JPH0380645A - 暗号化方法および非暗号化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、一般に、デジタル・データ・ストリームを暗
号化及び非暗号化するためのシステム及び手法に関する
もので、詳しくは、暗号化及び非暗号化機能を利用する
際に、緩衝記憶を利用してデータ通信のスループットを
向上させるためのシステム及び手法に関するものである
。

Ｂ、従来技術 デジタル・データを暗号化及び非暗号化するための技法
は従来技術でよく知られており、一般に、データに対す
る無許可のアクセスを防止するために使用されている。

これらの技法は、データをある地点から別の地点へ転送
しなくてはならない状況で非常に多く使用されている。

従来、このような状況は、かなりの距離をおいて設置さ
れている送信ステーションから受信ステーシロンへ通信
リンクを介してデータを伝送しなくてはならないような
場合に起こるものであった。ただし、ディスク記憶装置
など比較的遠隔の位置にある装置に対して中央演算処理
装置からデータを転送する際に安全保護が必要なときに
も暗号化及び非暗号化が使用されることがある。

暗号化すべきデータ（以後、平文テキストと称する）を
採集する処理、及びこのデータを認識不能な形式（以後
、暗号テキストと称する）に変換する処理は、データ処
理システムの性能に重大な影響を与える可能性がある。

簡単にいうと、平文テキストを暗号テキストに暗号化す
るのに時間を要し、暗号テキストを平文テキストに非暗
号化するにはさらに時間がかかる。暗号化及び非暗号化
が必要なデータを頻繁に通信するときは、暗号化及び非
暗号化用ハードウェアまたはソフトウェアあるいはその
両方の能力がすぐに飽和する可能性がある。

データの暗号化及び非暗号化に関する多くのシステム及
び技法が従来技術で示されている。その１例が、米国特
許第４６４２４２４号にみられる。

上記特許の第３図に、その特許に記述されているシステ
ムで使用される暗号化機構が示されている。

暗号化機構ハードウェア内に、１対のレジスタと、デー
タまたは制御信号が通過する１対の論理ゲートが示され
ている。このような暗号化機構（及び対応する非暗号化
機構）は遅延が最小でスループットが最大になるという
点で比較的効率がよいが、当業者なら理解できるように
、そのようなシステムに固有のハードウェア遅延がかな
り大きくなる可能性があり、データ及びその他の制御信
号が通過しなくてはならないシステム内のレジスタや段
の数が増大するときは特にそうである。

米国特許第４４７１１６４号、及びＫａｒｌ　ｆｔ。

Ｍｅｙｅｒと５ｔｅｐｈｅｎ　Ｍ、　Ｍａｔｙａｓの共
著「暗号処理：コンピュータ・データ安全保護における
新次元（Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：　　Ａ　Ｈｅｗ　
Ｄｉｎ＋ｅｎｓｉｏｎ　ｉｎ　ＣｏｍｐｕｔｅｒＤａｔ
ａ　５ｅｃｕｒｉｔｙ）　Ｊ　Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　
＆　５ｏｎｓ社１１９８２年刊、りｐ、５３−８１に記
述されているようなストリーム暗号処理では、暗号化さ
れていない平文テキストが、何らかの算術演算によって
暗号ビット・ストリームと呼ばれる秘密のデータ・ビッ
トと組み合わされて、暗号テキストを生成する。暗号テ
キストが受信されると、同様に暗号ビット・ストリーム
と算術演算されて、平文テキストを生成する。具体的な
例を挙げると、同じ秘密の暗号ビット・ストリームが送
信端と受信端の両方で使用され、算術演算は、平文テキ
ストと暗号ビット・ス）　Ｕ−ムを排他的ＯＲ処理して
送信側で暗号テキストを生成し、さらに受信端で暗号テ
キストと暗号ビット・ストリームをやはり排他的ＯＲ処
理して平文テキストを再生するというものである。

このようなストリーム暗号システムでは、暗号ビット・
ストリームの生成は、通常、キー及び特定のアルゴリズ
ムを使って行なわれる。このアルゴリズムは、そのキー
を受は取り、そのキーを使用するたびに同じデータ・ビ
ットのストリームを生成する。したがって、送信端と受
信端の両方でキーと暗号ビット・ストリーム生成アルゴ
リズムを使用することにより、両端で暗号化及び非暗号
化処理に使用するための同じ暗号ビット・ストリームが
もたらされる。そのような処理を使用したデータの安全
な転送の実時間処理に対する最大の影響は、アルゴリズ
ム及びキーによる暗号ビット・ストリームの生成が、時
間のかかる処理であることである。この処理は、従来技
術のシステムでは実時間で実施され、データは伝送前に
暗号化し、受信時に非暗号化するために遅延されていた
。

この固有の遅延を伴うストリーム暗号ビット・ストリー
ムを生成する処理は、より簡単なあるいはより精巧でな
いアルゴリズムをキーと共に使用することによって改善
することができる。ただし、それによって性能を向上さ
せることができるが、データ、に対するアクセスを求め
ている無許可の人々によって暗号ビット・ストリームが
複製されやすいので安全保護が危険にさらされる。

このスルーブツトの問題を改善するためのもう１つの技
法は、キー及びアルゴリズムを使って暗号ビット・スト
リームを生成する際に、より高性能の処理またはより高
い計算能力を利用するものである。すなわち、計算能力
がより早いため、アルゴリズム及びキーからの暗号ビッ
ト・ストリームの実時間生成がより速い速度で行なわれ
、したがって遅延が少なくなる。ただし、このような解
決策は、通常、あるプロセッサからより高性能なプロセ
ッサ・ファミリの別のプロセッサへの移行が必要なため
、明らかにコストに影響を及ぼす。

このようなハードウェアの相違によるコストは、かなり
の大きさになる可能性がある。

したがって、安全保護を危険にさらさず、またはこうし
た暗号化及び非暗号化動作に関連する装置コストを大幅
に増加させずに、データの暗号化及び非暗号化のスルー
プットを大幅に向上させることができれば、非常に有利
である。

Ｃ０発明の要旨 したがって、データをレジスタに一時的に記憶するため
、またはデータがゲートを通過するため、暗号化及び非
暗号化ハードウェアに固有の前記遅延が生じるという明
白な欠点とは対照的に、本発明では、暗号化処理及び非
暗号化処理の両方で緩衝記憶をうまく利用して、システ
ムが必要とするより前に暗号ビット・ストリームを生成
し、必要となるまでバッファ内にこれらの暗号ビット・
ストリームを記憶しておき、必要になったときただちに
暗号ビット・ストリームが、暗号化のため（送信側で）
平文テキストと組み合わせ、また非暗号化のため（受信
側で）暗号テキストと組み合わせるのに利用できるよう
にする。

適切なアルゴリズムに従ってプログラミングされたプロ
セッサなどの暗号化機構が、暗号化キーまたは非暗号化
キー及び初期設定値をそれに供給している。暗号化機構
は、生成値の中間ストリームである暗号ビット・ストリ
ームを生成する。次いでこの中間ストリームが、暗号化
伝送のために平文テキスト・データが提示されるまで、
バッファ内に記憶される。暗号化伝送時には、暗号ビッ
ト・ストリームの一連のビットが、バッファから演算機
能に運ばれて、平文テキストと組み合わされ、暗号テキ
ストが生成されて受信側に送信される。

受信側では、暗号テキストの受取り前に、同様の処理が
行なわれている。すなわち、送信端に関して跣明したよ
うに、暗号化機構は、その初期設定値及び非暗号化キー
をそれに供給して、値の中間暗号ビット・ストリームを
生成する。中間ビット・ストリームは、やはり受信した
暗号テキストを非暗号化するのに必要となるまで、バッ
ファ内に保持される。以前に作成され記憶されている暗
号ビット・ストリームが、受信した暗号テキストと算術
的に組み合わされて、暗号化すべく最初に受信側に提示
された平文テキストが再生される。

本発明では、送信側と受信側での暗号ビット・ストリー
ムの生成及びバッファへの記憶が適切に同期される。

Ｄ、実施例 まず第１図のブロック・ダイヤグラムを参照すると、前
記の米国特許第４４７１１８４号及びＭｅｙｅｒ等の著
書による従来技術で教示されているようなストリーム暗
号通信システムが示されている。この図面で、文字Ｘは
、データ・シーケンスＸ　Ｏ、Ｘ　Ｉ　Ｎ　、　、１　
、からなる平文テキストのメツセージを表す。このシー
ケンスは、個々のビットでも均一なビット・グループ、
たとえばバイトでもよい。以下では、「ワード」という
言葉を、これらのビットまたはビット・グループを表す
のに使用する。平文テキストのメツセージＸが、送信装
置１０内のブロック１１で表される関数ｆ１に供給され
る。ブロック１２に示すように、生成値の暗号ビット・
ストリームＲ１Ｒｏ１Ｒ＋１００．はやはり個別ビット
または均一なビット・グループであり、暗号化機構ｇに
よって、一連の初期設定値Ｚと暗号化キーＫによって初
期設定されたものとして生成される。従来技術のシステ
ムと同様に、ブロック１１での平文テキスト・メツセー
ジの暗号テキストすなわち暗号化されたメツセージＹへ
の変換は、ブロック１２の暗号化機構によって、暗号ビ
ット・ストリームＲの実時間生成により一度に１ワード
ずつ行なわれる。

暗号テキスト・メツセージは、通信リンク１５を介して
受信装置２０内のブロック２１として表される関数ｆ２
に運ばれる。ブロック２２で表される暗号化機構ｇは、
送信装置１０のブロック１２と同様に非暗号化キーにと
初期設定値Ｚを受は取り、実時間で値の暗号ビット・ス
トリームＲを生成し、それがブロック２１で暗号テキス
ト・メツセージと組み合わされて平文テキスト・メツセ
ージＸを再生し、受信装置２０から出力する。

第１図に示したシステムに関連するスループットの問題
について検討すると、実時間で生成される暗号ビット・
ストリームＲは、その生成にかなりの時間を要し、した
がって送信側でも受信側でも、平文テキスト・メツセー
ジＸが送信装置のブロック１１に供給され、暗号テキス
ト・メツセージＹが受信装置のブロック２１に供給され
るよりも遅い速度で、暗号ビット・ストリームＲが生成
される。当業者なら理解できるように、この暗号ビット
・ストリームＲの実時間生成では、Ｒの生成時に利用さ
れる追加のゲート回路及びレジスタにより、その生成が
さらに遅延する傾向にある。

第２図を参照すると、暗号ビット・ストリームを事前生
成し、暗号化及び非暗号化のために数学的組合せ関数が
必要とするまでそれをバッファに記憶しておくことを含
む、本発明の修正されたストリーム暗号システムが示さ
れている。

第２図では、第１図と同様に、ブロック４１で示される
数学関数ｆ１に平文テキスト・メツセージＸが供給され
る。ブロック４１に暗号ビット・ストリーム、Ｒが供給
されてそれらと組み合わされ、暗号テキスト・メツセー
ジＹが生成されて受信装置５０内の類似のブロック５１
に運ばれる。受信装置４０のブロック４１で示されてい
る暗号化機ｔｌ　Ｇと受信装置５０のブロック５２で示
されている非暗号化機構Ｇは、第１図でそれぞれブロッ
クエ２及び２２で示されている暗号化機構及び非暗号化
機構と同じ役割を果たす。第１図と第２図に示したシス
テムの大きな相違は、バッファ４３及び５３を使用する
こと、送信装置と受信装置の両方で暗号ビット・ストリ
ームＲを事前生成すること、及びこれらの暗号ビット・
ストリームをバッファ４３及び５３に記憶することであ
る。したがって暗号ビット・ストリームは、それぞれ平
文テキスト及び暗号テキストの受信時に、ブロック４１
及び５１がただちにそれを利用することができる。

ハ、ファ４３及び５３で暗号ビット・ストリームを事前
生成及び管理するプロセスについては第３図に関して説
明する。緩衝記憶された暗号ビット・ストリームを使用
するプロセスについては、送信装置４０について第４図
に示し、受信装置５０について第５図に示す。

ただし、第３図に示したプロセスは、２らの別々である
が同一の例が存在することに留意されたい。

一方は、第４図に示した送信装置に関するバッファ管理
を実行し、もう一方は、第５図に示した受信装置に関す
るバッファ管理を実行するものである。

第３図に関して、バッファ管理プロセスの始めに、送信
装置に対するバッファ管理の場合はバッファ４３、受信
ｇ置に対するバッファ管理の場合はバッファ５３が、３
０１で以前のすべてのエントリをバッファがクリアする
ことによって初期設定される。３０２で、秘密の暗号化
キーＫ及び初期設定値ＺＯが得られる。Ｋは、以下に説
明するように、暗号化機構１２及び２２が暗号ビット・
ストリームＲを生成するのに使用する。

３０３で、変数Ｚが値ＺＯで初期設定される。

３０４で、キーＫ及びこの現在値Ｚを使って、暗号ビッ
ト・ストリームＲのワードＲｉが生成される。３０５で
、送信装置に対するバッファ管理の場合はバッファ４３
、受信装置に対するバッファ管理の場合はバッファ５３
が使用中であるかどうか判定するために検査が行なわれ
る。この時点でバッファが使用されることは、ブロック
４１で平文テキスト値と、またはブロック５１で暗号テ
キスト値と組み合わせるためにその内容が利用されるこ
とを示す。バッファが使用中の場合、送信装置に対する
バッファ管理の場合は第４図に示す処理、受信装置に対
するバッファ管理の場合は第５図に示す処理によって覚
醒されるまで、３０９で休眠状態となる。処理が覚醒す
ると３０５で検査にループ・バックする。バッファが使
用中でないことが判明したときは、３０６に進み、ここ
で、このバッファ管理処理によって現在バッファが使用
中であることを示すフラグが立てられる。

３０７で、バッファが現在満杯であるかどうか判定する
ための検査が行なわれ、満杯の場合は、３０８で、３０
６でセットされたフラグがリセットされ、その他の処理
、すなわち送信装置に対するバッファ管理の場合は送信
装置、受信装置に対するバッファ管理の場合は受信装置
が、休眠状態にあった場合それが覚醒される。次に３０
９に進み、そこで、バッファ管理処理が休眠状態になる
。

３０７での検査の結果、バッファが満杯でないことを示
している場合には、３１０に進み、そこで３０４で生成
された暗号ビット・ストリームＲの値がバッファに挿入
される。３１１で、３０６でセットされたフラグがリセ
ットされる。３１２で、その他の処理、すなわち送信装
置に対するバッファ管理の場合は送信装置、受信装置に
対するバッファ管理の場合は受信装置が、休眠状態にあ
った場合それが覚醒される。３１３で、文字Ｚの新しい
値が特定の関数りを使って算出され、２の現在値とＲｉ
に供給される。

下記のプログラミング設計言語リストは、バッファ４３
及び５３で暗号ビット・ストリームを事前生成し管理す
る上記プロセスを別の形で表したものである。このリス
トは、第３図について前に説明した動作と平行している
。

バッファを空に初期設定する 暗号化キーＫを得る、初期設定ＺＯを得る２＝２０ 永久にループする Ｒ＝ｇ　（Ｚ、Ｋ） −ｇは暗号化関数 繰り返す バッファが使用中の間 休眠する バッファ使用中とマークする バッファが満杯の場合、 バッファが使用中でないとマークする 休眠装置を覚醒させる 休眠する バッファｏｋ＝偽 それ以外の場合、 バッファ。ｋ＝真 バッファｏｋまで Ｒをバッファに挿入する バッファが使用中でないとマークする 休眠装置を覚醒させる Ｚ＝ｈ　（Ｚ、Ｒ） ループを終了する 次に第４図・を参照して、送信装置４０のバッファ４３
に記憶されている暗号ビット・ストリームＲの利用につ
いて説明する。７４で、送信すべき追加情報があるかど
うかテストが行なわれる。追加情報がある場合には、７
５に進み、そこで、暗号化して通信リンク４５上を伝送
すべき平文テキスト値が得られる。７６で、バッファ４
３が使用中であるかどうか判定するためのテストが行な
われる。使用中である場合は、バッファ４３はもはや使
用中でないので、覚醒されるまで、ｌＯｌで休眠状態に
入る。バッファ４３が使用中でない場合は、７７で、バ
ッファが暗号送信処理で現在使用中であることを示すフ
ラグがセットされる。７８で、バッファ４３が空である
かどうか判定するためのテストが行なわれる。バッファ
４３が空の場合は、７９で、バッファが使用中でないと
マークされる。そのため、第３図に関して説明した処理
が、バッファの制御を得て、暗号ビット・ストリームの
別のワードを追加することができる。さらに、７９で、
第３図に関して説明した処理が休眠状態にある場合は覚
醒される。次に、７９から、１０１でバッファ４３がも
はや空ではないので、覚醒されるまで休眠状態に入る。

７８で、バッファ４３が空ではないと仮定すると、８０
で、暗号ビット・ストリームＲの次のワードがバッファ
から除去される。８１で、７７でセットされたフラグが
リセットされ、バッファが使用中でないとマークされる
。１０３で、バッファが使用中または満杯であったため
、第３図に関して説明した処理が休眠状態にあった場合
は覚醒される。８２で、ブロック４１の数学関数ｆ１が
平文テキストの１ワードＸに適用され、８０でワードＲ
が除去されて、暗号テキストＹのワードが得られる。８
３で、暗号テキストＹのワードが通信リンク４５上を受
信装置５０に送信され、このとき、この処理の動作は始
めに戻る。

下記のプログラミング設計言語リストは送信装置４０内
で緩衝記憶された暗号ビット・ストリームを使用する上
記プロセスを別の形で記述したものである。このリスト
は第４図に関して前に説明した動作と平行している。

入力の終りでない場合、 Ｘ／”送信する次の値”／を得る 繰り返す バッファが使用中の場合は、 休眠する バッファが使用中とマークする バッファが空の場合は、 バッファが使用中ではないとマークする休眠装置を覚醒
させる 休眠する バッファｏｋ＝偽 それ以外の場合は、 バッファｏｋ＝真 バッファｏｋまで バッファからＲを除去する バッファが使用中でないとマークする 休眠装置を覚醒させる Ｙ＝　ｆ　１　（Ｙ、Ｒ） Ｙを送信する 終了 第５図は、受信装置５０における捕捉処理を示す。第５
図では、１０５で、処理すべき追加入力があるかどうか
判定するためのテストが行なわれる。追加入力がある場
合は、８５に進む。８５で、通信リンク４５から受信し
た非暗号化すべき暗号テキスト値Ｙが得られる。８６で
、バッファ５３が使用中であるかどうか判定するための
テストが行なわれる。使用中の場合は、バッファ５３が
もはや使用中ではないために覚醒されるまで、１０６で
休眠状態に入る。バッファ５３が使用中でない場合は、
８７で、暗号受信処理でバッファが現在使用中であるこ
とを示すフラグがセットされる。

８８で、バッファ５３が空であるかどうか判定するため
のテストが行なわれる。バッファ５３が空の場合は、８
９で、バッファが使用中でないとマークされる。そのた
め、第３図に関して説明した処理がバッファの制御を得
て、暗号ビット・ストリームの別のワードを追加するこ
とができる。さらに、８９で、第３図に関して説明した
処理が、休眠状態にある場合は覚醒される。８９から、
１０６でバッファがもはや空ではないため、第３図に関
して説明した処理によって覚醒されるまで、休眠状態に
入る。

８８で、バッファ５３が空ではないと仮定すると、９ｏ
で、暗号ビット・ストリームの次のワードＲがバッファ
から除去される。９１で、８７でセットされたフラグが
リセットされ、バッファが使用中でないとマークされる
。１０８でバッファが使用中または満杯であったため、
第３図に関して説明した処理が、休眠状態にあった場合
は覚醒される。９２で、ブロック５１の数学関数ｆ２が
暗号テキストの１７−ドＹに適用され、９ｏでワードＲ
ｉが除去されて、平文テキストＸのワードが得られる。

下記のプログラミング設計言語リストは、受信装置５０
内で緩衝記憶された暗号ビット・ストリームを使用する
ための上記プロセスを別の形で記述したものである。こ
のリストは第５図に関して前に説明した動作と平行して
いる。

入力の終りでない場合、 Ｙ／”受信した次の値１１／を得る 繰り返す バッファが使用中の場合、 休眠する バッファ使用中とマークする バッファが空の場合、 バッファが使用中ではないとマークする休眠装置を覚醒
させる 休眠する バッファｏｋ＝偽 それ以外の場合、 バッファｏｋ＝真 バッファ。ｋまで バッファから次の値Ｒを除去する バッファが使用中でないとマークする 休眠装置を覚醒させる Ｘ＝ｆ　２　（ＹｌＲ）／”平文テキストの結果”／ 終了 特定の数学関数ｆｌ及びｆ２は排他的ＯＲ関数でよい。

送信装置４０及び受信装置５０中の暗号ビット・ストリ
ームＲが同じである場合、送信装置４０と受信装置５０
の両方で同じキーにの秘密を保持することによって安全
採譜が保たれる。

したがって、実時間生成中に、暗号ビット・ストリーム
Ｒ及びそれを生成する際に使用される信号がゲート及び
レジスタを通過する際に生じる固有の遅延によって性能
が大きな影響を受けるのとは対照的に１本発明は、バッ
ファを設けて、暗号ビット・ストリームが実際に使用さ
れるまでそれを記憶することによって、スループットの
大幅な向上をもたらし、したがって実時間で実行する場
合は性能に大きな影響を与えるその生成が、これらの実
施例では実際に利用される前に行なわれる。

本発明を、その特定の実施例に関して示し説明してきた
が、当業者なら理解できるように、本発明の精神及び範
囲から逸脱することなく形式や詳細に前記及びその他の
変更を加えることができる。

Ｅ１発明の効果 本発明では暗号化処理、非暗号化処理の双方で緩衝記憶
をうまく利用し、システムが必要とする段に１暗号ビッ
ト°ストリームを生成しているので暗号ビット・ストリ
ームの生成にともなう遅延を無視でき、このため暗号化
されたデータの通信のスループットを向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、送信側における暗号化及び受信側における非
暗号化を含む、典型的ストリーム暗号通信システムのブ
ロック・ダイヤグラムである。 第２図は、本発明による、暗号化及び非暗号化の前に暗
号ビット・ストリームを緩衝記憶することを含む、スト
リーム暗号通信システムのブロック・ダイヤグラムであ
る。 第３図は、バッファ管理プロセスの流れ図である。 第４図は、送信側での緩衝記憶された暗号ビット・スト
リームの利用を示す流れ図である。 第５図は、受信側での緩衝記憶された暗号ビット ス ト リームの利用を示す流れ図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）データ処理システムでデータを暗号化する方法に
   おいて、 暗号化すべきデータの受信のタイミングと独立のタイミ
   ングで暗号ビット・ストリームを生成するステップと、 生成された前記暗号ビット・ストリームを緩衝記憶する
   ステップと、 前記緩衝記憶後に前記生成のタイミングと独立のタイミ
   ングで前記暗号ビット・ストリームを暗号化すべき前記
   データと組み合わせるステップとを有することを特徴と
   する暗号化方法。
2. （２）データ処理システムでデータを非暗号化する方法
   において、 非暗号化すべきデータの受信のタイミングと独立のタイ
   ミングで暗号ビット・ストリームを生成するステップと
   、 生成された前記暗号ビット・ストリームを緩衝記憶する
   ステップと、 前記緩衝記憶後に前記生成のタイミングと独立のタイミ
   ングで前記暗号ビット・ストリームを非暗号化すべき前
   記データと組み合わせるステップとを有することを特徴
   とする非暗号化方法。