7 Chipkarten
7.1 Definition und EinteilungUnter Chipkarten versteht man ganz allgemein kleine Plastikkarten mit einem oder mehreren eingebetteten Mikroelektronik-Schaltkreisen. Das noch relativ junge Gebiet der Chipkartentechnik expandiert nach wie vor mit ungebremster Geschwindigkeit. Deshalb werde ich mich darauf beschränken, die Grundlagen weitverbreiteter Kartentypen zu beschreiben, die ihren Niederschlag in ISO- und DIN-Normen gefunden haben, ergänzt durch Anwendungsbeispiele mit großer Verbreitung in Deutschland.Doch zunächst will ich versuchen, einige Schneisen in den Chipkarten-Dschungel zu schlagen und einige Kartentypen kurz zu beschreiben. Die folgende Übersicht stellt keine Bewertung dar und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Auch sind die Bezeichnungen in der Literatur nicht immer einheitlich. Speicheridentifikationskarten ("Memory Cards")
Intelligente Identifikationskarten ("Smart Cards")
Identifikationskarten mit Peripherie ("Super Smart Cards")
Hochsichere Identifikationskarten ("Crypto Cards")
Identifikationskarten im Spezialformat
PC-Speicherkarten (PC-cards nach PCMIA und JEIDA)
Kontaktlose Karten
7.2 Anwendungen - ÜbersichtAuch dieser Abschnitt kann keine vollständige Beschreibung aller aktuellen und geplanten Verwendungsmöglichkeiten für Chipkarten geben. Nach einer einleitenden, eher allgemeinen Einordnung folgen einige willkürliche Anwendungsbeispiele, die die Vielseitigkeit dieser Technik nur ansatzweise verdeutlichen können.Chipkarten bieten eine preiswerte Möglichkeit zur nichtflüchtigen, einmaligen oder beliebig oft wiederholbaren Speicherung kleiner bis mittlerer Datenmengen. Sie wurden zunächst als Ersatz für Magnetkarten in Bereichen eingesetzt, wo die besseren Eigenschaften den höheren Preis rechtfertigten. Inzwischen haben sie aber auch Anwendungsgebiete erschlossen, die weit über die Möglichkeiten der Magnetkarten hinausgehen. Insbesondere sind sie diesen in folgenden Eigenschaften überlegen:
Nach der Anwendungsfunktionalität lassen sich Chipkarten derzeit in drei Gruppen einteilen.
Telekommunikation
Gesundheitswesen
Verkehr
Industrie
Handel und Banken
Verwaltung
7.2.1 TelefonkarteFür den Benutzer besteht das System vordergründig aus der Chipkarte, die er bei einer Telefongesellschaft oder einem autorisierten Händler kauft, und aus dem Kartenleser in der Telefonzelle, der ihm Zugang zum Telefonnetz verschafft und seine Karte mehr oder weniger schnell entwertet. Es handelt sich um eine (vorbezahlte) Debit-Karte, die aus Sicherheitsgründen nicht wiederaufladbar ist.Aus technischer Sicht handelt es sich um eine Speicherkarte mit geringer, festverdrahteter Intelligenz. Sie enthält auf ROM eine Seriennummer, Herstelljahr und -monat des Chips, ein Herstellermerkmal, den Anfangswert und ein geheimes Sicherheitsmerkmal. Ein irreversibler Abwärtszähler speichert das Restguthaben in einem EEPROM (Tab. 7-1). Die Abrechnungseinheit eines Kartentelefons besteht aus dem Kartenleser, einem lokalen Prozessor, der die Kommunikation mit der Karte abwickelt, und einem zentralen Rechnernetz in mehreren Hierarchiestufen. Der eigentliche Leser besteht aus einem stabilen Metallgehäuse, in das die Karte eingesteckt werden muss. Er enthält ein "Mini-Fallbeil" mit Schlagmesser zum Abtrennen von Kabeln, die möglicherweise zum Zwecke des "Reverse Engineering" an die Karte angeschlossen sind. Der Leser kontaktiert die Karte über 6 Kontaktfelder. Er ist kurzschlussfest und von der nachgeschalteten Auswerteeinheit galvanisch getrennt. Die Steuersoftware für die Kommunikation mit der Karte und für das Abbuchen der Gebühr befindet sich im lokalen Prozessor. Sie kann ferngeladen werden. Bei Ausfall des Rechnernetzes arbeitet sie autark. Zum Starten des Ablaufs steckt der Benutzer die Karte in den Leser. Der Verschluss schließt sich und entzieht die Karte dem Zugriff des Benutzers. Der Leser kontaktiert die Karte und testet durch eine Anschaltsequenz, ob es sich um eine Speicherkarte (mit synchronem Protokoll) oder eine Buchungskarte (mit asynchronem Protokoll) handelt. Dadurch wird gleichzeitig die Karte aktiviert. Jetzt werden die ersten 16 bit ausgelesen und dabei überprüft, ob die Speicherkarte auch eine Telefonkarte ist. Nach weiteren internen Prüfungen wird das Restguthaben ausgelesen und angezeigt. Kommt anschließend ein Verbindungsaufbau zustande, liefert der übergeordnete Rechner Gebührenimpulse zum Abbuchen der Gebühreneinheiten. Bei jedem Impuls dekrementiert das Kartentelefon den Zähler der Karte um die Gebühreneinheit. Der neue Guthabenstand wird sofort wieder gelesen und verglichen. Bei Ungereimtheiten wird die Verbindung sofort unterbrochen. Telefonbuchungskarten benutzen das asynchrone Protokoll T=14, das nur in Deutschland eingesetzt wird und nicht international genormt ist. Bei Speicherkarten werden nur synchrone Protokolle eingesetzt, und zwar je nach Hersteller und Typ der Karte
7.2.2 Krankenversichertenkarte (KVK)Auch bei der Krankenversichertenkarte handelt es sich in der ersten Stufe um eine reine Speicherkarte. Das System ist jedoch so ausgelegt, dass eine Erweiterung auf Prozessorkarten problemlos möglich ist. Der Weg zur "Gesundheits-Chipkarte", die derzeit aus Datenschutzgründen nur für Notfallpatienten eingesetzt wird, bleibt dadurch offen.Die KVK, die alle Mitglieder der gesetzlichen Krankenversicherung oder einer Ersatzkasse bekommen haben, dient dem Versicherten als Ausweis gegenüber dem Arzt. Außerdem können die maschinenlesbaren Daten vom Kartenleser entweder direkt in Formulare gedruckt oder an den Praxiscomputer weitergeleitet werden. Alle Daten werden im Normalfall nur gelesen. Auf der Karte sind sie außer der Adresse auch in Klarschrift vorhanden. Spezielle Terminals der Krankenkassen können jedoch einzelne Daten auch überschreiben. Der angeschlossene Computer verkehrt mit dem Terminal über das asynchrone Protokoll T=1. Das Terminal kann jedoch nur eine Untermenge der dort definierten Befehle empfangen und ausführen:
Um die Struktur der gespeicherten Daten ohne Kompatibilitätsprobleme ändern oder erweitern zu können, sind die Daten nach den Forderungen der Datenbeschreibungssprache ASN.1 in TLV-Blöcken variabler Länger strukturiert:
Die verwendeten Tags gelten für alle KVKs. (Tab. 7-2) zeigt eine Liste der verwendeten Tags. Grau hinterlegte Felder bezeichnen optionale Datenelemente. Mit $60 wird die Gesamtlänge der verwendeten Daten angegeben, mit $C0 die Anzahl der aufgefüllten Leerzeichen. (Tab. 7-3) zeigt ein willkürliches Beispiel, mit falschem CRC Code. 7.2.3 Elektronische GeldbörseDiese dritte bargeldlose Zahlungsart (neben Kredit- und Scheckkarte) kommt in ihrer Handhabung dem echten Bargeld am nächsten. Die Karten werden von autorisierter Stelle mit einem bestimmten Betrag aufgeladen und beim Bezahlvorgang völlig lokal in beliebiger Stückelung abgewertet. Da bei der Bezahlung weder eine Datenverbindung noch eine Bank beteiligt sind, entfallen Buchungskosten komplett. Erst dadurch wird es wirtschaftlich sinnvoll, auch Kleinstbeträge, zum Beispiel an Automaten, bargeldlos zu bezahlen.Für Banken und Handel bieten Elektronische Börsen große Vorteile:
Abb. 7-4 zeigt alle am System beteiligten Teilnehmer, technische Einrichtungen und Vorgänge, wie sie in der Norm beschrieben werden: Der Börsenbetreiber, meist eine Bank oder eine bankenähnliche Organisation, erteilt dem Aufladebevollmächtigten, wie schon der Name sagt, eine Vollmacht zum Aufladen der Börsen. Dabei muss es sich nicht unbedingt um verschiedene Personen oder Organisationen handeln. Da aber verschiedene Einrichtungen und unterschiedliche Vorgänge beteiligt sind, macht hier die Norm eine durchaus sinnvolle gedankliche Trennung. An einer Aufladevorrichtung kann "echtes" Geld in elektronisches umgetauscht werden. Die Börse wird mit einem frei wählbaren Betrag aufgeladen. Ein Überladen einer teilweise aufgeladenen Börse ist bis zu einem festgelegten Höchstbetrag möglich. Wird der Vorgang bar bezahlt, handelt es sich gewissermaßen um die Stückelung in beliebige Einheiten (ein Sack voller Cent- oder Euromünzen, der jedoch die Hosentaschen nicht ausbeult). Bei Bezahlung durch Kontoabbuchung wird das Geld lediglich anonymisiert, mit allen damit verbundenen Vor- und Nachteilen. Beim eigentlichen Einkauf von Waren oder Dienstleistungen wird der verfügbare Betrag in der Börse des Kunden erniedrigt und gleichzeitig der Saldo in der Börse des Leistungsanbieters erhöht. Händlerbörsen sind meist ortsfest und können dadurch besser gesichert werden als die mobilen Kundenbörsen. Der Händler reicht seine gefüllte Börse bei einem Acquirer ein, was natürlich auch online geschehen kann, und bekommt den entsprechenden Betrag gutgeschrieben oder in bar ausbezahlt. Der Acquirer kann wieder der Börsenbetreiber selbst sein oder auch eine externe Stelle, zum Beispiel die Zentrale einer Filialkette. Der Acquirer ist zuständig für die Errichtung und Verwaltung der datentechnischen Verbindungen zwischen Börsenanbieter und Leistungsanbieter. Außerdem kann er Kleinbeträge bündeln, bevor er sie beim Börsenanbieter einreicht und so den Kreis wieder schließt. Zwei eingeführte Börsenanwendungen möchte ich herausgreifen und etwas näher beschreiben: Das deutsche ec-System hält sich im wesentlichen an EN 1546 und besteht aus zwei Komponenten: ec-Cash und ec-Geldkarte . Dafür gibt es drei verschiedene Kartentypen:
Bei Bezahlung mit Geldkarte entfallen PIN und Unterschrift, da die Karte echtes Geld in elektronischer Form enthält. Geldkarten können an Ladeterminals gegen Bargeld oder ec-Cash mit bestimmten Geldbeträgen aufgeladen werden. Beim Bezahlen von Waren wird der geforderte Betrag von der Geldkarte des Kunden auf eine Händlerkarte übertragen. Händlerkarten sind entweder mobil und können dann dadurch gegen Raub geschützt werden, dass sie nur Beträge annehmen, aber nicht weitergeben können. Meistens sind sie aber ortsfest oder virtuell als Software im Rechner des Händlers und übertragen das Guthaben direkt über eine Datenverbindung zur Bank des Händlers. Eine sogenannte Börsenevidenzzentrale erfüllt die Funktionen des Börsenbetreibers, des Aufladebevollmächtigten und des Acquirers. Sie sorgt für die Abrechnung zwischen Händler, Kreditinstitut und Karteninhaber. Bei der bevorzugten und für den Kunden sichereren nicht-anonymen Variante führt die Börsenevidenzzentrale außerdem ein Börsenverrechnungskonto ( "Schattenkonto"), das bei technischem Versagen der Karte deren Inhalt rekonstruieren kann. Beim bargeldlosen Aufladen wird Geld vom Kundenkonto auf dieses Schattenkonto (und auf die Geldkarte) übertragen, beim Bezahlen werden Geldkarte und Schattenkonto belastet. Eine direkte Übertragung zwischen Kunden-Geldkarten (purse-to-purse) ist auch bei der anonymen Variante nicht vorgesehen. Die Kombinationskarte ist als Multifunktionskarte ausgelegt und könnte später mit weiteren Anwendungen nachgeladen werden. Das britische Mondex System ist schon etwas älter; die ersten Pilotversuche liefen bereits 1995. Im Gegensatz zum ec-System versucht es, wirklich alle Funktionen echten Bargelds nachzubilden:
Durch diese Beschränkung kann sichergestellt werden, dass Karten nicht unkontrolliert sehr lange im Umlauf sind. Man kann dabei neue Anwendungen und neue Schlüssel laden, die außerdem in einer Art Schneeballsystem auch von Börse zu Börse weitergegeben werden. Von den Händlerbörsen, die aus Sicherheitsgründen so eingestellt werden können, dass sie nur Geld annehmen, aber nicht weiterübertragen können, ist jedoch eine Online-Übertragung an die Bank möglich. 7.3 EigenschaftenDie mechanischen und physikalischen Anforderungen an Chipkarten des meistverwendeten Typs ID-1 entsprechen weitgehend denen von Magnetkarten und sind in DIN-ISO 7810 beschrieben. Zusätzliche Anforderungen stellt die in der Karte enthaltene Elektronik. Sie sind Gegenstand der Norm DIN-EN 27816-1 (ISO 7816-1):
Laut Definition enthält eine Chipkarte einen oder mehrere elektronische Mikroschaltkreise. Beim Kartentyp ID-1 sind diese in der Kontaktzone, aber auf der Rückseite der Karte angebracht, durch dünne Golddrähte mit den durchkontaktierten Anschlüssen verbunden und zum Schutz mit einem undurchsichtigen Laminat versehen. Drei weitere Normen befassen sich mit kontaktlosen Chipkarten:
Auch Combi-Cards lassen sich realisieren, bei denen die Vorteile der kontaktlosen Variante ausgenutzt werden können, aus Gründen der Abwärtskompatibilität die Anschlüsse des Chip auch auf herkömmliche Kontakte geführt sind. Noch besser, aber noch teurer sind Ausführungen mit zwei getrennten Chips für kontaktbehaftete und kontaktlose Funktion. 7.4 FunktionÄhnlich wie Magnetkarten werden Chipkarten zur Auswertung oder Änderung der gespeicherten Information in spezielle Geräte eingeführt (bei kontaktlosem Betrieb in die Nähe gebracht). Diese Geräte werden als (Karten-)Terminal, Schreib-/Leseeinrichtung oder als Kartenzugangsgerät bezeichnet. Sie dienen zur Aufnahme und Kontaktierung der Karte und besitzen mehr oder weniger Eigenintelligenz. Über eine (meist serielle) Schnittstelle sind sie an einen Host-Computer angeschlossen. Bei der Kommunikation fungiert das Terminal als Master, die Chipkarte als Slave.Ein typischer Betriebsablauf gliedert sich in vier aufeinanderfolgende Abschnitte (Abb. 7-6):
Nach ihrer Funktion lassen sich Chipkarten zunächst in zwei Gruppen einteilen:
7.4.1 KontaktierungDie Chipkarte wird von Hand in das Kartenterminal geschoben. Die Auswertung erfolgt jedoch nicht wie bei der Magnetkarte während der Bewegung, sondern in der Endposition. Probleme durch ungleichmäßiges Schieben (wie beim Magnetkarten-Durchzugsleser) können deshalb nicht auftreten. Damit entfällt auch das einzige Argument für einen motorischen Einzug, der deswegen höchstens bei Hybridlesern anzutreffen ist, die Magnet- und Chipkarten in einer Einheit auswerten können.Modernere Kartenterminals haben zur Schonung der Kontakte meist eine Vorrichtung, die erkennt, dass die Karte die Endposition erreicht hat und erst dann die Kontakte des Terminals auf die Kontaktflächen der Karte absenkt. Anschließend führt das Terminal die Anschaltsequenz durch und aktiviert die Anschlüsse in festgelegter Reihenfolge:
7.4.2 RücksetzenEs gibt drei verschiedene Rücksetztypen:
Jeder Kartentyp spricht auf genau eine Rücksetzmethode an. Wie die Namensgebung ahnen lässt, verwenden Karten mit synchronem Protokoll die Rücksetzmethode SH, Karten mit asynchronen Protokollen die Typen IR oder AL. Einfache Terminals sind für genau eine Rücksetzmethode ausgelegt. Karten , die darauf nicht oder falsch reagieren, werden zurückgewiesen, und der Dialog wird abgebrochen. Die Prozeduren der einzelnen Methoden sind jedoch so ausgelegt, dass intelligente Terminals nacheinander auf verschiedene Kartentypen abfragen können, ohne dass es zu Fehlerkennungen kommt. Die Norm lässt dabei mehrere Reihenfolgen zu:
7.4.2.1 Internal Reset (IR)RESET bleibt LOW, während der Takt angelegt wird. Die ersten Taktimpulse setzen die Karte zurück, die nach 400 ... 40000 Taktimpulsen mit ihrer ATR-Sequenz ("Answer To Reset") antwortet. 7.4.2.2 Active Low Reset (AL)Der Takt wird angelegt, RESET bleibt LOW für mindestens 40000 Taktimpulse und wird dann auf HIGH gesetzt. Die Karte benötigt die RESET=LOW Phase zum Rücksetzen. Erst mit RESET=HIGH beginnt sie zu arbeiten und antwortet nach weiteren 400 ... 40000 Taktimpulsen mit ihrer ATR-Sequenz. 7.4.2.3 Synchronous Active High Reset (SH)Die Karte wird rückgesetzt durch einen kurzen positiven RESET-Impuls, in den ein positiver CLOCK-Impuls eingebettet ist. Unmittelbar darauf reagiert die Karte bereits auf weitere Taktimpulse und gibt ihren Inhalt aus, der bei normgerechtem Protokoll mit der ATR-Sequenz beginnt. 7.4.3 Answer To Reset (ATR)Auf Reset antwortet die Chipkarte mit einer Sequenz, in der wichtige Übertragungsparameter enthalten sind. Struktur und Inhalt sind unterschiedlich für synchrone und asynchrone Protokolle:7.4.3.1 Answer To Reset bei synchronem ProtokollVerhält sich die Karte normgerecht (was nicht bei allen Speicherkarten der Fall ist), sendet sie als Antwort genau 4 Bytes, die als H1, H2, H3 und H4 bezeichnet werden (s. Abb. 7-7). Das Terminal muss dafür genau 32 Taktimpulse anlegen. Davon enthalten die ersten beiden Bytes die eigentlich wichtigen Informationen, nämlich den Typ des Protokolls (2-Draht, 3-Draht, I2C) und die Länge der auf der Karte gespeicherten Daten. Weitere Informationen über den Kartenchip können in einem "Inhaltsverzeichnis" enthalten sein. H4 des ATR gibt an, ob dieses existiert und wo es zu finden ist.7.4.3.2 Answer To Reset bei asynchronem ProtokollZum Vereinbaren der Übertragungsparameter dienen bei asynchronem Protokoll die verbindliche ATR- und die optionale PTS-Sequenz ("Protocol Type Selection").Die ATR-Sequenz selbst arbeitet mit Default-Parametern, die in der Norm festgelegt sind:
Die ATR-Sequenz darf maximal 33 Byte lang sein, insbesondere bei zeitkritischen Anwendungen ist sie jedoch sehr viel kürzer. Frühestens 400 (= 81.38 ... 112 µs) und spätestens 40000 Taktzyklen (= 8.14 ... 11.2 ms) nach dem Reset muss die Karte ihren ATR beginnen. Andernfalls wiederholt das Terminal den Reset-Vorgang (bis zu dreimal). Erfolgt auch dann keine Reaktion, wird die Karte als fehlerhaft zurückgewiesen. Struktur und Inhalt des ATR sind in ISO/IEC 7816-3 definiert. (Einen Überblick zeigt Abb. 7-8). "Initial Character (TS)" und "Format Character (T0)" müssen vorhanden sein und enthalten lebenswichtige Parameter. "Interface Characters (TA1 ... TD4)", "Historical Characters (T1 ... TK)" und Check Character (TCK)" sind optional. Ist das Terminal mit den von der Karte gewünschten Parametern nicht einverstanden, kann es einen PTS-Dialog anschließen, in dem die strittigen Parameter ausgehandelt werden. Enthält der ATR mehr als einen Protokolltyp, ist PTS zwingend und dient zur Auswahl des zu verwendenden Protokolls. TS dient zur Bitsynchronisation und zur Festlegung der Pegelzuordnung:
Für mehrere Anwendungen auf der Karte kann der ATR mehrere Protokolltypen enthalten. Die Interface Characters sind in maximal 4 Blöcken zu je 4 Byte angeordnet:
TDi enthält jeweils den Protokolltyp und ein Flag, ob weitere Blöcke folgen. Werden für ein Protokoll mehr als 3 Byte Parameter benötigt, enthalten TDi und TDi+1 den gleichen Protokolltyp. Ist das Protokoll T=0 beteiligt, ist es in TD1 definiert. Ist T=0 das einzige vorhandene Protokoll, entfällt TCK. 7.4.4 KommunikationSowohl bei der synchronen als auch bei der asynchronen Übertragung gibt es jeweils mehrere Protokolle. Die gebräuchlichsten sollen im folgenden näher erklärt werden:
7.4.4.1 Drei-Draht-ProtokollZur Datenübertragung werden 3 Leitungen verwendet (Abb. 7-9 oben links):
Zum Rücksetzen wird während RST=HIGH vom Terminal ein CLK-Impuls ausgegeben. Dies setzt den Adresszeiger der Karte auf 0. Jetzt kann gelesen werden, indem das Terminal bei fallender CLK-Flanke die Daten übernimmt und die Karte bei steigender CLK-Flanke ihren Adresszeiger erhöht. Durch wiederholtes Lesen (mit oder ohne Datenauswertung) kann der Adresszeiger auf eine bestimmte Stelle gesetzt werden, an der geschrieben werden soll. Dazu gibt das Terminal auf der Steuerleitung (während CLK=LOW) einen positiven Impuls aus und setzt gleichzeitig die Datenleitung auf den gewünschten Wert. Die Dauer des nachfolgenden CLK-Impulses bestimmt die Schreibdauer. 7.4.4.2 I2C-Bus-ProtokollDer (auch auf anderen Gebieten weitverbreitete) I2C-Bus verwendet zur Datenübertragung 2 Leitungen (Abb. 7-9 unten):
Ein Master, hier das Terminal, übernimmt den Bus, indem er eine Startbedingung (fallende Flanke an SDA bei SCL=HIGH) erzeugt. Durch eine Stop-Bedingung (steigende Flanke an SDA bei SCL=HIGH) gibt er ihn wieder frei. Es gibt fünf verschiedene Vorgänge, die in jeweils einem Byte übertragen werden:
In Abb. 7-9 sind Schreib- und Lesevorgang in einem gemeinsamen Diagramm dargestellt. Deswegen verzweigen sich die "Lebenslinien" von Terminal und Karte nach dem 2. Byte. 7.4.4.3 Zwei-Draht-ProtokollDer Zweidraht-Bus verwendet die gleiche Methode wie I2C zum Starten und Stoppen einer Übertragungssequenz vom Terminal zur Karte. Diese Sequenz besteht aus drei direkt aufeinanderfolgenden Bytes: CONTROL, ADDRESS und DATA. Die Daten sind gültig bei der steigenden Flanke von CLK. Sie werden mit dem LSB zuerst übertragen und nicht quittiert (Abb. 7-9 oben rechts).Bei einer Lesesequenz hat das Byte DATA keine Bedeutung, bei einer Schreibsequenz enthält es die zu speichernden Daten. Sie werden mit dem LSB zuerst übertragen und nicht quittiert. Jede Sequenz wird von der Karte beantwortet. Beim Lesen werden Lesedaten mit der fallenden Taktflanke auf die I/O-Leitung geschoben, und zwar so lange, bis ein positiver RST-Impuls den Lesevorgang beendet. Beim Schreiben antwortet die Karte mit einem BUSY-Signal auf der I/O-Leitung, während die Daten intern geschrieben werden. Mit der steigenden Flanke von BUSY ist der Schreibvorgang abgeschlossen. 7.4.4.4 Asynchrones Protokoll T=0Wie schon erwähnt läuft auch die eigentliche Kommunikation asynchron und im Halbduplexbetrieb ab. Abb. 7-10 zeigt die Struktur und Abb. 7-11 den Ablauf einer Befehlssequenz. Die Initiative geht immer vom Terminal aus. Es schickt ein Kommando, das von der Karte beantwortet wird.Jedes Kommando beginnt mit einem 5-Byte-Header, an den sich Daten anschließen können.
Einfache Übertragungsfehler werden am unpassenden Paritätsbit erkannt. Der Empfänger meldet sie mit einem LOW-Signal in einem Teil der Wartezeit. Das Byte wird dann sofort wiederholt. Der Header wird von der Karte bei Schreibbefehlen mit einem "Procedure Byte" beantwortet:
Die Karte signalisiert mit 2 Bytes das Ende der Eingabedaten (bei einem Lesebefehl also gleich nach dem Header)
Hat es sich um einen Schreibbefehl gehandelt, ist der Befehlszyklus damit zu Ende. Bei einem Lesekommando enthält SW2 die Anzahl der verfügbaren Lesedaten der Karte. Das Terminal schickt daraufhin einen GET RESPONSE Befehl, der in P3 die Anzahl der gewünschten Lesedaten enthält. Die Karte antwortet mit den verfügbaren Daten und einem abschließenden SW1,SW2. 7.4.4.5 Asynchrones Protokoll T=1Mit diesem jüngeren und "moderneren" blockorientierten Protokoll wird eine strikte Schichtentrennung eingeführt. Abb. 7-10 zeigt die Struktur und Abb. 7-12 den Ablauf einer Befehlssequenz. Kommandos und Daten der Anwendungsschicht (APDU = application protocol data unit) werden zur Übertragung in Blöcke (TPDU = transport protocol data unit) verpackt. Die Leitungsschicht weiß daher nicht, was sie überträgt. Erst damit wird eine Verschlüsselung der Daten möglich bzw. sinnvoll. Das gleiche Protokoll wird übrigens häufig auch zwischen Host-Rechner und Kartenterminal verwendet.Das Format der (verpackten) Kommandos (APDUs) ist im wesentlichen das gleiche wie bei T=0, lediglich die Längenangaben für alle Daten sind konsequent mit im Befehl enthalten. Der Header besteht in diesem Fall aus 4 Byte (CLA, INS, P1, P2), gefolgt vom optionalen Body, der sich zusammensetzen kann aus Lc (Länge der Schreibdaten; "length command"), Schreibdaten und Le (Länge der erwarteten Lesedaten; "length expected"). Die Antwort der Karte besteht aus den Lesedaten (falls gewünscht und vorhanden) und aus dem obligatorischen Trailer SW1, SW2. Das Protokoll T=1 wird in voller Schönheit spezifiziert in ISO/IEC 7816-3 und etwas abgemagert im EMV-2-Standard. Auch hier wird abwechselnd gesendet, aber nicht Bytes, sondern Blöcke; das Terminal beginnt. Die Übertragungsblöcke dienen zwei verschiedenen Zwecken: zur Übertragung von anwendungsspezifischen Daten und für Managementaufgaben (Steuerdaten und Fehlerbehandlung). Übertragungsblöcke (TPDUs) bestehen aus 2 oder 3 Feldern und werden in 3 verschiedene Typen eingeteilt:
Das Prologfeld besteht aus drei Teilen (zu je 1 Byte):
Im Informationsfeld werden im Fall eines S-Blocks Daten für das Übertragungsprotokoll, im Falle eines I-Blocks transparente Anwenderdaten befördert. Die Länge ist einstellbar, der Defaultwert ist 32 Byte. Das Epilogfeld dient der Fehlererkennung. Dazu wird entweder ein CRC-Verfahren (aufwändig, aber sicher) oder ein LRC (Longitudinal redundancy check) verwendet. Meistens kommt LRC zur Anwendung, bei dem nur eine XOR-Summe über alle Bits des Blocks gebildet wird. Dieses Verfahren ist zwar nicht so effektiv, aber wesentlich schneller. Jeder Informationsblock enthält 1 Bit, das als Sendefolgenzähler verwendet wird. Der Empfänger kann damit ermitteln, ob es sich um einen neuen oder einen wiederholten Block handelt. Es sind drei verschiedene Wartezeiten definiert, bei deren Überschreitung bzw. Unterschreitung durch festgelegte Aktionen eine Blockierung des Protokolls verhindert wird. Zur Optimierung der Kommunikation werden sie in ATR und PTS ausgehandelt:
7.4.5 Deaktivierung und EntnahmeWird eine Karte während der Kommunikation aus dem Terminal entfernt, etwa durch einfaches Herausziehen, kann es je nach Anwendung Probleme geben, vom Datenverlust bis hin zur Beschädigung der Karte. Zur Vermeidung dieser Probleme sind verschiedene Entnahmetechniken entwickelt worden. Bei allen ist sichergestellt, dass die Anschlüsse in festgelegter Reihenfolge deaktiviert werden, bevor die Karte entnommen werden kann:
7.5 SicherheitZunächst einmal erfordert ein störungsfreier Betrieb die Absicherung des Verfahrens gegen Funktionsstörungen und versehentlich verfälschte Daten. Dafür werden robuste Technik und bekannte fehlerkorrigierende Protokolle eingesetzt.Das eigentliche Thema bei Chipkarten ist aber die Absicherung gegen bewusste missbräuchliche Benutzung. Chipkarten werden ja im Zahlungsverkehr und für Berechtigungsnachweise aller Art eingesetzt. Dementsprechend groß ist die Versuchung, sich durch Diebstahl oder Manipulation illegale Vorteile zu verschaffen. Je nach Sicherheitsrelevanz der Anwendung kann deshalb ein hoher Aufwand nötig sein, um das System und den einzelnen Betreiber gegen kriminelle Angriffe zu schützen. Viele Verschlüsselungsverfahren wurden erfunden und werden ständig weiterentwickelt, auf die ich nicht näher eingehen will, und die alle dazu dienen, um folgende Tatbestände zu überprüfen:
7.5.1 IdentifizierungWird die Identität eines Menschen durch einen anderen Menschen überprüft, gibt es mehrere Möglichkeiten:
Biometrische Verfahren, bei denen ein oder mehrere unveränderliche Merkmale verglichen werden, gelten als sehr sicher, sind aber so aufwändig, dass sie sich bisher noch nicht im großen Stil durchsetzen konnten. Als Merkmale können dienen:
Als praktikabler Weg bleibt das gemeinsame Geheimnis. Da es aber in Form der Terminals zu viele potentielle Überprüfer gibt, um ihnen allen dieses Geheimnis vorher anzuvertrauen, hat man es mit in die Chipkarte verpackt, aber so, dass es weder ein Mensch noch eine Maschine für Missbrauchszwecke auslesen kann. Wir sprechen von der PIN ("Personal Identification Number"), einem Passwort, das aus Aufwandsgründen nur aus Ziffern besteht, und zwar aus höchstens fünf, um das Gedächtnis des Durchschnittsbenutzers nicht überzustrapazieren. (Auch Gedächtnisakrobaten können Schwierigkeiten bekommen, wenn sie ein halbes Dutzend Karten mit unterschiedlichen PINs mit sich herumtragen.) Die Eingabe der PIN dient übrigens nicht nur zur Identifizierung, sondern in ihrer Funktion als Ersatzunterschrift auch als Willenserklärung des Benutzers. 7.5.2 AuthentisierungZusätzlich zur Identität des Benutzers müssen auch die Echtheit (Authentizität) der Karte und des Terminals geprüft werden. Diesen Vorgang nennt man Authentisierung oder Authentifizierung. Zur Einteilung der Authentisierungsverfahren werden folgende Parameter verwendet:
Ein Partner stellt dem anderen eine zufällig erzeugte Frage ("Challenge"), dieser berechnet (verschlüsselt) mit einem beiden Partnern bekannten Algorithmus eine Antwort und sendet sie zurück ("Response"). Partner 1 entschlüsselt diese Nachricht mit dem Umkehr-Algorithmus und vergleicht das Ergebnis mit der gesendeten Anfrage. (Alternativ kann er auch die ursprüngliche Nachricht verschlüsseln und die verschlüsselten Ergebnisse vergleichen.) Wird der Vorgang jetzt beendet, handelt es sich um eine einseitige Authentisierung, wird er in Gegenrichtung wiederholt, um eine gegenseitige. Für hohe Sicherheitsanforderungen ist eine gegenseitige, dynamische Authentisierung mit asymmetrischer Verschlüsselung wünschenswert, aus Aufwandsgründen werden jedoch oft die einfacheren Methoden verwendet. 7.5.3 SignaturHat der Benutzer sein Einverständnis erklärt, zum Beispiel mit der Art des Vorgangs und dem Inhalt der beteiligten Daten, dürfen diese Daten nicht mehr unbemerkt verändert werden. Man erreicht dieses durch Zufügen einer digitalen Signatur. Sie wird gebildet mit Methoden, wie sie bei Fehlererkennung oder -korrektur verwendet werden. Sie wird verschlüsselt mit einem Schlüssel, der auf der Chipkarte vorhanden ist, und den sonst nur die Institution kennt, die die Authentizität der Nachricht überprüfen soll. In den meisten Fällen handelt es sich hier um den Ersteller der Karte.Die Nachricht selbst wird für die Übertragung nicht verschlüsselt. Die angefügte Signatur wird bezeichnet mit SIG oder MAC ("Message Authentication Code"). 7.6 StandardisierungBei technischen Innovationen, die bestehende Technologien ersetzen oder ganz neue Märkte eröffnen, spielen sich immer wieder ähnliche Prozesse ab. Diese Gesetzmäßigkeiten sind auch bei der Chipkartentechnik sehr ausgeprägt, weshalb ich sie im folgenden etwas allgemeiner beschreiben möchte.In der ersten Phase setzen die Vorreiter ihre Forschungsergebnisse in meist inkompatible technische Lösungen um. Im zunächst normfreien Raum versucht man sich mit seinen firmenspezifischen Lösungen von den Mitbewerbern abzugrenzen, in der Hoffnung, dass sich die eigenen Produkte als überlegen erweisen und so der Marktanteil möglichst groß wird. In dieser ersten Auslesephase werden schon einmal völlig ungeeignete Ansätze ausgefiltert, nur einige erfolgversprechende überleben. Erst jetzt ist der Zeitpunkt gekommen, wo die Marktteilnehmer zur Einsicht kommen, dass ein weiteres Marktwachstum allen zugute kommt, was sich aber nur durch eine bessere Kompatibilität der Geräte oder Verfahren erreichen lässt. Notwendigkeit und Vorteile einer Standardisierung werden erkannt. Diese bietet zwar auch Neueinsteigern bessere Chancen, die "Platzhirsche" sitzen aber jetzt schon so fest im Sattel, dass sie diese neue Konkurrenz nicht fürchten. Allerdings stellt sich jetzt die Frage, wann und mit welchen Mitteln man die nötigen Normen schaffen will. Normt man zu früh, besteht die Gefahr, dass die technische Weiterentwicklung durch ein zu enges Normenkorsett behindert wird. Das kann dann dazu führen, dass die Normen nicht eingehalten werden, oder dass der Markt durch ständig neue Versionen verunsichert wird. Normt man zu spät, kann es sein, dass sich mehrere inkompatible Systeme auf dem Markt so etabliert haben, dass eine Anpassung an die Norm für die Produzenten zu teuer wäre. Die Folge ist, dass die Norm entweder ignoriert oder so schwammig formuliert wird, dass sie niemandem mehr nützt. Die zweite Frage ist, in welchem Rahmen man die Normungsarbeit betreiben will. Die offiziellen Normungsgremien (ISO, DIN, CCITT usw.) arbeiten zwar sehr gründlich, aber für die Dynamik der Elektronik und Informatik viel zu langsam und teilweise am Bedarf vorbei (Beispiel ISO/OSI-Schichtenmodell). Auch ihre längst überholte Finanzierung (durch den Verkauf gedruckter Normblätter!) trägt durch die damit verbundene Bevorzugung von Großfirmen nicht gerade zur Verbreitung und zum Erfolg einer Norm bei. Deshalb entstehen in jüngerer Zeit immer häufiger Konsortien von Marktteilnehmern, die durch die Schaffung von "Industriestandards" schneller auf die Erfordernisse des Markts reagieren können. Die Feinarbeit überlassen sie dann meist wieder den offiziellen Gremien. Auf dem Gebiet der Chipkarten ist die offizielle Normung mit ISO/IEC 7816 so weit fortgeschritten, dass die Zusammenarbeit zwischen Karten und Kartenlesern reibungslos läuft, was mechanische und elektrische Eigenschaften sowie Kommunikationsprotokolle betrifft. Etwas anders sieht es aus beim Anschluss von Lesegeräten an Hostrechner und bei der gemeinsamen Nutzung von Chipkarten für verschiedene Anwendungen. Gerade hier kommt man aber ohne Normung kaum weiter. So spricht und schreibt man schon seit vielen Jahren über das ungeheure Marktpotenzial von multifunktionalen Chipkarten und Anwendungen, die man auf jedem PC betreiben kann. Die Standardisierung kommt aber nur mühsam und schleppend voran, erkennbar beispielsweise an dem Aufstöhnen der Krankenkassen, wenn ihnen die Politik das Ziel vorgibt, die multifunktionale Gesundheitskarte in zwei Jahren (endlich) einzuführen. Im folgenden möchte ich beispielhaft zwei Standardisierungsinitiativen vorstellen, deren Erfolgsaussichten sehr unterschiedlich beurteilt werden, obwohl hinter beiden durchaus renommierte Firmen und Institutionen stehen. Beide haben die Zielrichtung, dass Anwendungen auf Hostrechnern unabhängig von Hersteller und Typ des Kartenterminals erstellt und gepflegt werden können, und dass mehrere davon eine Chipkarte gemeinsam verwenden können, ohne sich gegenseitig zu stören. Der Weg für zukünftige Entwicklungen soll dabei möglichst offen gehalten werden. 7.6.1 Multifunktionales Kartenterminal (MKT)Der vollständige Titel dieser Spezifikation (die erste Version wurde etwa 1994 veröffentlicht) zeigt gleichzeitig ihre Stoßrichtung: "Multifunktionale KartenTerminals MKT für das Gesundheitswesen und andere Anwendungsgebiete". Diese deutsche Initiative, getragen durch vier Partner (Deutsche Telekom, GMD, TÜV, TeleTrusT), versucht eine Standardisierung zunächst im Gesundheitsbereich, mit dem Angebot an andere Interessenten, sich an diesen Kristallisationspunkt anzuschließen. Es ist auch zu verschmerzen, wenn dieser Effekt nicht eintritt: Die Anwender im Gesundheitswesen (Ärzte, Apotheken, Krankenkassen, Krankenhäuser, Kurheime usw.) bilden einen ziemlich abgeschlossenen Bereich, der sich mit anderen für Chipkartenanwendungen einträglichen Gebieten wie Geldwesen, Verkehr oder Kommunikation nur wenig überschneidet; niemand will wohl derzeit Scheckkarten- und Gesundheitskartenfunktionen auf eine Karte packen. Schade wäre es allerdings, wenn sich in anderen Ländern wieder einmal inkompatible Lösungen durchsetzen würden.Die Spezifikation beschreibt Kartenterminals (Chipkartenlesegeräte) und ihre Schnittstellen zu Host-PC und zu einer oder mehreren daran kontaktierten Speicher- oder Prozessorkarten Abb. 7-15; links) in 8 Teilen und 3 Anhängen:
MKTDas eigentliche Terminal kann als integrierte Systemkomponente (z.B. integriert in eine Tastatur) oder als eigenständiges Endgerät realisiert sein. Zum Lieferumfang des Herstellers gehört außerdem die auf sein Gerät abgestimmte Treibersoftware (HTSI; Host Terminal SW Interface).Das Terminal enthält mindestens eine Kontaktiereinheit für ID-1-Karten, eine zweite für ID-1- oder ID-000-Karten ist optional. Optional sind auch Tastatur (12 oder 16 Tasten) und Display (mindestens 2 * 16 Zeichen). Weitere Funktionen (z.B. Sicherheitsmodule oder zusätzliche Kontaktiereinheiten) lässt die Spezifikation offen, ebenso die Art der Verbindung zum Host (seriell, USB usw.) und das dabei verwendete Protokoll. ICC-InterfaceEin MKT unterstützt kontaktorientierte Speicherkarten mit synchronen Protokollen (SDAP (I2C), 3WBP, 2WBP) und Prozessorkarten mit den asynchronen Protokollen T=0 und T=1. Es kapselt diese unterschiedlichen Typen gegenüber dem Anwendungssystem, d.h. das Anwendungsprogramm kann für alle identisch sein.CT-APIDie Anwendungsschnittstelle stellt dem Anwendungsprogramm folgende Funktionen bereit, die unabhängig sind von den Typen der Lesegeräte und der Chipkarten:
Dabei werden folgende Parameter verwendet:
CT-BCSDer Basic Command Set definiert einige eigene Kommandos, die als Klassenbezeichner 20 benutzen. Außerdem wird noch die Verwendung bestimmter Inter-Industry-Kommandos empfohlen, die in ISO/IEC 7816 mit dem Klassenbezeichner 00 definiert sind.
7.6.2 Personal Computer / Smart Card (PC/SC)Die PC/SC-Initiative wurde von 10 bedeutenden internationalen Firmen gegründet, mit dem erklärten Ziel, eine Spezifikation zu entwickeln, die die Fähigkeit zur Zusammenarbeit verschiedener Komponenten ermöglicht, damit die Chipkartentechnologie in der PC-Umgebung effektiv eingesetzt werden kann. Die Mitglieder der Arbeitsgemeinschaft verpflichten sich außerdem, Hardware- und Softwarekomponenten auf der Basis dieser Spezifikation zu entwickeln. Die dabei erworbenen Erfahrungen sollen dann bei der weiteren Verbesserung der Spezifikation einfließen. Beteiligt sind unter anderem IBM (wie am Schrägstrich im Titel unschwer zu erkennen ist) und Microsoft mit dem Interesse, dass die entwickelte Software vor allem (oder nur?) auf Windows-Systemen verwendet werden kann.Die Spezifikation besteht aus 8 Teilen:
Abb. 7-15 rechts zeigt den Systemaufbau mit den wichtigsten Komponenten. Chipkartenanwendung ("ICC-Aware-Application")Es handelt sich um ein beliebiges Software-Programm auf einer höheren Abstraktionsebene, in einer PC-Betriebsumgebung, das die Funktionalität einer oder mehrerer Chipkarten benutzen möchte. Zweck und Aufbau dieses Programms ist nicht Inhalt der Spezifikation. Es wird angenommen, dass diese Anwendung als Prozess in einer Mehrbenutzer-, Mehrprozess- und Mehrgeräteumgebung läuft. Die übrigen Architekturkomponenten verbinden diese Anwendung mit der Chipkarte, die im allgemeinen von einem Benutzer, aber von mehreren Anwendungen verwendet werden kann.Service ProviderDiese Software-Komponente auf niedrigerem Level kann das Anwendungsprogramm von Aufgaben wie Dateizugriff, Authentifizierung und Verschlüsselung entlasten. Sie kann als eigenständige Architekturkomponente existieren, ihre Aufgaben können aber auch vom ICC Resource Manager übernommen werden. Der Service Provider kann als ein Block realisiert sein, oft wird jedoch ein Cryptographic Service Provider abgespalten, der nur die Sicherheitsfunktionen liefert. Auch eine weitere Aufspaltung, z.B. in einer Client-Server-Architektur, ist denkbar.ICC Resource ManagerAuch bei dieser Komponente, die in der Regel vom Lieferanten des Betriebssystems bereitgestellt wird, handelt es sich um systemnahe Software. Sie hat drei Hauptaufgaben:
IFD Handler ("Interface Device Handler")Diese Low-Level-Software-Komponente stellt den höheren Schichten ein API zur Verfügung, das die unterschiedlichen Schnittstellen zu den Chipkartenlesegeräten (IFDs) vereinheitlicht, bei "dummen" IFDs auch die verschiedenen Chipkartenprotokolle (T=0, T=1, synchron).Chipkartenlesegerät ("Interface Device", IFD)Diese Hardwarekomponente besteht in ihrer "dummen" Ausführung praktisch nur aus einer Kontaktiereinheit. "Intelligente" Leser enthalten jedoch Software und können den Host-PC entlasten, indem sie einen beträchtlichen Teil der Vorverarbeitung übernehmen.Das Lesegerät stellt die Verbindung her zwischen Chipkarte und Host-PC. Es beliefert die kontaktierte Chipkarte mit Versorgungsstrom und stellt ein Taktsignal zur Verfügung, mit dessen Hilfe Daten über einen I/O-Kanal ein- und ausgegeben werden können. Auf der Kartenseite kann ein Lesegerät mehrere Kontaktiereinheiten mit unterschiedlichen Protokollen bedienen. Ebenso kann die Verbindung zum PC unterschiedlich realisiert sein: als Tastaturschnittstelle, PCMCIA, USB usw. Chipkarte ("Integrated Circuit Card"; ICC)Die Spezifikation bezieht sich auf kontaktorientierte Chipkarten, die in ISO 7816-1, -2, -3 beschrieben sind. Auch ISO 7816-10 für synchrone Karten wird mit einbezogen. Ein besonderer Schwerpunkt der Spezifikation liegt auf den Sicherheitsfunktionen, für die Chipkarten ja prädestiniert sind.7.7 BeispielDa sich derzeit die Verfahren schneller ändern als ein Laserdrucker diese Manuskriptseite ausdrucken kann, will ich hier nicht konkrete Verfahren in allen Einzelheiten beschreiben, sondern an einem fiktiven Beispiel die auftretenden Probleme und Möglichkeiten zu ihrer Lösung zeigen (s. Abb. 7-14):Herr G. Urke hat sich im Baumarkt ein Kleingewächshaus gekauft und will nun bargeldlos mit einer Scheckkarte bezahlen. Schritt 1: Identifizierung des Karteninhabers.
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