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1. • Die Analyse des ISDN Signalisierungkanals (D-Kanal)
     Dokumentation der erforderlichen und der optionalen Signalisierungen,
     
     • a) Telefon,
     • b) Fax,
     • c) Daten
   • Erkennung und Implementierung der erforderlichen Handshakesignale auf einem µP- Kern. Darstellung unerwünschter Signalisierungen
   • Test und Monitoring des Signalverhaltens am S0 Bus,
   • Zustandsdarstellung des D-Kanals am Telefon-Display.
2. • Analyse und Entwurf eines Datenschutzkonzeptes,
   • Begründung und Dokumentation des gewählten Schutzmechanismus
   • Entwurf eines ISDN-Telefons mit Integration der gewählten Verschüsselungstechnik (die Echtzeiteigenschaft eines Telefongesprächs ist zu berücksichtigen)
   • Erstellung einer Leiterplatte zur Diplomarbeit, auf der die Verschlüsselung und das Verhalten des Telefons bei unterschiedlichen Betriebsarten in einem Versuchsaufbau demonstriert werden kann.

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
   
   • In diesem Kapitel wird der Aufbau der vorliegenden Diplomarbeit erklärt. Die Arbeit besteht aus 6 Kapiteln plus Anhang. Die Einleitung, das erste Kapitel, lesen Sie gerade. Im zweiten Kapitel wird die Motivation und Zielstellung beschrieben. Warum wird das beschriebene Gerät gebraucht und welche Eigenschaften soll es erfüllen? Das dritte Kapitel befaßt sich mit dem Stand der Technik und dem technischen Umfeld. Wie ist der ISDN-Basisanschluß aufgebaut, und welche Eigenschaften des ISDN-Netzes sind für diese Arbeit interessant? Und es werden die Grundlagen der Kryptographie betrachtet. Zudem wird in diesem Kapitel die Auswahl der relevanten Bauelemente für das Projekt getroffen. Im vierten Kapitel wird der Kryptoalgorithmus, der für dieses Projekt ausgewählt worden ist, beschrieben. Es wird ein Überblick über die gesamte Hardware des Verschlüsselungstelefons gegeben. Das fünfte Kapitel geht dann ins Detail. Die Hardwarekomponenten und auch die Implementierung der Kryptoalgorithmen werden dort näher beschrieben. Als letztes Kapitel folgt eine abschließende Zusammenfassung der Arbeit und eine eigene Bewertung. Es wird auch beschrieben, was und wie dieses Gerät noch verbessert und weiterentwickelt werden kann.
     Im Anhang befinden sich Tabellen und Diagramme, Literatur- und Abbildungsverzeichnisse, Listen der Signalnamen und deren Bedeutung, die Pinbelegung der Steckleisten, eine Stückliste der eingesetzten Bauelemente und einiges mehr. Zudem enthält der Anhang die Stromlaufpläne, Layouts und Bestückungspläne. Dieser Diplomarbeit ist zudem eine Daten-CD beigelegt, deren Inhaltsangabe ebenfalls dem Anhang zu entnehmen ist.

2. Motivation und Zielsetzung
   
   • In dieser Diplomarbeit wird der Aufbau eines Sprachverschlüsselungssystems behandelt, das am ISDN-Basisanschluß betrieben werden kann. Es gewährleistet weitgehen die Geheimhaltung der Kommunikation zwischen zwei Gesprächspartnern. Die Privatsphäre wird zur Zeit immer mehr gestört oder eingeschränkt. Angefangen von Hackern, die aus Spaß an der Sache fremde Leitungen anzapfen und mithören, über professionellen Datendiebstahl, z.B. Industriespionage, bis hin zu staatlichen Maßnahmen wie "Der große Lauschangriff" reicht die Palette der Angriffe. Man sollte sich seine Privatssphäre sichern und sich nicht zum „gläsernen Menschen" machen lassen.
     Ziel ist es, ein Gerät zu entwickeln, das die zu übertragenden Informationen zwischen den Endgeräten so unkenntlich für Dritte macht, daß nur die beiden Gesprächspartner ihre Nachrichten verstehen können. Die Daten, die über den hausinternen ISDN-S0-Bus, den UK0-Leitungen zu den Vermittlungsstellen und durch die Vermittlungsstellen gehen, werden verschlüsselt und können nur mit dem entsprechenden Code wieder entschlüsselt werden.
     Der Grund, daß für dieses Projekt das ISDN-Netz und nicht das analoge Telefonnetz genutzt wird, besteht darin, daß bei ISDN die Sprachdaten schon in digitaler Form vorliegen und nicht erst komprimiert und auf die analogen Leitungen aufmoduliert werden müssen.
     Es soll also ein komplettes ISDN-Endgerät, entsprechend der Funktionalität eines Telefons, aufgebaut werden, das noch zusätzlich die Nutzdaten im jeweiligen B-Kanal ver- und entschlüsselt. Die verwendbaren Verschlüsselungsalgorithmen sollten einen hohen Sicherheitsstandard aufweisen. In der heutigen Zeit ist es möglich, mit entsprechendem matriellen Einsatz, wie ihn sich einige größere Organisationen oder staatliche Behörden leisten können, einfachere Codierungen zu entschlüsseln. Der Schlüssel sollte, wie bei einem realen Schloß, entfernbar und austauschbar sein. Dafür wird in dieser Arbeit, ähnlich einer Telefonkarte, eine Chipkarte eingesetzt, die den Schlüssel enthält. Besser wären Karten, die sowohl den Schlüssel, als auch einen Teil des Algorithmuses unterbringen, wie z.B. die NetKeyCard von Telesec.
     Für ein ISDN-Endgerät muß das D-Kanal Protokoll (Siehe Seite 10) auf einem Steuerprozessor implementiert werden. Dieses D-Kanal Protokoll ist nicht Teil der Diplomarbeit, sondern wird in einer getrennten Arbeit behandelt.
     Hier geht es vielmehr um die gesamte Hardware und die Verschlüsselungsalgorithmen. Es soll der Aufbau eines ISDN-Telefons mit Verschlüsselungsfunktion gezeigt werden. Softwareseitig wird auf Ver- und Entschlüsselung von Datenströmen eingegangen.
     Eine besondere Anforderung an die Hardware ist, daß sie aus Bauteilen besteht, die leicht im Elektronikhandel erhältlich sind. Denn diese Schaltung soll von jedermann leicht nachbaubar sein. Es sollen also keine exotischen Spezialbauteile und keine Chips, die mit speziellen Programmiergeräten gebrannt werden müssen, eingesetzt werden. Die Leiterplatte(n) sollen maximal zweiseitig sein, damit sie noch relativ einfach zu fertigen sind. Auch dürfen die verwendeten Bauteile nicht ein zu kleines Pinraster haben, damit sie auch von jedem leicht zu verlöten sind. Also kommen erstmal nur DIL und PLCC Gehäuse in Frage.

3. Stand der Technik
   
   • Hier wird die Basis für dieses Projekt beschrieben. Als erstes, was es schon an vergleichbaren Geräten gibt und was sonst noch so geplant ist. Als zweites, für die Arbeit alle wesentlichen Fakten über den ISDN-Basisanschluß. Als letztes noch, welche Halbleiter für dieses Gerät in Frage kommen.

    3.1 Was schon an Vergleichbarem existiert
   
   • Es existieren schon Einrichtungen, mit denen verschlüsselt auf dem ISDN-Netz telefoniert werden kann. Die meistgenutzte Variante ist der Einsatz eines Personalcomputers mit einer ISDN-Karte und einer Soundkarte. Die ISDN-Karte im PC arbeitet mit einem hardwarespezifischen CAPI-Treiber zusammen. Dieser CAPI-Treiber übernimmt alle Hardwarefunktionen der Karte und auch die gesamte Verwaltung des D-Kanals. Nun gibt es Programme, meist unter Windows, die mit Hilfe einer Soundkarte ein ISDN-Telefon simulieren. Ein Kopfhörer mit Mikrophon wird an die Soundkarte angeschlossen und damit ein Telefonhörer geschaffen. Auf einem Fenster der graphischen Oberfläche werden dann Tastenfeld und Display dargestellt. Nun kann noch bei einigen Programmen eine Verschlüsselungsfunktion aktiviert werden, um Gespräche mit einer gewissen Geheimhaltung zu führen. Die Ver- und Entschlüsselung wird dann vom Hauptprozessor des PC durchgeführt. Der Sinn dieser Variante ist, wenn schon ein PC mit ISDN und Soundkarte zur Verfügung steht, daß nur noch diese Software installiert werden muß, um verschlüsselt auf dem ISDN-Netz telefonieren zu können. Der Nachteil ist aber, daß für jedes Telefongespräch extra der PC mit Windows hochgefahren werden muß. Des weiteren ist ein kompletter PC nur zum Telefonieren z.zt. noch sehr aufwendig. Besser wäre ein Gerät wie ein normales Telefon, das eine Verschlüsselungsfunktion schon mit eingebaut hat.
     Die Firma Siemens baut unter dem Namen "DSM ISDN" ein solches Gerät, aber nähere Informationen sind derzeit nicht erhältlich. Das Verschlüsselungstelefon ist nicht für die Allgemeinheit bestimmt. Auch von der Telekom (Telesec) werden in einiger Zeit verschiedene Dienste gegen das illegale Abhören von Fernmeldeleitungen angeboten, die jedoch nicht generell vor einem Abhören schützen.
     Für das analoge Telefonnetz hat der Chaos-Computer-Club schon ein "Crypto-Phone" entwickelt. Es benutzt ein Modem zur Verbindung mit dem Telefonnetz und hat eine GSM-ähnliche Sprachkompression. Hauptbestandteil ist ein leistungsstarker DSP. Das Projekt ist neu, und es sind nur wenige Informationen zu bekommen.

    3.2 ISDN-Basisanschluß
    3.2.1 ISDN S0-Bus
    3.2.2 ISDN D-Kanal
    3.2.3 ISDN B-Kanal

    3.3 Verschlüsselungsalgorithmen
    3.3.1 Blockchiffrierer
    3.3.2 Stromchiffrierer
    3.3.3 Asymmetrischer RSA Algorithmus
    3.3.4 Diffie Hellman Schlüsselaustausch
    3.3.5 "Oneway" Algorithmen

    3.4 Bausteine für dieses Projekt
   

   • Von besonderer Bedeutung ist neben der eigentlichen Funktionalität die Auswahl der Bausteine, damit das fertige Gerät auch bestmöglich die in der Aufgabenstellung genannten Eigenschaften erfüllt: leicht nachzubauen, hohe und preiswerte Verfügbarkeit der Chips und allgemeinen Bauelemente.
   
    3.4.1 ISDN-Bausteine
   
   • Der ISDN Chip stellt insofern ein Problem dar, da er mehr zu den Spezialbauteilen gehört und damit schwer beschaffbar ist. Einer der größten Anbieter für ISDN Bausteine ist die Firma Siemens. Die Bausteine, die hier in Frage kämen, wären PEB2080, PEB2085/6 und PEB2185/6. Auch andre Firmen bieten ISDN-Chips an, wie National Semiconductor den TP3420N, Mintel den MT9830 oder Motorola den MC145572. Aber AMD hat mit dem AM79C30A etwas Besonderes auf den Markt gebracht [7]. Er enthält als einziger Chip jegliche Funktionalität, die für die ISDN Anbindung derzeit nötig ist, angefangen vom S0-Bus Interface bis hin zu dem CODEC mit seinem A/D, D/A Wandler mit Filter DSP. Außerdem nimmt er einem auch eine Menge Arbeit in den unteren Schichten des D Kanalprotokolls ab. Desweiteren verfügt er über eine serielle Schnittstelle für Nutzdatenkanäle, die sich gut mit einem DSP verbinden läßt. Auch ist er nicht viel schwerer beschaffbar als die alternativ zuvor erwähnten ISDN Bausteine und befindet sich in einem PLCC Gehäuse.
   
    3.4.2 Prozessoren für die Verschlüsselung
   
   • Der verwendete Prozessor oder die verwendeten Prozessoren müssen zwei Kriterien erfüllen. Zum einen muß er schnell genug sein, um je einen 8kByte/s großen Datenstrom mit IDEA zu ver- und entschlüsseln. Und zum anderen muß er leicht beschaffbar sein und sollte auch nicht viel kosten. Da der IDEA Algorithmus im Cipher Feedback Mode genutzt werden soll und es ja zwei Datenströme sind, einer hin und einer zurück, müssen hier 16000 IDEA Berechnugen pro Sekunde bewerkstelligt werden. Der IDEA Algorithmus besteht hauptsächlich aus Multiplikationen. Daher bieten sich DSPs an, da sie Multiplikationen sehr viel schneller ausführen als normale Prozessoren. Aber die in die engere Wahl gezogenen DSPs eignen sich aufgrund ihres Befehlssatzes schlecht für Steueraufgaben, sondern eher für Berechnungen, die in der Regelungstechnik anfallen. Eine andere gute Lösung wäre ein komplettes, fertiges Prozessorboard wie das Intel i386EX. Es hat einen 386er mit 25MHz und je 1MByte Flash EEPROM und RAM. Und es ist schon fertig aufgebaut, nur die ISDN Hardware, Display und Tastatur müssen noch angefügt werden. Aber selbst der 386er mit 25MHz ist noch ca. 3x zu langsam für die 16000 IDEAs pro Sekunde, und er ist mit ca. 600 DM auch sehr teuer. Also zurück zu den DSPs. Texas Instruments hat die DSP Serie TMS320Cxx. Dort gibt es einige DSPs, die über internen RAM Speicher und Bootloader verfügen. Wenn dieser RAM Speicher ausreicht, um das IDEA Programm und seine Daten zu verwalten, wird kein weiterer externer Speicher mehr für die DSPs benötigt. Sie müßten dann aber von einem weiteren Prozessor nach jedem Einschalten mit ihrem Programm geladen werden. Aber ein zusätzlicher Prozessor wird ohnehin benötigt, da sich DSPs, wie schon erwähnt, nicht gut für die Bedienung der Steuersignale des D Kanals und des Benutzerinterfaces eignen. Der TMS320C26 ist eine gute Wahl, da er die Kriterien der Aufgabenstellung erfüllt. Er ist leicht beschaffbar, preiswert (ca. 33,- DM), besitzt ein PLCC Gehäuse und benötigt fast keine externen Bauteile [6]. Jedoch schafft der TMS320C26 mit 40MHz nur ca. 11000 IDEAs pro Sekunde. Da aber mit zwei separaten Datenströmen von je 8000 Byte/s gearbeitet wird, kann mittels zweier DSPs einerseits der Datenstrom vom Benutzer zur Vermittlungsstelle verschlüsselt und mit dem anderen DSP der Datenstrom von der Vermittlungsstelle zum Benutzer entschlüsselt werden. Ein weiterer positiver Aspekt ist diesbezüglich die serielle Schnittstelle, über die dieser DSP verfügt. Sie läßt sich sehr gut mit den Datenströmen, die aus dem ISDN Chip kommen, verschalten. Als Steuerprozessor kommt hier ein schnelles 51er Derivat von Dallas zum Einsatz, das ein paar wesentliche Vorteile gegenüber dem normalen 80C51 hat. Die wichtigsten bei diesem Bauteil genutzten Vorteile sind, daß es die Befehle im Durchschnitt 2,5 mal schneller ausführt als ein normaler 51er Prozessor bei gleicher Taktfrequenz, die hier sogar über 33MHz liegen kann. Ein weiterer Vorteil ist, daß es über einen zweiten seriellen Port verfügt. Desweiteren hat der Dallas Prozessor zwei Datenpointer, die zur Adressierung der externen Datenspeicher genutzt werden können.

4. Grobkonzept
   
   • Hier werden die beiden wichtigsten Aspekte dieses Projekts vorerst grob umrissen. Dazu gehören die eingesetzten Verschlüsselungs Algorithmen sowie die einzusetzende Hardware.
   
    4.1 Verschlüsselungsalgorithmus für den Datenstrom
    4.2 Blockschaltplan

5. Feinkonzept
   
   • Hier folgt nun eine detaillierte Beschreibung aller Hardwarekomponenten und eine genaue Beschreibung der Crypto Software.
   
    5.1 Die Chipkarte
    5.2 Der Steuerprozessor mit Speicher
    5.3 Der Steuerprozessor mit Peripherie
    5.4 Die ISDN-Hardware
    5.5 Die Ver- und Entschlüsselungs-DSPs

6. Zusammenfassung
   
   • Abschließend erfolgt eine kurze Zusammenfassung der Arbeit mit einer eigenen Bewertung. Desweiteren werden einige Punkte aufgezeigt, wo und wie dieses Gerät verbessert und erweitert werden kann.
     
     • 6.1 Bewertung
       Die in der Aufgabenstellung genannten Punkte werden in der vorgelegten Arbeit erfüllt. Der Datenstrom läßt sich in der vorgesehenen Zeit von 125ms verschlüsseln. Bei einem Verlust der Synchronisation wird nach 1ms die Synchronisation wieder hergestellt. Durch die Wahl eines 128bit Schlüssels ist eine zufällige Erkennung weitgehend ausgeschlossen.
       Zum größten Problem in dieser Diplomarbeit wurde im Grunde genommen genau das, was ursprünglich nicht Teil der Arbeit war: der ISDN D Kanal. Seine Implementation war für eine getrennte, parallel verlaufende Diplomarbeit vorgesehen. Aber aus gesundheitlichen Gründen war der Kommilitone gezwungen, seine begonnene Diplomarbeit abzubrechen, und damit gab es für das Verschlüsselungstelefon auch kein D Kanal Protokoll. Und ein ISDN Telefon ohne D Kanal Protokoll kann keine Verbindung zur Vermittlungsstelle und damit auch nicht zu einem anderen Telefon aufbauen. Wenn also der Verschlüsselungspartner fehlt, wird auch die Verschlüsselung als solche überflüssig. Daher mußte noch das ISDN D Kanal Protokoll notdürftig in den Steuerprozessor implementiert werden. Diese zusätzliche Arbeit hat viel von den zeitlichen Ressourcen der Diplombearbeitungszeit verbraucht, so daß nicht mehr die letzten noch erforderlichen Arbeiten an diesem Gerät durchgeführt werden konnten. Das hier programmierte D Kanal Protokoll arbeitet nur provisorisch und sollte nicht ohne weitere Verbesserungen eingesetzt werden.
       Probleme gab es auch mit dem Rauschen der analogen OP Verstärkerschaltung, das vom Digitalteil der Schaltung verursacht wurde. Das Rauschverhalten müßte noch verbessert werden, aber die Bearbeitungszeit reichte nicht dafür aus.
       Alles rund um die Kryptographie und den DSPs funktioniert hinreichend gut und macht keinerlei Probleme. Auch die gesamte digitale Hardware des ISDN Telefons lief auf Anhieb.
       
     • 6.2 Ausblicke
       Man kann dieses Verschlüüsselungstelefon in vielerlei Hinsicht verbessern und ausbauen. Aber zu den wichtigsten Erweiterungen gehört ein Public Key Algorithmus, wie RSA und Diffie Hellmen Schlüsselaustausch. Beide Crypto Zusätze rechnen "c = m^k MOD n“ mit sehr großen Zahlen (1024Bit oder mehr). Diese Berechnung sollte aufgrund ihres sehr schnellen Multiplikationsvermögens in den DSPs durchgeführt werden. Noch besser wäre es, wenn die Chipkarte die RSA Berechnungen durchführen würde, da der Secret Key in ihr einen guten Schutz fände. Aber solche freiprogrammierbaren RSA Chipkarten stehen den privaten Anwendern noch nicht zur Verfügung. Soll ein RSA Algorithmus implementiert werden, muß zusätzlich ein Protokoll zwischen den beiden Crypto-Telefonen laufen, das den verschlüsselten Sitzungsschlüssel und die Benutzerdaten überträgt.
7. Anhang
   • 7.3 Glossar
     

     ASIC	Application Specific Integrated Circuits Anwenderspezifischer Logikbaustein
     ATR	Answer to Reset Bytefolge von einer Chipkarte nach dem Reset
     DES	Data Encryption Standard Symmetrischer Verschlüsselungsalgorithmus
     DIL	Dual in Line Chipgehäusebauform
     DSP	Digitaler Signal Prozessor Spezialisierter Prozessor
     DTMF	Dual Tone Modulation Frequencity Zwei Frequenz Töne zum Wählen
     FPGA	Field Programmable Gate Array Programmierbarer Logikbaustein
     IDEA	International Data Encryption Algorithm Symmetrischer Verschlüsselungsalgorithmus
     ISDN	Integrated Services Digital Network Bezeichnung für das digitale Telefonnetz
     LSB	Last Significant Byte Niederwertigstes Byte/Bit
     MOD	Modulo Division der Rest einer Division
     MSB	Most Significant Byte Höchstwertiges Byte/Bit
     MUX	Multiplexer Baustein zum Umschalten von Signalen
     NTBA / NT	Network Termination Gerät von der Telekom für ISDN Basisanschluß
     oc	Open Collector Ausgangstreiber schaltet nur gegen Masse
     PIN	Personal Identification Number Persönliche Geheimzahl
     PLCC	Plastic Lead Chip Carrier Chipgehäusebauform
     RSA	Rivest, Shamir und Adleman Public Key Verschlüsselungsalgorithmus
     TE	Terminal Equipent Endgerät

     
     
   • 7.4 Liste der Signalnamen
     
   • 7.5 Pinbelegung der Steckverbinder
     
   • Stücklisten
      7.6.1 Stückliste ISDN-Telefon-Board
      7.6.2Stückliste ISDN-DSP-Verschlüsselungsboard
      7.6.3 Stückliste der externen Bauteile

   • Literaturverzeichnis
     
     • [1] „Applied Cryptography“ second edition von Bruce Schneier beim Wiley Verlag
       ISBN 0-471-11709-9
     • [2] "Technik der Netze" 3.Auflage von Gerd Siegmund beim R.v.Deker Verlag
       ISBN 3-7685-2495-7
     • [3] „Das Mikrocontroller Kochbuch“ von Andreas Roth beim IWT-Verlag
       ISBN 3-88322-225-9
     • [4] „Handbuch der Chipkarten“ von Rankl / Effing beim Hanser Verlag
       ISBN 3-446-17993-3
     • [5] PGP-Verschlüsselungssoftware &'40;PGP v2.6.2i) von Philip Zimmermann
     • [6] Datenbuch "TMS320C2x" von Texas Instruments
     • [7] Datenbuch "AM79C30A" von AMD

   • 7.9 DSP-Listing
     
   • 7.10 Stromlaufpläne - [7.1-7.12 als Zip-Datei (ca. 90kb];
     
   • 7.11 Bestückungspläne
     
   • 7.12 Layouts

   • Datenblätter der Halbleiter im PDF-AdobeAcrobatRead-Format

     T320C26.PDF	; TMS320C2x	DSP	von TI
     80C320.PDF	; DS80C320	51er CPU	von Dallas
     AM79C30A.PDF	; AM79C30A	ISDN-Controller	von AMD
     27C512.PDF	; 27C512	64kB EPROM
     62256.PDF	; 62256	32kB RAM
     M48T08.PDF	; M48T08	8kB NVRAM + RTC	von ST
     MM74C922.PDF	; MM74C922/3	Tastartur-Controller	von NS
     LM2575HV.PDF	; LM2575HVN Schlatregler	von NS
     TL074.PDF	; TL074	4fach OPV	von TI
     TDA7050.PDF	; TDA7050	Lautsprecherverst.	von Philips
     74HCT573.PDF	; 74HCT573	8bit Zwischenspeicher
     74HCT139.PDF	; 74HCT139	2fach DeMultiplexer
     74HCT157.PDF	; 74HCT157	4fach Multiplexer
     74HCT86.PDF	; 74HCT86	4fach XOR
     74HCT00.PDF	; 74HCT00	4fach NAND
     MBR160	; MBR160	Diode	von Motorola
     HD447800.PDF	; HD44700	LC-Diplay-Controller	von Hitachi