CN1252663C - 算术单元和算术方法 - Google Patents

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Abstract

一种算术单元和算术方法，其不输出解密或加密所需的信息，并且当发生一个非法攻击时可以执行自保护功能。一个命令监控部分(44)监控输入命令序列。在第一序列中，在第一阶段的处理密钥被从一个硬件密钥(Khd)计算，然后被写入到一个密钥存储部分(47)。在如下每个序列中，在下一个阶段中的处理密钥被从存储在该密钥存储部分(47)中的处理密钥计算。当预定内容的命令被按照预定次序输入时，计算一个内容密钥，然后写入到该密钥存储部分(47)。加密数据被利用该内容密钥解密，并且该结果被从该数据输出装置(63)输出。当发生一个非法攻击时，通过选择固定值数据(Kf)作为密钥数据(Ksl)并且选择固定值数据(Df)作为输入数据(Ein)而执行初始化。

Description

算术单元和算术方法
技术领域
本发明涉及用于计算数据的单元和方法。
背景技术
作为加密和解密设备的如图4中所示的设备被考虑。一个加密和解密处理单元50被示出作为除了接口、CPU和集成到IC(集成电路)的加密和解密设备的部分之外的一个部分。该加密和解密处理单元50包括一个加密和解密算术部分51、硬件密钥产生部分53、密钥存储部分55以及密钥选择部分57。该密钥选择部分57被从外部提供有一个输入命令。该加密和解密算术部分51被从外部提供有输入数据。该加密和解密算术部分51把输出数据输出到外部。
例如，在加密和解密处理单元50中的硬件密钥产生部分53使得作为写入在一个ROM中的基础的保密密钥受到一个运算处理。从而该硬件密钥产生部分53产生一个硬件密钥作为原始密钥数据，然后把所产生的硬件密钥输入到该密钥选择部分57。
通过输入一个输入命令，该密钥选择部分57首先从硬件密钥产生部分53选择该硬件密钥。该加密和解密算术部分51使得该硬件密钥受到使用输入数据的一个运算，以在第一阶段计算一个处理密钥。在该第一阶段中的处理密钥被通过一个输出线59写入到该密钥存储部分55。
接着，从该密钥存储部分55读取的在第一阶段中的处理密钥被密钥选择部分57所选择，并且通过加密和解密算术部分51受到使用输入数据的一个运算。从而在第二阶段中的处理密钥被计算然后写入到密钥存储部分55中，以取代在第一阶段中的处理密钥。
该加密和解密算术部分51类似地在第三阶段和随后阶段中计算随后的处理密钥。该加密和解密算术部分51最终计算一个内容密钥作为用于解密或加密数据的保密密钥。该内容密钥被写入到该密钥存储部分55。
在这种状态中，当用于指定一个解密模式的命令被作为一个输入命令而输入并且加密的数据被作为输入数据而输入时，被从该密钥存储部分55读出的内容密钥被密钥选择部分57所选择，并且由该加密和解密算术部分51受到利用该加密数据的运算，从而对该加密数据进行解密。该明文数据被输出到该输出线59。
类似地，当用于指定一个加密模式的命令被作为一个输入命令而输入并且明文数据被作为输入数据而输入时，该明文数据被加密，并且加密的数据被输出到该输出线59。
但是，上述加密和解密设备输出该处理密钥和内容密钥到输出线59，即在解密或加密的处理中从该加密和解密算术部分51输出到该加密和解密设备的外部。这些密钥可以从该加密和解密设备的外部看出。因此，该保密密钥数据的安全，特别是要确保安全的硬件密钥的安全不能够得到保证。另外，非法攻击该设备的人可能具有通过输入各种命令和非法解密数据的组合而计算的内容密钥。因此，不能够提供足够的安全级别。
相应地，本发明的一个目的是实现一种算术单元和算术方法，其保证作为算术处理的结果的数据的安全。
发明内容
根据本发明，在此提供一种算术单元，其包括用于输入要受到算术处理的数据的数据输入装置，用于输入指定对该数据的处理的命令的命令输入装置，用于使得由该数据输入装置所输入的数据受到算术处理的算术处理装置，用于输出由该算术处理装置所处理的数据的数据输出装置，用于选择要从该数据输出装置输出的数据的输出选择装置，以及用于控制该输出选择装置的控制装置。根据由该命令输入装置所输入的命令使得被允许输出的数据才从该数据输出装置输出。
根据本发明，在此提供一种算术方法，其中包括如下步骤：根据一个输入命令对输入数据执行算术处理，确定该输入命令是否指定该算术处理的一个结果的输出，以及当该命令指定该算术处理的结果的输出时，输出对该输入数据的算术处理的结果。
利用如上文所述的根据本发明的算术单元和算术方法，确保作为算术处理的结果的数据的安全性。
附图说明
图1为示出根据本发明的一个算术单元的实施例；
图2为有助于说明图1的算术单元的操作的示意图；
图3为示出包括根据本发明的算术单元的数据接收装置的一个例子的示意图；以及
图4为示出所考虑的一个算术单元的例子的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的算术单元的一个实施例。该单元是一个加密和解密单元。
一个加密和解密处理单元40被示出为除了接口、CPU和集成到一个IC中的加密和解密单元的部分之外的一个部分，如下文所述。该加密和解密处理单元40包括数据输入装置61、输入侧选择部分41、输出侧选择部分43、数据输出装置63、命令输入装置64、命令监控部分44、命令存储部分45、硬件密钥产生部分46、密钥存储部分47、以及密钥选择部分48。
输入数据Din被该数据输入装置61输入到该加密和解密处理单元40。如下文所述，该输入侧选择部分41在命令监控部分44的控制下选择输入数据Din或者固定值数据Df，并且把所选择的数据作为输入数据Ein输入到加密和解密算术部分42。
在该命令监控部分44的控制下，该加密和解密算术部分42使得如下文所述由该密钥选择部分48所选择的密钥数据Ksl和来自输入侧选择部分41的输入数据Ein受到一个算术运算，从而计算要被在下文中描述的处理密钥和根密钥，并且最终计算一个内容密钥。并且，该加密和解密算术部分42通过例如DES(数据加密标准)、三重DES等等这样的内容密钥利用该内容密钥对数据进行解密或加密。
在该命令监控部分44的控制下，当获得密钥数据(一个处理密钥、根密钥或者内容密钥)作为该加密和解密算术部分42的输出数据Eout时，该输出侧选择部分43把该密钥数据存储在密钥存储部分47中，用于由该密钥选择部分48选择密钥数据。当获得解密或加密数据作为该加密和解密算术部分42的输出数据Eout时，该输出侧选择部分43把该数据作为输出数据Dout由数据输出装置63输出到加密和解密处理单元40的外部。
一个命令被该命令输入装置64输入到加密和解密处理单元40。当输入命令被按照一个序列输入时，该命令监控部分44循环地在命令存储部分45中一个接着一个地存储该命令，并且从该命令存储部分45循环地读取该命令。因此，该命令监控部分44根据该监控的结果控制该输入命令序列并且控制该输入侧选择部分41、加密和解密算术部分42、输出侧选择部分43和密钥选择部分48，如下文所述。
该硬件密钥产生部分46例如通过以位为单位进行移位、反转、异或(EOR；XOR)等等，使得作为写入在一个ROM中的基础的保密密钥数据受到一个运算，从而产生一个硬件密钥Khd。所产生的硬件密钥Khd被输入到该密钥选择部分48。
由上文所述的加密和解密算术部分42所计算的密钥数据(处理密钥、根密钥或内容密钥)被写入到该密钥存储部分47。从密钥存储部分47读取的密钥数据被输入到密钥选择部分48。
另外，固定值数据Kf被输入到密钥选择部分48。在命令监控部分44的控制下，该密钥选择部分48选择来自硬件密钥产生部分46的硬件密钥Khd、来自密钥存储部分47的处理密钥、根密钥或内容密钥、或者固定值数据Kf。该密钥选择部分48把所选择的密钥数据Ksl输入到加密和解密算术部分42。
在如此形成的加密和解密处理单元40中，当输入命令被以一个序列输入时，该加密和解密算术部分42如下顺序地计算密钥数据。
假设如图2中所示，该序列为序列1、2、3、…、n-1、n、n+1、n+2、n+3、n+4和n+5。具体来说，命令A1、A2、A3、…、An-1、An、B1、C1、C2、C3和C4要被按照该次序顺序地输入。另外，在每个序列中，该加密和解密处理单元40之外的一个CPU输入预定数据，作为来自加密和解密处理单元40外部的ROM的输入数据Din。
在第一序列1中，输入该命令A1。从而密钥选择部分48选择硬件密钥Khd作为密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择在此时的输入数据Din作为到达加密和解密算术部分42的输入数据Bin。该加密和解密算术部分42计算一个处理密钥K1作为一个运算的结果的输出数据Eout。但是，该处理密钥K1不被输出到该加密和解密单元的外部，而是被写入到该密钥存储部分47。
在下一个序列2中，输入该命令A2。从而密钥选择部分48选择在该序列1中写入到密钥存储部分47的处理密钥K1作为密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择在此时的输入数据Din作为到加密和解密算术部分42的输入数据Ein。该加密和解密算术部分42计算一个处理密钥K2作为一个运算结果的输出数据Eout。该处理密钥K2不被输出到该加密和解密单元的外部，而是被写入到密钥存储部分47。
在下一个序列3中，输入该命令A3。从而密钥选择部分48选择在该序列2中写入到密钥存储部分47的处理密钥K2作为密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择在此时的输入数据Din作为到加密和解密算术部分42的输入数据Ein。该加密和解密算术部分42计算一个处理密钥K3作为一个运算结果的输出数据Eout。该处理密钥K3不被输出到该加密和解密单元的外部，而是被写入到密钥存储部分47。
类似地，在序列n-1中，输入该命令An-1。从而密钥选择部分48选择在紧接着在前的序列n-2中写入到密钥存储部分47的处理密钥Kn-2作为密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择在此时的输入数据Din作为到加密和解密算术部分42的输入数据Ein。该加密和解密算术部分42计算一个处理密钥Kn-1作为一个运算结果的输出数据Eout。该处理密钥Kn-1不被输出到该加密和解密单元的外部，而是被写入到密钥存储部分47。
在下一个序列n中，输入该命令An。从而密钥选择部分48选择在紧接着在前的序列n-1中写入到密钥存储部分47的处理密钥Kn-1作为密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择在此时的输入数据Din作为到加密和解密算术部分42的输入数据Ein。该加密和解密算术部分42计算一个根密钥Krt，其是在第n阶段的一个处理密钥，作为一个运算结果的输出数据Eout。该根密钥Krt不被输出到该加密和解密单元的外部，而是被写入到密钥存储部分47。
在下一个序列n+1中，输入该命令B1。从而密钥选择部分48选择在紧接着在前的序列n中写入到密钥存储部分47的根密钥Krt作为密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择确认数据Drt，其是在此时的输入数据Din，作为到加密和解密算术部分42的输入数据Ein。该加密和解密算术部分42提供一个内容(“1”)的数据Edt，其表示该根密钥Krt被获得作为一个运算结果的输出数据Eout。
但是，这限于一种情况，其中命令A1、…、和An被按次序输入，直到序列n。如果在中央输入一个不同的命令，或者如果该输入命令的次序不同，则在次序n中不获得根密钥Krt，从而在次序n+1中被获得作为输出数据Eout的数据Edt具有内容(“0”)，其表示不获得根密钥Krt。
44通过参照该数据Edt的内容确定到目前为止是否已经纠正该命令序列。当该命令序列不被纠正时，命令监控部分44执行处理，防止非法攻击，这将在下文中描述。
当直到序列n+1的命令序列被纠正时，该命令C1被进一步输入到该序列n+2中。从而密钥选择部分48选择写入到密钥存储部分47的根密钥Krt作为一个密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择在此时的输入数据Din作为到加密和解密算术部分42的输入数据Ein。该加密和解密算术部分42获得在一个运算之后的数据，作为输出数据Eout。在下一个次序n+3和再下一个次序n+4中执行相同的操作，在这些运算之后的数据不被输出到该加密和解密单元的外部，也不被写入到该密钥存储部分47。
在下一个序列n+5中，输入该命令C4。从而密钥选择部分48选择写入到密钥存储部分47的根密钥Krt作为密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择在此时的输入数据Din作为到加密和解密算术部分42的输入数据Ein。该加密和解密算术部分42计算一个内容密钥Kct，作为一个运算结果的输出数据Eout。该内容密钥Kct不被输出到该加密和解密单元的外部，而是被写入到密钥存储部分47。
在执行序列n+5之后，可以对加密的数据解密，或者用存储在该密钥存储部分47中的内容密钥Kct加密明文数据。
在这种情况中，用于指定一个解密或加密模式的命令被输入作为一个输入命令。该密钥选择部分48选择从密钥存储部分47读取的内容密钥Kct作为密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择加密数据或明文数据，其是在此时的输入数据Din，作为到加密和解密算术部分42的输入数据Ein。加密和解密算术部分42对该数据进行解密或加密。输出侧选择部分43通过数据输出装置63输出该解密或加密的数据，作为到该加密和解密单元外部的输出数据Dout。
另一方面，当作为非法攻击的一个例子，该适当的命令C1被在序列n+2中输入，被示出为攻击1，但是命令C3被在下一个序列n+3中输入，如攻击2所示，该命令监控部分44确定进行一个非法攻击，并且执行对抗该非法攻击的处理。
具体来说，作为在这种情况中的初始化处理，密钥选择部分48选择该固定值数据Kf作为密钥数据Ksl。该输入侧选择部分41选择该固定值数据Df作为到加密和解密算术部分42的输入数据Ein。该加密和解密算术部分42计算特定数据作为输出数据Eout。该输出侧选择部分43通过数据输出装置63把该数据输出到外部。
图3示出一种数据接收系统的例子。在本例中的数据接收系统通过用例如PC等终端10从记录介质1中读取、使用互联网等从分布系统2下载而接收由一个保密密钥所编码和加密的数据。
所接收的数据被从终端10发送到与终端10的一个USB(通用串行总线)终端相连接的一个记录和再现装置20。
该记录和再现装置20把数据记录在一个记录介质5上，并且从该记录介质5再现数据。该记录和再现装置20被提供有一个加密和解密设备30。
该加密和解密设备30包括上述图1中所示的加密和解密处理单元40和CPU31。该加密和解密设备30的总线32连接到：被写入用于由CPU31执行命令发送和接收、加密和解密处理等等的程序、必要的固定数据等等的一个ROM33、作为用于CPU31等等的工作区的RAM34、用于与终端10交换命令并且俘获来自该终端10的数据的一个USB接口36、用于把数据输出到在该记录和再现装置的主体部分中的DSP(数字信号处理器)26的接口37、以及用于与在该记录和再现装置的主体部分中的CPU21交换命令的接口39。
该加密和解密设备30被形成为一个单片LSI(大规模集成电路)。
在该记录和再现装置的主体部分中，该CPU21的总线22连接到：被写入用于由CPU21执行的程序、必要的固定数据等等的一个ROM23、作为用于CPU21等等的工作区的RAM24、以及上述DSP26。该DSP26与一个记录和再现处理单元27和输出处理单元28相连接。
在加密和解密设备30中，从ROM33读取的数据被在上述的每个序列中作为输入数据Din输入到加密和解密处理单元40。
通过USB接口36从终端10捕获并且被通过一个保密密钥而编码和加密的数据被通过加密和解密处理单元40利用上述内容密钥Kct而解密。该编码的数据作为解密的明文数据由图1中所示的数据输出装置63通过接口37发送到DSP26。在被该DSP26处理之后，该数据被记录和再现处理单元27记录在该记录介质5上。另外，该数据被输出处理单元28转换为一个模拟信号，并且该模拟信号被输出到一个输出端29。
当在该终端10受到非法攻击时，在加密和解密设备30执行上述对抗该非法攻击的处理，从而避免把数据记录到记录介质5以及把信号输出到该输出端29的操作。
尽管图3示出一个记录和再现装置的例子，但是本发明可以应用于一个没有记录和再现功能的数据接收装置。
如上文所述，根据本发明，可以实现一个算术单元和算术方法，其保证作为算术处理的结果的数据的安全性。

Claims (10)

1.一种算术单元，其包括：
用于输入要受到算术处理的数据的数据输入装置；
用于输入指定对所述数据的处理的命令的命令输入装置；
用于使得由所述数据输入装置所输入的数据受到算术处理的算术处理装置；
用于输出由所述算术处理装置所处理的数据的数据输出装置；
用于选择要从所述数据输出装置输出的数据的输出选择装置；
用于控制所述输出选择装置的控制装置，根据由该命令输入装置所输入的命令使得被允许输出的数据才从该数据输出装置输出；以及
其中所述控制装置包括确定装置，用于确定由所述命令输入装置所输入的命令的输入次序，以及根据所述确定的结果控制所述输出选择装置。
2.根据权利要求1所述的算术单元，
其中进一步包括存储装置，用于存储至少一个由所述算术处理装置所处理的数据块。
3.根据权利要求2所述的算术单元，
其中所述算术处理装置使用存储在所述存储装置中的数据和由所述数据输入装置所输入的数据用于一个运算。
4.根据权利要求1所述的算术单元，
其中进一步包括数据产生装置，用于产生初始值数据，
其中所述算术处理装置使用由所述数据产生装置所产生的初始值数据和由所述数据输入装置所输入的数据用于一个运算。
5.根据权利要求4所述的算术单元，
其中进一步包括存储装置，用于存储至少一个由所述算术处理装置所处理的数据块。
6.根据权利要求5所述的算术单元，
其中进一步包括数据选择装置，用于选择存储在所述存储装置中的数据和由所述数据产生装置所产生的初始值数据，并且把所选择的数据输入到所述算术处理装置，
其中所述控制装置控制所述数据选择装置，以根据由所述命令输入装置所输入的命令，有选择地把存储在所述存储装置中的数据和由所述数据产生装置所产生的初始值数据输入到所述算术处理装置；以及
所述算术处理装置使得由所述数据选择装置所选择的数据和由所述数据输入装置所输入的数据用于一个运算。
7.根据权利要求6所述的算术单元，
其中一个第一固定值数据被进一步输入到所述数据选择装置；以及
当所述控制装置确定命令被按照与预定次序不同的次序输入时，所述控制装置控制所述数据选择装置，使得所述数据选择装置选择所述第一固定值数据，并且把所述第一固定值数据输入到所述算术处理装置。
8.根据权利要求1所述的算术单元，
其中进一步包括输入数据选择装置，用于选择由所述数据输入装置所输入的数据和一个第二固定值数据，并且输出所选择的数据，
其中当所述控制装置确定命令被按照与预定次序不同的次序输入时，所述控制装置控制所述输入数据选择装置，使得所述输入数据选择装置选择所述第二固定值数据，并且把所述第二固定值数据输入到所述算术处理装置。
9.根据权利要求1所述的算术单元，
其中进一步包括命令存储装置，用于存储由所述命令输入装置所输入的命令，
其中所述控制装置根据存储在所述命令存储装置中的命令和一个输入命令确定命令输入的次序。
10.一种算术方法，其中包括如下步骤：
根据一个输入命令对输入数据执行算术处理；
确定所述输入命令是否指定所述算术处理的一个结果的输出；
以及当所述命令指定所述算术处理的结果的输出时，输出对所述输入数据的算术处理的结果；以及
存储所述输入命令；以及
当所述命令的输入次序是预定次序时，根据所存储的命令和新输入的命令确定所述算术处理的结果要被输出。
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