JP2006215825A - Random number generation circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、データの暗号化等に用いられる乱数を生成する乱数生成回路に関する。 The present invention relates to a random number generation circuit that generates a random number used for data encryption or the like.
近年、様々な情報処理システムにおいて、データの暗号化が行われている。暗号化においては、安全性を向上させるために乱数が用いられることが多い。このような乱数としては、例えば、線形帰還シフトレジスタを用いて生成可能なM系列(Maximum length code)等の擬似乱数がある。また、M系列等の擬似乱数以外の乱数としては、原子核の崩壊現象がランダムとなることや電気雑音等の自然現象を利用した物理乱数が知られており、暗号化においても物理乱数を利用することができる。さらに、線形帰還シフトレジスタにより生成されるM系列等の擬似乱数と物理乱数とを組み合わせることにより、乱数の予測困難性を高めることができる(例えば、特許文献1)。
しかしながら、特許文献1に開示されている乱数生成装置においては、M系列におけるタップ位置が予め定められ、線形帰還シフトレジスタのタップ位置に対応するビットの排他的論理和を行う回路が構成されている。そのため、乱数生成装置を構成した後に、そのタップ位置を変更することが困難である。また、このような構造において、複数のM系列のタップ位置に対して夫々排他的論理和を行う回路を設け、その何れかを用いる構成とすることも可能であるが、対応するM系列の数に応じて回路規模が大きくなってしまう。
However, in the random number generation device disclosed in
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、M系列等の擬似乱数系列のタップ位置を自由に変更可能な、回路規模の小さい乱数生成回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a random number generation circuit with a small circuit scale that can freely change the tap position of a pseudo-random number sequence such as an M sequence.
上記目的を達成するため、本発明の乱数生成回路は、擬似乱数系列の擬似乱数を生成する線形帰還シフトレジスタと、擬似乱数系列におけるタップ位置を記憶するレジスタと、前記線形帰還シフトレジスタに記憶されているデータと、前記レジスタに記憶されているタップ位置とに基づいて、前記線形帰還シフトレジスタへの帰還信号を生成する帰還信号生成回路と、を備えることとする。 In order to achieve the above object, a random number generation circuit according to the present invention is stored in a linear feedback shift register that generates pseudo random numbers of a pseudo random number sequence, a register that stores tap positions in the pseudo random number sequence, and the linear feedback shift register. And a feedback signal generation circuit that generates a feedback signal to the linear feedback shift register based on the stored data and the tap position stored in the register.
そして、前記レジスタは、前記線形帰還シフトレジスタと同一ビット数で構成され、擬似乱数系列のタップ位置に対応するビットに一方の論理値が記憶され、タップ位置に対応するビット以外のビットに他方の論理値が記憶されており、前記帰還信号生成回路は、前記線形帰還シフトレジスタの各ビットと、前記レジスタの各ビットとの論理積を行う回路と、当該論理積により得られるデータの排他的論理和により前記帰還信号を生成する回路と、を備えることとすることができる。 The register is configured with the same number of bits as the linear feedback shift register, one logical value is stored in the bit corresponding to the tap position of the pseudo-random number sequence, and the other bit other than the bit corresponding to the tap position is stored in the other bit. A logical value is stored, and the feedback signal generation circuit includes a circuit that performs a logical product of each bit of the linear feedback shift register and each bit of the register, and an exclusive logic of data obtained by the logical product. And a circuit for generating the feedback signal by summation.
また、物理乱数を生成する物理乱数生成回路と、前記物理乱数生成回路により生成された物理乱数を前記線形帰還シフトレジスタにより生成された擬似乱数に応じて変化させて出力する変調回路と、を更に備えることとしてもよい。 A physical random number generation circuit that generates a physical random number; and a modulation circuit that changes the physical random number generated by the physical random number generation circuit according to the pseudo-random number generated by the linear feedback shift register, and outputs It is good also as providing.
また、本発明の乱数生成回路は、擬似乱数系列の擬似乱数を生成する線形帰還シフトレジスタと、複数の擬似乱数系列における夫々のタップ位置を記憶する複数のレジスタと、前記複数の擬似乱数系列のうちの何れの擬似乱数系列を用いるかを示す選択信号を受信し、当該選択信号に基づいて前記複数のレジスタの何れかを選択する選択回路と、前記線形帰還シフトレジスタに記憶されているデータと、前記選択回路により選択されたレジスタに記憶されているタップ位置とに基づいて、前記線形帰還シフトレジスタへの帰還信号を生成する帰還信号生成回路と、を備えることとする。 The random number generation circuit of the present invention includes a linear feedback shift register that generates pseudo-random numbers of a pseudo-random number sequence, a plurality of registers that store respective tap positions in the plurality of pseudo-random number sequences, and a plurality of pseudo-random number sequences. Receiving a selection signal indicating which pseudo-random number sequence to use, a selection circuit for selecting any of the plurality of registers based on the selection signal, and data stored in the linear feedback shift register; And a feedback signal generation circuit that generates a feedback signal to the linear feedback shift register based on the tap position stored in the register selected by the selection circuit.
そして、前記レジスタは、前記線形帰還シフトレジスタと同一ビット数で構成され、擬似乱数系列のタップ位置に対応するビットに一方の論理値が記憶され、タップ位置に対応するビット以外のビットに他方の論理値が記憶されており、前記帰還信号生成回路は、前記線形帰還シフトレジスタの各ビットと、前記選択回路により選択されたレジスタの各ビットとの論理積を行う回路と、当該論理積により得られるデータの排他的論理和により前記帰還信号を生成する回路と、を備えることとすることができる。 The register is configured with the same number of bits as the linear feedback shift register, one logical value is stored in the bit corresponding to the tap position of the pseudo-random number sequence, and the other bit other than the bit corresponding to the tap position is stored in the other bit. A logical value is stored, and the feedback signal generation circuit obtains a logical product of each bit of the linear feedback shift register and each bit of the register selected by the selection circuit, and the logical product. And a circuit for generating the feedback signal by exclusive OR of the obtained data.
また、物理乱数を生成する物理乱数生成回路を更に備え、前記選択信号は、前記物理乱数生成回路により生成された物理乱数であることとすることができる。 Further, a physical random number generation circuit for generating a physical random number may be further provided, and the selection signal may be a physical random number generated by the physical random number generation circuit.
M系列等の擬似乱数系列のタップ位置を自由に変更可能で、かつ、回路規模の小さい乱数生成回路を提供することができる。 It is possible to provide a random number generation circuit that can freely change the tap position of a pseudo-random number sequence such as an M sequence and has a small circuit scale.
==全体構成==
図1は、本発明の乱数生成回路を用いる一実施形態である自動車の錠の施錠・解錠を行うキーレスエントリーシステム1の全体構成を示す図である。キーレスエントリーシステム1は、携帯型の子機2と自動車等に搭載される親機3とを含んで構成されている。子機2は、例えば、自動車のドアロックやステアリングロックの鍵穴に差し込むキーのハンドル部等に設けられている。また、親機3は、自動車側に設けられている。
== Overall structure ==
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a
子機2は、電池11、操作スイッチ12、データ処理回路13、及び送受信回路14を備えている。電池11は、子機2の各部の動作に必要な電力を供給するためのものである。操作スイッチ12は、利用者からの施錠・解錠の指示を受け付けるスイッチである。データ処理回路13は、施錠・解錠の際に必要となる認証用のデータの生成等を行う。送受信回路14は、データ処理回路13から出力されるデジタルデータをアナログデータに変換し、これを増幅して電磁波として送出する回路である。また、送受信回路14は、親機3から送出された電磁波を受信し、これをデジタルデータに変換してデータ処理回路13に入力することもできる。なお、電磁波としては、電波や赤外線が用いられる。
The subunit | mobile_unit 2 is provided with the
親機3は、データ処理回路21、送受信回路22、及び駆動回路23を備えている。データ処理回路21は、子機2から受信する認証用のデータに基づいた認証処理等を行う。送受信回路22は、子機2から送出された電磁波を受信し、これをデジタルデータに変換してデータ処理回路22に入力する回路である。また、送受信回路22は、データ処理回路21から出力されるデジタルデータをアナログデータに変換し、これを増幅して電磁波として送出することもできる。駆動回路23は、自動車の錠を施錠・解錠するロック機構を作動させるアクチュエータ24に駆動信号を送信する回路である。なお、親機2の各部21〜23には、自動車のバッテリ25から電力が供給されている。
The
==データ処理回路の構成==
図2は、データ処理回路13の構成を示す図である。データ処理回路13は、CPU51A、RAM(Random Access Memory)52A、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)53A、乱数生成回路54A、暗号処理回路55A、及び入出力ポート56Aを備えている。そして、各部51A〜56Aはバス57Aにより互いに通信可能に接続されている。
== Configuration of Data Processing Circuit ==
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the
CPU51Aは、データ処理回路13の全体を制御するものである。RAM52Aには、CPU51Aが使用する作業用データ等が記憶される。EEPROM53Aは書き換え可能な不揮発性メモリであり、プログラムや保存用のデータ等が記憶されている。乱数生成回路54Aは、暗号化の処理において用いられる乱数を生成する回路である。暗号処理回路55Aは、共通鍵ブロック暗号方式における転置又は換字等の処理を行う回路である。入出力ポート56Aは、データ処理回路13の外部にある操作スイッチ12や送受信回路14等とデータの送受信を行うためのインタフェースである。
The
なお、本実施形態では、共通鍵ブロック暗号方式としてDES(Data Encryption Standard)を用いることとする。このようなデータ処理回路13では、プログラムの実行や暗号処理回路55Aの制御等により、DESの暗号化又は復号の処理が行われる。なお、データ処理回路21も同様の構成であり、CPU51B、RAM52B、EEPROM53B、乱数生成回路54B、暗号処理回路55B、入出力ポート56B、及び各部51B〜56Bを互いに通信可能に接続するバス57Bを備えている。
In this embodiment, DES (Data Encryption Standard) is used as the common key block encryption method. In such a
==通信手順==
図3は、キーレスエントリーシステム1の子機2と親機3との間における通信手順を示すフローチャートである。まず、子機2の操作スイッチ12の操作等により送信処理が起動される(S301)。子機2のデータ処理回路13は、EEPROM53Aに記憶されている車番(車体番号)を親機3に送信する(S302)。親機3のデータ処理回路21は、子機2から車番が送信されてくるのを待機しており(S303)、子機2から送信されてくる車番を受信すると、当該車番をEEPROM53Bに記憶されている車番と比較する(S304)。
== Communication procedure ==
FIG. 3 is a flowchart showing a communication procedure between the
車番が一致しない場合(S304:NG)、親機3のデータ処理回路21は、別の自動車の車番が送信されてきたと判断し、受信待機処理に戻る(S303)。車番が一致すると(S304:OK)、データ処理回路21は、乱数生成回路54Bを用いて64ビットの乱数である一時鍵R0を生成する(S305)。そして、データ処理回路21は、この一時鍵R0を、EEPROM53Bに記憶されている共通鍵Kを用いてDESで暗号化して子機2に送信する(S306)。
If the vehicle numbers do not match (S304: NG), the
子機2のデータ処理回路13は、親機3から送信されてくる暗号化された一時鍵R0を受信すると、EEPROM53Aに記憶されている共通鍵Kを用いて一時鍵R0を復号する(S307)。続いて、データ処理回路13は、乱数生成回路54Aを用いて64ビットの乱数である一時鍵R1を生成する(S308)。そして、データ処理回路13は、この一時鍵R1を親機3から受信した一時鍵R0を用いてDESで暗号化して親機3に送信する(S309)。親機3のデータ処理回路21は、子機2から送信されてくる暗号化された一時鍵R1を受信すると、一時鍵R0を用いて一時鍵R1を復号する(S310)。
Upon receiving the encrypted temporary key R0 transmitted from the
その後、子機2のデータ処理回路13は、施錠・解錠指示等の情報データを、一時鍵R1を用いてDESで暗号化して親機3に送信する(S311)。親機3のデータ処理回路21は、子機2から送信されてくる暗号化された情報データを受信すると、一時鍵R1を用いて情報データを復号する(S312)。そして、データ処理回路21は、情報データに基づいて、例えば、駆動回路23を介してアクチュエータ24に施錠・解錠指示信号を送信する。
Thereafter, the
このように、キーレスエントリーシステム1においては、子機2及び親機3において乱数生成回路54A,54Bを用いて一時鍵を生成し、DESによる暗号化及び復号の処理を繰り返し行うことにより、セキュリティ強度を高めている。
As described above, in the
==乱数生成回路の構成==
本実施形態においては、図3で説明した暗号化及び復号の処理における乱数生成処理において、乱数生成回路54A,54Bが用いられている。乱数生成回路54A及び乱数生成回路54Bは同様の構成であるため、以後、乱数生成回路54Aについて説明する。
== Configuration of random number generation circuit ==
In the present embodiment, random
図4は、乱数生成回路54Aの構成を示す図である。乱数生成回路54Aは、分周回路61、ボーレートジェネレータ62、カウンタ63、シフトレジスタ64、マスクAレジスタ65、マスクBレジスタ66、マルチプレクサ(選択回路)67、AND回路68、奇数パリティジェネレータ69、物理乱数生成回路70、OR回路71、D型フリップフロップ(以後、「D−FF」と称する)72、AND回路73、OR回路74、EXOR回路(変調回路)75、マルチプレクサ76、及びシフトレジスタ77を備えている。また、シフトレジスタ64、マスクAレジスタ65、マスクBレジスタ66、及びシフトレジスタ77は、バス57Aに接続されている。なお、AND回路68及び奇数パリティジェネレータ69により、本発明の帰還信号生成回路が構成されている。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the random
分周回路61は、データ処理回路13における例えば6MHzのシステムクロック(Sys_clk)を4分の1に分周する回路である。また、ボーレートジェネレータ62は、例えば8ビットのレジスタに分周値を設定可能な回路である。そして、カウンタ63は、分周回路61から出力されるクロックをボーレートジェネレータ62に設定された分周値に基づいてカウントすることにより、乱数生成回路54Aの動作クロック(RCLK)を出力する。
The
シフトレジスタ64は、例えば32ビット(Q0〜Q31)の線形帰還シフトレジスタであり、クロック入力(C)には動作クロック(RCLK)が入力され、1ビット目(Q0)のデータ入力端子(D)に帰還信号(F)が入力される。なお、シフトレジスタ64の初期値は、CPU51Aによりバス57Aを介して設定される。
The
マスクAレジスタ65は、例えば32ビット(AQ0〜AQ31)のレジスタであり、シフトレジスタ64でM系列の擬似乱数を生成する際のタップ位置を記憶するものである。例えば、シフトレジスタ64を用いて4ビットのM系列を生成する場合、帰還信号(F)を、例えば原始多項式X4+X+1に基づいて次式(1)により求めることができる。
つまり、この場合、タップ位置は3ビット目と4ビット目であり、マスクAレジスタ65の3ビット目(AQ2)と4ビット目(AQ3)とに、例えば“1”が設定され、マスクAレジスタ65のその他のビットには、例えば“0”が設定される。
That is, in this case, the tap positions are the third bit and the fourth bit, and for example, “1” is set in the third bit (AQ 2 ) and the fourth bit (AQ 3 ) of the
同様に、マスクBレジスタ66は、例えば32ビット(BQ0〜BQ31)のレジスタであり、マスクAレジスタ66とは異なるタップ位置を記憶するものである。例えば、シフトレジスタ64を用いて前述したものとは異なる4ビットのM系列を生成する場合、帰還信号(F)を、例えば原始多項式X4+X3+1に基づいて次式(2)により求めることができる。
つまり、この場合、タップ位置は1ビット目と4ビット目であり、マスクBレジスタ66の1ビット目(BQ0)と4ビット目(BQ3)とに、例えば“1”が設定され、マスクBレジスタ66のその他のビットには、例えば“0”が設定される。なお、マスクAレジスタ65及びマスクBレジスタ66の値は、CPU51Aによりバス57Aを介して設定される。
That is, in this case, the tap positions are the first bit and the fourth bit, and for example, “1” is set in the first bit (BQ 0 ) and the fourth bit (BQ 3 ) of the
マルチプレクサ67には、マスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)とマスクBレジスタ66の値(BQ0〜BQ31)とが入力されており、選択信号(SEL)が例えば“0”の場合はA側(AQ0〜AQ31)を出力し、選択信号(SEL)が例えば“1”の場合はB側(BQ0〜BQ31)を出力する。
The value of the mask A register 65 (AQ 0 to AQ 31 ) and the value of the mask B register 66 (BQ 0 to BQ 31 ) are input to the
AND回路68(68−0〜68−31)は、シフトレジスタ64の値(Q0〜Q31)と、マルチプレクサ67から出力されるマスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)またはマスクBレジスタ66の値(BQ0〜BQ31)との、ビット毎の論理和を行う回路である。つまり、AND回路68からは、シフトレジスタ64の値(Q0〜Q31)のうち、タップ位置に対応するビットについては、そのビットに記憶されている値が出力され、それ以外のビットについては“0”が出力される。
AND circuit 68 (68-0~68-31) is the value of the
奇数パリティジェネレータ69は、AND回路68から出力される値の排他的論理和を行う回路である。つまり、マルチプレクサ67から、マスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)が出力される場合、次式(3)に示すように、奇数パリティジェネレータ69から出力される値は、マスクAレジスタ65に設定したタップ位置に基づいたM系列を生成する場合における、シフトレジスタ64への帰還信号(F)となる。
同様に、マルチプレクサ67から、マスクBレジスタ66の値(BQ0〜BQ31)が出力される場合、次式(4)に示すように、奇数パリティジェネレータ69から出力される値は、マスクBレジスタ66に設定したタップ位置に基づいたM系列を生成する場合における、シフトレジスタ64への帰還信号(F)となる。
また、本実施形態においては、奇数パリティジェネレータ69から出力される帰還信号(F)を、M系列の擬似乱数(PSR:pseudo random numbers)として用いることとする。
In the present embodiment, the feedback signal (F) output from the
物理乱数生成回路70は、物理乱数(PHR:physical random numbers)を生成する回路である。図5に物理乱数生成回路70の構成を示す。物理乱数生成回路70は、物理乱数発生源81、増幅回路82、及び二値化回路83を備える。物理乱数発生源81は、自然現象に基づいてランダムに変化する信号を生じうるものであり、例えば、特開2000−66592号公報に開示されるような、接合を含む電流路に生じる雑音信号を生じる半導体素子を含むものとすることができる。なお、これに限られず、放射性物質の崩壊を利用したもの等もこの物理乱数発生源81として用いることができる。
The physical random
物理乱数発生源81にて生成された信号は、増幅回路82において増幅され、さらに二値化回路83において二値化処理される。二値化回路83は、増幅回路より出力される増幅された信号の振幅と所定の閾値とを比較し、例えば、増幅された信号の振幅が所定の閾値より高いときには“1”を、低いときには“0”を物理乱数(PHR:physical random numbers)として出力する。なお、二値化回路83における閾値のレベルは、“1”および“0”の発生確率が概ね45〜55%となるように設定されている。
The signal generated by the physical random
OR回路71は、物理乱数生成回路70から出力される物理乱数(PHR)と、乱数生成回路54Aにおいて物理乱数を用いるかどうかを示す選択信号(MODE1)との論理和を行う回路である。本実施形態において、選択信号(MODE1)が“0”のときをカウンタモード、“1”のときをCPUモードと称することとする。カウンタモードの場合、OR回路71から出力される信号は、物理乱数生成回路70から出力される物理乱数(PHR)となり、他の回路において物理乱数(PHR)が用いられることとなる。一方、CPUモードの場合、OR回路71から出力される信号は常に“1”となるため、他の回路において物理乱数(PHR)が用いられないこととなる。
The OR
D−FF72のデータ入力端子(D)には、OR回路71から出力される信号が入力される。つまり、カウンタモードの場合、D−FF72のデータ入力端子(D)には物理乱数(PHR)が入力されることとなる。また、D−FF72のクロック入力端子(C)には、動作クロック(RCLK)が入力される。そして、D−FF72のデータ入力端子(D)に入力されている物理乱数(PHR)が、動作クロック(RCLK)の立ち上がり時に、データ出力端子(Q)から物理乱数(PHRQ)として出力される。
A signal output from the
AND回路73は、D−FF72から出力される物理乱数(PHRQ)と、乱数生成回路54Aにおける動作モードを選択する選択信号(MODE0)との論理積を行い、マルチプレクサ67への選択信号(SEL)を出力する回路である。本実施形態において、選択信号(MODE0)が“0”のときを乗算モード、“1”のときをホッピングモードと称することとする。乗算モードとは、物理乱数をM系列の擬似乱数に応じて変化させて出力するモードであり、ホッピングモードとは、物理乱数に基づいてM系列を切り替えて出力するモードである。
The AND
乗算モードの場合、AND回路73から出力される選択信号(SEL)は常に“0”となる。つまり、乗算モードの場合、マルチプレクサ67はマスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)を出力する。ホッピングモードの場合、AND回路73から出力される選択信号(SEL)は、D−FF72から出力される物理乱数(PHRQ)となる。つまり、ホッピングモードの場合、マルチプレクサ67は物理乱数(PHRQ)に応じてマスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)またはマスクBレジスタ66の値(BQ0〜BQ31)を出力する。
In the multiplication mode, the selection signal (SEL) output from the AND
OR回路74は、D−FF72から出力される物理乱数(PHRQ)と、動作モードの選択信号(MODE0)との論理和を行う回路である。つまり、乗算モードの場合、OR回路74から出力される信号は物理乱数(PHRQ)となり、ホッピングモードの場合、物理乱数(PHRQ)にかかわらず常に“1”となる。
The OR
EXOR回路75は、奇数パリティジェネレータ69から出力される擬似乱数(PSR)と、OR回路74から出力される信号との排他的論理和を行い、乱数(R)を出力する回路である。
The
マルチプレクサ76には、動作クロック(RCLK)を反転したクロック(/RCLK)と、CPU51Aからの読み出し信号(CPU_RD)とが入力される。そして、マルチプレクサ76は、選択信号(MODE1)がカウンタモードの場合はクロック(/RCLK)を出力し、CPUモードの場合は読み出し信号(CPU_RD)を出力する。
The
シフトレジスタ77は、例えば8ビットの線形シフトレジスタであり、データ入力端子(D)にEXOR回路75から出力される乱数(R)が入力され、クロック入力端子(C)にマルチプレクサ76から出力されるクロック信号(/RCLK)または読み出し信号(CPU_RD)が入力される。
The
==乱数生成回路の動作説明==
次に、乱数生成回路54Aの動作について説明する。
== Description of operation of random number generation circuit ==
Next, the operation of the random
(1)乗算モード
まず、カウンタモードで、動作モードが乗算モードの場合の動作を説明する。乗算モードの場合、AND回路73から出力される選択信号(SEL)は常に“0”となり、マスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)がマルチプレクサ67から出力される。そして、シフトレジスタ64の値(Q0〜Q31)と、マスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)との論理積を行った結果がAND回路68から出力され、奇数パリティジェネレータ69によってその排他的論理和が行われ、シフトレジスタ64への帰還信号(F)が生成される。また、奇数パリティジェネレータ69から出力される信号は、擬似乱数(PSR)としてEXOR回路75に入力される。この擬似乱数(PSR)は、マスクAレジスタ65に設定されたタップ位置に応じたM系列の擬似乱数となる。
(1) Multiplication Mode First, the operation in the counter mode when the operation mode is the multiplication mode will be described. In the multiplication mode, the selection signal (SEL) output from the AND
EXOR回路75は、擬似乱数(PSR)と、OR回路74から出力される物理乱数(PHRQ)との排他的論理和を行い、乱数(R)をシフトレジスタ77に出力する。そして、シフトレジスタ77のクロック入力端子(C)には、マルチプレクサ76を介してクロック(/RCLK)が入力される。
The
図6は、各信号の出力タイミングを示すタイミングチャートである。図に示すように、動作クロック(RCLK)の立ち上がり時(例えば時刻t1)に、物理乱数(PHRQ)、擬似乱数(PSR)が生成され、さらにそれらの排他的論理和である乱数(R)が生成される。そして、動作クロック(RCLK)の立ち下がり時、つまり、クロック(/RCLK)の立ち上がり時(例えば時刻t2)に、乱数(R)がシフトレジスタ77にセットされる。
FIG. 6 is a timing chart showing the output timing of each signal. As shown in the figure, a physical random number (PHRQ) and a pseudo-random number (PSR) are generated at the rising edge of the operation clock (RCLK) (for example, time t1), and a random number (R) that is an exclusive OR of these is generated. Generated. Then, the random number (R) is set in the
なお、シフトレジスタ77は、EXOR回路75から出力される乱数(R)を8ビット記憶すると、CPU51Aに割込信号を送信する。CPU51Aは、この割込信号を受信すると、8ビットの乱数(R)をシフトレジスタ77から読み出す。
The
図7は、EXOR回路75に入力される物理乱数(PHRQ)及び擬似乱数(PSR)の組合せと、その発生確率を示す図である。物理乱数(PHRQ)が“0”となる確率をX(0≦X≦1)、擬似乱数(PSR)が“0”となる確率をY(0≦Y≦1)とすると、物理乱数(PHRQ)及び擬似乱数(PSR)が共に“0”となる確率はXY、物理乱数(PHRQ)が“0”、擬似乱数(PSR)が“1”となる確率はX(1−Y)となる。また、物理乱数(PHRQ)が“1”、擬似乱数が“0”となる確率は(1−X)Y、物理乱数(PHRQ)及び擬似乱数(PSR)が共に“1”となる確率は(1−X)(1−Y)となる。
FIG. 7 is a diagram showing a combination of physical random numbers (PHRQ) and pseudo-random numbers (PSR) input to the
したがって、乱数(R)が“0”となる確率P0、および“1”となる確率P1は、次式(5),(6)により求められる。
ここで、例えば、擬似乱数(PSR)を16ビットのM系列とすると、擬似乱数(PSR)においては、“0”が32767回、“1”が32768回発生することとなり、Y≒0.4999(49.99%)となる。そして、物理乱数(PHRQ)における“0”の発生確率Xを、例えば、0.45(45%)とすると、P0及びP1は、式(5),(6)より、P0≒0.50001(50.001%)、P1≒0.49999(49.999%)となる。また、例えば、物理乱数(PHRQ)における“0”の発生確率Xを、例えば、0.55(55%)とすると、P0≒0.49999(49.999%)、P1≒0.50001(50.001%)となる。したがって、乱数(R)における“0”の発生確率の範囲は49.999〜50.001%程度となり、乱数として用いることができる。 Here, for example, if the pseudo random number (PSR) is a 16-bit M sequence, “0” is generated 32767 times and “1” is 32768 times in the pseudo random number (PSR), and Y≈0.4999. (49.99%). Then, the probability X of "0" in the physical random number (PHRQ), for example, when a 0.45 (45%), P 0 and P 1 has the formula (5), from (6), P 0 ≒ 0 50001 (50.001%), P 1 ≈0.49999 (49.999%). For example, if the occurrence probability X of “0” in the physical random number (PHRQ) is 0.55 (55%), for example, P 0 ≈0.49999 (49.999%), P 1 ≈0.50001 (50.001%). Accordingly, the range of the probability of occurrence of “0” in the random number (R) is about 49.999 to 50.001%, which can be used as a random number.
(2)ホッピングモード
次に、カウンタモードで、動作モードがホッピングモードの動作を説明する。ホッピングモードの場合、AND回路73から出力される選択信号(SEL)は、D−FF72から出力される物理乱数(PHRQ)となる。したがって、マルチプレクサ67は、物理乱数(PHRQ)が“0”の場合はマスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)を出力し、“1”の場合はマスクBレジスタ66の値(BQ0〜BQ31)を出力する。
(2) Hopping mode Next, the operation in the counter mode and the operation mode being the hopping mode will be described. In the hopping mode, the selection signal (SEL) output from the AND
物理乱数(PHRQ)が“0”の場合、シフトレジスタ64の値(Q0〜Q31)と、マスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)との論理積を行った結果がAND回路68から出力され、奇数パリティジェネレータ69によってその排他的論理和が行われ、シフトレジスタ64への帰還信号(F)が生成される。また、奇数パリティジェネレータ69から出力される信号は、擬似乱数(PSR)としてEXOR回路75に入力される。
For physical random number (PHRQ) is "0", the value of the
そして、物理乱数(PHRQ)が“1”の場合、シフトレジスタ64の値(Q0〜Q31)と、マスクBレジスタ66の値(BQ0〜BQ31)との論理積を行った結果がAND回路68から出力され、奇数パリティジェネレータ69によってその排他的論理和が行われ、シフトレジスタ64への帰還信号(F)が生成される。また、奇数パリティジェネレータ69から出力される信号は、擬似乱数(PSR)としてEXOR回路75に入力される。
When the physical random number (PHRQ) is “1”, the logical product of the value of the shift register 64 (Q 0 to Q 31 ) and the value of the mask B register 66 (BQ 0 to BQ 31 ) is obtained. The output from the AND circuit 68 is exclusive-ORed by the
つまり、擬似乱数(PSR)は、物理乱数(PHRQ)が“0”の場合は、マスクAレジスタ65に設定されたタップ位置に応じたM系列の擬似乱数となり、物理乱数(PHRQ)が“1”の場合は、マスクBレジスタ65に設定されたタップ位置に応じたM系列の擬似乱数となる。
That is, when the physical random number (PHRQ) is “0”, the pseudo random number (PSR) is an M-sequence pseudo random number corresponding to the tap position set in the
ホッピングモードの場合、OR回路74の出力は常に“1”となるため、EXOR回路75から出力される乱数(R)は、擬似乱数(PSR)を反転したものとなる。シフトレジスタ77のデータ入力端子(D)には乱数(R)が入力され、クロック入力端子(C)には、マルチプレクサ76を介してクロック(/RCLK)が入力される。そして、乗算モードの場合と同様に、クロック(/RCLK)の立ち上がり時に、乱数(R)がシフトレジスタ77にセットされる。また、シフトレジスタ77は、EXOR回路75から出力される乱数(R)を8ビット記憶すると、CPU51Aに割込信号を送信する。CPU51Aは、この割込信号を受信すると、8ビットの乱数(R)をシフトレジスタ77から読み出す。
In the hopping mode, since the output of the
(3)CPUモード
最後に、CPUモードの動作を説明する。CPUモードの場合、D−FF72から出力される信号(PHRQ)が常に“1”となる。したがって、AND回路73から出力される選択信号(SEL)は、乗算モードの場合は“0”、ホッピングモードの場合は“1”となる。つまり、マルチプレクサ67は、乗算モードの場合はマスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)を出力し、ホッピングモードの場合はマスクBレジスタ66の値(BQ0〜BQ31)を出力する。
(3) CPU Mode Finally, the operation in the CPU mode will be described. In the CPU mode, the signal (PHRQ) output from the D-
そして、シフトレジスタ64の値(Q0〜Q31)と、マスクAレジスタ65の値(AQ0〜AQ31)またはマスクBレジスタ66の値(BQ0〜BQ31)との論理積を行った結果がAND回路68から出力され、奇数パリティジェネレータ69によってその排他的論理和が行われ、シフトレジスタ64への帰還信号(F)が生成される。また、奇数パリティジェネレータ69から出力される信号は、擬似乱数(PSR)としてEXOR回路75に入力される。この擬似乱数(PSR)は、マスクAレジスタ65またはマスクBレジスタ66に設定されたタップ位置に応じたM系列の擬似乱数となる。
Then, was carried out with the value of the
CPUモードの場合、OR回路74の出力は常に“1”となるため、EXOR回路75から出力される乱数(R)は、擬似乱数(PSR)を反転したものとなる。シフトレジスタ77のデータ入力端子(D)には乱数(R)が入力され、クロック入力端子(C)には、マルチプレクサ76を介してCPU51Aからの読み出し信号(CPU_RD)が入力される。そして、シフトレジスタ77においては、読み出し信号(CPU_RD)が入力されるたびに、乱数(R)がセットされる。また、シフトレジスタ77は、EXOR回路75から出力される乱数(R)を8ビット記憶すると、CPU51Aに割込信号を送信する。CPU51Aは、この割込信号を受信すると、8ビットの乱数(R)をシフトレジスタ77から読み出す。
In the CPU mode, since the output of the
以上、本発明の一実施形態である乱数生成回路54A,54Bを適用したキーレスエントリーシステム1について説明した。前述したように、乱数生成回路54Aにおいては、乗算モードの場合、マスクAレジスタ65にM系列におけるタップ位置が記憶されており、線形帰還シフトレジスタ64に記憶されているデータ(Q0〜Q31)と、マスクAレジスタ65に記憶されているデータ(AQ0〜AQ31)とに基づいて、線形帰還シフトレジスタ64への帰還信号(F)が生成される。つまり、マスクAレジスタ65に所望のデータを設定することにより、M系列におけるタップ位置を自由に変更することが可能となる。このような乱数生成回路54Aにおいては、タップ位置が可変であるため、線形帰還シフトレジスタ64により生成される擬似乱数の予測困難性が高まる。そして、複数のM系列を生成可能な乱数生成回路において、夫々のM系列のタップ位置に応じた回路を設ける必要がないため、回路規模を縮小することができる。
The
さらに、このように生成される擬似乱数を用いて物理乱数を変調して乱数(R)を生成することができる。つまり、物理乱数をM系列の擬似乱数を用いて変調することにより乱数の予測困難性を高める場合においても、M系列のタップ位置を自由に変更することが可能である。そのため、乱数の予測困難性を高めることができるとともに、複数のM系列のタップ位置を予め回路で構成する場合と比較して、回路規模を縮小することができる。 Furthermore, it is possible to generate a random number (R) by modulating a physical random number using the pseudo random number generated in this way. In other words, even when the difficulty of predicting random numbers is increased by modulating physical random numbers using M-sequence pseudo-random numbers, the M-sequence tap position can be freely changed. Therefore, the difficulty of predicting random numbers can be increased, and the circuit scale can be reduced as compared with the case where a plurality of M-sequence tap positions are configured in advance by a circuit.
また、乱数生成回路54Aにおいては、M系列のタップ位置を記憶する2つのレジスタであるマスクAレジスタ65及びマスクBレジスタ66が設けられている。そして、線形帰還シフトレジスタ64に記憶されているデータ(Q0〜Q31)と、マルチプレクサ67により選択された一方のレジスタに記憶されているデータ(AQ0〜AQ31またはBQ0〜BQ31)とに基づいて、線形帰還シフトレジスタ64への帰還信号(F)が生成される。つまり、マスクAレジスタ65及びマスクBレジスタ66に所望のデータを設定することにより、選択信号(SEL)により切り替えることが可能な2つのM系列のタップ位置を自由に変更することが可能となる。このような乱数生成回路54Aにおいては、M系列が選択信号(SEL)に基づいて切り替えられることに加えて、タップ位置がマスクAレジスタ65及びマスクBレジスタ66の設定により自由に変更されるため、線形帰還シフトレジスタ64により生成される擬似乱数の予測困難性が高まる。そして、夫々のM系列のタップ位置に応じた回路を設ける必要がないため、回路規模を縮小することができる。
The random
さらに、マルチプレクサ67に入力される選択信号(SEL)を物理乱数(PHRQ)とすることができる。つまり、M系列を物理乱数に応じて切り替えることにより乱数の予測困難性を高める場合においても、M系列のタップ位置を自由に変更することが可能である。そのため、乱数の予測困難性を高めることができるとともに、複数のM系列のタップ位置を予め回路で構成する場合と比較して、回路規模を縮小することができる。
Furthermore, the selection signal (SEL) input to the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, the said embodiment is for making an understanding of this invention easy, and is not for limiting and interpreting this invention. The present invention can be changed and improved without departing from the gist thereof, and the present invention includes equivalents thereof.
例えば、本実施形態の乱数生成回路54Aにおいては、M系列のタップ位置を記憶するレジスタをマスクAレジスタ65及びマスクBレジスタ66の2つとしたが、タップ位置を記憶するレジスタを3つ以上設けることとしてもよい。タップ位置を記憶するレジスタを3つ以上設ける場合、例えば、フリップフロップ等を用いて物理乱数を2ビット以上記憶し、その値に応じてタップ位置を出力するレジスタを選択することとしてもよい。
For example, in the random
また、本実施形態においては、擬似乱数系列としてM系列を用いているが、例えば、Gold系列等の他の擬似乱数系列を用いることとしてもよい。擬似乱数系列としてGold系列を用いる場合においても、そのタップ位置をレジスタに記憶する構成とすることにより、タップ位置を自由に変更することが可能となり、また、複数のタップ位置に応じた回路を予め構成する場合と比較して、回路規模を縮小することができる。 In this embodiment, the M sequence is used as the pseudo random number sequence. However, for example, another pseudo random number sequence such as a Gold sequence may be used. Even when the Gold sequence is used as the pseudo-random number sequence, the tap position can be freely changed by storing the tap position in the register, and a circuit corresponding to a plurality of tap positions can be preliminarily provided. The circuit scale can be reduced as compared with the case of the configuration.
また、本実施形態においては、乱数生成回路54Aをキーレスエントリーシステム1における暗号化に用いることとしたが、乱数生成回路54Aは、キーレスエントリーシステム1に限らず、安全性を高めるために乱数を使用する様々な情報処理システムに適用することができる。このように、様々な情報処理システムにおいて、乱数生成回路54Aを適用することにより、擬似乱数系列のタップ位置を自由に変更することが可能であるため、乱数の予測困難性を向上させ、安全性を高めることができる。また、複数の擬似乱数系列のタップ位置に応じた回路を予め構成する必要がないため、乱数生成回路の回路規模が縮小され、乱数生成回路を用いる装置を小型化することが可能となる。
In the present embodiment, the random
1 キーレスエントリーシステム 2 子機
3 親機 11 電池
12 操作スイッチ 13,21 データ処理回路
14,22 送受信回路 23 駆動回路
24 アクチュエータ 25 バッテリ
51A,51B CPU 52A,52B RAM
53A,53B EEPROM 54A,54B 乱数生成回路
55A,55B 暗号処理回路 56A,56B 入出力ポート
61 分周回路 62 ボーレートジェネレータ
63 カウンタ 64 シフトレジスタ
65 マスクAレジスタ 66 マスクBレジスタ
67 マルチプレクサ 68 AND回路
69 奇数パリティジェネレータ 70 物理乱数生成回路
71 OR回路 72 D型フリップフロップ
73 AND回路 74 OR回路
75 EXOR回路 76 マルチプレクサ
77 シフトレジスタ
DESCRIPTION OF
53A,
Claims (6)
擬似乱数系列におけるタップ位置を記憶するレジスタと、
前記線形帰還シフトレジスタに記憶されているデータと、前記レジスタに記憶されているタップ位置とに基づいて、前記線形帰還シフトレジスタへの帰還信号を生成する帰還信号生成回路と、
を備えることを特徴とする乱数生成回路。 A linear feedback shift register that generates pseudo-random numbers of a pseudo-random sequence;
A register for storing a tap position in the pseudo-random number sequence;
A feedback signal generation circuit that generates a feedback signal to the linear feedback shift register based on data stored in the linear feedback shift register and a tap position stored in the register;
A random number generation circuit comprising:
前記レジスタは、
前記線形帰還シフトレジスタと同一ビット数で構成され、擬似乱数系列のタップ位置に対応するビットに一方の論理値が記憶され、タップ位置に対応するビット以外のビットに他方の論理値が記憶されており、
前記帰還信号生成回路は、
前記線形帰還シフトレジスタの各ビットと、前記レジスタの各ビットとの論理積を行う回路と、当該論理積により得られるデータの排他的論理和により前記帰還信号を生成する回路と、
を備えることを特徴とする乱数生成回路。 The random number generation circuit according to claim 1,
The register is
Consists of the same number of bits as the linear feedback shift register, one logical value is stored in the bit corresponding to the tap position of the pseudo-random number sequence, and the other logical value is stored in the bit other than the bit corresponding to the tap position. And
The feedback signal generation circuit includes:
A circuit that performs a logical product of each bit of the linear feedback shift register and each bit of the register, a circuit that generates the feedback signal by exclusive OR of data obtained by the logical product,
A random number generation circuit comprising:
物理乱数を生成する物理乱数生成回路と、
前記物理乱数生成回路により生成された物理乱数を前記線形帰還シフトレジスタにより生成された擬似乱数に応じて変化させて出力する変調回路と、
を更に備えることを特徴とする乱数生成回路。 The random number generation circuit according to claim 1 or 2,
A physical random number generation circuit for generating a physical random number;
A modulation circuit that changes the physical random number generated by the physical random number generation circuit according to the pseudo-random number generated by the linear feedback shift register, and outputs the modulation circuit;
The random number generation circuit further comprising:
複数の擬似乱数系列における夫々のタップ位置を記憶する複数のレジスタと、
前記複数の擬似乱数系列のうちの何れの擬似乱数系列を用いるかを示す選択信号を受信し、当該選択信号に基づいて前記複数のレジスタの何れかを選択する選択回路と、
前記線形帰還シフトレジスタに記憶されているデータと、前記選択回路により選択されたレジスタに記憶されているタップ位置とに基づいて、前記線形帰還シフトレジスタへの帰還信号を生成する帰還信号生成回路と、
を備えることを特徴とする乱数生成回路。 A linear feedback shift register that generates pseudo-random numbers of a pseudo-random sequence;
A plurality of registers for storing respective tap positions in a plurality of pseudo-random number sequences;
A selection circuit that receives a selection signal indicating which of the plurality of pseudo-random number sequences to use, and that selects any of the plurality of registers based on the selection signal;
A feedback signal generation circuit that generates a feedback signal to the linear feedback shift register based on data stored in the linear feedback shift register and a tap position stored in the register selected by the selection circuit; ,
A random number generation circuit comprising:
前記レジスタは、
前記線形帰還シフトレジスタと同一ビット数で構成され、擬似乱数系列のタップ位置に対応するビットに一方の論理値が記憶され、タップ位置に対応するビット以外のビットに他方の論理値が記憶されており、
前記帰還信号生成回路は、
前記線形帰還シフトレジスタの各ビットと、前記選択回路により選択されたレジスタの各ビットとの論理積を行う回路と、当該論理積により得られるデータの排他的論理和により前記帰還信号を生成する回路と、
を備えることを特徴とする乱数生成回路。 The random number generation circuit according to claim 4,
The register is
Consists of the same number of bits as the linear feedback shift register, one logical value is stored in the bit corresponding to the tap position of the pseudo-random number sequence, and the other logical value is stored in the bit other than the bit corresponding to the tap position. And
The feedback signal generation circuit includes:
A circuit that performs a logical product of each bit of the linear feedback shift register and each bit of the register selected by the selection circuit, and a circuit that generates the feedback signal by exclusive OR of data obtained by the logical product When,
A random number generation circuit comprising:
物理乱数を生成する物理乱数生成回路を更に備え、
前記選択信号は、前記物理乱数生成回路により生成された物理乱数であることを特徴とする乱数生成回路。
The random number generation circuit according to claim 4 or 5,
A physical random number generation circuit for generating a physical random number;
The random number generation circuit, wherein the selection signal is a physical random number generated by the physical random number generation circuit.
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---|---|---|---|
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- 2005-02-03 JP JP2005028114A patent/JP2006215825A/en not_active Withdrawn
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