Embedded Security

Inhalt

Eingebettete Systeme sind Systeme zur Informationsverarbeitung mit fester Funktionalität, die in ein größeres technisches System eingebunden sind. Sie verrichten weitestgehend unsichtbar für den Benutzer ihren Dienst in einer Vielzahl von Alltagsanwendungen. Embedded Security befasst sich mit der Informationssicherheit (IT-Sicherheit) der eingebetteten Systeme durch Anwendung von Maßnahmen gegen unbefugte Manipulationen bei der Beschaffung, Übertragung, Bearbeitung und Speicherung von Informationen. Die Verwendung von kryptografischen Methoden ist eine Grundvoraussetzung für den Einsatz dieser Maßnahmen.

In der Vergangenheit war der zivile Einsatz von Kryptografie und IT-Sicherheit hauptsächlich auf das Bankenwesen und die sichere Kommunikation zwischen Regierungsstellen beschränkt. Heutzutage ist IT-Sicherheit durch das Aufkommen von eingebetteten Systemen in einer weitaus größeren Zahl von Anwendungen notwendig. Durch Vernetzung entstehen Mehrwertdienste und Wertschöpfungspotentiale etwa in der Telekommunikation, Logistik, Fahrzeugtechnik, Bürotechnik, Unterhaltungselektronik, Energieversorgung, Medizintechnik, usw. Gleichzeitig ergeben sich aus dieser Vernetzung erhebliche Bedrohungen, welche die Ausfall-und Manipulationssicherheit gefährden und damit zu erheblichen Sicherheitsrisiken führen. Aufgrund der leichten Zugänglichkeit auf die in der Regel zeitkritischen Komponenten von eingebetteten Systemen mit ihren eingeschränkten Ressourcen ist die IT-Sicherheit in diesem Bereich stark verbesserungsbedürftig, so dass ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht.

Für die Implementierung kryptografischer Verfahren gibt es verschiedene technische Möglichkeiten. Gegenwärtig werden diese Verfahren in eingebetteten Systemen vorwiegend durch integrierten elektronischen Schaltungen (ICs) implementiert. Seit den 1990er Jahren ist jedoch bekannt, dass es bei solchen Implementierungen nicht ausreicht, wenn kryptografische Algorithmen lediglich mathematisch sicher sind. beispielweise kann der Stromverbrauch eines Prozessors Hinweise über die verarbeiteten sicherheitskritischen Daten liefern. Dies ist nur ein eindrucksvolles Beispiel aus einer ganzen Reihe von neuen Angriffsmethoden, welche die physikalischen und technischen Eigenschaften der implementierten Kryptosysteme als Informationsquelle für unbefugte Manipulationen benutzen. Diese Implementierungsattacken sind eine sehr umfangreiche Gruppe von Angriffen auf kryptografische Anwendungen, die statt der mathematischen Schwächen der kryptografischen Methoden oder das Fehlverhalten des Nutzers, die Schwachstellen der technischen Implementierung ausnutzen.

In der Vorlesung werden alle bekannten Implementierungsattacken systematisch eingeordnet und erklärt. Für jeden solchen Angriff werden mögliche Gegenmaßnahmen erarbeitet, diskutiert und bewertet. Einige besonders erfolgreiche Implementierungsattacken werden praktisch mit Hilfe von speziell aufgebauten Geräten demonstriert.

Themen

Die wichtigsten Themen der Vorlesung umfassen:

Überblick über kryptografische Protokolle, Techniken und Algorithmen
Implementierungsformen von kryptografischen Algorithmen
Arten von Implementierungsattacken und Gegenmaßnahmen
Seitenkanalangriffe und Gegenmaßnahmen
Sicherheitsarchitekturen von ICs
Sicherheitsrelevante Module in ICs
Zufallszahlengeneratoren und Zufallstests in eingebetteten Systemen
Arithmetische Module für kryptografische Anwendungen
Modulare Arithmetik und Arithmetik der Elliptischen Kurven
Montgomery-Arithmetik
Speicherung von sicherheitskritischen Daten auf ICs
Schutz vor unbefugten Manipulation von Firmware und Software in eingebetteten Systemen,
Zertifizierung von eingebetteten kryptografischen Modulen
Beispiele für sicherheitsrelevante Anwendungen: Chipkarten, RFID-Systeme, Zugangs- und Bezahlsysteme, Tachometer und Tachografen, Pay-TV-Geräte (Set-Top-Boxen)
Biometrie und Embedded Security

Es existiert bis dato noch kein einführendes Lehrbuch oder Skript zum Thema Embedded Security. Daher werden ausgewählte Kapitel aus folgendem Buch empfohlen:

Hauptliteratur

Lemke, Paar, Wolf (Editors): "Embedded Security in Cars", Springer 2006, Part III
Koc (Ed.): Cryptographic Engineering, Springer 2009, Chapters 1-6

Weiterführende Literatur

Mangard, Oswald, Pop: Power Analysis Attacks, Springer 2007.
Anderson: Security Engineering, Willey, 2001, Chapter 14 and 15.
Schöning: Kryptologie-Kompendium für die Vorlesung Kryptologie, Universität Ulm, Version 2010.
Schneier: Angewandte Kryptographie, Pearson Studium, 2006.
Schmeh: Kryptographie, dpunkt.verlag, 2006.