JP2003198534A - データ暗号化装置及びその方法 - Google Patents

データ暗号化装置及びその方法

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JP2003198534A
JP2003198534A JP2002279831A JP2002279831A JP2003198534A JP 2003198534 A JP2003198534 A JP 2003198534A JP 2002279831 A JP2002279831 A JP 2002279831A JP 2002279831 A JP2002279831 A JP 2002279831A JP 2003198534 A JP2003198534 A JP 2003198534A
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Sang Joon Nam
相 俊 南
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プロセッサとメモリ間の動的データ暗号化時
に不要な再暗号化によるメモリ書込み動作を防いで消費
電力を減少させることができる暗号化装置を提供する。 【解決手段】 プロセッサ１０とメモリ２０間のデータ
暗号化装置において、プロセッサは、入力されたデータ
を暗号化するか、又は暗号化されたデータを復号化する
モジュール１２と、データ暗号化／復号化に用いられる
秘密キーを貯蔵するキーテーブル１３と、モジュールの
暗号化動作に用いられるインデックスを生成する制御手
段１４とを含んで構成され、メモリは、プロセッサのモ
ジュールにより暗号化されたデータを貯蔵するメモリセ
ルアレイ２１と、プロセッサの制御手段で生成され、入
力されたデータの暗号化に用いられたインデックスを貯
蔵するキー状態メモリ２２とを含んで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プロセッサとメモ
リ間のデータ暗号化装置及び方法（ｃｒｙｐｔｏｇｒａ
ｐｈｙ ｓｙｓｔｅｍ）に関し、特に、データを書き込
むときデータ暗号化に複数の秘密キーのうちの何れを用
いたのかを示すインデックスをメモリの別のメモリ領域
に記録し、暗号化されたデータを読み出すときに貯蔵さ
れた該当インデックスも共に読み出して復号化に用いる
ことにより、再暗号化（ｒｅ−ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ）
が無く、動的データ暗号化が可能で再暗号化による不要
なメモリの書込みを防ぎ、消費電力を減少させることが
できる、データ暗号化装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】暗号化システムは、外部からの攻撃（ａ
ｔｔａｃｋ）より内部システムを保護することに目的が
ある。例えば、スマートカード（ＩＣカード）の普及が
益々増加する現在の情報化社会では、スマートカードに
内蔵された使用者の個人情報と出入金の取引等が保護さ
れなければならない。何故ならば、このような情報は、
一定の演算処理後に定められたメモリに貯蔵されるた
め、これらのメモリが外部攻撃者（ａｔｔａｃｋｅｒ）
等のデータ不正詐取の攻撃目標になるためである。
【０００３】プロセッサとメモリの間のデータ暗号化方
法には、メモリスクランブル（ｍｅｍｏｒｙ ｓｃｒａ
ｍｂｌｉｎｇ）、バススクランブル（ｂｕｓ ｓｃｒａ
ｍｂｌｉｎｇ）と動的暗号化（ｄｙｎａｍｉｃ ｅｎｃ
ｒｙｐｔｉｏｎ）方法が用いられている。
【０００４】先ず、メモリスクランブル方法は、データ
をメモリに貯蔵するとき、元来のアドレスを利用するの
ではなく、一定のアルゴリズムにより変換されたアドレ
スを利用してその貯蔵位置を異なるようにすることによ
り、外部からメモリ内容を理解できないようにする方法
である。
【０００５】バススクランブル方法は、プロセッサとメ
モリの間のバスを非順次配列することにより、外部から
バスを探針（ｐｒｏｂｅ）してもメモリ内容を解釈でき
ないようにする方法である。
【０００６】このような方法は、チップの設計時に静的
に固定されるため、数回の試行錯誤（ｔｒｉａｌ ａｎ
ｄ ｅｒｒｏｒ）方法でデータが流出される可能性が高
いという問題点がある。上記の方法が全て静的なスクラ
ンブル方法を用いているため、スクランブルが容易に壊
れる可能性があるという問題点を補うため米国特許
（Ｕ．Ｓ．Ｐ．Ｎｏ．５９８７５７２）で動的暗号化
（ｄｙｎａｍｉｃ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ）方法が提案
された。
【０００７】動的暗号化方法は、メモリアクセス要求
（ｍｅｍｏｒｙ ａｃｃｅｓｓ ｒｅｑｕｅｓｔ）がな
い間、ポインターにより指定されたメモリからデータが
読み出され、読み出されたデータは第１の秘密キー（ｓ
ｅｃｒｅｔ ｋｅｙ）を用いて復号化された後、そのデ
ータは第２の秘密キーを用いて暗号化され、暗号化され
たデータはポインターにより指定されたメモリ位置ポイ
ントに再びライトされる再暗号化（ｒｅ−ｅｎｃｒｙｐ
ｔｉｏｎ）方法を用いる。
【０００８】このように、動的暗号化方法はポインター
でメモリ領域のデータを互いに異なる２つの秘密キーを
利用して暗号化する方法である。このような方法で、メ
モリアクセス要求がない時間の間に行われる秘密キー使
用情報を更新するための再暗号化（ｒｅ−ｅｎｃｒｙｐ
ｔｉｏｎ）動作は純粋にデータ暗号化を維持するための
もので、実際のプロセッサで行われるデータを暗号化す
る動作では不要な動作である。
【０００９】特に、スマートカードで広く用いられるＥ
ＥＰＲＯＭの場合は書込み回数に制限があるため、この
ような不要な再暗号化はスマートカードの寿命を短縮さ
せるという問題点がある。さらに、度々行われる再暗号
化により全体のチップで消費される電力が増加するとい
う問題点がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は上記
従来のデータ暗号化装置及びその方法における問題点に
鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、プロセ
ッサとメモリの間の動的データの暗号化時に不要な再暗
号化によるメモリ書込み動作を防ぎ、消費電力を減少さ
せ、スマートカード等のメモリ装置の寿命を延長するこ
とにあるることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
になされた本発明に係るデータ暗号化装置は、プロセッ
サとメモリ間のデータ暗号化装置において、前記プロセ
ッサは、入力されたデータを暗号化するか、又は暗号化
されたデータを復号化するモジュールと、データ暗号化
／復号化に用いられる秘密キーを貯蔵するキーテーブル
と、前記モジュールの暗号化動作に用いられるインデッ
クスを生成する制御手段とを含んで構成され、前記メモ
リは、前記プロセッサのモジュールにより暗号化された
データを貯蔵するメモリセルアレイと、前記プロセッサ
の制御手段で生成され、前記入力されたデータの暗号化
に用いられたインデックスを貯蔵するキー状態メモリと
を含んで構成されることを特徴とする。
【００１２】また、上記目的を達成するためになされた
本発明に係るデータ暗号化方法は、暗号化段階及び復号
化段階を含むデータ暗号化方法において、前記暗号化段
階は、インデックスを生成するインデックス生成段階
と、前記インデックスに従って暗号化に用いられる秘密
キーを選択するキー選択段階と、暗号化に用いられたイ
ンデックスを、メモリのキー状態の貯蔵領域に貯蔵する
インデックス貯蔵段階と、選択された秘密キーを利用し
て入力されたデータを暗号化する段階とを含んで構成さ
れ、前記復号化段階は、前記メモリに貯蔵された暗号化
されたデータを読み出すデータリード段階と、前記メモ
リのキー状態の貯蔵領域に貯蔵されているインデックス
を読み出すインデックスリード段階と、前記読み出され
たインデックスに従って復号化に用いられる秘密キーを
選択する秘密キー選択段階と、前記選択された秘密キー
を利用して前記暗号化されたデータを復号化する段階と
を含んで構成されることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係るデータ暗号化
装置及びその方法の実施の形態の具体例を図面を参照し
ながら説明する。図１は、本発明に係るプロセッサとメ
モリの間の動的データ暗号化装置を示すブロック図であ
る。
【００１４】図１に示すように、データ暗号化装置はプ
ロセッサ１０及びメモリブロック２０で構成されるが、
プロセッサ１０は外部から入力されたデータ（ＤＡＴ
Ａ）を貯蔵するコア１１、コア１１に貯蔵されたデータ
（ＤＡＴＡ）を暗号化／復号化する暗号化／復号化モジ
ュール１２、データ暗号化／復号化に用いられる秘密キ
ー（Ｋ１〜Ｋｎ）を貯蔵するキーテーブル１３、及びデ
ータ暗号化／復号化に用いられる秘密キー（Ｋｉ）を選
択するインデックス（ＩＮＤ）を生成する制御部１４を
含んで構成され、メモリブロック２０は、プロセッサ１
０で暗号化されたデータ（ＥＤＡＴＡ）を貯蔵するメモ
リセルアレイ２１、及びデータ暗号化に用いられたイン
デックス（ＩＮＤ）を貯蔵するキー状態メモリ２２を含
んで構成される。
【００１５】ここで、メモリブロック２０には動的デー
タ暗号化情報であるインデックス（ＩＮＤ）をメモリブ
ロック２０のキー状態メモリ２２に貯蔵する。すなわ
ち、データを書き込むとき（ｍｅｍｏｒｙ ｗｒｉｔ
ｅ）データ暗号化にｎ個の秘密キー（Ｋ１〜Ｋｎ）のう
ちどれを用いたのかを示すインデックス（ＩＮＤ）をキ
ー状態メモリ２２に記録し、データを読み出すとき（ｍ
ｅｍｏｒｙ ｒｅａｄ）キー状態メモリ２２に貯蔵され
た該当インデックス（ＩＮＤ）も暗号化されたデータ
（ＥＤＡＴＡ）と共に読み出して復号化に用いる。ここ
で、キー状態メモリ２２はメモリの各々のアクセス最小
単位（一般にバイト）別に２Ｎビットのセルを追加して
構成するが、キー状態メモリ２２を構成するメモリセル
は一般的なメモリセルと同様に構成することができる。
【００１６】さらに、キーテーブル１３は、ｎ個の秘密
キー（Ｋ１〜Ｋｎ）を貯蔵するレジスター又はメモリセ
ルで構成されている。暗号化時に制御部１４から出力さ
れたインデックス（ＩＮＤ）、又は復号化時にメモリブ
ロック２０のキー状態メモリ２２から出力されたインデ
ックス（ＩＮＤ）に従い、ｎ個の秘密キー（Ｋ１〜Ｋ
ｎ）のうちから１つの秘密キー（Ｋｉ又はＫｍ）がＮ−
ｔｏ−１マルチプレクサ１５（図２参照）を介し選択さ
れて暗号化又は復号化に用いられる。ここで、ｎはシス
テム仕様に従い自由に設定できる数であり、ｎ個の秘密
キー（Ｋ１〜Ｋｎ）は乱数発生器（ｒａｎｄｏｍ ｎｕ
ｍｂｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）（図示省略）を介し予
め生成されていると仮定する。
【００１７】制御部１４は、キーテーブル１３に貯蔵さ
れた秘密キーのうち実際に暗号化を行う秘密キーのイン
デックス（ＩＮＤ）を定める。ここでは、制御部１４が
グローバルインデックス（ｇｌｏｂａｌ ｉｎｄｅｘ）
を貯蔵した２Ｎビットレジスタ１７と２Ｎビット増分器
（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔｏｒ）１８（図２参照）で構成さ
れている。
【００１８】また、制御部１４の他の実施例としてイン
デックス（ＩＮＤ）を発生させるため、２Ｎビット乱数
発生器（ｒａｎｄｏｍ ｎｕｍｂｅｒ ｇｅｎｅｒａｔ
ｏｒ）で構成することもできる。
【００１９】図２に示すように、メモリ書込み演算時
に、ビットレジスター１７に貯蔵された値が暗号化イン
デックス（ＩＮＤ）に用いられ、この値は次回のメモリ
書込み演算のため増分器１８で＋１ほど増加されビット
レジスター１７に貯蔵される。このようなポスト増分
（ｐｏｓｔ−ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）演算により同じアド
レスに貯蔵されるデータであるとしても、メモリ書込み
演算が行われる時点に応じて互いに異なる秘密キーを利
用し、データが動的に暗号化される。暗号化時に用いら
れたインデックス（ＩＮＤ）は、暗号化に用いられた秘
密キーと復号化に用いられる秘密キーを一致させるた
め、メモリブロック２０のキー状態メモリ２２に貯蔵さ
れる。
【００２０】暗号化／復号化モジュール１２は、キーテ
ーブル１３から選択された秘密キーを用い、プロセッサ
１０のデータ（ＤＡＴＡ）を暗号化するか、又はメモリ
に貯蔵された暗号化されたデータ（ＥＤＡＴＡ）を復号
化する。したがって、データ暗号化制御部１４のインデ
ックス（ＩＮＤ）により暗号化する度に互いに異なる秘
密キーが選択されるため、動的なデータ暗号化が行われ
る。ここでは、暗号化／複合化部１６が排他的ＯＲ（Ｅ
ＯＲ）ロジック演算でデータと秘密キーを暗号化／複合
化している場合を例に挙げた。排他的ＯＲロジック演算
は対称（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）演算であるので、暗号化
に用いられた同じ秘密キーにより暗号化されたデータ
（ＥＤＡＴＡ）を複合化するため、元来のデータ（ＤＡ
ＴＡ）に正確に復元される。
【００２１】図２は、図１に示した本発明に係るデータ
暗号化装置を用いてデータ書込み動作の間のデータ暗号
化過程を示す概念図である。図２に示すように、データ
書込み動作は、先ず、制御部１４で暗号化インデックス
（ＩＮＤ）が生成される。ここで、暗号化インデックス
（ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ）（ＩＮＤ）はメ
モリ書込み動作の度に異なる値に設定されるため、増分
器１８により値が増加されビットレジスタ１７に貯蔵さ
れる。
【００２２】マルチプレクサ１５は、制御部１４から出
力されたインデックス（ＩＮＤ）に従ってキーテーブル
１３から出力された複数の秘密キー（Ｋ１〜Ｋｎ）のう
ち暗号化に用いられる秘密キー（Ｋｉ）を選択する。
【００２３】排他的ＯＲゲートで構成された暗号化／複
号化部１６は、選択された秘密キー（Ｋｉ）を利用して
コア１１（図１参照）に貯蔵されたデータ（ＤＡＴＡ）
を暗号化することになる。
【００２４】暗号化されたデータ（ＥＤＡＴＡ）は、メ
モリブロック２０のメモリセルアレイ２１に書き込まれ
ることになるが、このとき、暗号化に用いられたインデ
ックス（ＩＮＤ）もメモリブロック２０の該当するキー
状態メモリ２２に貯蔵される。
【００２５】図３は、図１に示した本発明に係るデータ
暗号化装置を用いてデータ読出し動作の間のデータ復号
化の過程を示す概念図である。図３に示すように、デー
タ読出し動作は、先ず、メモリブロック２０のメモリセ
ルアレイ２１で暗号化されたデータ（ＥＤＡＴＡ）を読
み出すが、このとき、メモリブロック２０の該当するキ
ー状態メモリ２２に貯蔵されているインデックス（ＩＮ
Ｄ）も共に読み出す。
【００２６】マルチプレクサ１５は、メモリブロック２
０のキー状態メモリ２２から読み出されたインデックス
（ＩＮＤ）に従い、読み出された暗号化されたデータ
（ＥＤＡＴＡ）が暗号化するときに用いられた秘密キー
と同じ秘密キー（Ｋｍ）をキーテーブル１３から選択す
る。
【００２７】同一のインデックス（ＩＮＤ）が暗号化及
び復号化に用いられる秘密キーの選択に用いられるた
め、１つのデータに対する暗号化／復号化に用いられる
秘密キーは同一のものになるので、暗号化されたデータ
（ＥＤＡＴＡ）は復号化過程を介し暗号化以前のデータ
（ＤＡＴＡ）に正確に復元される。
【００２８】図４は、本発明に係るプロセッサとメモリ
の間の動的データ暗号化方法を示すフローチャートであ
る。図４及び図２を用いて以下に暗号化方法の過程を説
明する。
【００２９】先ず、データ暗号化制御部１４で暗号化イ
ンデックス（ＩＮＤ）を生成し（ステップＳ１）、次回
に用いるインデックスを予め計算して貯蔵する。マルチ
プレクサ１５は、制御部１４で生成されたインデックス
（ＩＮＤ）に従ってキーテーブル１３に貯蔵されている
複数の秘密キー（Ｋ１〜Ｋｎ）のうち暗号化に用いられ
る秘密キー（Ｋｉ）を選択する（ステップＳ２）。暗号
化に用いられたインデックス（ＩＮＤ）が、メモリブロ
ック２０の該当するキー状態メモリ２２に貯蔵される
（ステップＳ３）。選択された秘密キー（Ｋｉ）を利用
して入力されたデータ（ＤＡＴＡ）が暗号化される（ス
テップＳ４）。暗号化されたデータ（ＥＤＡＴＡ）は、
メモリブロック２０のメモリセルアレイ２１に貯蔵され
る（ステップＳ５）。
【００３０】図５は、本発明に係るプロセッサとメモリ
の間の動的データ復号化方法を示すフローチャートであ
る。図５及び図３を用いて以下に復号化方法の過程を説
明する。
【００３１】先ず、メモリブロック２０のメモリセルア
レイ２１に貯蔵の暗号化されたデータ（ＥＤＡＴＡ）を
読み出す（ステップＳ１１）。このとき、メモリブロッ
ク２０のキー状態メモリ２２に貯蔵されているインデッ
クス（ＩＮＤ）を共に読み出す（ステップＳ１２）。マ
ルチプレクサ１５は、読み出されたインデックス（ＩＮ
Ｄ）に従って復号化に用いられる秘密キー（Ｋｍ）をキ
ーテーブル１３に貯蔵された秘密キー（Ｋ１〜Ｋｎ）の
中から選択する（ステップＳ１３）。選択された秘密キ
ー（Ｋｍ）を利用し暗号化されたデータ（ＥＤＡＴＡ）
を復号化して（ステップＳ１４）出力する。
【００３２】尚、本発明は、上述の実施例に限られるも
のではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内
で多様に変更実施することが可能である。
【００３３】
【発明の効果】上述のように、本発明に係るプロセッサ
とメモリの間のデータ暗号化装置及び方法は、データを
書き込むときデータ暗号化に複数の秘密キーのうちのど
れを用いたのか示すインデックスをメモリの別の領域で
あるキー状態メモリに記録し、暗号化されたデータを読
み出すときにキー状態メモリに貯蔵された該当するイン
デックスもデータと共に読み出して復号化に用いること
により、再暗号化が不要であるため再暗号化による不要
なメモリの書込みを防ぎ、消費電力を減少させることが
できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロセッサとメモリの間のデータ
暗号化装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示した本発明に係るデータ暗号化装置を
用いてデータ書込み動作の間のデータ暗号化過程を示す
概念図である。
【図３】図１に示した本発明に係るデータ暗号化装置を
用いてデータ読出し動作の間のデータ復号化の過程を示
す概念図である。
【図４】本発明に係るプロセッサとメモリの間のデータ
暗号化方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明に係るプロセッサとメモリの間のデータ
復号化方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ プロセッサ １１ コア １２ 暗号化／復号化モジュール １３ キーテーブル １４ 制御部 １５ マルチプレクサ １６ 暗号化／復号化部 １７ レジスタ １８ 増分器 ２０ メモリブロック ２１ メモリセルアレイ ２２ キー状態メモリ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プロセッサとメモリ間のデータ暗号化装
    置において、 前記プロセッサは、入力されたデータを暗号化するか、
    又は暗号化されたデータを復号化するモジュールと、 データ暗号化／復号化に用いられる秘密キーを貯蔵する
    キーテーブルと、 前記モジュールの暗号化動作に用いられるインデックス
    を生成する制御手段とを含んで構成され、 前記メモリは、前記プロセッサのモジュールにより暗号
    化されたデータを貯蔵するメモリセルアレイと、 前記プロセッサの制御手段で生成され、前記入力された
    データの暗号化に用いられたインデックスを貯蔵するキ
    ー状態メモリとを含んで構成されることを特徴とするデ
    ータ暗号化装置。
  2. 【請求項２】 前記モジュールは、前記キーテーブルに
    貯蔵された秘密キーのうちから１つの秘密キーを選択す
    るマルチプレクサと、 前記マルチプレクサにより選択された秘密キーに従って
    入力されたデータを暗号化するか、又は前記メモリに貯
    蔵された暗号化されたデータを復号化する、演算手段と
    を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の
    データ暗号化装置。
  3. 【請求項３】 前記マルチプレクサは、暗号化時には、
    前記制御手段で生成されたインデックスに従ってキーテ
    ーブルに貯蔵された秘密キーのうちから１つの秘密キー
    を選択し、 復号化時には、前記メモリのキー状態メモリに貯蔵され
    たインデックスに従ってキーテーブルに貯蔵された秘密
    キーのうちから１つの秘密キーを選択することを特徴と
    する請求項２に記載のデータ暗号化装置。
  4. 【請求項４】 前記演算手段は、排他的ＯＲ（Ｅｘｃｌ
    ｕｓｉｖｅ ＯＲ）演算手段を用いることを特徴とする
    請求項２に記載のデータ暗号化装置。
  5. 【請求項５】 前記制御手段は、グローバルインデック
    スを貯蔵するレジスターと、 暗号化に用いられたインデックスの値を増加させ、前記
    レジスターに貯蔵する増分手段とを含んで構成されるこ
    とを特徴とする請求項１に記載のデータ暗号化装置。
  6. 【請求項６】 前記制御手段は、前記インデックスを生
    成する乱数発生手段を含んで構成されることを特徴とす
    る請求項１に記載のデータ暗号化装置。
  7. 【請求項７】 前記キー状態メモリは、前記メモリセル
    アレイを構成するメモリセルと同じメモリセルで構成さ
    れることを特徴とする請求項１に記載のデータ暗号化装
    置。
  8. 【請求項８】 暗号化段階及び復号化段階を含むデータ
    暗号化方法において、 前記暗号化段階は、インデックスを生成するインデック
    ス生成段階と、 前記インデックスに従って暗号化に用いられる秘密キー
    を選択するキー選択段階と、 暗号化に用いられたインデックスを、メモリのキー状態
    の貯蔵領域に貯蔵するインデックス貯蔵段階と、 選択された秘密キーを利用して入力されたデータを暗号
    化する段階とを含んで構成され、 前記復号化段階は、前記メモリに貯蔵された暗号化され
    たデータを読み出すデータリード段階と、 前記メモリのキー状態の貯蔵領域に貯蔵されているイン
    デックスを読み出すインデックスリード段階と、 前記読み出されたインデックスに従って復号化に用いら
    れる秘密キーを選択する秘密キー選択段階と、 前記選択された秘密キーを利用して前記暗号化されたデ
    ータを復号化する段階とを含んで構成されることを特徴
    とするデータ暗号化方法。
  9. 【請求項９】 前記インデックス生成段階は、グローバ
    ルインデックスを貯蔵する段階と、 用いられたインデックスを次回の暗号化に用いるため、
    インデックス値を増加させる段階とを含んで構成される
    ことを特徴とする請求項請求項８に記載のデータ暗号化
    方法。
  10. 【請求項１０】 前記インデックス生成段階は、任意的
    にインデックスが生成される乱数発生段階を含んで構成
    されることを特徴とする請求項８に記載のデータ暗号化
    方法。
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