dem Namen einer lesbaren Datei versehen wird, um die unlesbare Datei lesen zu können, würde beim Lesen der umbenannten Datei die Prüffunktion geprüft, erkannt, dass die Prüffunktion mit einem Datei-Identifier gebildet wurde, der nicht der lesbaren Datei entspricht, und der Lesezugriff verwehrt.

Somit ist erfindungsgemäß ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Computereinheit geschaffen.

In einem anderen Angriffs-Szenario ist im Endgerät in der sicheren Laufzeitumgebung eine Sicherheits- Applikation („Trustlet") implementiert, die einen RSA CRT Kryptographiedienst bereitstellt (RS A = Rivest Shamir Adleman, CRT = Chinese Remainder Theoreme). Die RSA CRT Schlüssel dieser Sicher- heits- Applikation sind in einzelnen Dateien abgelegt, die mit den Namen der RSA CRT Schlüsselkomponenten "p", "q" usw bezeichnet sind. Der Inhalt jeder der Dateien ist verschlüsselt und mit einem MAC (alternativ sonstigen Prüffunktion) über den Dateiinhalt versehen. Somit können die Dateien p und q nicht ausgelesen werden und die Daten in den Dateien auch nicht un- bemerkt geändert werden. Wird allerdings der Inhalt von "q" mit dem Inhalt von "p" überschrieben, kann die neue Datei "q" von der Sicherheits- Applikation gelesen, akzeptiert und entschlüsselt werden, denn der MAC über den Datei-Inhalt ist ja korrekt. Der RSA CRT der Sicherheits- Applikation rechnet dann mit Modulus p*p statt p*q, was nicht passieren dürfte. Eine mit einer solchen falschen Berechnung entstehende kaputte Signatur kann verwendet werden, um den Modulus zu faktorisieren.

Erfindungsgemäß wird der MAC - bzw. allgemein die Prüffunktion - aber nicht lediglich über den Dateiinhalt gebildet, sondern beinhaltet den Dateinamen. Mit der erfindungsgemäßen Prüffunktion wäre dieser Angriff nicht möglich gewesen.

Ein weiteres einfacheres Beispiel für einen Angriff, der mit der Erfindung verhindert werden kann, ist das einer (Sicherheits-) Applikation, die eine verschlüsselte, mit einer Prüffunktion versehene (z.B. geMACte) Datei namens "public" und eine namens "private" hat. Den entschlüsselten Inhalt von "public" gibt die (Sicherheits-) Applikation aus, den Inhalt von "private" nicht. Ohne die Erfindung könnte ein Angreifer den Inhalt von "public" mit dem Inhalt von "private" überschreiben und sich dann "public" ausgeben lassen, um an den entschlüsselten Inhalt von "private" zu kommen.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Prüffunktion um einen schlüsselbasierten Hashwert, insbesondere um einen MAC (message authentication code), oder alternativ um eine Signatur, die mit dem privaten Schlüssel eines asymmetrischen public-private Schlüsselpaars erstellt ist und mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel verifizierbar ist. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Datei- Identifier der Dateiname.

Vorzugsweise ist die Verknüpfung der zu speichernden Daten mit dem Da- tei-Identif ier eine Konkatenierung der zu speichernden Daten mit dem Da- tei-Identifier.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden die zu speichernden Daten zusammen mit der erstellten Prüffunktion unter einem Da- teinamen in einem nichtflüchtigen Speicher der Speichereinheit gespeichert.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Computereinheit mit einem Prozessor, auf dem eine normale Lauf zeitumgebung und eine gesicherte Laufzeitumgebung implementiert sind, und einer Speichereinheit zum Speichern von zu speichernden Daten in einer Datei bereitgestellt. Dabei ist die Computereinheit dazu ausgestaltet: eine schlüsselbasierte Prüffunktion einer Verknüpfung der zu speichernden Daten mit einem Datei- Identifier zu erstellen; und die zu speichernden Daten zusammen mit der erstellten Prüffunktion unter einem Dateinamen in der Speichereinheit zu speichern.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Computereinheit dazu ausgestaltet, die zu speichernden Daten zusammen mit der erstellten Prüfsumme unter einem Dateinamen in einem nichtflüchtigen Speicher der Speichereinheit zu speichern.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum gesicherten Zugriff auf eine Datei in einer Computereinheit umfasst die folgenden Schritte:

Senden eines Zugriffskommandos zum Zugreifen auf die Datei an die Computereinheit, wobei das Zugriffskommando eine Angabe über einen Datei-Identif ier der Datei umfasst oder mit sich führt; Prüfen der in der Speichereinheit abgespeicherten Prüffunktion, um zu ermitteln, ob der Datei- Identifier des Zugriffskommandos mit dem bei der Bildung der Prüffunktion verwendeten Datei-Identif ier übereinstimmt; und nur höchstens im Fall, dass die Datei-Identifier übereinstimmen, Ausführen des Zugriffskommandos, um Zugriff auf die Datei zu gewähren.

Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung gehen aus der f ol- genden detaillierten Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele und Ausführungsalternativen hervor. Es wird auf die Zeichnung verwiesen, in der zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems mit ei- ner Computereinheit in Form eines Mobiltelefons, bei dem die vorliegende Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kommunikationssystems 10, bei dem die Erfindung vorteilhaft zum Einsatz kommen kann. Das Kommunikationssystem 10 umfasst eine Computereinheit 20 in Form eines mobilen Endgeräts, vorzugsweise in Form eines Smartphones bzw. eines Mobiltelefons. Das mobile Endgerät 20 ist dazu ausgestaltet, über einen Kommunikationskanal 50 mit einem Server bzw. einem Terminal 60 zu kommunizieren. Bei dem Kommunikationskanal 50 kann es sich beispiels- weise um das Internet, ein Mobilfunknetzwerk, einen NFC-Kanal oder dergleichen handeln. Der Server 60 könnte ein NFC-Terminal eines Service- Anbieters sein, mit dem eine Softwareapplikation, beispielsweise die Softwareapplikationen 34 oder 44, auf dem mobilen Endgerät 20 Transaktionen durchführen kann, z.B. eine Payment-Transaktion, bei dem die Softwareapplikation auf dem mobilen Endgerät 20 einen Bezahlvorgang abwickelt.

Das mobile Endgerät 20 verfügt über einen Chip 22 mit einer zentralen Ver- arbeitungseinheit ("central processing unit"; CPU) beispielsweise in Form eines Mikroprozessors 24. Bekanntermaßen gehören zu den primären Aufgaben des Prozessors 24 das Ausführen von arithmetischen und logischen Funktionen und das Lesen und Schreiben von Datenelementen, wie dies durch eine auf dem Prozessor 24 ablaufende Softwareapplikation definiert wird. Der Übersichtlichkeit halber ist eine bevorzugte Architektur des Prozessors 24 in Figur 1 außerhalb des mobilen Endgeräts 20 noch einmal schematisch im Detail dargestellt.

Der Prozessor 24 steht in Kommurükationsverbindung mit einer Speicher- einheit 26, die vorzugsweise einen flüchtigen Arbeitsspeicher (RAM) beispielsweise zur Aufnahme der Maschinenbefehle einer von dem Prozessor 24 auszuführenden Softwareapplikation umfasst. Vorzugsweise umfasst die Speichereinheit 26 ferner einen nichtflüchtigen, vorzugsweise wieder beschreibbaren Speicher, um beispielsweise im unbestromten Zustand des mo- bilen Endgeräts 20 den Programmcode einer von dem Prozessor 24 auszuführenden Softwareapplikation aufzunehmen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem nichtflüchtigen, wieder beschreibbaren Speicher um einen Flash- Speicher (Flash-EEPROM). Dabei kann es sich beispielsweise um einen Flash-Speicher mit einer NAND- oder einer NOR- Architektur handeln. Selbstverständlich kann die Speichereinheit 26 auch einen Festwertspeicher ("read only memory"; ROM) umfassen.

Wie in Figur 1 schematisch dargestellt ist, sind in dem Prozessor 24 zur Laufzeit eine normale, nicht extra gesicherte Laufzeitumgebung 30 (auch "Normal Execution Environment" oder„Rieh Execution Environment" kurz "REE" genannt) sowie eine gesicherte Laufzeitumgebung 40 (auch "Trusted Execution Environment" oder kurz TEE genannt) implementiert, d.h. der Prozessor 24 stellt einen "normalen", in der Regel nichtvertrauenswürdigen Bereich und einen "sicheren", vertrauenswürdigen Bereich bereit. Dabei wird überwacht, ob der Prozessor 24 in dem vertrauenswürdigen Bereich (TEE) oder in dem nichtvertrauenswürdigen Bereich (REE) betrieben wird. Ferner wird ein Umschalten zwischen dem vertrauenswürdigen und dem nichtvertrauenswürdigen Bereich überwacht. Eine gesicherte Lauf zeitumgebung bzw. TEE im Sinne der Erfindung ist durch die Global Platform Organisation beschrieben und wird beispielsweise von der Firma "Trustonic" angeboten.

In der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform läuft auf der TEE 40 ein sicheres Betriebssystem 42 (Secure OS). Demgegenüber enthält die normale Laufzeitumgebung NEE 30 ein herkömmliches Mobiltelefon- Betriebssystem 32. Für den bevorzugten Fall, dass es sich bei dem mobilen Endgerät 20 um ein Smartphone handelt, ist das in der normalen Laufzeitumgebung REE 30 implementierte Betriebssystem 32 ein sogenanntes "Rieh OS" mit einem weitreichenden Funktionsumfang. Bei einem solchen Be- triebssystem des mobilen Endgeräts 20 kann es sich z.B. um Android, Apple iOS, Windows Phone oder dergleichen handeln.

Die TEE 40 dient zur Ausführung von sicherheitskritischen Applikationen mit Hilfe des mobilen Endgeräts 20. Die gesicherte Laufzeitumgebung TEE 40 ist dabei isoliert von der normalen Laufzeitumgebung REE 30 und verkapselt sicherheitskritische Applikationen, wodurch ein effizienter Schutz gegenüber Angriffen unbefugter Dritter erreicht wird. Beispielhaft läuft in der bevorzugten Ausführungsform in Figur 1 die sicherheitskritische Applikation 44 in der TEE 40. Im Unterschied hierzu laufen in der normalen Lauf- zeitumgebung REE 30 herkömmliche Applikationen, wobei in Figur 1 beispielhaft eine Applikation 34 bezeichnet ist. Die Applikationen aus dem nicht- Vertrauens würdigen Bereich REE 30, z.B. die Applikation 34, haben in der Regel keinen Zugriff auf die Applikationen im vertrauenswürdigen Bereich TEE 40, z.B. die Applikation 44.

Herkömmlicherweise werden dauerhaft zu speichernde Daten sowohl von Applikationen aus der TEE 40, also z.B. von der sicherheitskritischen Applikation 44, als auch von Applikationen aus der REE 30, also z.B. von der Applikation 34, in dem nicht-flüchtigen Bereich der Speichereinheit 26 gespeichert, der, wie bereits vorstehend beschrieben, vorzugsweise als Flash- Speicher ausgestaltet sein kann. Das bedeutet, dass die Daten von Applikationen aus der TEE 40 im Prinzip im normalen Dateisystem des mobilen Endgeräts 20 liegen, das auch vom nicht-vertrauenswürdigen Bereich REE 30 benutzt wird. Um die Daten von Applikationen aus der TEE 40 jedoch vor einem Zugriff aus dem nicht- vertrauenswürdigen Bereich REE 30 zu schützen, wird über diese Daten herkömmlicherweise ein schlüsselbasierter Hashwert in Form eines MAC ("Message Authentication Code") gebildet und der MAC zusammen mit den verschlüsselten Daten unter einem Dateinamen auf der Speichereinheit 26 hinterlegt. Wie die zwei folgenden Beispiele deutlich machen, weist dieser herkömmliche Ansatz jedoch Sicherheitslücken auf.

Beim ersten Beispiel legt die in der TEE 40 laufende sicherheitskritische Applikation 44 in der Speichereinheit 26 eine Datei mit dem Namen "Secret" mit geheimen Daten an, die nicht lesbar sein sollen, sowie eine Datei mit dem Namen "Public" mit öffentlichen Daten, auf die auch aus der REE 30 zugegriffen werden kann. Ein Angreifer kann jetzt die Datei mit dem Namen "Public" löschen, eine Kopie der Datei mit dem Namen "Secret" erstellen und diese Kopie mit dem Namen "Public" versehen. Lässt sich der Angreifer dann den Inhalt der neuen Datei mit den Namen "Public" anzeigen, bekommt er den Inhalt der Datei mit dem Namen "Secret". Beim zweiten Beispiel legt die sicherheitskritische Applikation 44 in der TEE 40 in der Speichereinheit 26 die Komponenten eines RSA-CRT-Schlüssels (wobei die Abkürzung "CRT" für "Chinese Remainder Theorem" steht) in den Dateien mit den Namen "p", "q", "dp", "dq" und "qi" ab. Überschreibt ein Angreifer z.B. den Inhalt der Datei mit dem Namen "p" mit dem Inhalt der Datei mit dem Namen "q", kann der Angreifer erfolgreich einen Bellcore-

Angriff durchführen, wie dieser im Detail in der folgenden Veröffentlichung beschrieben ist, auf die hiermit vollumfänglich verwiesen wird: Boneh, De- Millo, Lipton, "On the importance of checking cryptographic protocols for faulte", Journal of Cryptology, Vol. 14, No. 2, 2001.

Um insbesondere die vorstehend beschriebenen Sicherheitslücken des herkömmlichen Ansatzes zu schließen, ist erfindungsgemäß die folgende Art und Weise der Datenspeicherung von Daten in der TEE 40 vorgesehen. Erfindungsgemäß wird der MAC nicht lediglich über die Daten einer Datei, d.h. über den Inhalt der Datei gebildet, sondern erfindungsgemäß fließt in die Berechnung des MAC ein eindeutiger Datei-Identifier mit ein. Unter einem Einfließen in die Berechnung des MAC wird erfindungsgemäß eine Konkatenierung oder eine andere Operation verstanden, die einen Datei- Identifier mit den Daten der Datei verknüpft, bevor der MAC auf das Ergeb- nis dieser Operation angewendet wird. Bei dem eindeutigen Datei-Identifier kann es sich beispielsweise um einen eindeutigen Dateinamen, eine eindeutige Dateinummer oder einen anderen Identifier handeln, mittels dem sich die entsprechende Datei im Dateisystem der Speichereinheit 26 eindeutig identifizieren lässt.