JP4150886B2 - 暗号化復号化演算装置およびデータ受信装置 - Google Patents

暗号化復号化演算装置およびデータ受信装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、データの暗号化または復号化のためにデータを演算する装置、および、この暗号化復号化演算装置を備えるデータ受信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
DES(Data Encryption Standard)の暗号アルゴリズムによる暗号化復号化装置として、図5に示すような装置が考えられている。
【0003】
鍵データ(秘密鍵)および入力データ(平文データまたは暗号文データ)は、いずれも64ビットで、それぞれクロックCLKによってラッチ回路81および82にラッチされる。また、暗号化か、復号化かを示すモード信号が、クロックCLKによってラッチ回路83にラッチされる。
【0004】
ラッチ回路81の出力の鍵データは、鍵生成部90に供給され、鍵生成部90から、それぞれ48ビットの16段分の鍵データK1〜K16が順次出力される。
【0005】
具体的に、ラッチ回路81の出力の64ビットの鍵データが、変換回路91で56ビットの鍵データに変換され、その上位28ビットおよび下位28ビットのデータが、シフト回路93および94において、1ビットまたは2ビット、シフトされた後、56ビットの鍵データに合成され、その56ビットの鍵データが、変換回路95で48ビットの鍵データに変換されて、第1段の鍵データが生成される。
【0006】
以下、同様のビットシフトおよび変換が実行されて、16段分の鍵データが生成され、セレクタ99に入力される。そして、ラッチ回路83の出力のモード信号によって、セレクタ99が制御されて、セレクタ99から、それぞれ48ビットの16段分の鍵データK1〜K16が、クロックCLKのパルスごとに順次出力される。
【0007】
ラッチ回路82の出力データ(平文データまたは暗号文データ)は、演算部100に供給され、演算部100において、以下のように演算される。
【0008】
まず、ラッチ回路82の出力の64ビットのデータが、初期転置回路101においてビット単位で並べ替えられ、その初期転置後の64ビットのデータ中の下位32ビットが、第1段の変換回路102で鍵データK1と演算され、関数Fによって変換された後、XOR(排他的論理和)回路103で、変換回路102の出力の32ビットのデータと、初期転置後の64ビットのデータ中の上位32ビットとがXOR演算される。
【0009】
次いで、XOR回路103の出力の32ビットのデータが、第2段の変換回路104で鍵データK2と演算され、関数Fにより変換された後、XOR回路105で、変換回路104の出力の32ビットのデータと、初期転置後の64ビットのデータ中の下位32ビットとがXOR演算される。
【0010】
以下、同様に、上位32ビットと下位32ビットが入れ替えられて、第3段以下の演算が実行された後、第16段の変換回路107に入力された32ビットのデータと、第16段のXOR回路108の出力の32ビットのデータとが合成され、その合成後の64のデータが、逆転置回路109においてビット単位で並べ替えられる。
【0011】
その逆転置後の64ビットのデータが、クロックCLKによってラッチ回路84にラッチされて、ラッチ回路84から、出力データとして、暗号化または復号化されたデータが得られる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した暗号化復号化演算装置では、鍵生成部90が、ラッチ回路(サンプリング回路)を含まない非同期回路であって、入力された鍵データから16段の鍵データを一度に生成し、セレクタ99で選択するだけであるので、鍵生成部90の出力の鍵データK1〜K16は、変化点付近でノイズ(信号線電位の変化)が多く重畳されたものとなり、演算部100での消費電力が大きくなる。
【0013】
そこで、この発明は、消費電力の著しく少ない演算装置を実現できるようにしたものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、
入力データをラッチする第1のラッチ手段と、
この第1のラッチ手段の出力データに、ビット単位の並べ替えを施す初期転置手段と、
この初期転置手段の出力データと、後記の別データとの、いずれかを選択する第1の選択手段と、
この第1の選択手段の出力データ中の上位ビットと下位ビットのうちの一方と、鍵データとを演算する第1の演算手段と、
この第1の演算手段の出力データをラッチする第2のラッチ手段と、
この第2のラッチ手段の出力データを演算する第2の演算手段と、
この第2の演算手段の出力データと、前記第1の選択手段の出力データ中の上位ビットと下位ビットのうちの他方とを演算する第3の演算手段と、
この第3の演算手段の出力データと、前記第1の選択手段の出力データ中の上位ビットと下位ビットのうちの一方とを、上位ビットと下位ビットを入れ替えて合成する入れ替え合成手段と、
この入れ替え合成手段の出力データをラッチして、前記の別データとして前記第1の選択手段に入力する第3のラッチ手段と、
前記第1の演算手段から前記第3の演算手段までの関数変換を複数回、繰り返した後のデータに、ビット単位の並べ替えを施す逆転置手段と、
前記第1の演算手段に供給される前記鍵データを生成する鍵生成部と
を備え、
前記鍵生成部は、
もとの鍵データをラッチする第4のラッチ手段と、
この第4のラッチ手段の出力データをビットシフトするシフトレジスタと、
このシフトレジスタの出力を複数n段の出力データに変換する複数n個の変換回路と、
このn個の変換回路の出力データを、前記第1の演算手段に供給される前記鍵データとして選択して出力する第2の選択手段と
を備える暗号化復号化演算装置
とするものである。
【0015】
上記の構成の演算装置では、第1の演算手段の出力データが第2のラッチ手段でラッチされることによって、非同期回路からのデータのノイズが吸収されて、第2のラッチ手段の出力信号としては、ラッチ用のクロックの変化点でのみ電位が変化するものとなり、第2のラッチ手段以降の第2の演算手段での消費電力が著しく少なくなる。
【0016】
【発明の実施の形態】
〔暗号化復号化演算装置の実施形態:図1〜図3〕
図1および図2は、この発明による暗号化復号化演算装置の一実施形態を示し、図2は図1の演算部60中の変換回路70の部分を詳細に示したものである。
【0017】
この実施形態の暗号化復号化演算装置の暗号アルゴリズムは、DESの暗号アルゴリズムに従うものである。
【0018】
鍵データ(秘密鍵)および入力データ(平文データまたは暗号文データ)は、いずれも64ビットで、それぞれクロックCLK1によってラッチ回路41および46にラッチされる。
【0019】
また、暗号化か、復号化かを示すモード信号が、クロックCLK1によってラッチ回路42にラッチされる。さらに、16段のカウンタ44によって、スタート信号の時点から,クロックCLK1がカウントされる。
【0020】
ラッチ回路41の出力の鍵データ、ラッチ回路42の出力のモード信号、およびカウンタ44の出力信号は、鍵生成部50に供給され、鍵生成部50から、それぞれ48ビットの16段分の鍵データK1〜K16が順次出力される。
【0021】
具体的に、ラッチ回路41の出力の64ビットの鍵データが、変換回路51で56ビットの鍵データに変換され、その56ビットの鍵データが、シフトレジスタ53において、ラッチ回路42の出力信号によって、1ビットまたは2ビットずつ順次、シフトされて、それぞれ56ビットの鍵データが16個得られる。
【0022】
さらに、この16個の、それぞれ56ビットの鍵データが、それぞれ変換回路55で48ビットの鍵データに変換され、その16個の、それぞれ48ビットの鍵データが、セレクタ57において、カウンタ44の出力信号によって、クロックCLK1のパルスごとに順次選択されて、上記の鍵データK1〜K16が、クロックCLK1のパルスごとに順次得られる。
【0023】
このように、鍵生成部50では、入力された鍵データから16段の鍵データを一度に生成し、セレクタ57で選択するだけであるので、鍵生成部50の出力の鍵データK1〜K16は、変化点付近でノイズ(信号線電位の変化)が多く重畳されたものとなる。
【0024】
ラッチ回路46の出力データ(平文データまたは暗号文データ)は、演算部60に供給される。演算部60は、1段分の演算回路によって16段の演算が循環的に繰り替えされる構成とされる。
【0025】
すなわち、最初は、ラッチ回路46の出力の64ビットのデータが、初期転置回路61においてビット単位で並べ替えられ、その初期転置後の64ビットのデータが、カウンタ44によって制御されるセレクタ62から出力され、その出力された64ビットのデータ中の下位32ビットが、変換回路70で鍵データK1と演算され、関数Fによって変換される。
【0026】
具体的に、変換回路70では、図2に示すように、下位32ビットのデータが、拡大転置回路71において、ビット単位で並べ替えられるとともに、同じビットが複数回選択されることによって48ビットのデータに変換された後、XOR回路73で、その48ビットのデータと、同じく48ビットの鍵データK1とがXOR演算される。
【0027】
さらに、XOR回路73の出力の48ビットのデータが、上記のクロックCLK1に対して位相がずれたクロックCLK2によって、ラッチ回路75にラッチされる。
【0028】
このようにクロックCLK1と位相の異なるクロックCLK2でXOR回路73の出力データをラッチするのは、図3に示すように、クロックCLK1の変化点(立ち上がりエッジ)に対して、鍵生成部50の出力の鍵データK1〜K16、および拡大転置回路71の出力データが遅れ、XOR回路73の出力データも遅れるため、クロックCLK1でXOR回路73の出力データをラッチした場合には、1クロック前のデータがラッチされてしまうからである。具体的に、例えば、クロックCLK2はクロックCLK1に対して逆相とする。
【0029】
そして、このようにXOR回路73の出力データをラッチ回路75でラッチすることによって、鍵生成部50の出力の鍵データK1〜K16の上述したノイズが吸収されて、ラッチ回路75の出力信号としては、クロックCLK2の変化点でのみ電位が変化するものとなり、ラッチ回路75以降の回路部での消費電力が著しく少なくなる。
【0030】
ラッチ回路75の出力の48ビットのデータは、6ビットずつ8分割され、その分割された、それぞれ6ビットのデータが、それぞれルックアップテーブル77によって4ビットのデータに置き換えられる。
【0031】
さらに、その置き換え後の、それぞれ4ビットの8個のデータが、32ビットのデータに合成され、その32ビットのデータが、転置回路79においてビット単位で並べ替えられる。
【0032】
以上で、第1段の演算中の、変換回路70での処理を終了する。第1段の演算としては、さらに、XOR回路64で、転置回路79の出力の32ビットのデータと、初期転置後のセレクタ62から出力された64ビットのデータ中の上位32ビットとがXOR演算される。
【0033】
以上で、第1段の演算を終了する。そして、入れ替え合成回路66で、上位32ビットと下位32ビットが入れ替えられるように、拡大転置回路71に入力された32ビットのデータと、XOR回路64の出力の32ビットのデータとが合成され、その合成後の64ビットのデータが、クロックCLK1によってラッチ回路47にラッチされる。
【0034】
第2段以降の演算では、初期転置回路61の出力データに代えて、このラッチ回路47の出力の64ビットのデータが、セレクタ62から出力され、鍵データK1に代えて、鍵データK2以降の鍵データが変換回路70のXOR回路73に入力されて、第1段の演算と同様の演算が実行される。
【0035】
そして、第16段の演算後は、入れ替え合成回路66による上位32ビットと下位32ビットの入れ替えは不要であるので、入れ替え合成回路66による入れ替え合成後の64ビットのデータは、入れ替え回路67で、上位32ビットと下位32ビットが入れ替えられた後、逆転置回路69においてビット単位で並べ替えられる。
【0036】
その逆転置後の64ビットのデータが、クロックCLK1によってラッチ回路48にラッチされて、ラッチ回路48から、出力データとして、暗号化または復号化されたデータが得られる。
【0037】
この実施形態の暗号化復号化演算装置では、上述したように消費電力が著しく少なくなる。しかも、演算部60は、1段分の演算回路によって16段の演算が循環的に繰り替えされる構成であるので、演算装置のゲート数を減少させることができ、回路規模を縮小することができる。
【0038】
なお、上述した実施形態は、DES暗号アルゴリズムに従う場合であるが、必ずしもDES暗号アルゴリズムと同じである必要はなく、入力データ(平文データまたは暗号文データ)および鍵データのビット長や、演算の段数などを、増加させるなどの変更を行ってもよい。
【0039】
〔データ受信装置の実施形態:図4〕
図4は、この発明の暗号化復号化演算装置を備える、この発明のデータ受信装置の一実施形態としての記録再生装置を含むデータ受信システムを示す。
【0040】
この例のデータ受信システムでは、記録媒体1からのリッピングや、インターネットを利用した配信システム2からのダウンロードなどによって、PCなどの端末10で、符号化され、かつ秘密鍵によって暗号化されたデータが受信される。
【0041】
その受信された暗号文データは、端末10から、端末10のUSB(Universal Serial Bus)端子に接続された記録再生装置20に送信される。
【0042】
記録再生装置20は、記録媒体5上にデータを記録し、記録媒体5上からデータを再生するもので、これに暗号化復号化装置30が設けられる。
【0043】
暗号化復号化装置30は、図1および図2に示して上述した暗号化復号化演算装置を、暗号化復号化処理部40として備えるほか、CPU31を備え、そのバス32に、CPU31が実行すべきコマンド送受や暗号化復号化処理などのプログラムや必要な固定データなどが書き込まれたROM33、CPU31のワークエリアなどとして機能するRAM34、端末10との間でコマンドを送受し、端末10からデータを取り込むUSBインタフェース36、記録再生装置本体部のDSP(Digital Signal Processor)26にデータを出力するためのインタフェース37、および記録再生装置本体部のCPU21との間でコマンドを送受するためのインタフェース39が接続される。
【0044】
この暗号化復号化装置30は、ワンチップLSI(大規模集積回路)として形成される。
【0045】
記録再生装置本体部は、CPU21のバス22に、CPU21が実行すべきプログラムや必要な固定データなどが書き込まれたROM23、CPU21のワークエリアなどとして機能するRAM24、および上記のDSP26が接続され、DSP26に、記録再生処理部27、および出力処理部28が接続される。
【0046】
暗号化復号化装置30では、USBインタフェース36を介して端末10から取り込まれた、符号化され、かつ秘密鍵によって暗号化されたデータが、暗号化復号化処理部40において、上述したように復号化され、その復号化された平文データとしての、符号化されたデータが、インタフェース37を介してDSP26に送出され、DSP26で処理された後、記録再生処理部27によって記録媒体5上に記録され、または出力処理部28によってアナログ信号に変換されて出力端子29に導出される。
【0047】
記録媒体5としては、光ディスク、ハードディスク、フレキシブルディスク、磁気テープ、メモリカード、半導体メモリなど、いずれでもよい。
【0048】
また、このような記録再生装置に限らず、暗号化されたデータを受信し、復号化して、再生するだけで、記録機能を備えない装置にも、この発明を適用することができる。
【0049】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、消費電力の著しく少ない演算装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明による暗号化復号化演算装置の一実施形態を示す図である。
【図2】 図1の暗号化復号化演算装置の要部を示す図である。
【図3】 図1の暗号化復号化演算装置の動作の説明に供する図である。
【図4】 この発明のデータ受信装置の一実施形態としての記録再生装置を示す図である。
【図5】 従来の暗号化復号化演算装置を示す図である。

Claims (3)

  1. 入力データをラッチする第1のラッチ手段と、
    この第1のラッチ手段の出力データに、ビット単位の並べ替えを施す初期転置手段と、
    この初期転置手段の出力データと、後記の別データとの、いずれかを選択する第1の選択手段と、
    この第1の選択手段の出力データ中の上位ビットと下位ビットのうちの一方と、鍵データとを演算する第1の演算手段と、
    この第1の演算手段の出力データをラッチする第2のラッチ手段と、
    この第2のラッチ手段の出力データを演算する第2の演算手段と、
    この第2の演算手段の出力データと、前記第1の選択手段の出力データ中の上位ビットと下位ビットのうちの他方とを演算する第3の演算手段と、
    この第3の演算手段の出力データと、前記第1の選択手段の出力データ中の上位ビットと下位ビットのうちの一方とを、上位ビットと下位ビットを入れ替えて合成する入れ替え合成手段と、
    この入れ替え合成手段の出力データをラッチして、前記の別データとして前記第1の選択手段に入力する第3のラッチ手段と、
    前記第1の演算手段から前記第3の演算手段までの関数変換を複数回、繰り返した後のデータに、ビット単位の並べ替えを施す逆転置手段と、
    前記第1の演算手段に供給される前記鍵データを生成する鍵生成部と
    を備え、
    前記鍵生成部は、
    もとの鍵データをラッチする第4のラッチ手段と、
    この第4のラッチ手段の出力データをビットシフトするシフトレジスタと、
    このシフトレジスタの出力を複数n段の出力データに変換する複数n個の変換回路と、
    このn個の変換回路の出力データを、前記第1の演算手段に供給される前記鍵データとして選択して出力する第2の選択手段と
    を備える暗号化復号化演算装置。
  2. 請求項の暗号化復号化演算装置において、前記第1および第4のラッチ手段へのラッチ用のクロックと、前記第2のラッチ手段へのラッチ用のクロックは、位相がずれたものとされる暗号化復号化演算装置。
  3. 請求項またはの暗号化復号化演算装置を備え、受信された暗号化されたデータを当該暗号化復号化演算装置によって復号化して出力するデータ受信装置。
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