DE102020000635A1 - Perfectly secure communication between participants in cellular networks - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Weil bewegliche Teilnehmer in Kommunikationsnetzen Nachrichten nur drahtlos austauschen können, ist es unberechtigten Dritten möglich, diese zu empfangen und zu verändern. Die in der Mobilkommunikation zur Nachrichtenverschlüsselung bisher eingesetzten Verfahren, bei denen die Schlüssel- geringer als die Nachrichtenlängen sind, haben sich als unsicher erwiesen und auch derzeit noch als sicher geltende Verfahren werden in naher Zukunft gebrochen werden. Alle Datenfernübertragungen zwischen beweglichen Teilnehmern werden deshalb durch Einmalschlüssel von Nachrichtenlänge informationstheoretisch perfekt gesichert, wodurch Nachrichten ausschließlich von ihren berechtigten Empfängern sinnhaft entschlüsselt werden können und somit ihre Absender inhärent authentifiziert werden. Die Schlüssel werden von einer hoheitlichen Behörde mittels echter Zufallsprozesse erzeugt und zusammen mit eindeutigen Identifikationen manipulationssicher auf Festwertspeichern hinterlegt, die den Teilnehmern in unmittelbarem Kontakt ausgehändigt werden. Nachrichten werden in einer auf den Bedarf des jeweiligen Anwendungsgebietes beschränkten formalen Sprache abgefasst und komprimiert übertragen, wodurch der für den zu übertragenden Informationsgehalt benötigte Datenumfang und Schlüsselbedarf minimiert werden. Je zwei Teilnehmer kommunizieren über ein Netz von Relaisstationen. Diese Stationen verfügen über Kopien der Schlüsselvorräte aller Teilnehmer, blockieren unautorisierte Kommunikationsteilnehmer und unterdrücken unerwünschte Nachrichten.Verfahrensskizze umseitig.Because mobile participants in communication networks can only exchange messages wirelessly, it is possible for unauthorized third parties to receive and change them. The methods previously used in mobile communication for message encryption, in which the keys are less than the message lengths, have proven to be insecure and methods that are currently still considered secure will be broken in the near future. All remote data transmissions between mobile participants are therefore perfectly secured in terms of information theory by means of one-time keys of message length, so that messages can only be meaningfully decrypted by their authorized recipients and thus their senders are inherently authenticated. The keys are generated by a sovereign authority using genuine random processes and, together with clear identifications, are stored in a tamper-proof memory on read-only memories that are given to the participants in direct contact. Messages are written in a formal language that is restricted to the needs of the respective area of application and transmitted in compressed form, which minimizes the amount of data and key requirements required for the information content to be transmitted. Two participants each communicate via a network of relay stations. These stations have copies of the key stocks of all participants, block unauthorized communication participants and suppress unwanted messages. Process sketch overleaf.

Description

Translated fromGerman

Automatisierungstechnische Geräte müssen häufig digital miteinander kommunizieren können. Die dabei eingesetzten Informations- und Kommunikationstechniken werden zunehmend auf alltägliche Anwendungen übertragen - ein auch als „Internet der Dinge“ bezeichnetes Phänomen. Soll die Kommunikation drahtlos ablaufen, so sind folgende drei Anforderungen zu erfüllen.Automation devices often have to be able to communicate digitally with one another. The information and communication technologies used are increasingly being transferred to everyday applications - a phenomenon also known as the “Internet of Things”. If communication is to be wireless, the following three requirements must be met.

Einheitlichkeit: Die Industrie ist von einer sehr heterogenen Herstellerlandschaft geprägt. Es muss daher eine organisatorisch und technisch einheitliche Architektur zur Vernetzung aller Systeme bereitgestellt werden.Uniformity: The industry is characterized by a very heterogeneous manufacturer landscape. An organizationally and technically uniform architecture for networking all systems must therefore be provided.

Sicherheit: In einer sicherheitskritischen Umgebung muss höchstmögliche funktionale Sicherheit des gesamten Verarbeitungsprozesses gewährleistet sein. Da das Übertragungsmedium im Fall drahtloser Kommunikation für jedermann zugänglich ist, muss unbefugtes Lesen und Verändern von Nachrichten verhindert werden.Safety: In a safety-critical environment, the highest possible functional safety of the entire processing must be guaranteed. Since the transmission medium is accessible to everyone in the case of wireless communication, unauthorized reading and modification of messages must be prevented.

Echtzeitfähigkeit: Nachrichten müssen innerhalb definierter Zeiten übermittelt werden, um kritische Systemzustände rechtzeitig erkennen und korrigieren zu können.Real-time capability: Messages must be transmitted within defined times in order to be able to recognize and correct critical system states in good time.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurde mit dem „Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0“ [1] eine allgemeine Struktur zur Vernetzung einzelner Systeme zum Internet der Dinge spezifiziert. Das Modell sieht einzelne Schichten für die Implementierung von u. a. Datenschutz und IKT-Sicherheit vor. Als Alternative zu Endezu-Ende-Verschlüsselungen auf den Kommunikationsstrecken werden dabei bewusst zwischengeschaltete Server mit Einblick in den Datentransfer als sinnvoll erachtet, bspw. um Informationsabflüsse oder Angriffe über die Kommunikationsverbindungen detektieren zu können [2].To meet these requirements, the “Reference Architecture Model Industry 4.0” [1] was used to specify a general structure for networking individual systems to form the Internet of Things. The model sees individual layers for the implementation of, among other things. Data protection and ICT security. As an alternative to end-to-end encryption on the communication links, consciously interconnected servers with an insight into the data transfer are considered useful, for example in order to be able to detect information leaks or attacks via the communication links [2].

Für sicherheitskritische Anwendungen mit langen Einsatzzeiten, wie sie im Internet der Dinge anzutreffen sind, muss ein größtmögliches Maß an Sicherheit und Skalierbarkeit dauerhaft, d. h. über Produktlebensdauern von mindestens mehreren Jahrzehnten, gewährleistet werden. Hiervon sind i. W. die Kernaspekte Verschlüsselungsverfahren, Netztopologie, Schlüsselaustausch und -erzeugung sowie Organisation betroffen.For security-critical applications with long periods of use, as can be found in the Internet of Things, the greatest possible degree of security and scalability must be permanent, i.e. H. can be guaranteed over product lifetimes of at least several decades. I. This affects the core aspects of encryption procedures, network topology, key exchange and generation as well as organization.

Die üblichen Verschlüsselungsverfahren können keine perfekte Sicherheit über jahrzehntelange Einsatzzeiten hinweg gewährleisten.The usual encryption methods cannot guarantee perfect security over decades of use.

Die dem kerckhoffsschen Prinzip genügenden asymmetrische Verfahren (bspw. nach [3]) können mit ausreichenden Kapazitäten an Zeit bzw. Rechenleistung immer gebrochen werden, da die mathematischen Zusammenhänge zwischen privaten und öffentlichen Schlüsseln bekannt sind. Ihre Sicherheit basiert alleine darauf, dass die zum Brechen der Verschlüsselungen notwendigen Berechnungen mit derzeitigen Rechnern zu lange Zeiträume erfordern würden. Eine weitere, in der Praxis relevantere Schwäche stellt ihre Anfälligkeit für Seitenkanalangriffe dar, da ohne Schlüsselaustausch über sichere Kanäle keine sicheren Authentifizierungen möglich sind (Janusangriffe) [4].The asymmetrical methods that satisfy Kerckhoff's principle (e.g. according to [3]) can always be broken with sufficient time or computing power, since the mathematical relationships between private and public keys are known. Their security is based solely on the fact that the calculations required to break the encryption would take too long with current computers. Another weakness that is more relevant in practice is its susceptibility to side-channel attacks, since no secure authentication is possible without key exchange via secure channels (Janus attacks) [4].

Dennoch wird asymmetrische Verschlüsselung in verschiedenen Anwendungsfällen der Mobilkommunikation eingesetzt. So wird inEP2950506B1 eine Methode zur Einrichtung eines sicheren Kommunikationskanals offenbart, welche die Übertragung des benötigten Schlüssels mit asymmetrischen Verfahren sichert. NachEP3086587A1 wird jede Textnachricht bei der Eingabe mit dem öffentlichen Schlüssel des Empfängers verschlüsselt. Für den häufigen Anwendungsfall des Datenaustauschs zwischen Kraftfahrzeugen offenbartWO2008/063899A2 ein Verfahren, bei dem die Sicherheit auf einer Public-Key-Infrastruktur beruht.However, asymmetric encryption is used in various mobile communication applications. This is how in EP2950506B1 discloses a method for setting up a secure communication channel, which secures the transmission of the required key using asymmetrical methods. To EP3086587A1 every text message is encrypted with the recipient's public key as it is entered. Disclosed for the frequent application of data exchange between motor vehicles WO2008 / 063899A2 a procedure in which security is based on a public key infrastructure.

Mit WEP und A5 (GSM) wurden bereits wiederholt bis dahin als sicher geltende symmetrische Verschlüsselungsverfahren gebrochen. Es muss daher i. A. davon ausgegangen werden, dass auch aktuell noch als sicher geltende symmetrische Verschlüsselungsverfahren (z. B. AES [5] oder WPA) künftig gebrochen werden.With WEP and A5 (GSM), symmetrical encryption procedures that had previously been considered secure were repeatedly broken. It must therefore i. A. It can be assumed that symmetrical encryption methods (e.g. AES [5] or WPA) that are currently still considered secure will be broken in the future.

Nachweislich nicht brechbar sind lediglich informationstheoretisch sichere Verfahren [6] der Einmalverschlüsselung gemäßUS1310719 oderDE102005006713. Ihre Sicherheit beruht auf der grundsätzlichen Unmöglichkeit, eine Gleichung mit zwei Unbekannten zu lösen. Aufgrund praktischer Schwierigkeiten hinsichtlich Schlüsselbedarf und -austausch wurde dieses Konzept in den letzten Jahrzehnten immer weniger angewendet. InDE202011110926U1 wird eines der wenigen Verfahren offenbart, welches die praktischen Schwierigkeiten der Verwendung perfekt sicherer Verschlüsselung in der Automatisierungstechnik behebt. Es existiert jedoch noch kein Verfahren, das perfekt sichere Verschlüsselung an die speziellen Anforderungen der Mobilkommunikation im Internet der Dinge anpasst. Bestehende Netzarchitekturen sind nicht für den Einsatz perfekt sicherer Verschlüsselung bei gleichzeitiger Gewährleistung harter Echtzeitanforderungen geeignet, weil sie für nur weiche Echtzeitanforderungen stellende Sprachübertragung konzipiert wurden.Only methods [6] of one-time encryption according to information-theoretical security are demonstrably non-breakable US1310719 or DE102005006713 . Their security is based on the fundamental impossibility of solving an equation with two unknowns. Due to practical difficulties regarding key needs and exchange, this concept has been used less and less in the last few decades. In DE202011110926U1 one of the few methods is disclosed which overcomes the practical difficulties of using perfectly secure encryption in automation technology. However, there is still no process that adapts perfectly secure encryption to the special requirements of mobile communication in the Internet of Things. Existing network architectures are not suitable for the use of perfectly secure encryption while at the same time guaranteeing hard real-time requirements, because they were designed for voice transmission that only made soft real-time requirements.

Ein Netz kann grundsätzlich mit („Infrastrukturmodus“) oder ohne Vermittlungsstationen („Ad-hoc-Modus“) gebildet werden. Vermittlungsstationen werden auch als „Relais“ bezeichnet.In principle, a network can be used with ("infrastructure mode") or without switching stations ("ad- hoc mode "). Switching stations are also known as "relays".

Konzepte für den Ad-hoc-Modus werden bspw. inEP3468294A1 undEP2490183B1 offenbart, hier zum direkten Datenaustausch zwischen Kraftfahrzeugen. Da im Ad-hoc-Modus die Anzahl benötigter Zwischenstationen vor dem Senden nicht bekannt ist, kann in einem Ad-hoc-Netz die Länge der Übertragungsstrecke nicht vorhergesehen werden. Deshalb können Nachrichten nicht in vorhersehbaren Zeiträumen übertragen werden.Concepts for the ad-hoc mode are, for example, in EP3468294A1 and EP2490183B1 disclosed here for direct data exchange between motor vehicles. Since in ad-hoc mode the number of intermediate stations required is not known before transmission, the length of the transmission path in an ad-hoc network cannot be foreseen. Therefore, messages cannot be transmitted in predictable periods of time.

Im Infrastrukturmodus wird eine Übertragung über ein dediziertes Relais abgewickelt. Die Nachrichten werden von einem Kommunikationsteilnehmer (K₁) zu diesem Relais (R_s) übertragen und von dort zum Empfänger (K₂) weitervermittelt. Es handelt sich somit logisch immer um genau zwei Übertragungsstrecken, K₁ → R_s und R_s → K₂. Der Infrastrukturmodus wird insbesondere in Mobilfunknetzen zur Sprach- und Datenübertragung zwischen Mobiltelefonen eingesetzt. Zur Anwendung dieses Kommunikation zwischen Teilnehmern in Mobilfunknetzen, und zwar den drei wesentlichen Anforderungen Nutzerverwaltung zwischen Systemen unterschiedlicher Hersteller, perfekt sichere Verschlüsselung der auszutauschenden Daten sowie harte Echtzeitfähigkeit der Datenübertragung nicht bzw. nicht dauerhaft gerecht werden zu können, durch Einsatz perfekt sicherer Verschlüsselung und vorbestimmter Länge der Übertragungsstrecke behoben.1 zeigt die erfindungsgemäße Systemarchitektur für den allgemeinen Fall der Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern.In infrastructure mode, transmission is handled via a dedicated relay. The messages are transmitted from a communication participant (K₁ ) to this relay (R_s ) and passed on from there to the receiver (K₂ ). Logically, there are therefore always exactly two transmission links, K₁ → R_s and R_s → K₂ . The infrastructure mode is used in particular in cellular networks for voice and data transmission between cell phones. To use this communication between subscribers in mobile radio networks, namely the three essential requirements of user management between systems from different manufacturers, perfectly secure encryption of the data to be exchanged and hard real-time capability of data transmission not or not permanently, through the use of perfectly secure encryption and a predetermined length the transmission path fixed. 1 shows the system architecture according to the invention for the general case of communication between two participants.

Gegeben sei eine Menge von Teilnehmern (T = {t₁, ..., t_n}). die von einer hoheitlichen Behörde HB(a) jeweils mit einer eindeutigen Identifikation ID_i versehen seien. Zugleich erzeuge HB mit Hilfe eines echten Zufallsprozesses Einmalschlüssel. Bei physischem Kontakt des Teilnehmers t_i mit HB(b) werden der Identifikator ID_i und ein Vorrat an Schlüsseln (K_i) dem Teilnehmer manipulationsgeschützt auf einem Festwertspeicher übergeben.A set of participants is given (T = {t₁ , ..., t_n }). by a sovereign authority HB (a) each be provided with a unique identification ID_i . At the same time, HB generates one-time keys with the help of a genuinely random process. In the event of physical contact between the subscriber t_i and HB (b) the identifier ID_i and a supply of keys (K_i ) are transferred to the subscriber in a tamper-proof memory on a read-only memory.

Weiterhin existiere eine Menge von Relaisstationen R, die untereinander vermittels eines dezidierten, bspw. durch Quantenkryptographie abhör- und manipulationssicheren Kommunikationsnetzes derart vernetzt seien, dass die maximale Nachrichtenübertragungszeit in diesem Netz den Echtzeitanforderungen des jeweiligen Anwendungsgebietes genüge. Die Behörde HB habe ebenfalls abhör- und manipulationssicheren Zugang zu diesem Netz, um Kopien der Schlüsselsätze der Teilnehmer zu den Relaisstationen zu übertragen(c). Im Ergebnis liegt bei jeweils t_i ∈ T und allen Relaisstationen ein symmetrischer Schlüsselsatz vor(d).Furthermore, there are a number of relay stations R, which are networked with one another by means of a dedicated, for example by quantum cryptography tap-proof and manipulation-proof communication network in such a way that the maximum message transmission time in this network meets the real-time requirements of the respective area of application. The authority HB also has tap-proof and manipulation-proof access to this network in order to transmit copies of the subscribers' key sets to the relay stations (c) . The result is_{a symmetrical key set for t i} ∈ T and all relay stations (d) .

Jeder Teilnehmer verfüge über eine Möglichkeit zur Bestimmung der eigenen Position. Um stets seine Position relativ zu den Relaisstationen bestimmen zu können, werden in den Festwertspeichern auch die Positionen der Relaisstationen abgelegt. Letztere können unerwünschte Nachrichten herausfiltern, indem sie empfangene Nachrichten auf Einhaltung vorgegebener Konventionen und Plausibilität prüfen.Each participant has a possibility to determine their own position. In order to always be able to determine its position relative to the relay stations, the positions of the relay stations are also stored in the read-only memories. The latter can filter out unwanted messages by checking received messages for compliance with given conventions and plausibility.

Alternativ können die Schlüssel mittels bei HB, den Teilnehmern und in den Relaisstationen synchron laufender Protokolle erzeugt werden, bspw. durch Chaosprozesse [9].Alternatively, the keys can be generated using protocols running synchronously at HB, the participants and in the relay stations, for example through chaos processes [9].

Der Nachrichtenaustausch(e) zwischen zwei Teilnehmern wird gemäß folgendem Protokoll abgewickelt.2 stellt dieses Protokoll graphisch dar.

1. 1. Die hoheitliche Behörde erzeugt und verteilt Schlüssel nach dem zuvor dargestellten Verfahren.
2. 2. Der sendende Teilnehmer wählt einen beliebigen Schlüssel mit Index i aus seinem Vorrat zur Verschlüsselung seiner Nachricht aus.
3. 3. Die Nachricht wird mit der Verschlüsselungsfunktion e verschlüsselt.
4. 4. Die verschlüsselte Nachricht wird mit dem Index des im Vorrat ausgewählten Schlüssels und der Adresse des empfangenden Teilnehmers an die nächstgelegene Relaisstation R_i geschickt.

The exchange of messages (e) between two participants is handled according to the following protocol. 2 graphically depicts this protocol.

1. 1. The sovereign authority generates and distributes keys according to the procedure outlined above.
2. 2. The sending subscriber selects any key with index i from his supply to encrypt his message.
3. 3. The message is encrypted with the encryption function e.
4. 4. The encrypted message is sent_{to the nearest relay station R i} with the index of the key selected in the stock and the address of the receiving subscriber.

Konzepts auf andere Protokolle wird bspw. inEP2952039B1 ein Verfahren zur Datenübertragung in zellularen Mobilfunkkommunikationsnetzen wie 3G (UMTS) oder 4G (LTE) offenbart.The concept to other protocols is used, for example, in EP2952039B1 discloses a method for data transmission in cellular mobile radio communication networks such as 3G (UMTS) or 4G (LTE).

Bei herkömmlichen Mobilfunknetzarchitekturen ist nach dem ersten Kontakt eines Teilnehmers mit dem Netzbetreiber kein sicherer Kanal zur Schlüsselübergabe mehr vorhanden. Bislang existiert kein Verfahren, welches das Problem des Schlüsselaustauschs und -nachschubs unter den in der Mobilkommunikation bestehenden Skalierungsanforderungen in einer konstanten Komplexitätsklasse löst.With conventional cellular network architectures, there is no longer a secure channel for handing over keys after a subscriber's first contact with the network operator. So far there has been no method which solves the problem of key exchange and replenishment under the scaling requirements existing in mobile communication in a constant complexity class.

Zur verschlüsselten Kommunikation zwischen n Teilnehmern wird ein individuelles Schlüsselpaar für jede mögliche Paarung von Kommunikationsteilnehmern benötigt. Bei symmetrischer Verschlüsselung sind somit

und bei asymmetrischer n =

(n) Schlüsselpaare erforderlich. Wird ein weiterer Teilnehmer hinzugefügt, müssen bei symmetrischer Verschlüsselung n =

(n) neue Schlüsselpaare und bei asymmetrischer 1 =

(1) neues Schlüsselpaar erzeugt werden, um die Kommunikation zwischen den dann n + 1 Teilnehmern individuell abzusichern. Zur Verteilung ist in jedem Fall einmalig die Verwendung eines sicheren Kanals zu jedem der n + 1 Teilnehmer notwendig.For encrypted communication between n participants, an individual key pair is required for every possible pairing of communication participants. With symmetric encryption,

and with asymmetrical n =

(n) Key pairs required. If another participant is added, n =

(n) new key pairs and with asymmetrical 1 =

(1) A new key pair can be generated in order to individually secure the communication between the n + 1 participants. In each case, a single secure channel to each of the n + 1 participants must be used for distribution.

Bisherige Verfahren zum Austausch symmetrischer Schlüssel gehen davon aus, dass sich alle Kommunikationsteilnehmer direkt treffen. So offenbartDE102015117022A1 ein Verfahren, nach dem die Einmalschlüssel mittels auf elektrisch löschbaren programmierbaren Nurlesespeichern basierenden Datenträgern ausgetauscht werden.EP1152567A2 offenbart ein Verfahren, wonach Einmalschlüssel als Bibliothek bei allen Kommunikationsstellen hinterlegt werden.Previous methods for exchanging symmetrical keys assume that all communication participants meet directly. So revealed DE102015117022A1 a method according to which the one-time keys are exchanged by means of data carriers based on electrically erasable programmable read-only memories. EP1152567A2 discloses a method according to which one-time keys are deposited as a library at all communication points.

Es sind auch Verfahren zur Erzeugung echter Zufallszahlen aus physikalischen Prozessen bekannt, so bspw. nachDE102010021307A1 zur Verschlüsselung in der Automatisierungstechnik.Methods for generating true random numbers from physical processes are also known, for example according to DE102010021307A1 for encryption in automation technology.

Organisatorische Lösungen beruhen ausschließlich auf der Vertrauenswürdigkeit jeweiliger Zertifizierungsstellen. Die grundsätzliche Anfälligkeit asymmetrischer Verschlüsselungsverfahren wird durch die bekannten administrativen Ansätze nicht behoben.Organizational solutions are based exclusively on the trustworthiness of the respective certification authorities. The basic vulnerability of asymmetric encryption methods is not eliminated by the known administrative approaches.

Zu Authentifizierung und Autorisierung im Rahmen digitaler Kommunikationssysteme wurden in den USA das „Security Credential Management System (SCMS)“ [7] und in der EU das „EU C-ITS Security Credential Management System (EU CCMS)“ [8] entwickelt. Das bestimmende Konzept beider Ansätze ist der Aufbau einer auf asymmetrischer Verschlüsselung basierenden Public-Key-Infrastruktur. So offenbartUS2018/0176209 als eines der wenigen Patente in diesem Bereich ein SCMS-Verfahren für Zertifikatsverteilung und -rückruf - in diesem Fall zum Datenaustausch zwischen Kraftfahrzeugen. AusW02019/124953 ist ein Verfahren bekannt, das auf Pseudonymen beruhende Authentifizierung und Schlüsselverteilung durch eine Zertifizierungsstelle ermöglicht.For authentication and authorization in the context of digital communication systems, the "Security Credential Management System (SCMS)" [7] and in the EU the "EU C-ITS Security Credential Management System (EU CCMS)" [8] were developed. The defining concept of both approaches is the construction of a public key infrastructure based on asymmetric encryption. So revealed US2018 / 0176209 as one of the few patents in this area an SCMS procedure for certificate distribution and recall - in this case for data exchange between motor vehicles. Out W02019 / 124953 a method is known which enables authentication and key distribution based on pseudonyms by a certification authority.

Erfindungsgemäß werden die Unzulänglichkeiten herkömmlicher Verfahren zur

• 5. R₁ entschlüsselt die Nachricht unter Verwendung des Schlüssels mit dem übermittelten Index i.
• 6. R₁ und der sendende Teilnehmer kennzeichnen den verwendeten Schlüssel mit dem Index i als verbraucht.
• 7. R₁ sendet die Nachricht über das relaisinterne Netz an die dem empfangenden Teilnehmer nächstgelegene Relaisstation R₂.
• 8. R₂ wählt einen Schlüssel mit Index j aus dem Schlüsselsatz des empfangenden Teilnehmers aus und verschlüsselt damit die Nachricht mit der Verschlüsselungsfunktion e.
• 9. R₂ sendet die verschlüsselte Nachricht mit dem Index j des verwendeten Schlüssels an den empfangenden Teilnehmer.
• 10. Der empfangende Teilnehmer entschlüsselt die Nachricht unter Verwendung des Schlüssels mit dem übermittelten Index j.
• 11. R₂ und der empfangende Teilnehmer kennzeichnen den verwendeten Schlüssel mit dem Index j als verbraucht.

According to the invention, the shortcomings of conventional methods for

• 5. R₁ decrypts the message using the key with the transmitted index i.
• 6. R₁ and the sending subscriber mark the key used with the index i as used.
• 7. R₁ sends the message via the relay's internal network to the relay station R₂ closest to the receiving subscriber.
• 8. R₂ selects a key with index j from the key set of the receiving participant and uses it to encrypt the message with the encryption function e.
• 9. R₂ sends the encrypted message with the index j of the key used to the receiving participant.
• 10. The receiving party decrypts the message using the key with the transmitted index j.
• 11. R₂ and the receiving subscriber mark the key used with the index j as being used up.

Explizite Authentifizierung der Absender derart verschlüsselter und übermittelter Nachrichten ist nicht erforderlich, weil die Nachrichten wegen ihrer Einmalverschlüsselung ausschließlich von ihren berechtigten Empfängern sinnhaft entschlüsselt werden können. Zusätzliche Prüfmöglichkeiten lassen sich durch Integration geeigneter Markierungen in die Nachrichten schaffen.Explicit authentication of the sender of such encrypted and transmitted messages is not necessary because the messages can only be meaningfully decrypted by their authorized recipients due to their one-time encryption. Additional test options can be created by integrating suitable markings into the messages.

Um den für den jeweils zu übertragenden Informationsgehalt benötigten Datenumfang und damit auch den Schlüsselbedarf zu minimieren, werden die Nachrichten in einer auf den Bedarf des speziellen Anwendungsgebietes beschränkten formalen Sprache abgefasst und mittels kompakter Syntax und Codierung der Schlüsselwörter komprimiert.In order to minimize the amount of data required for the information content to be transmitted and thus also the key requirement, the messages are written in a formal language that is restricted to the needs of the specific area of application and compressed using compact syntax and coding of the key words.

3 stellt die Erfindung am Ausführungsbeispiel Kraftfahrzeug dar. Handelt es sich bei einem Teilnehmer um ein Kraftfahrzeug, so werden ein neuer Schlüsselvorrat K_i, bzw. ein neuer Saatwert K_s und weitere Parameter zur Schlüsselgenerierung, von einer hoheitlichen Behörde(a) erzeugt und bei einer vorgeschriebenen Fahrzeugwartung an das Fahrzeug F_i(b) übergeben sowie Kopien an die Relaisstationen R(c) verteilt. Die Fahrzeugwartung wird von einer Zulassungsstelle(d) veranlasst, während derer der neue Schlüsselvorrat auf einem physischen Datenträger an den Fahrer übergeben wird. Wird hierfür eine Elektronikkarte eingesetzt, so kann diese gleichzeitig als Führerschein und/oder Fahrzeugschlüssel dienen. Die Nachrichtenübertragungen(e) werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgewickelt.3 shows the invention in the exemplary embodiment of a motor vehicle. If a participant is a motor vehicle, a new key_{stock K i} , or a new seed value K_s and other parameters for key generation, are provided by a sovereign authority (a) generated and in a prescribed vehicle maintenance to the vehicle F_i (b) and copies to the relay stations R (c) distributed. Vehicle maintenance is carried out by a registration office (d) initiated, during which the new key stock is handed over to the driver on a physical data carrier. If an electronic card is used for this purpose, it can also serve as a driver's license and / or vehicle key. The news broadcasts (e) are handled according to the method according to the invention.

Zur Abstandsregelung innerhalb von Fahrzeugkolonnen überträgt das vorderste Fahrzeug einer Kolonne seine Geschwindigkeit an die Relaisstationen und diese dann an alle nachfolgenden Fahrzeuge. Letztere können ihre Geschwindigkeiten somit der Kolonne auch ohne Sichtkontakt zum vordersten Fahrzeug anpassen. Dadurch lassen sich stets konstante Geschwindigkeiten und folglich konstante Abstände innerhalb der Kolonne einhalten. Reduzierung der Abstände steigert die Kapazität einer Straße. Bei einem Abstand handelt es sich um eine geheim zu haltende Information, da durch ihre Kompromittierung ein gefährlicher Systemzustand (z. B. zu geringer Fahrzeugabstand) herbeigeführt werden könnte. Die Nachricht muss daher verschlüsselt übertragen werden. Durch die perfekt sichere Verschlüsselung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es Angreifern unmöglich, mittels verfälschter Nachrichten gefährliche Situationen wie Kollisionskurse herbeizuführen. Die Echtzeitfähigkeit der Nachrichtenübermittlung über zwei drahtlose Kommunikationsstrecken und das relaisinterne Netz gewährleistet rechtzeitige Übertragung an alle beteiligten Fahrzeuge.To regulate the distance within a column of vehicles, the vehicle in front of a column transmits its speed to the relay stations and these then to all following vehicles. The latter can therefore adapt their speeds to the column even without visual contact with the vehicle in front. As a result, constant speeds and consequently constant distances within the column can always be maintained. Reducing the distances increases the capacity of a Road. A distance is information that is to be kept secret, since its compromise could lead to a dangerous system state (e.g. vehicle distance that is too short). The message must therefore be transmitted in encrypted form. Due to the perfectly secure encryption according to the method according to the invention, it is impossible for attackers to cause dangerous situations such as collision courses by means of falsified messages. The real-time capability of message transmission via two wireless communication links and the relay-internal network ensures timely transmission to all vehicles involved.

Sendet ein am Anfang einer Baustelle positioniertes Baustellenfahrzeug Nachrichten über die im Baustellenbereich temporär geänderte Verkehrsführung an jedes passierende Fahrzeug, so handelt es sich hierbei um öffentliche Informationen, die eigentlich nicht verschlüsselt werden müssten. Das Baustellenfahrzeug muss sich jedoch authentifizieren, was durch die Einmalverschlüsselung seiner Nachrichten und seinen darin enthaltenen Identifikator erfolgt, welcher als Identitätsnachweis des Baustellenfahrzeugs dient. Die Datenverarbeitungsgeräte der passierenden Fahrzeuge, bspw. Navigationsgeräte, können mit diesen Informationen ihre Datenbestände aktualisieren. Darauf aufbauend lassen sich notwendige Berechnungen durchführen, bspw. zur automatischen Fahrzeugsteuerung im geänderten Streckenbereich.If a construction site vehicle positioned at the beginning of a construction site sends messages about the temporarily changed traffic routing in the construction site area to every passing vehicle, this is public information that actually does not need to be encrypted. The construction site vehicle must, however, authenticate itself, which is done by encrypting its messages once and the identifier contained therein, which serves as proof of identity for the construction site vehicle. The data processing devices of the passing vehicles, for example navigation devices, can use this information to update their databases. Based on this, the necessary calculations can be carried out, e.g. for automatic vehicle control in the changed route area.

4 stellt die Erfindung am Ausführungsbeispiel Telekommunikationsgerät dar. Handelt es sich bei einem Teilnehmer um ein mobiles Telekommunikationsgerät, so kann ein neuer Schlüsselvorrat(a) während eines Ladeprozesses bereitgestellt werden. Hierzu wird das Gerät mit einem weiteren Digitalrechner(b) per Kabel verbunden. Der Digitalrechner hat den Schlüsselvorrat zuvor genau wie das Relais über einen dedizierten, abhörsicheren Kommunikationskanal(c) von einer hoheitlichen Behörde(d) erhalten. Alle für die Applikationen(e) benötigten Nachrichtenübertragungen werden anschließend über den Kommunikationskanal(f) abgewickelt.4th represents the invention in the embodiment of a telecommunication device. If a subscriber is a mobile telecommunication device, a new key supply (a) can be provided during a loading process. For this purpose, the device is connected to another digital computer (b) connected by cable. Just like the relay, the digital computer has the key supply beforehand via a dedicated, tap-proof communication channel (c) by a sovereign authority (d) Receive. All for the applications (e) Required messages are then transmitted over the communication channel (f) settled.

Durch Diebstahl und/oder gerätetechnische Manipulation könnten Dritte physischen Zugriff auf den Schlüsselvorrat eines Teilnehmers erlangen und damit das gesamte System gefährden. Um die eingesetzten Geräte vor unautorisiertem Zugriff zu schützen, ist bei einer Kompromittierung architekturbedingt nur der betroffene Teilnehmer entsprechend zu kennzeichnen. Es ist daher ausreichend, einen Sabotageschalter so zu konfigurieren, dass er im Manipulationsfall ein Sabotagesignal generiert und eine Nachricht an die nächste Relaisstation sendet, um den betroffenen Teilnehmer aus dem System zu entfernen und dessen Schlüssel für ungültig zu erklären. Zudem kann das Sabotagesignal den Festwertspeicher des Teilnehmers mit den verbleibenden Schlüsseln deaktivieren. Der Sabotageschalter kann auch derart mit der übrigen Elektronik des Teilnehmers verbunden sein, dass jedes Benutzen durch einen unautorisierten Nutzer das Sabotagesignal auslöst.Theft and / or device manipulation could give third parties physical access to a participant's key supply and thus endanger the entire system. In order to protect the devices used against unauthorized access, in the event of a compromise, due to the architecture, only the subscriber concerned needs to be marked accordingly. It is therefore sufficient to configure a sabotage switch in such a way that it generates a sabotage signal in the event of manipulation and sends a message to the next relay station in order to remove the subscriber concerned from the system and to declare his key invalid. In addition, the sabotage signal can deactivate the participant's read-only memory with the remaining keys. The sabotage switch can also be connected to the other electronics of the subscriber in such a way that every use by an unauthorized user triggers the sabotage signal.

Die erfindungsgemäße Architektur ermöglicht die Kommunikation zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Alle Nachrichten sind perfekt sicher verschlüsselt und somit völlig immun gegenüber allen denkbaren und künftigen Angriffen, auch mittels Quantenrechnern ausgeführter. Das Verfahren implementiert alle Aspekte korrekt implementierter Einmalverschlüsselung [10] in Datenverarbeitungsgeräten. Die Komplexität des Schlüsselaustauschs und -rückzugs beträgt nur O(1), da bei Erhöhung der Anzahl der Teilnehmer von n auf n + 1 der neu erstellte Schlüsselvorrat neben dem neuen Teilnehmer nur der Menge der Relaisstationen R bekannt gemacht werden muss. An den Nachrichten vorgenommene Verfälschungen sind automatisch erkennbar. Die zu übertragenden Datenmengen und der Schlüsselbedarf sind wegen kompakter Formulierung der Nachrichten sehr gering. Schlüsselnachschub ist auf einfache Art gewährleistet. Der Nachrichtenaustausch wird über Übertragungsstrecken definierter Längen abgewickelt, weshalb die Übertragungsdauern a priori bestimmt werden können.The architecture according to the invention enables communication between devices from different manufacturers. All messages are perfectly and securely encrypted and therefore completely immune to all conceivable and future attacks, including those carried out using quantum computers. The method implements all aspects of correctly implemented one-time encryption [10] in data processing devices. The complexity of the key exchange and withdrawal is only O (1), since if the number of participants increases from n to n + 1, the newly created key stock next to the new participant only needs to be made known to the number of relay stations R. Any falsifications made to the messages are automatically detectable. The amount of data to be transmitted and the key requirement are very small due to the compact formulation of the messages. Key replenishment is guaranteed in a simple way. The exchange of messages is carried out over transmission links of defined lengths, which is why the transmission times can be determined a priori.

Literaturliterature

• [1]Manzei, C., Heinze, R., Schleupner, L. (2015), Industrie 4.0 im internationalen Kontext: Kernkonzepte, Ergebnisse, Trends. Beuth, Berlin[1] Manzei, C., Heinze, R., Schleupner, L. (2015), Industry 4.0 in an international context: core concepts, results, trends. Beuth, Berlin
• [2]Anderl, R. et al. (2016), Softwarearchitekturen für Industrie 4.0 - RAMI und IIRA aus Sicht der Projekte im Technologieprogramm AUTONOMIK für Industrie 4.0. VDI/VDE-Institut für Innovation und Technik, Berlin[2] Anderl, R. et al. (2016), Software Architectures for Industry 4.0 - RAMI and IIRA from the perspective of the projects in the technology program AUTONOMIK for Industry 4.0. VDI / VDE Institute for Innovation and Technology, Berlin
• [3]Rivest, R.L., Shamir, A., Adleman, L. (1977), A Method for Obtaining Digital Signatures and Public-Key Cryptosystems. MIT Press, Cambridge, MA[3] Rivest, RL, Shamir, A., Adleman, L. (1977), A Method for Obtaining Digital Signatures and Public-Key Cryptosystems. MIT Press, Cambridge, MA
• [4]Paar, C. (2010), Understanding Cryptography. Springer, Berlin[4] Paar, C. (2010), Understanding Cryptography. Springer, Berlin
• [5]Daemen, J., Rijmen, V. (2002), The Design of Rijndael. AES: The Advanced Encryption Standard. Springer, Berlin[5] Daemen, J., Rijmen, V. (2002), The Design of Rijndael. AES: The Advanced Encryption Standard. Springer, Berlin
• [6]Shannon, C.E. (1949), Communication Theory of Secrecy Systems. Bell Systems Technical Journal, 28, 656-715[6] Shannon, CE (1949), Communication Theory of Secrecy Systems. Bell Systems Technical Journal, 28, 656-715
• [7] its.dot.gov, Security Credential Management System (SCMS), https: //www. its.dot.gov/resources/scms.htm[7] its.dot.gov, Security Credential Management System (SCMS), https: // www. its.dot.gov/resources/scms.htm
• [8]Baldini, G., Menzel, G. (2019), C-ITS Point of Contact (CPOC) Protocol. Publications Office of the European Union, Luxemburg[8th] Baldini, G., Menzel, G. (2019), C-ITS Point of Contact (CPOC) Protocol. Publications Office of the European Union, Luxembourg
• [9]Li, P. (2007), Spatiotemporal Chaos-based Multimedia Cryptosystems. Fortschr.-Ber. VDI, Reihe 10 Nr. 777. VDI-Verlag, Düsseldorf[9] Li, P. (2007), Spatiotemporal Chaos-based Multimedia Cryptosystems. Update report VDI, series 10 No. 777. VDI-Verlag, Düsseldorf
• [10]Rijmenants, D. (2014), The Complete Guide to Secure Communications with the One Time Pad Cipher. Cipher Machines & Cryptology[10] Rijmenants, D. (2014), The Complete Guide to Secure Communications with the One Time Pad Cipher. Cipher Machines & Cryptology

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

• EP 2950506 B1 [0009]EP 2950506 B1 [0009]
• EP 3086587 A1 [0009]EP 3086587 A1 [0009]
• WO 2008/063899 A2 [0009]WO 2008/063899 A2 [0009]
• US 1310719 [0011]US 1310719 [0011]
• DE 102005006713 [0011]DE 102005006713 [0011]
• DE 202011110926 U1 [0011]DE 202011110926 U1 [0011]
• EP 3468294 A1 [0013]EP 3468294 A1 [0013]
• EP 2490183 B1 [0013]EP 2490183 B1 [0013]
• EP 2952039 B1 [0020]EP 2952039 B1 [0020]
• DE 102015117022 A1 [0023]DE 102015117022 A1 [0023]
• EP 1152567 A2 [0023]EP 1152567 A2 [0023]
• DE 102010021307 A1 [0024]DE 102010021307 A1 [0024]
• US 2018/0176209 [0026]US 2018/0176209 [0026]
• WO 2019/124953 [0026]WO 2019/124953 [0026]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

• Manzei, C., Heinze, R., Schleupner, L. (2015), Industrie 4.0 im internationalen Kontext: Kernkonzepte, Ergebnisse, Trends. Beuth, Berlin [0035]Manzei, C., Heinze, R., Schleupner, L. (2015), Industry 4.0 in an international context: core concepts, results, trends. Beuth, Berlin [0035]
• Anderl, R. et al. (2016), Softwarearchitekturen für Industrie 4.0 - RAMI und IIRA aus Sicht der Projekte im Technologieprogramm AUTONOMIK für Industrie 4.0. VDI/VDE-Institut für Innovation und Technik, Berlin [0035]Anderl, R. et al. (2016), Software Architectures for Industry 4.0 - RAMI and IIRA from the perspective of the projects in the technology program AUTONOMIK for Industry 4.0. VDI / VDE Institute for Innovation and Technology, Berlin [0035]
• Rivest, R.L., Shamir, A., Adleman, L. (1977), A Method for Obtaining Digital Signatures and Public-Key Cryptosystems. MIT Press, Cambridge, MA [0035]Rivest, R.L., Shamir, A., Adleman, L. (1977), A Method for Obtaining Digital Signatures and Public-Key Cryptosystems. MIT Press, Cambridge, MA [0035]
• Paar, C. (2010), Understanding Cryptography. Springer, Berlin [0035]Paar, C. (2010), Understanding Cryptography. Springer, Berlin [0035]
• Daemen, J., Rijmen, V. (2002), The Design of Rijndael. AES: The Advanced Encryption Standard. Springer, Berlin [0035]Daemen, J., Rijmen, V. (2002), The Design of Rijndael. AES: The Advanced Encryption Standard. Springer, Berlin [0035]
• Shannon, C.E. (1949), Communication Theory of Secrecy Systems. Bell Systems Technical Journal, 28, 656-715 [0035]Shannon, C.E. (1949) Communication Theory of Secrecy Systems. Bell Systems Technical Journal, 28, 656-715 [0035]
• Baldini, G., Menzel, G. (2019), C-ITS Point of Contact (CPOC) Protocol. Publications Office of the European Union, Luxemburg [0035]Baldini, G., Menzel, G. (2019), C-ITS Point of Contact (CPOC) Protocol. Publications Office of the European Union, Luxembourg [0035]
• Li, P. (2007), Spatiotemporal Chaos-based Multimedia Cryptosystems. Fortschr.-Ber. VDI, Reihe 10 Nr. 777. VDI-Verlag, Düsseldorf [0035]Li, P. (2007), Spatiotemporal Chaos-based Multimedia Cryptosystems. Update report VDI, series 10 No. 777. VDI-Verlag, Düsseldorf [0035]
• Rijmenants, D. (2014), The Complete Guide to Secure Communications with the One Time Pad Cipher. Cipher Machines & Cryptology [0035]Rijmenants, D. (2014), The Complete Guide to Secure Communications with the One Time Pad Cipher. Cipher Machines & Cryptology [0035]

Claims (3)

Translated fromGerman

Vorrichtungen und Verfahren zur authentifizierten und vertraulichen Kommunikation zwischen Teilnehmern in Mobilfunknetzen,dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Teilnehmer vermittels Relaisstationen über zwei drahtlose Kommunikationsstrecken miteinander verbunden sind, dass die auszutauschenden Nachrichten in einer auf den Bedarf der Anwendungsgebiete beschränkten formalen Sprache abgefasst und komprimiert übertragen werden, dass jeglicher Nachrichtenaustausch zwischen zwei Teilnehmern durch Einmalschlüssel von Nachrichtenlänge gesichert ist, wodurch Nachrichten ausschließlich von ihren berechtigten Empfängern sinnhaft entschlüsselt werden können und somit ihre Absender inhärent authentifiziert werden, dass die Einmalschlüssel durch echte Zufallsprozesse zentral von einer hoheitlichen Behörde erzeugt werden, dass jeder Teilnehmer mit einem von dieser Behörde ausgestellten, eine Identifikation und einen Schlüsselvorrat enthaltenden Festwertspeicher versehen ist, dass Schlüsselnachschub bei gelegentlichem Kontakt mit der Behörde physisch ausgehändigt wird sowie dass die Relaisstationen über Kopien der Schlüsselvorräte aller Teilnehmer verfügen und unautorisierte Kommunikationsteilnehmer blockieren.Devices and methods for authenticated and confidential communication between subscribers in mobile radio networks,characterized in that two subscribers are connected to each other by means of relay stations via two wireless communication links, that the messages to be exchanged are written in a formal language restricted to the needs of the application areas and transmitted in compressed form, that any message exchange between two participants is secured by one-time keys of message length, whereby messages can only be meaningfully decrypted by their authorized recipients and thus their senders are inherently authenticated a read-only memory issued by this authority, containing an identification and a key supply, is provided, that key chub is physically handed over in the event of occasional contact with the authority and that the relay stations have copies of the key supplies of all participants and block unauthorized communication participants.Verfahren nachAnspruch 1, wobei die Relaisstationen unerwünschte Nachrichten herausfiltern.Procedure according to Claim 1 , the relay stations filtering out unwanted messages.Verfahren nachAnspruch 1, wobei die Teilnehmer Fahrzeuge sind.Procedure according to Claim 1 , where the participants are vehicles.

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