JPH0420542B2

JPH0420542B2 -

Info

Publication number: JPH0420542B2
Application number: JP60194884A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Nanba
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1985-09-05
Filing date: 1985-09-05
Publication date: 1992-04-03
Also published as: JPS6257334A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の属する技術分野］本発明はデータの暗号化および復号を行う方式
に関するものであり、特にスクランブル放送の関
連情報を伝送する際の暗号方式やテレビジヨン衛
星放送データチヤンネルを利用する各種データサ
ービスにおける暗号方式等に適したブロツク暗号
化・復号方式を提供しようとするものである。

［従来技術とその問題点］一般に知られているスクランブル放送とは、所
定の受信契約を行つていない者はその放送を正常
に受信し得ないように、放送信号（例えば、テレ
ビジヨン放送では映像信号や音声信号）を予め撹
拌（スクランブル）して送出する放送である。こ
のスクランブルされた放送を視聴する受信契約を
行つた受信者には、放送信号を正しく受信できる
ようにスクランブルされた放送信号を復元するた
めのスクランブル放送関連情報が与えられる。

スクランブル放送関連情報の１つとして放送信
号のスクランブル制御状態を示すスクランブル制
御情報が、スクランブルされた放送信号とともに
受信契約者に伝送される。受信契約をしていない
者がスクランブルされた放送信号を解析して不正
に解読することを防ぐために、スクランブル状態
は例えば数秒単位で短時間に変更される。このス
クランブル状態の変更はそれが変更される都度直
ちに受信契約者に伝えられることが必要であるか
ら、スクランブル状態を示すスクランブル制御情
報もスクランブルされた放送信号と同じ伝送路を
介して送出されるのが通常である。

この際、特に電波による放送の場合には、不正
解読者もこのスクランブル制御情報を容易に得る
ことができるので、この情報も暗号化して送る必
要がある。そのため、この暗号を復号するための
第２のスクランブル放送関連情報が別個の伝送路
を介して受信契約者に配付される。さらに、この
配付される情報が受信契約をしていない者によつ
て不正に複製されることを防ぐために、受信機ご
との個別の鍵情報により暗号化がなされるように
なつている。

これらスクランブル放送に関連した情報伝送シ
ステムや機能については、本願人の出願による
「制御情報伝送方式」（特願昭58−242184号）に詳
細に説明されているので、ここでは詳しくは述べ
ない。

次に、上記スクランブル放送関連情報を暗号化
する方式について説明する。

暗号方式に関しては、従来から種々の方式が考
案され、適用すべきシステムに固有の方式が用い
られてきた。しかし、近年に至つて商取引などに
用いるデータ通信の暗号化が要求され、これとと
もに統一した規格による暗号方式の出現が望まれ
てきた。かかる要求に対して米国商務省標準局で
は1977年にDES（Data Encryption Standard）
を定め（“Data Encryption Standard、”
National Bureau of Standards、FIPS Publ.No.
46、Jan.1977）、これが現在世界的な規格になり
つつある。

上記暗号方式DESは第４図に示すような構成
のアルゴリズムを有しており、基本的な動作モー
ドでは56ビツトの鍵情報を与えて、64ビツト長の
ブロツクデータを暗号化するものである。このア
ルゴリズムによる暗号は、鍵情報を知得すること
なくして解読する方法が未だ知られておらず、異
なる56ビツトの鍵情報を逐一与えて調べる方法で
は極めて長い時間を要することになる。このよう
な意味から上記暗号方式DESは非常に安全性が
高いものと認められており、そのための暗号用
ICチツプや装置が数多く市販されている。しか
し、処理速度の速いハードウエアは、一般に高価
である。

また、衛星放送において行うスクランブル放送
の場合、そのスクランブル放送関連情報に対して
は、上記暗号方式DESが対象とする情報に比べ
てその情報価値はより少ないものと考えられる。
従つて、このような場合には暗号方式DESのよ
うな複雑さは必要としないが、スクランブル放送
関連情報の暗号解読器が市場に多く出回つた場合
には、衛星放送の受信対象が広いことに起因し
て、放送事業者が受ける損失は大きなものになる
と予想される。

更に、衛星放送を受信する各家庭用の受信機に
内蔵して暗号化されたスクランブル放送関連情報
を復号する復号器を実現するという観点からみれ
ば、簡単かつ安価に製作でき、しかも衛星放送デ
ータチヤンネルの符号伝送速度にも対応できる速
度で動作するよう構成されていることが望まし
い。

従つて、これらの点を考慮すると、暗号方式
DESをそのままスクランブル放送に適用するこ
とは適当ではないことになる。

［発明の目的］本発明の目的は、スクランブル放送や衛星放送
のデータサービスに適した暗号化・復号方式およ
びそのためのハードウエアを提供することにあ
る。更に詳述すれば、本発明は、米国商務省標準
局が定めた暗号方式DESのアルゴリズムに従つ
て高度な暗号化を行うに際して、それに必要とさ
れるハードウエアの回路構成をより簡略化したブ
ロツク暗号化・復号方式を提供することにある。

［発明の構成］本発明においては、スクランブル放送や衛星放
送のデータサービスに適用しうる高度な暗号化ま
たは復号を小規模の回路構成により実現するため
に、暗号方式DESでは暗号化または復号が複数
ビツトからなるブロツク単位で行われることに着
目し、複数ビツト時間内において１つの暗号化ま
たは復号ロジツクを異る鍵データ（以下キーデー
タという）を加えつつ循環させるように構成し、
同時にキーデータの系統に関しても簡易化してあ
る。

すなわち、以下に説明する第１図の基本的回路
構成例に示すように、平文データ（暗号化されて
いない入力データ）の１ブロツクを、結線を交叉
させることで転置させてデータセレクタ・レジス
タ２に供給し、その出力にキーデータ発生回路
（RAM）６からのキーデータにより暗号化演算
を施し、得られた出力を再度データセレクタ・レ
ジスタ２に供給して繰り返し暗号化演算を行う。
またキーデータは、所定長の入力キーデータを循
環させるとともに、途中で切り取つたキーデータ
をRAM６に記憶させ、所定の順序で取り出す。

［実施例］以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明す
る。

第１図は、本発明を適用した暗号化回路の基本
的な構成例を示す。本回路で用いる基本的なアル
ゴリズムは、米国商務省標準局の暗号方式DES
と同一であるが、後に詳述するように、ブロツク
長を短くするなどスクランブル放送用として使用
し易く構成してある。なお、本実施例ではブロツ
ク長を32ビツトとして説明するが、このブロツク
長に限定されることなく、適用するシステムに応
じて変えることが可能である。

第１図において、１はシフトレジスタ、２はデ
ータセレクタ・レジスタ、３は暗号化ロジツク回
路、４はパラレルロード・シフトレジスタ、５は
シフトレジスタ、６はキーデータ発生回路
（RAM）、７は制御回路、１１は平文データ入力
端子、１２はクロツク入力端子、１３はデータロ
ード信号入力端子、１４はキーデータ入力端子、
１５は暗号文データ出力端子、１６はデータ切換
回路、１７はキーデータ用のクロツク入力端子を
示す。

次に、第１図に示す回路の動作を説明する。

暗号化を行う平文データは端子１１から入力さ
れ、クロツク入力端子１２に印加されたクロツク
信号に応じてシフトレジスタ１に蓄積される。こ
の平文データは32ビツトごとにブロツク化して暗
号化されるようにしてあるので、32ビツト期間ご
とに端子１３に印加されるデータロード信号のタ
イミングに従つて、シフトレジスタ１の蓄積デー
タがデータセレクタ・レジスタ２に転送される。
この転送の際に、32本の結線の仕方により初期転
置（第３図Ａ参照）が行われる。

暗号化ロジツク回路３はデータセレクタ・レジ
スタ２から送出される32ビツトのデータとキーデ
ータ発生回路（RAM）６から送出される24ビツ
トのキーデータとを組み合わせて演算を行い、32
ビツトのデータを出力する。この暗号化ロジツク
回路３の出力信号は、端子１２に印加されるクロ
ツク信号に同期して、再度データセレクタ・レジ
スタ２に戻される。そして、再び暗号化ロジツク
回路３にて同様の演算が行われる。

このようにして入力データとキーデータとを組
み合わせて演算が進む度に、入力データの暗号化
が深くなつていく。そして、この演算をＮ回繰り
返した後に、暗号化ロジツク回路３の出力データ
がパラレルロード・シフトレジスタ４にパラレル
ロードされ、端子１５から暗号文データが出力さ
れる。なお、シフトレジスタ４にデータをロード
する際の32本の結線の仕方により、逆転置（第３
図Ｂ参照）が行われる。

以上の過程を入出力の関係についてみるに、端
子１１から平文データが連続的に入力されると、
これがＮクロツク分（Ｎは繰り返し行われる演算
の回数）だけ遅れて暗号文となつて端子１５から
出力されることになる。このような回路動作は、
暗号化のブロツク長Ｌ（上述例においては32ビツ
ト）に比して、暗号化の繰り返し演算回数Ｎが等
しいか若しくは小さい場合に可能である。このＮ
の値は、暗号方式DESでは16となつている。し
かし、暗号を簡単化する場合にはＮ＜16でも良い
ので、Ｌ≧16とすれば上記関係は常に満足され
る。ちなみに、Ｎ＞Ｌとする場合には、暗号化ロ
ジツク回路３で繰り返し演算を行うクロツク信号
周波数を入出力データのクロツク信号周波数より
上げる必要がある。

暗号化ロジツク回路３での演算に使用されるキ
ーデータは、暗号化のための繰り返し演算のうち
第何回目の演算を行うかにより異なる。このキー
データはキーデータ発生回路（RAM）６に蓄え
られており、繰り返し演算の第何回目であるかを
指定することにより、対応するキーデータが読み
出される。すなわち、端子１４に印加され切換回
路１６を介してシフトレジスタ５に入力された56
ビツトのデータに基づいて、このキーデータが形
成される。なお、上記切換回路１６は、56ビツト
のデータがいつたん入力された後、その入力デー
タを繰り返し使用するための切換え回路である。

第１図に示した基本的回路構成のより詳細なブ
ロツク図を第２図に示す。ここでも、上記DES
方式のアルゴリズムを暗号化の単位として32ビツ
トのブロツク長に変形し、また、キーデータの生
成部分も簡略化してある。

第２図において、符号２０および２１は
EXOR（排他的論理和）ゲート、２２（１）〜
（４）はROM、２３はアツプ／ダウンカウンタ、
２４は暗号化／復号選択入力端子である。

また、上記以外の部分は第１図に示したものと
同一の構成部分であるので、第１図と同一の符号
を付してある。

次に、第２図の動作説明を行う。

平文データは、クロツク入力端子１２に印加さ
れるクロツク信号に同期して、端子１１から連続
的にシフトレジスタ１へ書き込まれる。32ビツト
分の平文データが書き込まれた時点にてデータロ
ード信号が端子１３に印加され、このデータロー
ド信号に応答して制御回路７の出力端子４０から
ロード信号が出力される。そして、このロード信
号とクロツク信号とに同期して、シフトレジスタ
１に書き込まれたデータ（蓄積データ）がデータ
セレクタ・レジスタ２（１）および２（２）に転
送される。ここで、データセレクタ・レジスタ２
（１）における入力端子３１（１）のビツト番号
を便宜上＊１〜＊16、データセレクタ・レジスタ
２（２）における入力端子３１（２）のビツト番
号を＊17〜＊32と呼ぶ。すると、シフトレジスタ
１における出力端子３０にビツト番号＊１〜＊32
との結線関係を、例えば第３図Ａに示すようにす
ることにより、初期転置を行うことができる。す
なわち、入力端子３１（１）のビツト＊１、＊
２、…はそれぞれ出力端子３０のビツト＊30、＊
26、…に対応する。

データセレクタ・レジスタ２（１）および２
（２）はそれぞれ第４図に示したDESアルゴリズ
ムにおけるLiレジスタおよびRiレジスタ（ｉ＝
０〜16）に対応している。また、データセレク
タ・レジスタ２（２）の出力端子３４からは16ビ
ツトの信号が送出され、この信号をEXORゲー
ト２１の入力端子３７に導入する。入力端子３７
は24ビツトの信号を受け入れるように構成してあ
るが、この場合にも、第３図Ｃに示す関係に従つ
た結線を行うことにより、16ビツトの出力信号を
24ビツトの入力信号に変換するための拡大型転置
を行うことができる。

EXORゲート２１では、入力端子３７に印加
れた信号とキーデータ発生回路（RAM）６から
EXORゲート２１の他方の入力端子３８に送出
された24ビツトのキーデータとについて、ビツト
毎の排他的論理和演算を行つて出力端子４０から
24ビツトの信号を送出する。この出力信号は６ビ
ツト毎に分割され、ROM２２（１）〜（４）
（S₁ROM〜S₄ROM）の各々の入力端子４１
（１）〜（４）に印加される。このS₁ROM〜
S₄ROMについてはDESアルゴリズムのＳボツク
ス（第４図参照）を使用することができ、６ビツ
トの入力データが非線形な関係を有する４ビツト
の出力データに置換される。これらROMの出力
端子４２（１）〜（４）から得られる出力信号
（合計16ビツト）は第３図Ｄに示すような関係で
転置され、EXORゲート２０の入力端子３６に
印加される。

EXORゲート２０では、その入力端子３６に
印加される信号と、データセレクタ・レジスタ２
（１）の出力端子３３を介してこのEXORゲート
２０の入力端子３５に印加される信号（転置は行
われない）とについて、ビツト毎に排他的論理和
演算を行い、その結果として16ビツトの出力信号
を出力端子３９から送出する。この出力信号は再
びデータセレクタ・レジスタ２（２）の入力端子
３２（２）に戻される。

一方、データセレクタ・レジスタ２（１）の入
力端子３２（１）には、データセレクタ・レジス
タ２（２）の出力端子３４から送出される16ビツ
トの信号そのまま印加される。これら入力端子３
２（１）および３２（２）に印加される入力信号
は、次のクロツクでそれぞれデータセレクタ・レ
ジスタ２（１）および２（２）に読み込まれ、そ
れぞれの出力端子３３および３４に出力信号とし
て現われる。

こうして、クロツク入力端子１２に印加される
クロツク信号が１クロツク進む度ごとに、暗号化
のための演算が繰り返し実行される。なお、第２
図において、各レジスタに印加されるクロツク信
号の極性については、説明を簡略化するため表示
しない。

暗号化のための演算がＮ回繰り返された時点に
おいて、制御回路７の出力端子４１から制御信号
が送出され、この制御信号と端子１２に印加され
るクロツク信号とに同期して、EXORゲート２
０の16ビツト出力信号とデータセレクタ・レジス
タ２（２）の16ビツト出力信号が、パラレルロー
ド・シフトレジスタ４にパラレルロードされる。
このパラレルロードに際して、EXORゲート２
０の出力端子３９から送出される16ビツト信号
と、データセレクタ・レジスタ２（２）の出力端
子３４から送出される16ビツト信号（合計32ビツ
ト）は、第３図Ｂに示すように逆転置されてロー
ドされる。

次に、EXORゲート２１の入力端子３８に印
加されるキーデータについて述べる。このキーデ
ータは暗号化のための繰り返し演算の回数ととも
に変化し、DESアルゴリズムでは第４図の右方
に示したようにして生成される。これに対し、本
発明に係る暗号化方式では、次のような方法を採
ることができる。

まず、クロツク入力端子１７に印加されるクロ
ツク信号に同期して、キーデータ入力端子１４か
ら56ビツトのキーデータをシフトレジスタ５に書
き込む。次いで、データ切換回路１６の接点を右
側ｂ側に倒し、シフトレジスタ５に書き込まれた
蓄積データを循環させ、24ビツト毎にキーデータ
発生回路（RAM）６に転送する。

キーデータ発生回路６はランダムアクセスメモ
リ（RAM）により構成されており、暗号化のた
めの繰り返し演算の回数をアドレスとして、それ
ぞれの演算時に使用される24ビツトのキーデータ
を記憶している。従つて、このキーデータ発生回
路（RAM）６については、暗号化のための最大
繰り返し演算回数に対応したアドレスまで書き込
まれた時点で、キーデータの生成処理が終了す
る。そして、実際に暗号化のための演算を行うに
際しては、キーデータ発生回路（RAM）６から
対応するキーデータが順次読み出されて使用され
る。

端子１３にデータロード信号が印加される度
に、制御回路７の出力端子４２から送出される信
号に基づいて、アツプ／ダウンカウンタ２３は暗
号化を行うための所定初期値に設定される。キー
データ発生回路（RAM）６のアドレスは、上述
したとおり暗号化のための繰り返し演算の回数で
指定されるが、これはアツプ／ダウンカウンタ２
３を用いてクロツク入力端子１２に印加されたク
ロツク信号のパルス数をカウントすることにより
得られる。

なお、DES方式のブロツク長は64ビツトであ
るのに対して、本実施例でのブロツク長は例えば
32ビツトと短くして回路規模を小さくしている
が、キーデータの長さは56ビツトを維持してい
る。その理由として、この暗号方式はキーデータ
を逐一与えていけば暗号化されたデータを解読で
き、その解読に要する時間はキーデータの長さを
半分の28ビツトにしたとすればDES方式で必要
とされる（安全とされる）時間の1/2²⁸で済み極
端に安全性が下がるのに対して、回路規模を小さ
くするということには大きな改善が得られないた
めである。

さらに、外部から与えられる56ビツトのキーデ
ータに基づいて内部の演算で用いるキーデータを
生成する点に注目すれば、この点においては
DES方式と比較して大きく簡略化されている。
すなわち、このようにしたことは安全性の維持に
関して若干の影響が考えられるが、一般の放送シ
ステムで用いられる暗号方式としては全く問題に
らず、回路規模やデータ処理の上での簡略化の効
果の方がより大きく前面に現われてくる。勿論、
この内部キーデータを56ビツトの外部から与えら
れたキーデータから生成する方法は実施例の方法
に限られるものではなく、繰り返し演算の間に56
ビツトのキーデータの構成各ビツトができるだけ
均等に使用されるものであれば一向に差し支えな
い。

なお、この点から、暗号化のための繰り返し演
算の回数Ｎは、ブロツク長Ｌが32ビツトの場合、 24・Ｎ＞56 すなわち、Ｎ≧３であることが必要である（Ｎ＜３の場合にはキーデータが異なつていても
同じ平文データから同じ暗号文データを生じる場
合がある）。

以上本発明による暗号化の方法について詳細に
説明してきたが、暗号化されたデータの復号に関
しては、上述した第１図または第２図示の回路を
逆にたどれば、暗号化される以前の平文データが
得られる（すなわち復号）ことは明らかである。
この場合、DESアルゴリズムと同様第１図また
は第２図の回路における暗号化アルゴリズムの特
徴から、暗号を復号するためには、回路の出力端
子に暗号化データを印加して平文データを入力端
子から取り出さなくても（実際はハードウエアの
制約上からこれはできない）第１図または第２図
と全く同じ回路構成を用いることができる。但
し、復号時にはキーデータ発生回路（RAM）６
から送出されるキーデータの順序を暗号化の場合
と逆にする必要がある。このため、第２図の回路
中アツプ／ダウンカウンタ２３を、暗号化に際し
てはアツプカウンタとして、また復号のときはダ
ウンカウンタとしてそれぞれ動作させる。

なお、第２図において複線で示す区間は、その
間で拡大型転置を含めなんらかの転置が行われる
ことを示している。

［発明の効果］本発明による方式では、データとキーデータを
用いた繰り返し演算により暗号化あるいは復号を
行うのに際して、そのキーデータの生成を簡単化
し、また、繰り返し演算を入力データのクロツク
に同期して行う構成としてあるので、比較的簡単
に処理が高速化でき、高度の暗号化・復号処理を
スクランブル放送や衛星放送のデータサービスに
適用することが可能になるという効果が得られ
る。

またDES方式のような高度な暗号方式では、
計算機処理を行つた場合には多くの時間を要し、
例えば、テレビジヨン衛星放送におけるデータチ
ヤンネルの符号伝送速度（最高2.048Mb／sec）
で動作させることは困難であるが、本発明に係る
方式によれば、集積回路化により放送の分野で必
要とされる十分な安全性を保持した上で、放送で
必要とされる速度で処理することが可能となる。

本発明を適用した一実施例によれば、受信側で
予めキーデータをキーデータ発生回路（RAM）
に蓄えておき、2.048Mb／secの速度で連続的に
伝送されてくる暗号化信号を実時間で（数μsの遅
延を除いて）復号することが可能となる。このこ
とは、PCM音声信号や文字放送やフアクシミリ
放送などのデイジタルデータ信号自体を直接ブロ
ツク暗号化することも可能となることを意味して
いる。

本発明によるブロツク暗号化・復号方式によれ
ば、繰り返し演算の回数Ｎを増すことによつて暗
号の安全性を増すことができる構成になつている
ので、この方法で安全性を上げる場合には回路規
模には殆ど影響がなく（キーデータ発生回路
（RAM）のメモリ量が若干増加する程度であ
る）、また、暗号文が得られる時間が僅かに遅れ
るだけで済む特徴がある。

以上説明したように、本発明を実施することに
より、高度の暗号方式を放送システムの中に容易
に組み込めるようになるという格別の効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用して32ビツトブロツク暗
号化を行うための暗号化回路を示す基本的なブロ
ツク図、第２図は第１図示の基本的回路構成のよ
り詳細な構成を示すブロツク図、第３図Ａ〜Ｄは
転置処理を説明する図、第４図は暗号方式DES
のアルゴリズムを説明する図である。１……シフトレジスタ、２，２（１），２（２）
……データセレクタ・レジスタ、３……暗号化ロ
ジツク回路、４……パラレルロード・シフトレジ
スタ、５……シフトレジスタ、６……キーデータ
発生回路（RAM）、７……制御回路、１１……
平文データ入力端子、１２……クロツク入力端
子、１３……データロード信号入力端子、１４…
…キーデータ入力端子、１５……暗号文データ出
力端子、１６……データ切換回路、１７……クロ
ツク入力端子、２０，２１……EXOR（排他的論
理和）ゲート、２２（１）〜（４）……ROM、
２３……アツプ／ダウンカウンタ、２４……暗号
化／復号選択入力端子。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｌビツトのデータを単位として、Ｋビツトの
キーデータに基づきＮ回の繰り返し演算により、
入力平文データを暗号化し、また暗号化さデータ
を復号するブロツク暗号化・復号方式において、特定の長さの鍵を変換して長さＫ・Ｎ以上のデ
ータを生成し、これをＫビツトごとに区切つて取
り出したデータを前記暗号化または復号の繰り返
し演算の回数に応じたＫビツトのキーデータとし
て複数個用意し、連続する入力平文データまたは入力暗号化デー
タを第１のＬビツトシフトレジスタに入力すると
ともに、その第１のＬビツトシフトレジスタにそ
れぞれ前記入力平文データまたは入力暗号化デー
タのＬビツト相当のデータが書き込まれた時点
に、転置を施したうえでその書き込まれたデータ
をＬビツトレジスタに並列転送し、そのＬビツトレジスタの出力とそれぞれ暗号化
または復号の繰り返し回数で定まる前記Ｋビツト
のキーデータとでそれぞれ暗号化または復号の演
算を行い、その演算結果をそれぞれ前記入力平文データま
たは入力暗号化データのクロツクに同期して再度
前記Ｌビツトレジスタに読み込むことによりそれ
ぞれ暗号化または復号の繰り返し演算を行い、その繰り返し演算がＮ回行われた時点に、逆転
置を施したうえでその繰り返し演算により得られ
たデータを第２のＬビツトシフトレジスタに並列
転送し、その並列転送されたデータについて、それぞれ
前記入力平文データまたは入力暗号化データのク
ロツクに同期して直列読み出しを行うことによ
り、前記第２のＬビツトシフトレジスタからそれ
ぞれ連続する暗号化データまたは平文データを得
るようにしたことを特徴とするブロツク暗号化・
復号方式。