JP4887668B2 - 暗号化復号処理回路および暗号化復号システム - Google Patents

Description

本発明は、DVDレコーダや、ハードディスクレコーダ等の映像の記録再生装置等に適用される暗号化復号処理回路および暗号化復号システムに関するものである。

DVDレコーダや、ハードディスクレコーダ等の映像の記録再生装置では、そのコンテンツ保護のため、暗号化/復号処理が行われている。
この際、コンテンツがセキュアであるためには、そのアルゴリズム自体が強固なものであることと、その内容、および暗号化(あるいは復号)するための鍵情報の秘匿が重要である。これに関し、現在提案されている関連技術においては、次のような方式（手段）にて実施されている（たとえば、非特許文献１参照）。

第１は、暗号化/復号処理すべてをハードウェア（H/W：Hard Wired）構成とする方式である。
第２は、基本となる暗号アルゴリズム処理のための専用のH/Wを持ち、他の処理をシステムローカルな制御系であるCPU等の処理ユニットによるソフトウェア（S/W）処理とする方式である。
このとき、鍵の秘匿については、第１の方式においては、H/W内部に閉じ、第２の方式においてはローカルメモリに閉じることで実現される。
「情報セキュリティ事典」、（2003年７月）、土居範久監修、佐々木良一ほか著、（株）共立出版発行、413頁 図12.20 DVDビデオ記録フォーマットデータのＣＰＲＭによる暗号化復号処理

ところが、第１の方式では、セキュリティ強度としては十分に強固なものが満たせる一方で、フレキシビリティがないため、仮に基本となる暗号アルゴリズムが同じであったとしても、異なる暗号方式に対応しようとした場合、容易に対応することができないという不利益がある。

一方、第２の方式については、第１の方式と課題としてあげたフレキシビリティについては解決され、セキュリティ強度としても十分に満たせるものの、ICEを利用した CPUデバッガによるデバッガビリティの確保と、セキュリティ強度の確保が背反する関係にあり開発を困難にする一因となっていた。

本発明の目的は、処理ユニットによるフレキシビリティを持ち、かつセキュリティ強度を十分に保持することが可能な暗号化復号処理回路および暗号化復号システムを提供することにある。

本発明の第１の観点の暗号化復号処理回路は、データパスを形成し、暗号処理を含めた演算を行う暗号処理コアおよび周辺論理部と、上記暗号処理コアおよび周辺論理部において処理される、秘密鍵により暗号化されたデータ、または秘密鍵を使用しない、通常の被演算対象となるデータが、暗号化復号処理回路の外部の制御系である処理ユニットにより設定される入力データ保持部と、外部において暗号化され保持されているデータの暗号を解くための秘密鍵を複数保持し、上記入力データ保持部に設定される暗号化されたデータの秘密鍵が上記暗号処理コアおよび周辺論理部において使用される秘密鍵保持部と、上記暗号処理コアおよび上記周辺論理部において、少なくとも秘密鍵によって暗号が解かれた復号データを、上記秘密鍵保持部の秘密鍵を使用したことをトリガとして保持する内部データ保持部と、上記暗号処理コアおよび周辺論理部において、秘密鍵を用いずに演算処理した演算結果を保持する出力データ保持部と、上記内部データ保持部に保持されたデータに基づいて、供給されるコンテンツの暗号化および復号処理を行うコンテンツ処理制御部と、を有し、上記秘密鍵保持部、内部データ保持部の保持データは、暗号化復号処理回路の外部の制御系である処理ユニットによりアクセスが不可能に形成され、コンテンツ処理データを生成する処理において、上記入力データ保持部に秘密鍵により暗号化されたデータが設定され、当該設定されたデータを復号するための秘密鍵が上記秘密鍵保持部に保持された複数の秘密鍵の中から選択され、演算結果の格納先が上記内部データ保持部により選択されると、上記暗号処理コアおよび周辺論理部は、暗号化されたデータを選択された秘密鍵により演算して復号し、演算結果である復号したデータを選択された上記内部データ保持部の保持領域にのみ格納する処理を、暗号化されたデータがすべて復号されるまで行い、暗号化されたデータの秘密鍵による復号処理が完了すると、コンテンツの暗号化または復号に必要な鍵の生成が完了し、コンテンツ処理のデータセットが完了しているか否かが判別された結果、完了している場合にはコンテンツ処理データの生成処理が終了され、完了していない場合には、上記入力データ保持部に被演算対象データが設定され、当該被演算対象のデータと演算するためのデータが上記内部データ保持部により選択され、演算結果の格納先が上記内部データ保持部により選択されると、上記暗号処理コアおよび周辺論理部が、上記入力データ保持部に設定された被演算対象データと上記内部データ保持部に保持されたデータの演算を行い、演算結果を選択された上記内部データ保持部の保持領域にのみ格納する処理を、コンテンツ処理のデータセットが完了するまで行う。

本発明の第２の観点の暗号化復号システムは、入力データの暗号化復号処理が可能な暗号化復号処理回路と、上記暗号化復号処理回路の処理制御を行うことが可能な処理ユニットと、を有し、上記暗号化復号処理回路は、データパスを形成し、暗号処理を含めた演算を行う暗号処理コアおよび周辺論理部と、上記暗号処理コアおよび周辺論理部において処理される、秘密鍵により暗号化されたデータ、または秘密鍵を使用しない、通常の被演算対象となるデータが、暗号化復号処理回路の外部の制御系である処理ユニットにより設定される入力データ保持部と、外部において暗号化され保持されているデータの暗号を解くための秘密鍵を複数保持し、上記入力データ保持部に設定される暗号化されたデータの秘密鍵が上記暗号処理コアおよび周辺論理部において使用される秘密鍵保持部と、上記暗号処理コアおよび上記周辺論理部において、少なくとも秘密鍵によって暗号が解かれた復号データを、上記秘密鍵保持部の秘密鍵を使用したことをトリガとして保持する内部データ保持部と、上記暗号処理コアおよび周辺論理部において、秘密鍵を用いずに演算処理した演算結果を保持する出力データ保持部と、上記内部データ保持部に保持されたデータに基づいて、供給されるコンテンツの暗号化および復号処理を行うコンテンツ処理制御部と、を有し、上記秘密鍵保持部、内部データ保持部の保持データは、暗号化復号処理回路の外部の制御系である処理ユニットによりアクセスが不可能に形成され、コンテンツ処理データを生成する処理において、上記入力データ保持部に秘密鍵により暗号化されたデータが設定され、当該設定されたデータを復号するための秘密鍵が上記秘密鍵保持部に保持された複数の秘密鍵の中から選択され、演算結果の格納先が上記内部データ保持部により選択されると、上記暗号処理コアおよび周辺論理部は、暗号化されたデータを選択された秘密鍵により演算して復号し、演算結果である復号したデータを選択された上記内部データ保持部の保持領域にのみ格納する処理を、暗号化されたデータがすべて復号されるまで行い、暗号化されたデータの秘密鍵による復号処理が完了すると、コンテンツの暗号化または復号に必要な鍵の生成が完了し、コンテンツ処理のデータセットが完了しているか否かが判別された結果、完了している場合にはコンテンツ処理データの生成処理が終了され、完了していない場合には、上記入力データ保持部に被演算対象データが設定され、当該被演算対象のデータと演算するためのデータが上記内部データ保持部により選択され、演算結果の格納先が上記内部データ保持部により選択されると、上記暗号処理コアおよび周辺論理部が、上記入力データ保持部に設定された被演算対象データと上記内部データ保持部に保持されたデータの演算を行い、演算結果を選択された上記内部データ保持部の保持領域にのみ格納する処理を、コンテンツ処理のデータセットが完了するまで行う。

好適には、上記暗号処理コアおよび周辺論理部は、上記秘密鍵保持部、内部データ保持部、出力データ保持部の保持データを、実際の値ではなくインデックスによる間接指定でアクセスを行い演算を実行する。

本発明によれば、たとえば内部秘密鍵により暗号化されていたデータが入力データ保持部に設定される。
次に、入力データ保持部に設定されたデータを復号するための秘密鍵が秘密鍵保持部の保持データより選択する。
また、演算結果の格納先が内部データ保持部より選択される。
そして、周辺論理部の構成変更が行われて、演算設定が行われる。
そして、演算が開始される。
暗号化されたデータがすべて復号されたか否かを判別し、復号されていなければ、以上の処理を繰り返す。

本発明によれば、処理ユニットによるフレキシビリティを持ち、かつセキュリティ強度を十分に保持することが可能である。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る暗号化復号システムの構成例を示すブロック図である。

本暗号化復号システム１は、図１に示すように、暗号化復号処理回路２、制御系である処理ユニットとしてのＣＰＵ３、およびシステムバス４を有している。

本実施形態の暗号化復号処理回路２は、中間鍵処理制御を行わず、入出力データの読み書きを可能にしており、また、ローカルメモリを内部に配置し、かつ、内部に秘密鍵を持たせている。

本暗号化復号処理回路２は、ハードワイヤード（Hard Wired：H/W）で構成された十分な耐タンパ性を有する暗号処理コア２１と、暗号処理コア２１を組み合わせた演算を実現するための周辺論理部２２、第１の保持ブロック２３、第２の保持ブロック部２４、およびコンテンツ処理制御用シーケンサ２５を、主構成要素として有している。

第１の保持ブロック部２３は、内部データ保持部としての内部メモリ２３１、および秘密鍵保持部としての秘密鍵レジスタ２３２を有している。
内部メモリ２３１には、暗号処理コア２１および周辺論理部２２において、秘密鍵を用いて暗号が解かれたデータ（演算結果）が保持される。
秘密鍵レジスタ２３２には、図示しない外部記憶デバイスに暗号化され保持されているデータを解くための秘密鍵を複数保持している。

第２の保持ブロック２４は、演算結果保持部としての出力データレジスタ２４１、および入力データ保持部としての入力データレジスタ２４２を有している。
出力データレジスタ２４１には、暗号処理コア２１および周辺論理部２２において、秘密鍵を用いずに演算処理した演算結果が保持される。
入力データレジスタ２４２は、暗号処理コア２１および周辺論理部２２において処理される、内部秘密鍵により暗号化されていたデータ、または秘密鍵を使用しない、通常の被演算対象となるデータが、ＣＰＵ３によりバス４を介して設定される。

コンテンツ処理制御用シーケンサ２５は、ＣＰＵ３により起動され、暗号化処理および復号処理をすべきコンテンツが供給され、暗号処理コア２１および周辺論理部２２において処理されて最終的に得られたデータを使用して、供給されたコンテンツの暗号化/復号処理を行う。

本実施形態の暗号化復号処理回路２においては、第１の保持ブロック部２３の内部メモリ２３１および秘密鍵レジスタ２３２、並びに、第２の保持ブロック部２４の出力データレジスタ２４１および入力データレジスタ２４２の値は、H/Wのみ参照可能で、S/Wからのアクセスは不可能となるように構成されている。
また、本実施形態の暗号化復号処理回路２においては、第１の保持ブロック部２３の内部メモリ２３１および秘密鍵レジスタ２３２、並びに、第２の保持ブロック部２４の出力データレジスタ２４１および出力データレジスタ２４２の値は、ＣＰＵ３により、実際の値ではなくインデックスによる間接指定でアクセスを行い、演算が実行されるように構成されている。
シーケンサ２５は、この間接指定のアクセスに応じて、コンテンツの暗号化、復号処理を行う。
本実施形態の暗号化復号処理回路２においては、このような処理により、S/Wに対して鍵データを一切参照させることのない、セキュアなコンテンツ暗号化復号処理を実現している。
また、本実施形態の暗号化復号処理回路２において、暗号処理コア２１および周辺論理部２２で構成されるH/Wについて、通常の汎用演算を可能としている。

以上の構成を有する暗号化復号処理回路２において、データパスとしては、暗号処理コア２１と、その周辺論理部２２により構成される。
暗号処理コア２１は、データ暗号規格DES(Data Encryption Standard)やAESに代表される暗号処理の基本となるアルゴリズムを実現する回路で、周辺論理部２３は暗号処理コア２１の入出力に対して排他的論理和（EXOR）を取る構成となっており、これは一方向性関数や、CBCモードに代表される演算を実現するためにある。
なお、この周辺論理部２２はＣＰＵ３によりその構成を変更することが可能であり、これにより暗号処理コア２１を組み合わせた様々な演算を実現することが可能となる。

第１の保持ブロック２３の内部メモリ２３１は、暗号処理コア２１と周辺論理部２２により構成されるデータパスの出力結果を保持する。そして、内部メモリ２３１および秘密鍵レジスタ２３２を含む第１の保持ブロック２３は、外部接続されるＣＰＵ３からはその値を直接参照することができない。
秘密鍵レジスタ２３２に保持される秘密鍵の用途としては、ターゲットとする暗号化システムにおいて最も重要な情報を暗号化するための鍵として用いられる。通常、その情報は秘密鍵により暗号化された状態で図示しない外部記憶デバイスに格納されており、必要に応じ読み出され復号される。
この復号は、暗号化されたデータを第２の保持ブロック２４の入力データレジスタ２４２に設定し、第１の保持ブロック２３の秘密鍵レジスタ２３２に保持されている秘密鍵を鍵として使用することをＣＰＵ３が間接指定することで行う。
このときの演算結果は、秘密鍵レジスタ２３２の秘密鍵を使用したことをトリガとし、その演算結果は内部メモリ２３１にのみ格納されるように（出力データレジスタ２４１には格納しないように）なっており、決して外部に漏れ出ることがない。

本実施形態においては、ある暗号処理システムにおいて、コンテンツを処理するための鍵生成処理が複数ステップにわたることを想定している。
この場合、内部メモリ２３１に格納されたデータと別のデータとの演算を行うことになるが、その演算結果もやはり出力データレジスタ２４１に格納され、その結果は決して外部に漏れ出ることはない。
また、最終的に得られたデータは、コンテンツの暗号化/復号処理に使用することを想定しており、これはコンテンツ処理制御用のシーケンサ２５をＣＰＵ３が起動したのちにコンテンツを供給することで行われる。
ここまでのステップで算出されたデータが外部に漏れることはないため、十分なセキュリティ強度を満たすことができる。

以上の処理について、コンテンツ処理データ生成処理フローを図２に示す。
次に、図２に関連付けてコンテンツ処理データ生成処理について説明する。

ステップＳＴ１において、内部秘密鍵により暗号化されていたデータを、図示しない外部記憶デバイスよりダウンロードして、入力データレジスタ２４２に設定する。
次に、ステップ２において、入力データレジスタ２４２に設定されたデータを復号するための秘密鍵をレジスタ２３２により選択する。
ステップＳＴ３において、演算結果の格納先を内部メモリ２３１により選択する。
ステップＳＴ４において、周辺論理部２２の構成変更をすることで演算設定を行う。
そして、ステップＳＴ５において、演算を開始する。
ステップＳＴ６において、暗号化されたデータがすべて復号されたか否かを判別し、復号されていなければ、ステップＳＴ１〜ＳＴ５の処理を繰り返す。暗号化されたデータがすべて復号された（復号完了）場合には、ステップＳＴ７の処理に移行する。

ステップＳＴ７においては、コンテンツの暗号化/復号に必要な鍵の生成が完了しているか否か（コンテンツ処理のデータセットが完了しているか否か）判別し、完了していれば終了(end)する。
完了していなければステップＳＴ８〜ＳＴ１２の処理を行うことで鍵生成処理を行う。
具体的には、ステップＳＴ８において、被演算対象となるデータを入力データレジスタ２４２に設定する。
次に、ステップＳＴ９において、入力データレジスタ２４２に設定されたデータと演算するためのデータを内部メモリ２３１より選択する。
次に、ステップＳＴ１０において、演算結果の格納先を内部メモリ２３１より選択する。
ステップＳＴ１１において、周辺論理部２２の構成変更をすることで演算設定を行う。
そして、ステップＳＴ１２において、演算を開始する。

なお、外部記憶デバイスに格納された鍵情報の復号から始まるコンテンツの暗号化/復号処理の一連の手順を示したが、本回路では通常の暗号処理コア２２としてＣＰＵ３が制御することを可能としているため汎用性を備える。
この場合は、入力データレジスタ２４２にデータ、鍵を設定し回路を動作させる。秘密鍵を使用しない場合の演算結果は出力データレジスタ２４１に格納される。

以上の処理フローを図３に示す。
次に、図３に関連付けて、秘密鍵を使用しない場合の処理について説明する。

まず、ステップＳＴ２１において、被演算対象となるデータを入力データレジスタ２４２に設定する。
次に、ステップＳＴ２２において、入力データレジスタ２４２に設定されたデータと演算するためのデータを内部メモリ１３１より選択する。
次に、ステップＳＴ２３において、周辺論理部２２の構成変更をすることで演算設定を行う。
そして、ステップＳＴ２４において、演算を開始する。

以上説明したように、本実施形態によれば、CPU+専用H/Wの構成とし、その構成を可変とすることで演算のフレキシビリティを確保することができる。
また、専用H/Wのみの構成で必要としていた中間鍵処理制御論理をCPUに代替することで、この論理を削減することが可能である。
CPU構成としながらも、S/W自体は一切鍵データを参照しない（できない）ため、ICEを利用したデバッグ手段を想定した場合においてもセキュアなコンテンツ処理が保証される利点がある。
また、S/Wが一切鍵データを参照しない（できない）ため、その制御CPUはローカルなものでなくてもよくなる（たとえば、制御CPUが異なるLSIとなっていてもよい）。
また、セキュリティ強度を要求されない場合においての汎用演算を可能とする。
デバイスの持つ鍵に代表される暗号化システムにおいて最も重要な情報自体をH/W内部に持たない一方で、内部秘密鍵により暗号化されたデータとして外部記憶デバイスに記憶しておき、この外部記憶デバイスからダウンロードするダウンロード方式のため、システムの設計、製造時、評価のそれぞれのフェーズにおける漏洩の危険の低減、セキュリティレベルの向上に寄与するという利点がある。

本発明の実施形態に係る暗号化復号システムの構成例を示すブロック図である。 本実施形態のコンテンツ処理データ生成処理を説明するためのフローチャートである。 本実施形態の秘密鍵を使用しない場合の処理について説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１・・・暗号化復号システム、２・・・暗号化復号処理回路、２１・・・暗号処理コア、２２・・・周辺論理部、２３・・・第１の保持ブロック、２３１・・・内部メモリ、２３２・・・秘密鍵レジスタ、２４・・・第２の保持ブロック、２４１・・・出力データレジスタ、２４２・・・入力データレジスタ、２５・・・シーケンサ、３・・・ＣＰＵ（処理ユニット）。

Claims (4)

1. データパスを形成し、暗号処理を含めた演算を行う暗号処理コアおよび周辺論理部と、
   上記暗号処理コアおよび周辺論理部において処理される、秘密鍵により暗号化されたデータ、または秘密鍵を使用しない、通常の被演算対象となるデータが、暗号化復号処理回路の外部の制御系である処理ユニットにより設定される入力データ保持部と、
   外部において暗号化され保持されているデータの暗号を解くための秘密鍵を複数保持し、上記入力データ保持部に設定される暗号化されたデータの秘密鍵が上記暗号処理コアおよび周辺論理部において使用される秘密鍵保持部と、
   上記暗号処理コアおよび上記周辺論理部において、少なくとも秘密鍵によって暗号が解かれた復号データを、上記秘密鍵保持部の秘密鍵を使用したことをトリガとして保持する内部データ保持部と、
   上記暗号処理コアおよび周辺論理部において、秘密鍵を用いずに演算処理した演算結果を保持する出力データ保持部と、
   上記内部データ保持部に保持されたデータに基づいて、供給されるコンテンツの暗号化および復号処理を行うコンテンツ処理制御部と、を有し、
   上記秘密鍵保持部、内部データ保持部の保持データは、暗号化復号処理回路の外部の制御系である処理ユニットによりアクセスが不可能に形成され、
   コンテンツ処理データを生成する処理において、
   上記入力データ保持部に秘密鍵により暗号化されたデータが設定され、当該設定されたデータを復号するための秘密鍵が上記秘密鍵保持部に保持された複数の秘密鍵の中から選択され、演算結果の格納先が上記内部データ保持部により選択されると、
   上記暗号処理コアおよび周辺論理部は、
   暗号化されたデータを選択された秘密鍵により演算して復号し、演算結果である復号したデータを選択された上記内部データ保持部の保持領域にのみ格納する処理を、
   暗号化されたデータがすべて復号されるまで行い、
   暗号化されたデータの秘密鍵による復号処理が完了すると、コンテンツの暗号化または復号に必要な鍵の生成が完了し、コンテンツ処理のデータセットが完了しているか否かが判別された結果、
   完了している場合にはコンテンツ処理データの生成処理が終了され、
   完了していない場合には、上記入力データ保持部に被演算対象データが設定され、当該被演算対象のデータと演算するためのデータが上記内部データ保持部により選択され、演算結果の格納先が上記内部データ保持部により選択されると、
   上記暗号処理コアおよび周辺論理部が、
   上記入力データ保持部に設定された被演算対象データと上記内部データ保持部に保持されたデータの演算を行い、演算結果を選択された上記内部データ保持部の保持領域にのみ格納する処理を、
   コンテンツ処理のデータセットが完了するまで行う
   暗号化復号処理回路。
2. 上記暗号処理コアおよび周辺論理部は、上記秘密鍵保持部、内部データ保持部、出力データ保持部の保持データを、実際の値ではなくインデックスによる間接指定でアクセスを行い演算を実行する
   請求項１記載の暗号化復号処理回路。
3. 入力データの暗号化復号処理が可能な暗号化復号処理回路と、
   上記暗号化復号処理回路の処理制御を行うことが可能な処理ユニットと、を有し、
   上記暗号化復号処理回路は、
   データパスを形成し、暗号処理を含めた演算を行う暗号処理コアおよび周辺論理部と、
   上記暗号処理コアおよび周辺論理部において処理される、秘密鍵により暗号化されたデータ、または秘密鍵を使用しない、通常の被演算対象となるデータが、暗号化復号処理回路の外部の制御系である処理ユニットにより設定される入力データ保持部と、
   外部において暗号化され保持されているデータの暗号を解くための秘密鍵を複数保持し、上記入力データ保持部に設定される暗号化されたデータの秘密鍵が上記暗号処理コアおよび周辺論理部において使用される秘密鍵保持部と、
   上記暗号処理コアおよび上記周辺論理部において、少なくとも秘密鍵によって暗号が解かれた復号データを、上記秘密鍵保持部の秘密鍵を使用したことをトリガとして保持する内部データ保持部と、
   上記暗号処理コアおよび周辺論理部において、秘密鍵を用いずに演算処理した演算結果を保持する出力データ保持部と、
   上記内部データ保持部に保持されたデータに基づいて、供給されるコンテンツの暗号化および復号処理を行うコンテンツ処理制御部と、を有し、
   上記秘密鍵保持部、内部データ保持部の保持データは、暗号化復号処理回路の外部の制御系である処理ユニットによりアクセスが不可能に形成され、
   コンテンツ処理データを生成する処理において、
   上記入力データ保持部に秘密鍵により暗号化されたデータが設定され、当該設定されたデータを復号するための秘密鍵が上記秘密鍵保持部に保持された複数の秘密鍵の中から選択され、演算結果の格納先が上記内部データ保持部により選択されると、
   上記暗号処理コアおよび周辺論理部は、
   暗号化されたデータを選択された秘密鍵により演算して復号し、演算結果である復号したデータを選択された上記内部データ保持部の保持領域にのみ格納する処理を、
   暗号化されたデータがすべて復号されるまで行い、
   暗号化されたデータの秘密鍵による復号処理が完了すると、コンテンツの暗号化または復号に必要な鍵の生成が完了し、コンテンツ処理のデータセットが完了しているか否かが判別された結果、
   完了している場合にはコンテンツ処理データの生成処理が終了され、
   完了していない場合には、上記入力データ保持部に被演算対象データが設定され、当該被演算対象のデータと演算するためのデータが上記内部データ保持部により選択され、演算結果の格納先が上記内部データ保持部により選択されると、
   上記暗号処理コアおよび周辺論理部が、
   上記入力データ保持部に設定された被演算対象データと上記内部データ保持部に保持されたデータの演算を行い、演算結果を選択された上記内部データ保持部の保持領域にのみ格納する処理を、
   コンテンツ処理のデータセットが完了するまで行う
   暗号化復号システム。
4. 上記暗号処理コアおよび周辺論理部は、上記秘密鍵保持部、内部データ保持部、出力データ保持部の保持データを、実際の値ではなくインデックスによる間接指定でアクセスを行い演算を実行する
   請求項３記載の暗号化復号システム。

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