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Karte mit integriertem Schaltkreis für sicherheitsrelevante Funktionen Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Chipkarte, oft auch als Schlüsselkarte, Smartcard oder Integrated Circuit Card (ICC) bezeichnet, ist eine spezielle Kunststoffkarte mit eingebautem integrierten Schaltkreis (Chip), der eine Hardware-Logik, nichtflüchtige EPROM bzw. EEPROM-Speicher und einen Mikroprozessor enthält. Chipkarten werden durch spezielle Kartenlesegeräte angesteuert.[1] Sie werden weltweit in sicherheitskritischen Anwendungen für die fälschungssichere Identitätsfeststellung von Personen und Berechtigungsnachweise eingesetzt, u. a. bei Zahlungsverfahren, Mobiltelefonen (als SIM-Karte) und Ausweissystemen.
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In der Geschichte der Chipkarte prägten drei Erfinder mit ihren Patenten die Entwicklung der Chipkarte in der heutigen Form. Am 6. Februar 1967 meldete der deutsche Ingenieur Helmut Gröttrup mit DE1574074 einen „nachahmungssicheren Identifizierungsschalter“ als Kontrollschaltung auf Basis eines monolithisch integrierten Halbleiters an, der sehr kompakt aufgebaut ist und keinerlei Leitungen nach außen besitzt.[2][3] Gemäß dieser Erfindung sind die Informationen aufgrund der ebenfalls geprüften Abmessungen „nicht durch diskrete Bauelemente nachahmbar“. Die Identifikationsdaten können durch integrierte Zähler dynamisch so variiert werden, dass der zugrunde liegende Schlüssel nicht durch einfaches Auslesen kopierbar ist und daher im Chip verborgen bleibt. Gleichzeitig meldete Gröttrup mit DE1574075 die kontaktlose Übertragung an.[4] Das Deutsche Patent- und Markenamt (DPMA) benennt diese beiden Erfindungen als die maßgebliche Basis der Chipkarte.[5]
Am 13. September 1968 meldeten Jürgen Dethloff und Helmut Gröttrup[6][7] darauf basierend in Österreich das Patent „Identifizierungsschalter“ an und in einer gleichlautenden Nachanmeldung DE1945777A am 10. September 1969 in Deutschland[8] und in weiteren Ländern. Das Patent wurde in Österreich am 15. Mai 1970 als AT287366B erteilt. Die Erteilung in den USA erfolgte am 8. Februar 1972 als Patent US3641316A[9] und am 18. Juli 1972 als Patent US3678250A.[10] Deutschland erteilte das Patent DE1945777C3 am 1. April 1982.[11] Dabei reduzierte sich der Patentschutz weitgehend auf die Inhalte der Patentanmeldungen DE1574074 und DE1574075 vom 2. Februar 1967 von Helmut Gröttrup, der damit als maßgeblicher Erfinder der Chipkarte gilt.[5] In den USA erhielt Vernon Schatz 1977 ein Patent für Chipkarten als Speichermedium, nicht unähnlich der Funktion eines heutigen USB-Sticks.[12]
Ein weiterer Erfinder ist der Franzose Roland Moreno,[13] der sein erstes Patent[14] dazu im März 1974 anmeldete. Dieses beschreibt den gesicherten Zugriff auf ein in einem Halbleiterchip gespeichertes Guthaben mittels einer benutzerspezifischen „vertraulichen Identifikationsnummer“ (PIN) sowie Maßnahmen zur Verhinderung der Manipulation des Speichers. Moreno gelang in Frankreich ein Durchbruch, als France Télécom 1984 die Chipkarte für das Telefonieren einführte. Moreno erhielt 1996 mit Dethloff den Technologiepreis der Eduard-Rhein-Stiftung für die Erfindung der Chipkarte.
Im Jahr 1979 fertigte Giesecke+Devrient die weltweit erste Chipkarte im Labor mit den Abmessungen im Scheckkartenformat ID-1 gemäß ISO/IEC 7810, das später mit ISO 7816-2 auch für Chipkarten festgelegt wurde. Der Halbleiterchip für diese Speicherchipkarte auf Basis der EEPROM-Technologie wurde von Siemens geliefert. Anfangs war die Fläche mit den Kontakten im linken oberen Bereich angeordnet, um das Biegemoment und damit die Belastung des Chips zu minimieren. Diese Position wurde später geändert, um die Funktion der Magnetspur zu gewährleisten, die aus Kompatibilitätsgründen in vielen Anwendungsfällen beibehalten werden musste, z. B. für die Eurocheque-Karte.[15]
Der Begriff „Chipkarte“ wurde in der deutschen Öffentlichkeit erstmals im August 1981 in einem Nachruf auf Helmut Gröttrup verwendet.[16]
Anlässlich des 50. Jahrestags der Nachanmeldung DE1945777A erschien in Deutschland eine Briefmarke, die auf den weltumspannenden Siegeszug der Chipkartentechnik anspielt und das Datum der deutschen Nachanmeldung am 10. September 1969 und das Ausgabedatum der Briefmarke am 5. September 2019 zeigt.[17]
Chipkarten können nach unterschiedlichen Kriterien unterschieden werden. Die eingängigste ist die Unterscheidung zwischen Speicherchipkarten mit einfacher Logik und Prozessorchipkarten mit eigenem Karten-Betriebssystem und kryptografischen Fähigkeiten.
Diese Einteilung ging lange konform mit der Einteilung in synchrone Karten (Speicherchipkarten; Protokolle: 2wire, 3wire …) und asynchrone Karten (Prozessorchipkarten; Protokolle: T=0, T=1). Mittlerweile gibt es auch Secure Memory Cards mit erweiterten Sicherheitsmerkmalen (DES oder AES-Verschlüsselung) und Speicher-Chipkarten, die über asynchrone Protokolle funktionieren (GemClub Memo) und dadurch sehr einfach über das PC/SC-System in eigene Applikationen zu integrieren sind.
Chipkarten werden zudem über die Schnittstelle nach außen unterschieden. Neben den üblichen kontaktbehafteten Chipkarten gibt es Transponderkarten, die als kontaktlose Chipkarten ausschließlich über RFID- oder NFC-Schnittstelle kommunizieren, z. B. die Mifare- oder Legic-Karten. Dual Interface Karten, wie Chipkarten für den Zahlungsverkehr und viele Ausweissysteme, können über beide Schnittstellen angesprochen werden.
Speicherchipkarten wurden ab 1974 von Roland Moreno in Zusammenarbeit mit Honeywell-Bull unter Nutzung von EPROM-Technologie in Frankreich entwickelt.[18] In Deutschland begann die Entwicklung ab 1978 durch Helmut Gröttrup und Giesecke+Devrient in Zusammenarbeit mit Siemens unter Nutzung der flexibleren EEPROM-Technologie.[15]:S. 93 Der erste öffentliche Einsatz von Speicherchipkarten erfolgte in einem Feldversuch französischer Banken für Bank- und Telefonanwendungen ab 1982.[19]
Die einfachen Chipkarten bestehen aus einer Logik und einem Speicher, der ausgelesen oder beschrieben werden kann, z. B. die Krankenversichertenkarte oder die Telefonkarte. Über die I/O-Schnittstelle der Logik ist es unter Verwendung von Verfahren zur Authentifizierung möglich, auf den Speicherinhalt zuzugreifen und ggf. zu verändern. Verwendung finden Speicherkarten dort, wo es nur auf die Speicherung der Daten ankommt, nicht aber auf das Abwickeln komplexer Vorgänge mit hohen Sicherheitsanforderungen.
Abhängig von dem verwendeten Chip können die Daten durch PINs oder Passwörter vor dem Auslesen oder der Veränderung durch Unbefugte geschützt werden.
Die ersten Prozessorchipkarten mit flexiblem Anwendungsprofil für erhöhte Sicherheitsanforderungen wurden durch Siemens in Zusammenarbeit mit Giesecke+Devrient und der Gesellschaft für Mathematik und Datenverarbeitung (GMD) entwickelt und als „Siemens Computer Card“ 1987 auf der Computermesse Cebit vorgestellt. Erstmals wurden sie ab 1988 als Zugangsberechtigung für das deutsche C-Netz eingesetzt und wurden damit Vorläufer der SIM-Karte.[15]:S. 109–119
Prozessorchipkarten verfügen über einen Mikroprozessor, der ausschließlich den lesenden oder schreibenden Zugriff auf die gespeicherten Daten erlaubt. Der Mikroprozessor (bestehend aus CPU, RAM, ROM) schützt die Daten auf der Karte über kryptographische Verfahren vor Verfälschung. Die Möglichkeit, auf diesen Mikroprozessoren anwendungsspezifische Programme laufen zu lassen, bietet viele Vorteile im Vergleich zu Speicherkarten, z. B. bei multi-funktionalen Chipkarten, die als Zahlungsmittel verwendet werden (als Bankkarte und GeldKarte) oder wichtige Daten (z. B. SIM-Karten für Mobiltelefone) enthalten. Chipkarten dienen auch als Zugangsberechtigungssystem im Bezahlfernsehen, als Ausweis für Zutrittskontrollen oder für die Zwei-Faktor-Authentisierung beim Einloggen in IT-Systeme. Sie bieten Sicherheitsdienste wie Authentifizierung, Verschlüsselung, digitale Signaturen (siehe auch Signaturkarte) usw. an, die in einer vertrauenswürdigen Umgebung genutzt werden können. Da die privaten Schlüssel auf der Chipkarte gespeichert sind und diese nicht verlassen, ist das Erspähen des Schlüssels nicht möglich, weswegen eine Signaturerzeugung auf der Chipkarte sehr sicher ist.
Prozessorchipkarten verwenden je herstellerspezifische Betriebssysteme. Bereits bei der Herstellung können Teile des Karten-Betriebssystems (Card Operating System, COS) und Grundfunktionen von Anwendungen in den ROM-Speicher des Chips irreversibel eingebrannt werden.
Prozessorchipkarten lassen sich in zwei Kategorien aufteilen:
Der wichtigste Bestandteil der Chipkarte ist der integrierte Schaltkreis, der die Fähigkeiten und somit das Anwendungsgebiet der Chipkarte bestimmt.
Der Chip wird vom Chipkartenmodul geschützt, so dass der Chip normalerweise von außen nicht sichtbar ist. Das Modul stellt auch die Verbindung zur Außenwelt dar, die typischen Goldkontakte des Chipkartenmoduls werden oft fälschlicherweise als Chip bezeichnet. Obwohl ein gebräuchlicher Chipkarten-Chip zur Kommunikation nur fünf Kontakte braucht, haben Chipkartenmodule immer, bestimmt durch die Größe des eingebauten Chips, sechs oder acht Kontakte, allerdings nur um den ISO-Normen zu entsprechen.
Letztendlich wird das Modul inklusive Chip in eine Karte eingebaut. Dazu wird in eine bereits bedruckte Karte eine Kavität gefräst und das Modul eingeklebt.
Viele Chipkarten, insbesondere für den Mobilfunk, haben eine eindeutige ICC-ID bzw. ICCID. Diese ist 19- oder 20-stellig, darunter eine Prüfziffer, je nach Hersteller.
Die Kartenabmessungen sind nach ISO 7816 standardisiert und gemäß dieser Norm in drei verschiedenen Größen verfügbar:
Daneben gibt es weitere typische Größen:
Die Dicke der Karten aller obigen Größen ist einheitlich und beträgt 0,762 mm (exakt 0,03 Zoll).
Mini-, Mikro- und Nano-SIM haben „rechts unten“ eine zunehmend kleiner werdende im Winkel von 45 Grad „schräg abgeschnittene Ecke“. Der Rundungsradius der nicht gekappten Ecken nimmt etwa mit der Länge der Karten ab.
Die Außenkontur der Kontaktzone ist rundlich oder rechteckig und enthält 6 oder 8 Kontaktflächen, die beim Einlegen an die Kontaktfedern des Kartenlesers oder Mobiltelefons angedrückt werden. Der Kontakt in der Mitte ist elektrisch mit dem Kontakt rechts oben (GND bzw. Masse) verbunden und kann daher zwei Kontaktfedern elektrisch verbinden, um den Zustand „Karte eingelegt“ zu erkennen. Je nach Anwendung sind die Kontakte vergoldet oder versilbert. Der Verlauf der isolierenden Gräben kann sich je nach Hersteller grafisch unterscheiden, doch ändert sich elektrisch nichts an den Kontaktierungsstellen der Kontaktfedern im Abstand von 11,25 bzw. 18,87 mm vom Rand der Chipkarte.[24] Mitunter sind auf häufig benutzten Chipkarten horizontale Schleifspuren zu erkennen. Die Kontakte C4 und C8 sind für zukünftige Erweiterungen vorgesehen und werden bei manchen Chipkarten aus Kostengründen weggelassen.
Ein Sonderfall ist die noch kompaktere (sog. embedded) eSIM (6 mm × 5 mm), die als Chip fest im Gerät verlötet und mit einem Over-the-Air-Verfahren (OTA) für den gewählten Mobilfunkanbieter personalisiert wird.
Die Applikationen auf den Prozessorchipkarten selbst sind, trotz Standardisierung durch ISO 7816, in hohem Maße vom Chipkartenbetriebssystem abhängig. PKCS#15 standardisiert die Applikation auf der Chipkarte selbst, während für die Verwendung durch Rechnerapplikationen PKCS#11 die standardisierte Schnittstelle ist. Daneben existieren noch proprietäre Schnittstellen wie CSP (Cryptographic Service Provider) von Microsoft.
Javakarten sind Mikroprozessorkarten mit einer reduzierten Java Virtual Machine als Betriebssystem. Bei diesen Karten kann ein Programmierer nach der Fertigstellung der Karte über ein Kartenlesegerät und eine spezielle Ladesoftware neue Programme, sogenannte Applets, auf die Karte laden. So können Karten mit sehr speziellen Funktionalitäten in Kleinserie kosteneffizient hergestellt werden.
JavaCard Betriebssysteme sind z. B. JCOP (von IBM/ NXP) oder Sm@rtCafé (von Veridos)[25]. Details sind vom Industrieverband GlobalPlatform spezifiziert, so dass eine gewisse Interoperabilität gewährleistet ist.
Die BasicCard ist eine in BASIC programmierbare Mikroprozessorkarte, die wie die Java Card mit einer virtuellen Maschine arbeitet. Die in BASIC erstellten Anwendungen können nach der Kompilierung mit einem Kartenlesegerät in die Karte übertragen werden. Die Entwicklungsumgebung ist kostenlos verfügbar. Karten sind auch in kleinen Stückzahlen für jedermann verfügbar. Die Karte eignet sich somit auch für kleinere und private Projekte.
Die Interaktion zwischen Computersystemen und Chipkartenleser bzw. Chipkartenapplikationen ist im PC/SC-Standard standardisiert. Die Version 2 der PC/SC-Spezifikation von 2004[26] behandelt neben höherklassigen Kartenlesern auch die Einbindung von asynchronen Speicherchipkarten und kontaktlosen Chipkarten in das PC/SC-System, zum Beispiel wie ein ATR (Answer to Reset) dieser Karten gebildet wird. Einige Treiber von Kartenleserherstellern sind mittlerweile PC/SC2-konform. Die ältere CT-API („CardTerminal Application Programming Interface“) ist im Rahmen der von Teletrust Deutschland herausgegebenen MKT-Spezifikation (MKT steht für „Multifunktionales Kartenterminal“) definiert worden. Diese Spezifikation ist hauptsächlich im deutschsprachigen Raum verbreitet. CT-API wird vor allem deshalb genutzt, da hier die Verwendung von Elementen höherklassiger Chipkartenleser (Pinpad, Display) standardisiert ist. Der Zugriff über PC/SC war bis zu PC/SC2 proprietär.
In Deutschland gehören G+D Mobile Security (München), Morpho Cards (Flintbek, ehemals Sagem Orga und seit 2017 fusioniert mit der französischen Oberthur Technologies) und die Bundesdruckerei (Berlin) zu den Marktführern. Weltweit sind die niederländische Gemalto nv (2017 von der französischen Thales Group übernommen) mit einem Marktanteil von 50 % weltweit und 30 % in Europa, und Oberthur Technologies führend. Das weltweite Marktvolumen umfasste 2007 geschätzte 2,9 Milliarden Karten, davon 70 % für Mobiltelefone (SIM-Karten), 16 % Debitkarten und Kreditkarten, der Rest für Ausweise (z. B. Pässe, Skiausweise, Fahrkarten). Für 2017 wurde ein weltweiter Umsatz von 16,8 Mrd. US-Dollar geschätzt, und für 2025 wird ein Umsatz von 29,3 Mrd. US-Dollar bei einer Stückzahl von 32,7 Milliarden Karten prognostiziert.[27]
Mit weltweit mehr als 10.000 installierten Systemen ist die Mühlbauer AG aus Roding einer der führenden Hersteller für Hardware- und Softwarelösungen rund um die Produktion und Personalisierung von Chip- und Kunststoffkarten.
Kontaktbehaftete wie kontaktlose RFID-Chipkarten werden zunehmend für immer mehr Applikationen benutzt. Die Eignung einer Chipkarte für eine konkrete Anwendung hängt von vielen Faktoren ab, in der Regel von der Notwendigkeit einer Datenübertragung via Funktransponder, der Speichergröße und den Sicherheits- und Verschlüsselungsmechanismen.
Eine Auswahl von Chipkartenanwendungsgebieten:
Mit der immer größer werdenden Verbreitung von Chipkarten wird es auch immer wichtiger, die Leistungsfähigkeit dieser Karten zu gewährleisten bzw. zu verifizieren. Die Tests erstrecken sich dabei von Prüfungen des Kunststoffkörpers bis zu Applikationstests der Chipkartenanwendung. Ein OpenSource-Werkzeug, mit dem sich diese Applikationstests komfortabel durchführen lassen, ist GlobalTester, basierend auf Global Platform, einem Standard für offene und interoperable Infrastrukturen für Chipkarten und Terminals.
Die Sicherheit der Chipkarte ist das Schlüsselelement für die Informationssicherheit der sensiblen Informationen. Zur Abwehr von Ausspähungen wenden die Hersteller von Chipkarten daher besondere Vorkehrungen sowohl im Chipdesign des Kryptoprozessors als auch im Betriebssystem der Chipkarte an und entwickeln ständig neue Techniken, um Angriffe abzuwehren.[28][29][30] Dabei wird unterstellt, dass die Angreifer u. U. über Insiderwissen oder umfangreiche technische Ressourcen (z. B. Nachrichtendienste, organisierte Kriminalität) verfügen.
Angriffsmöglichkeiten:
Gegenmaßnahmen durch Kombinationen von Software- und Hardwaremaßnahmen:
Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik führt IT-Sicherheitszertifizierungen Common Criteria für CC-Produkte (Prozessoren sowie Chipkarten inkl. Betriebssysteme und Anwendungen) auf Basis standardisierter Verfahren[34] durch und veröffentlicht die Ergebnisse.[35]
Mit dem Erstausgabetag 5. September 2019 gab die Deutsche Post AG zum Ereignis 50 Jahre Chipkarte ein Sonderpostwertzeichen im Nennwert von 80 Eurocent heraus. Der Entwurf stammt vom Grafiker Thomas Steinacker aus Bonn.
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