JPH0744375A

JPH0744375A - 暗号化データ処理装置

Info

Publication number: JPH0744375A
Application number: JP5187849A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Masumoto; 裕幸桝本; Naoshi Ogura; 直志小倉
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1993-07-29
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【構成】アドレス出力とデータ入力とデータ出力を有
するデータ処理手段３００と、すくなくともアドレス情
報を鍵とした変換を行う復号手段４００とを備え、デー
タ処理手段３００のアドレス出力に応じて読み出したメ
モリ２００上の暗号データを復号手段４００で復号して
データ処理手段３００のデータ入力に入力して処理する
暗号化データ処理装置。【効果】メモリ上の暗号化された情報は、本発明の装
置および正しい暗号鍵を持たない装置上では使用できな
いため、メモリのコピーによるプログラムまたはデータ
の盗用を防止できる。従来は同じ平文が同じ暗号データ
に変換される確率が高かったために容易に暗号解読され
ていたが、暗号変換のパラメータとしてアドレス情報を
直接利用することによりこれを防止し、強力な保護機能
を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】外部メモリ上の暗号化されたデー
タを装置内部で復号して処理し、かつ／または、処理し
たデータを装置内部で暗号化して外部メモリに格納し、
装置内部で扱われる本来のデータの値を隠匿することに
より、ソフトウェアの不正コピーやデータの漏洩を防止
する暗号化データ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ソフトウェアやデータの不正コピーが古
くから問題になっている。例えば、ＲＯＭ上のプログラ
ムやデータをまるごとコピーすることによる装置の複製
は、その開発費用の回収を困難とし、正当な利益の配分
を妨げている。このような問題を解決するために、メモ
リの内容を暗号化しておき、メモリの読み出し時に処理
装置の内部でそれを復号しながら処理する考え方は従来
からあった。

【０００３】しかし、単にデータを変換するだけでは同
じデータが常に同じ暗号化データとなって現れるため
に、容易に解読されてしまう。解読者は変換表を一つ作
成し、命令を一つ一つ解読してその表を埋めていけば良
い。一般的なプログラムにおける命令の出現頻度と、暗
号化データの出現頻度とを比較することにより、平文を
類推することも可能である。例えば一般のプログラムに
おいてレジスタ間転送命令が最も高頻度で出現するなら
ば、最も多い暗号データの値はレジスタ間転送命令に対
応すると推測できる。また、暗号化命令はどのアドレス
に置いても同じ動作を示すから、解読者は暗号化命令を
試行錯誤で移動させて動作を観察し、ヒントを得ること
もできる。

【０００４】このような解読方法を防止するために、命
令やデータの格納されているアドレスの値によって変換
規則を変化させる方法が提案されてきた。

【０００５】例えば、特開平０１−０２８７２８号公報
に記載の命令暗号処理方式では、ＣＰＵ上に複数の命令
解釈手段（デコーダ）を用意し、命令のアドレスによっ
てその命令解釈手段を選択することにより、アドレスに
よって異なる命令コードを使用することを可能としてい
る。該従来例のブロック図を図９に示す。

【０００６】また、特開昭６３−１４５５３２号公報に
記載の模倣防止機能付プロセッサでは、内部メモリ上に
複数用意した暗号鍵をデータのアドレスによって選択
し、選択した暗号鍵に依存した変換を行うことにより、
同じデータが常に同じ暗号データに変換されることを防
いでいる。該従来例のブロック図を図１０に示す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
を用いれば、同じデータに対応する暗号化データが常に
等しくはならない。しかしながら、用意できる変換手段
や暗号鍵の数は回路規模の面から制限され、アドレス空
間の大きさと同等程度の変換種類を用意することはでき
ない。したがって、異なるアドレスに対して同じ変換を
施す場合が少なからず現れるわけで、これはすなわち、
アドレス空間を幾つかに分割してそれぞれに固定の変換
を施していることに等しい。変換の種類を増加させれば
暗号解読に対する強度は高まるが、一方で回路規模と装
置のコストを上昇させる。

【０００８】前述の特開平０１−０２８７２８号公報に
記載の命令暗号処理方式においては、内蔵できる命令解
釈手段の個数は、現実的にはせいぜい数十種類程度であ
り、それ以上になると装置のコストが倍増してしまう。

【０００９】一方、特開昭６３−１４５５３２号公報に
記載の模倣防止機能付プロセッサでは、変換の選択数は
内部メモリのサイズにより決定され、数キロバイト程度
のメモリを登載することにより、約千種類の暗号鍵、す
なわち変換規則を用意するのが限界であろう。しかしな
がら、最近のマイクロプロセッサのアドレス空間は１０
⁹バイトに及ぶものもあり、このようなＣＰＵに対して
千個の鍵を用意しても、１０⁶バイト毎に同じ鍵を使用
せざるを得ない。

【００１０】上述のように従来技術では、異なるアドレ
スにおいて同じ平文が同じ暗号データに対応する確率が
高いために、解読に対する強度が十分でないという問題
があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の暗号化データ処
理装置は、平文に対して暗号鍵を用いて異なる暗号変換
を施した暗号データを格納するメモリを接続し、アドレ
ス出力、データ入出力を有するデータ処理手段と、前記
アドレス出力の一部または全部を暗号鍵として入力し、
該暗号鍵が前記平文に対する暗号鍵と同一の時に前記暗
号変換の逆変換となる復号変換を行い前記データ処理手
段のデータ入力に与える復号手段を有することを特徴と
する。

【００１２】

【作用】本発明の構成では、暗号変換および復号変換の
鍵入力として、アドレスの値を直接変換式の中に組み込
むことにより、一つの変換手段によって、同一の平文に
対応する暗号化データが、アドレスが異なれば高い確率
で異なる値になるような変換を用いることが可能であ
る。本発明は、このような暗号変換を用いることによ
り、解読に対する強度を改善した暗号化データ処理装置
を提供する。

【００１３】また、装置内部に秘密情報を保持し、その
秘密情報なしには復号変換が行えないような性質を暗号
変換に持たせ、装置毎あるいはプログラムやデータ毎に
異なる秘密情報を用いた暗号化を施せば、万が一ある暗
号データが解読されても、被害が広く及ばず、その後も
異なる秘密情報を用いて同一の装置を使い続けることが
できる。これを実現するために、秘密情報保持手段と秘
密情報入力手段を備え、秘密情報をアドレス情報と共に
暗号変換および復号変換の鍵入力とした装置も提案して
いる。

【００１４】次に、本発明の装置の暗号強度を更に高め
るために、暗号変換および復号変換に求められる性質と
構成について説明する。

【００１５】暗号変換において、固定の暗号入力を与え
た場合でも、鍵入力の変化に応じて非常に多くの復号出
力が現れるならば、異なるアドレスにおいて同一の平文
が同一の暗号データに変換される確率は低くなり、前に
述べたような解読に対して与えるヒントが激減し、すな
わち解読されにくくなる。従来技術ではこの多様性は回
路規模により制限されていたが、暗号化および復号変換
にアドレス値を直接利用することによりこの問題を解決
している。鍵入力を固定した時に、平文の１ビットの
変化が、暗号データの固定のビット位置にのみ変化を及
ぼさないような暗号変換も、解読に対する強度を高め
る。従来の暗号変換は、高速性を重んじるばかりに、鍵
情報と入力データのビット毎の排他的論理和（ＸＯＲ）
およびビット転置を組み合わせる方法が主流であったと
思われるが、この方法では暗号データの特定ビットを改
ざんすることにより、復号データの特定のビットを変更
できるため、試行錯誤による暗号解読のヒントを与えて
しまう。

【００１６】暗号変換の入出力が簡単な式で対応つけら
るようなものであれば、解析的な暗号解読も可能となっ
てしまう。先ほど述べた排他的論理和とビット転置を組
み合わせた方法は、平文入力と鍵入力の各ビットを変数
に置いた場合に、出力の各ビットが、入力の１変数と鍵
の１変数との２を法とする単なる加算で対応づけられ、
逆変換式の算出も容易である。入出力の各ビットまたは
ビットの組を変数とした時に、入出力の各変数が一次式
で対応づけられないような非線形の変換を暗号変換とし
て用いれば、このような解析的手法による暗号解読は困
難となる。

【００１７】平文と暗号化データの対を複数集めても鍵
入力を簡単には求められないこと、すなわち暗号分野で
いうところのいわゆる既知平文攻撃が不可能なことは、
近代暗号に要求される最も重要な性質である。この性質
を満たす暗号変換を用いれば、万が一に暗号変換や復号
変換のアルゴリズムが漏洩した場合であっても、前述の
秘密情報が明らかにならない限り暗号を解読することは
できない。

【００１８】上記で述べたような性質を満たす暗号変換
の具体的な回路構成は様々なものが考えられる。しかし
ながら、実用に耐える回路規模と変換速度の制限を満た
す変換を構成することは容易ではない。本発明ではこれ
を満たすような回路構成をもいくつか提案している。

【００１９】まず、入力を複数のビットからなる複数の
グループに分割し、それぞれに個別に変換を施す方法で
ある。この方法では、個別の変換の入力ビット数を小さ
くすることにより、一括して変換する場合に比べて回路
規模を小さくし、更に、個別変換を並列に行うことによ
り、高速化も可能とする。例えば暗号変換において、１
６ビット入力１６ビット出力の乱数表が格納されたＲＯ
Ｍを用いる方法と、１６ビットの平文入力を４ビットず
つ４分割して、４ビット入力４ビット出力の乱数表が格
納されたＲＯＭを４つ並列に用いて個別変換するケース
を比較してみる。入出力のビット数が４分の１になった
ことにより、１個のＲＯＭの回路規模は約４³分の１に
なり、４個分でも前者の１６分の１の回路規模となる。
ＲＯＭの処理速度も約４倍になると考えられ、すなわち
速度も向上する。ビットの入れ替えなどを挟んで同様の
処理を２回行えば、出力データの各ビットは入力データ
の全ビットに依存するように構成できる。このような処
理の中に鍵入力をうまく組み込めば、入出力間の相関性
はほぼランダムとなる。なお、乱数表ＲＯＭ以外の変換
手段を用いた場合でも同様の効果が期待できる。

【００２０】

【実施例】図１から図５に本発明の実施例を示す。本発
明の装置１００は、データ入力３０１とデータ出力３０
２とアドレス出力３０３を有するデータ処理装置３０
０、暗号入力４０１と復号出力４０２と鍵入力４０３,
４０４を有する復号手段、平文入力５０１と暗号出力５
０２と鍵入力５０３, ５０４を有する暗号化手段、秘密
情報格納手段６１０と秘密情報入力手段６２０、などか
ら構成され、データ出力２０１とデータ入力２０２とア
ドレス入力２０３を有する外部メモリ２００と接続され
て使用される。

【００２１】データ処理手段１００のデータ入力１０１
およびデータ出力１０２は、入出力両方の機能を兼ね備
えるデータバスを使用することも可能である。また、暗
号化されていないメモリを読み込むこともできるよう、
復号手段に非暗号化領域を判定する手段を持たせ、復号
変換の実行を制御することも考え得る。

【００２２】図１の実施例では、ＣＰＵ３００のアドレ
ス出力３０３に応じて外部メモリ２００のデータ出力２
０１に出力された暗号データを、復号回路４００の暗号
入力４０１に入力し、鍵入力４０３を鍵として復号した
結果を復号出力４０２より出力し、ＣＰＵ３００のデー
タ入力３０１に与える。この構成では、ＣＰＵ３００の
データ出力３０２は暗号化されずに外部メモリ２００に
書き出されるため、ＣＰＵ３００が書き出したデータを
再度読み込む場合に、復号回路はこれを判断して変換を
行わないようにする必要がある。この判断は、例えば前
述のような非暗号化領域の判定手段を用意して、読み出
し専用（ＲＯＭ）領域と読み書き両用（ＲＡＭ）領域の
区別を行えば良い。図１の構成は、ＲＯＭ上に格納した
プログラムおよびデータのみを保護すれば良いような用
途に適している。

【００２３】図２の実施例では、図１の構成に暗号化回
路５００を加えて、ＣＰＵ３００のデータ出力３０２を
暗号化回路５００の平文入力５０１に入力し、鍵入力５
０３を鍵として暗号化した結果を暗号出力５０２より出
力し、外部メモリ２００に与えている。これにより、Ｒ
ＯＭ領域のみならずＲＡＭ領域の暗号化が可能となり、
ＣＰＵ３００の処理する生のデータを外部に全く出さな
いことにより、解読に対する強度が向上する。

【００２４】図３の実施例では、図１の構成に秘密情報
保持手段６１０と秘密情報入力手段６２０を加え、秘密
情報保持手段６１０に格納された秘密情報を、復号手段
４００の鍵入力４０４に与えている。同様に、図４の実
施例では、図２の構成に秘密情報保持手段６１０と秘密
情報入力手段６２０を加え、秘密情報保持手段６１０に
格納された秘密情報を、復号手段４００の鍵入力４０４
および暗号化手段５００の鍵入力５０４に与えている。
秘密情報保持手段６１０は、例えばバッテリバックアッ
プされたレジスタや、ＥＰＲＯＭ等の後書き可能なメモ
リを用いて実現できる。

【００２５】秘密情報保持手段６１０を持たない構成で
は、万が一発明の暗号データ処理装置と同一の機能を実
現する複製装置が作成された場合、それ以前に出荷され
たソフトウェアやデータがその複製装置を用いれば全て
利用可能となってしまう。勿論それ以後はその装置を使
用する意義は失われ、別の暗号変換を用いた装置を新た
に開発しなければならない。

【００２６】図３および図４の構成の如く、秘密情報保
持手段６１０を持った構成であれば、同様の複製装置が
作成された場合においても、その秘密情報保持手段６１
０に格納されるべき正しい秘密情報を入手しなければ、
暗号化されたメモリの情報を利用することはできない。
次に、本発明の装置の暗号変換および復号変換の一実
施例について説明する。暗号化回路の実施例を図５に、
図５の暗号変換の逆変換を施す復号回路の実施例を図６
に示す。

【００２７】図５の暗号変換回路例５００は、３２ビッ
トの鍵入力に応じて１６ビットの平文入力から１６ビッ
トの暗号出力を出力する暗号変換を実現する回路であ
り、４ビット入力４ビット出力の変換ＲＯＭ５１１〜５
１８と、１６ビット入力を４ビットずつ４つに分割する
ビット分割回路５２１〜５２２と、４つの４ビット入力
を１６ビットに再合成するビット合成回路５３１〜５３
２と、１６ビットのビット毎の排他的論理和をとる排他
的論理和回路５４１〜５４２とから構成されている。変
換処理は、１６ビットの平文入力に対して、まず、鍵入
力５０３の一部の１６ビットとビット毎の排他的論理和
をとり、この出力をビット分割回路５２１により４ビッ
トずつ４つに分割し、４ビットの各々に対して変換ＲＯ
Ｍ５１１〜５１４を用いて変換を施し、ビット統合回路
５３１を用いて再度１６ビットにまとめる。得られた出
力に対して同様に、鍵入力５０３の残りの１６ビットと
ビット毎の排他的論理和をとり、この出力をビット分割
回路５２２により４ビットずつ４つに分割し、４ビット
の各々に対して変換ＲＯＭ５１５〜５１８を用いて変換
を施し、ビット統合回路５３２を用いて再度１６ビット
にまとめ、暗号出力５０２に出力する。

【００２８】変換ＲＯＭ５１１〜５１８が行う変換の例
を図７に示す。この表は、例えば、ＲＯＭ５１１に入力
１０１０が与えられた時に０１１０が出力されることを
示している。このような変換手段は特にＲＯＭである必
要はなく、任意の回路で構成することができるが、でき
るだけランダムな変換を行うものが好ましい。

【００２９】図６の復号変換回路例４００は、３２ビッ
トの鍵入力に応じて１６ビットの暗号入力から１６ビッ
トの復号出力を出力する復号変換を実現する回路であ
り、４ビット入力４ビット出力の変換ＲＯＭ４１１〜４
１８と、１６ビット入力を４ビットずつ４つに分割する
ビット分割回路４２１〜４２２と、４つの４ビット入力
を１６ビットに再合成するビット合成回路４３１〜４３
２と、１６ビットのビット毎の排他的論理和をとる排他
的論理和回路４４１〜４４２とから構成されている。変
換処理は、１６ビットの暗号入力に対して、まず、鍵入
力４０３の一部の１６ビットとビット毎の排他的論理和
をとり、この出力をビット分割回路４２２により４ビッ
トずつ４つに分割し、４ビットの各々に対して変換ＲＯ
Ｍ５１５〜５１８を用いて変換を施し、ビット統合回路
５３２を用いて再度１６ビットにまとめる。得られた出
力に対して同様に、鍵入力５０３の残りの１６ビットと
ビット毎の排他的論理和をとり、この出力をビット分割
回路５２１により４ビットずつ４つに分割し、４ビット
の各々に対して変換ＲＯＭ５１１〜５１４を用いて変換
を施し、ビット統合回路５３１を用いて再度１６ビット
にまとめ、復号出力５０２に出力する。

【００３０】変換ＲＯＭ４１１〜４１８の行う変換の例
を図８に示す。図７の各変換ＲＯＭ５１１〜５１８の変
換と図７の各変換ＲＯＭ４１１〜４１８の変換とは、互
いに逆変換の関係となっている。また、ビット分割回路
５２１, ５２２, ４２１, ４２２は、それぞれビット合
成回路４３１, ４３２, ５３１, ５３２と互いに逆変換
の関係にある。したがって、排他的論理和回路５４１,
５４２に鍵入力５０３から入力する値と、排他的論理和
回路４４１, ４４２に鍵入力４０３から入力する値が等
しい場合に、暗号変換と復号変換が互いに逆変換である
ことが保証される。

【００３１】図５の暗号変換回路に注目すると、平文入
力５０１の１ビットの変化は変換ＲＯＭ５１１〜５１４
の内どれかに入力され、ビット合成回路５３１の入力の
４ビットに影響を与える。また、同じように、ビット合
成回路５３１の出力の１ビットの変化は変換ＲＯＭ５１
５〜５１８のどれかに入力され、ビット合成回路５３２
の入力の４ビットに影響を与える。そこで、ビット合成
回路５３１が、変換ＲＯＭ５１１の出力４ビットを１ビ
ットずつ変換ＲＯＭ５１５〜５１８に与えるようにビッ
トを並べかえ、変換ＲＯＭ５１２〜５１４の出力も同じ
ように並べかえれば、平文入力５０１の内の１ビットの
変化は、暗号出力５０２の１６ビット（つまりすべて）
に影響を及ぼすことになり、言い替えれば、入力の１ビ
ットの変化が出力の任意のビットに変化を及ぼす可能性
を秘めていることになる。鍵入力５０３についても同様
な性質が得られる。このような性質は暗号解読を非常に
困難にする。

【００３２】図５における暗号変換は、平文入力に固定
の入力を与えた場合でも、鍵入力を変化させることによ
って、暗号出力に暗号出力が取りうる全て又はほとんど
の値が出現する変換でもよいし、鍵入力を固定して平文
入力の任意の１ビットを反転した時に暗号出力側で反転
するビットの位置が、鍵入力および平文入力によって変
換する変換でもよいし、暗号出力の各ビットの値が、平
文入力の値の一次式で表現できない非線形変換でもよい
し、暗号変換又は復号変換のアルゴリズムが知られた場
合においても平文と暗号化データの対から鍵入力を容易
には求められない変換でもよい。

【００３３】

【発明の効果】メモリ上の暗号化された情報は、本発明
の装置および秘密情報を入手しなければ使用できないた
め、メモリのコピーによるプログラムまたはデータの盗
用を防止できる。従来は同じ平文が同じ暗号データに変
換される確率が高かったために容易に暗号解読されてい
たが、暗号変換のパラメータとしてアドレス情報を直接
利用することによりこれを防止し、解読に対する強度を
向上させた暗号化メモリ処理装置を提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図

【図２】暗号化手段を備えた本発明の一実施例を示すブ
ロック図

【図３】秘密情報保持手段を備えた本発明の一実施例を
示すブロック図

【図４】暗号化手段と秘密情報保持手段を備えた本発明
の一実施例を示すブロック図

【図５】本発明の暗号化手段の一実施例を示すブロック
図

【図６】図５の暗号化手段の逆変換を行う復号手段を示
すブロック図

【図７】図５の変換ＲＯＭの変換の例を示す変換表

【図８】図６の変換ＲＯＭの変換の例を示す変換表

【図９】従来の暗号命令処理装置のブロック図

【図１０】従来の模倣防止機能付プロセッサのブロック
図

【符号の説明】

１００本発明の一実施例を示すブロック図２００外部メモリ２０１データ出力２０２データ入力２０３アドレス入力３００データ処理手段３０１データ入力３０２データ出力３０３アドレス出力４００復号手段４０１暗号入力４０２復号出力４０３、４０４鍵入力４１１〜４１８変換ＲＯＭ４２１〜４２２ビット分割回路４３１〜４３２ビット合成回路４４１〜４４３排他的論理和回路５００暗号化手段５０１平文入力５０２暗号出力５０３、５０４鍵入力５１１〜５１８変換ＲＯＭ５２１〜５２２ビット分割回路５３１〜５３２ビット合成回路５４１〜５４３排他的論理和回路６１０秘密情報保持手段６２０秘密情報入力手段９１０従来の装置９１１命令実行手段９１２プログラムカウンタ９１３選択回路９１４アドレス領域判定回路９１５〜９１７第１の命令解釈手段９３０従来の装置９３１データ処理手段９３２データ入力９３３アドレス出力９３４変換回路９３５内部メモリ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平文に対して暗号鍵を用いて暗号変換を
施した暗号データを格納するメモリを接続し、アドレス
出力、データ入出力を有するデータ処理手段と、前記ア
ドレス出力の一部または全部を暗号鍵として入力し、該
暗号鍵が前記平文に対する暗号鍵と同一の時に前記暗号
変換の逆変換となる復号変換を行い前記データ処理手段
のデータ入力に与える復号手段を有することを特徴とす
る暗号化データ処理装置。
【請求項２】前記復号手段と同一の暗号鍵を入力し、
前記データ処理手段のデータ出力を暗号変換する暗号化
手段を更に備え、前記暗号化手段の出力を前記アドレス
出力に応じて前記メモリに書き込むことを特徴とする請
求項１記載の暗号化データ処理装置。
【請求項３】秘密情報を保持するための秘密情報保持
手段と、前記秘密情報を入力して前記秘密情報保持手段
に格納するための秘密情報入力手段とを更に備え、前記
アドレス出力の一部または全部と、前記秘密情報保持手
段に保持された秘密情報とを前記復号手段及び前記暗号
化手段の暗号鍵とすることを特徴とする請求項１又は２
記載の暗号化データ処理装置。
【請求項４】前記暗号変換は、平文、暗号鍵の少なく
とも一方を、複数のビットから構成される複数のグルー
プに分解し、該グループの各々に対して変換を施した
後、再度合成する処理を１つ以上含む変換であることを
特徴とする請求項１、２又は３記載の暗号化データ処理
装置。
【請求項５】前記暗号変換は、平文のビット幅以上の
ビット幅を持つ暗号鍵を入力とし、該暗号鍵を該平文と
等しいビット幅に縮小し、該平文の各ビット毎の排他的
論理和をとることを特徴とする請求項１、２又は３記載
の暗号化データ処理装置。