JP2010181789A - 情報処理装置及び情報処理方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】順序攪拌部103が、各線形フィードバックシフトレジスタ101からのビット列を結合するとともに、ビット列の順序を線形フィードバックシフトレジスタ102からの出力値に基づいて攪拌し、順序攪拌後のビット列に対して、数学的に安全性が証明可能な非線形変換部104が更に攪拌することで、次に生成される擬似乱数を推定することが困難であり、かつ周期が大きく、数学的に安全性の証明可能な擬似乱数を生成する。
【選択図】図1
Description
暗号化方式として、最も一般的なものは、共通の鍵で暗号化・復号化を行う共通鍵暗号化方式であるが、この共通暗号化方式は、ブロック暗号方式とストリーム暗号方式の2つに大別される。
ブロック暗号方式の方が現在一般的に用いられていることが多い方式であるが、ストリーム暗号に関しても後者の方が処理速度で優れている場合が多く、近年再度注目を集める技術分野である。
上記したストリーム暗号を生成するための方法および装置の一例が以下の特許文献に開示されている。
特許文献1における従来技術では、処理効率を向上させる効果の目的で暗号化処理の単位がビット単位からワード単位に変更されているが、ワード単位で暗号化するストリーム暗号化方式においては、クロック制御を用いた場合、ワード長×N(Nはクロック数)の生成された擬似乱数を利用することなく棄却され、暗号化効率の観点から、クロック制御が用いられていない。
しかし、ブロック暗号方式では確立されている差分解読法や線形解読法のような非常に一般的な攻撃方法に対する安全性指標がストリーム暗号方式には存在しておらず、ストリーム暗号の方式ごとに安全性評価の方式を検討し、安全性の議論を行う必要がある。
それぞれが所定ビット長のビット列を出力する順序付けられている複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタと、
前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列の順序を制御するための制御値を出力する第2の線形フィードバックシフトレジスタと、
前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列の順序を前記第2の線形フィードバックシフトレジスタから出力された制御値に基づいて攪拌するとともに、前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列を結合する順序攪拌部と、
前記順序攪拌部により攪拌され結合された結合ビット列を入力し、入力した結合ビット列を攪拌する、数学的に安全性が証明可能である非線形変換部と、
前記非線形変換部により攪拌された結合ビット列を用いて処理対象データに対してストリーム暗号方式による暗号及び復号の少なくともいずれかを行うデータ処理部とを有することを特徴とする。
本実施の形態に係る情報処理装置は、ストリーム暗号方式で擬似乱数を生成するものであり、M系列等を発生させる複数の線形フィードバックシフトレジスタ(以下、LFSRとも表記する)の出力をさらに異なる線形フィードバックシフトレジスタの出力によって順序の攪拌を行い、生成されたストリーム系列を、数学的に安全性が証明可能な非線形変換部に入力し処理することで、偏りが無く、入力される秘密情報を知らない限り次に生成される系列が推測困難な擬似乱数を出力するものである。
以下、本実施の形態に係る情報処理装置の詳細を図1〜図4を参照して説明する。
図1において、複数の線形フィードバックシフトレジスタ101は、それぞれが所定ビット長のビット列を出力する線形フィードバックシフトレジスタである。各線形フィードバックシフトレジスタ101は、より具体的には、M系列等の周期性の保証された擬似乱数系列を出力する。また、複数の線形フィードバックシフトレジスタ101は、各々順序づけられており、図1ではL1〜LNという順序が付けられている。
線形フィードバックシフトレジスタ101は、第1の線形フィードバックシフトレジスタの例である。
線形フィードバックシフトレジスタ102は、第2の線形フィードバックシフトレジスタの例である。
図1では、データ処理部105は平文系列Pの暗号化を行って暗号文系列Cを得る例を示しているが、データ処理部105は暗号文系列Cの復号を行ってもよい。
図2は、本実施の形態に係る暗号アルゴリズムの例を示す。
LFSR1〜8及びLFSR9は、ガロア体GF(28)で定義する原始多項式をパラメータにより構成される線形フィードバックシフトレジスタであり、M系列と呼ばれる周期性の保証された擬似乱数系列を生成する構成とする。
図2のLFSR1〜8は、図1の線形フィードバックシフトレジスタ101(第1の線形フィードバックシフトレジスタ)に相当する。つまり、図2では、8個の線形フィードバックシフトレジスタ101を用いている。また、LFSR9は、図1の線形フィードバックシフトレジスタ102(第2の線形フィードバックシフトレジスタ)に相当する。
このように、図2に示すように、情報処理装置100は、N(Nは2以上の整数)個の第1の線形フィードバックシフトレジスタを有し、N個の第1の線形フィードバックシフトレジスタは、それぞれ、ガロア体GF(2K)(Kは2以上の整数)で定義される原始多項式を生成多項式としてKビット長のビット列を生成する。そして、第2の線形フィードバックシフトレジスタは、ガロア体GF(2N)で定義される原始多項式を生成多項式としてNビット長のビット列を制御値として生成する。
なお、図2では、ワードを64ビットとし、8個のLFSR(LFSR1〜8)を用い、各LFSRは8ビットの疑似乱数を出力し、LFSR9も8ビットの疑似乱数(制御値)を出力する。
順序攪拌部103のByte置換処理の詳細は、後述する。
また、非線形変換部104の非線形変換処理及び置換64(106)の処理の詳細も、後述する。
なお、置換64(106)は図1には示されておらず、図2において追加された機能である。なお、置換64(106)は省略してもよい。
また、非線形変換部104の処理に必要な秘密鍵Kの設定も行う。この秘密鍵Kも、情報処理装置100のユーザが入力してもよいし、情報処理装置100内のファイル等からCPUが読み出すようにしてもよい。
次に、設定を行った次のサイクルからそれぞれの線形フィードバックシフトレジスタを動作させ、LFSR1〜9の中の最大のレジスタ段数以上のサイクルが経過したところから、実際の出力として採用する。
Byte置換処理の構成としては、図3のようにLFSR9から出力される8ビットデータを1ビット毎に分割し、それぞれをSEL1〜SEL8のセレクタ信号とする。
LFSR1〜8から入力される8ビットをLFSR1から順番に上位ビット側として並べていき、例えば、LFSR1からの8ビットデータとLFSR2からの8ビットデータの順番をセレクタ信号SEL1が0の場合はそのままにしておき、SEL1が1の場合はLFSR1からの8ビットデータとLFSR2からの8ビットデータの順番を8ビット毎入れ替える。
また、LFSR3からの8ビットデータとLFSR4からの8ビット、LFSR5からの8ビットデータとLFSR6からの8ビットデータ、LFSR7からの8ビットデータとLFSR8からの8ビットデータも同様の処理を行う。
次の段階では、LFSR1とLFSR2からの16ビットデータ(順番が入れ替わっている場合がある)とLFSR3とLFSR4からの16ビットデータ(順番が入れ替わっている場合がある)を結合するとともに、セレクタ信号SEL5が0の場合は、この32ビットデータの順序をそのままにし、セレクタ信号SEL5が1の場合は、1番目の8ビットデータと3番目の8ビットデータの順序を入れ替えるとともに2番目の8ビットデータと4番目の8ビットデータの順序を入れ替える。LFSR5〜LFSR8の32ビットデータについても同様の処理を行う。
次の段階では、LFSR1〜LFSR4の32ビットデータのうちの前半16ビットデータをLFSR5〜LFSR8の32ビットデータの後半16ビットデータと結合し、セレクタ信号SEL7が0の場合は、この32ビットデータの順序をそのままにし、セレクタ信号SEL7が1の場合は、1番目の8ビットデータと3番目の8ビットデータの順序を入れ替えるとともに2番目の8ビットデータと4番目の8ビットデータの順序を入れ替える。また、LFSR1〜LFSR4の32ビットデータのうちの後半16ビットデータをLFSR5〜LFSR8の32ビットデータの前半16ビットデータと結合し、セレクタ信号SEL8が0の場合は、この32ビットデータの順序をそのままにし、セレクタ信号SEL8が1の場合は、1番目の8ビットデータと3番目の8ビットデータの順序を入れ替えるとともに2番目の8ビットデータと4番目の8ビットデータの順序を入れ替える。
最後に、図3に示す位置関係で、順序攪拌された8ビット×8=64ビットのデータを非線形変換部104に入力する。
非線形変換部104の構成としては、一般に数学的に安全性が証明可能な構成として暗号アルゴリズムMISTY(登録商標)が知られており、本実施の形態の構成としてもMISTY2(登録商標)のようなFO関数をN段(N≧3)重ねた変型フェイステル型の構成を採用する。
本実施の形態に係る非線形変換部104は、たとえば、図4に示す構成とする。
本実施の形態では、図4(a)に示すFO1関数〜FON関数の各々の内部構成が、図4(b)に示す構成となっており、図4(b)に示す関数FI1関数〜FI3関数の各々の内部構成が図4(c)に示す構成となっている。
また、一般にFO関数の段数Nが大きくなると処理遅延が大きくなり処理速度に影響を及ぼす原因となるが、本実施の形態では、非線形変換部104は線形フィードバックシフトレジスタLFSR1〜9に対してフィードバックを行わないので、非線形変換部104の出力結果が線形フィードバックシフトレジスタLFSR1〜9の処理と独立に動作可能であることから、FO関数1段毎にレジスタ200を挿入することで、各FO関数の演算処理をパイプライン制御により行うことができ、ハードウェア実装のような場合には処理遅延を短くすることが可能であり、従来提案されているストリーム暗号方式以上の高速処理を実現するものである。
置換64(106)の構成としては、複数の64ビット置換行列を保持し、LFSR9から出力される8ビットデータの情報により選択して使用することとする。
本実施の形態の構成としては、2種類の64ビット置換行列を持ち、LFSR9の出力のParityの結果により、置換行列を選択する構成を採用する。
また、非線形変換部104は、パラメータを変更することによりFO関数、FI関数、S関数の各段階の演算処理の内容を変更可能である。
更に、線形フィードバックシフトレジスタ群の出力の順序を攪拌する順序攪拌部の制御を上記線形フィードバックシフトレジスタ群とは異なる線形フィードバックシフトレジスタの出力を用いることで、線形フィードバックシフトレジスタ群の出力を推測することが困難になるといった効果も得られる。
更に、線形フィードバックシフトレジスタ群の出力を順序攪拌部により攪拌した結果を、数学的に安全性を証明可能とする非線形変換部に入力することで、これまでのストリーム暗号には無かった出力のランダム性を保証することが可能となるといった効果も得られる。
更に、非線形変換部の出力を線形フィードバックシフトレジスタ群へフィードバックしないことにより、特にハードウェア実装の場合には、パイプライン実装が可能となるため、非常に高速に擬似乱数を生成することが可能となる。
本実施の形態では、ワード単位を64ビットとした場合の別の構成を以下に示す。
図5は、本実施の形態に係る暗号アルゴリズムの例を示す。
また、LFSR3は、ガロア体GF(2)で定義する原始多項式をパラメータにより構成される線形フィードバックシフトレジスタであり、M系列と呼ばれる周期性の保証された擬似乱数系列を生成する構成とする。
LFSR1及びLFSR2が、図1の線形フィードバックシフトレジスタ101に相当し、LFSR3が、図1の線形フィードバックシフトレジスタ102に相当する。
また、本実施の形態では、順序攪拌部103は、32ビット単位の動的スワップを行う。
非線形変換部104、データ処理部105及び置換64(106)は、図2と同様である。
設定を行った次のサイクルからそれぞれの線形フィードバックシフトレジスタを動作させ、LFSR1〜3の中の最大のレジスタ段数以上のサイクルが経過したところから、実際の出力として採用する。
動的スワップ処理の構成としてはLFSR3から出力されるビットデータをセレクタ信号とし、LFSR1,2から入力されるそれぞれ32ビットデータをLFSR1を上位ビット側、LFSR2を下位ビット側として並べ、例えば、LFSR1とLFSR2の順番をセレクタ信号SEL1が0の場合はそのままにしておき、SEL1が1の場合はLFSR1とLFSR2の順番を32ビット毎入れ替えると言った操作を行うものである。
非線形変換部104の構成としては、実施の形態1と同様に一般に数学的に安全性が証明可能な構成として暗号アルゴリズムMISTY(登録商標)が知られており、本実施の形態の構成としてもMISTY2(登録商標)のようなFO関数をN段(N≧3)重ねた変型フェイステル型の構成を採用する。
一般にFO関数の段数Nが大きくなると処理遅延が大きくなり処理速度に影響を及ぼす原因となるが、本実施の形態では、非線形変換部104の出力結果が線形フィードバックシフトレジスタLFSR1〜3の処理と独立に動作可能であることから、FO関数1段毎にレジスタを挿入することでハードウェア実装のような場合には処理遅延を短くすることが可能であり、従来提案されているストリーム暗号方式以上の高速処理を実現するものである。
本実施の形態の構成としては、2種類の64ビット置換行列を持ち、LFSR1の出力により、置換行列を選択する構成を採用する。
図6は、実施の形態1、2に示す情報処理装置100のハードウェア資源の一例を示す図である。
なお、図6の構成は、あくまでも情報処理装置100のハードウェア構成の一例を示すものであり、情報処理装置100のハードウェア構成は図6に記載の構成に限らず、他の構成であってもよい。
CPU911は、バス912を介して、例えば、ROM(Read Only Memory)913、RAM(Random Access Memory)914、通信ボード915、表示装置901、キーボード902、マウス903、LFSR906、磁気ディスク装置920と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。
更に、CPU911は、FDD904(Flexible Disk Drive)、コンパクトディスク装置905(CDD)、プリンタ装置等と接続していてもよい。また、磁気ディスク装置920の代わりに、光ディスク装置、メモリカード(登録商標)読み書き装置などの記憶装置でもよい。
RAM914は、揮発性メモリの一例である。ROM913、FDD904、CDD905、磁気ディスク装置920の記憶媒体は、不揮発性メモリの一例である。これらは、記憶装置の一例である。
通信ボード915、キーボード902、マウス903、FDD904などは、入力装置の一例である。
また、通信ボード915、表示装置901などは、出力装置の一例である。
プログラム群923のプログラムは、CPU911がオペレーティングシステム921、ウィンドウシステム922を利用しながら実行する。
また、RAM914には、CPU911による処理に必要な各種データが格納される。
情報処理装置100の起動時には、ROM913のBIOSプログラム及び磁気ディスク装置920のブートプログラムが実行され、BIOSプログラム及びブートプログラムによりオペレーティングシステム921が起動される。
「〜ファイル」や「〜データベース」は、ディスクやメモリなどの記録媒体に記憶される。ディスクやメモリなどの記憶媒体に記憶された情報やデータや信号値や変数値やパラメータは、読み書き回路を介してCPU911によりメインメモリやキャッシュメモリに読み出され、抽出・検索・参照・比較・演算・計算・処理・編集・出力・印刷・表示などのCPUの動作に用いられる。
抽出・検索・参照・比較・演算・計算・処理・編集・出力・印刷・表示のCPUの動作の間、情報やデータや信号値や変数値やパラメータは、メインメモリ、レジスタ、キャッシュメモリ、バッファメモリ等に一時的に記憶される。
Claims (9)
- それぞれが所定ビット長のビット列を出力する順序付けられている複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタと、
前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列の順序を制御するための制御値を出力する第2の線形フィードバックシフトレジスタと、
前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列の順序を前記第2の線形フィードバックシフトレジスタから出力された制御値に基づいて攪拌するとともに、前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列を結合する順序攪拌部と、
前記順序攪拌部により攪拌され結合された結合ビット列を入力し、入力した結合ビット列を攪拌する、数学的に安全性が証明可能である非線形変換部と、
前記非線形変換部により攪拌された結合ビット列を用いて処理対象データに対してストリーム暗号方式による暗号及び復号の少なくともいずれかを行うデータ処理部とを有することを特徴とする情報処理装置。 - 前記非線形変換部は、
鍵を入力し、
入力した鍵と、入力した鍵が秘密であれば数学的に安全性が証明可能である一方向性関数とを用いて、前記順序攪拌部から入力した結合ビット列を攪拌することを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 - 前記非線形変換部は、
前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタ及び前記第2の線形フィードバックシフトレジスタのいずれに対してもフィードバックを行わないことを特徴とする請求項1又は2に記載の情報処理装置。 - 前記非線形変換部は、
前記順序攪拌部から入力した結合ビット列の攪拌のための複数段階の演算処理をパイプライン制御により行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の情報処理装置。 - 前記非線形変換部は、
パラメータを変更することにより各段階の演算処理の内容を変更可能であることを特徴とする請求項4に記載の情報処理装置。 - 前記情報処理装置は、
N(Nは2以上の整数)個の第1の線形フィードバックシフトレジスタを有し、
前記N個の第1の線形フィードバックシフトレジスタは、それぞれ、
ガロア体GF(2K)(Kは2以上の整数)で定義される原始多項式を生成多項式としてKビット長のビット列を生成し、
前記第2の線形フィードバックシフトレジスタは、
ガロア体GF(2N)で定義される原始多項式を生成多項式としてNビット長のビット列を前記制御値として生成し、
前記順序攪拌部は、
前記N個の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力されたN個のKビット長のビット列の順序を前記第2の線形フィードバックシフトレジスタから出力されたN個の制御値に基づいて攪拌するとともに、前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力されたN個のKビット長のビット列を結合することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の情報処理装置。 - 前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタ及び前記第2の線形フィードバックシフトレジスタは、それぞれ、
生成多項式として用いる原始多項式を変更可能であることを特徴とする請求項6に記載の情報処理装置。 - それぞれが所定ビット長のビット列を出力する順序付けられている複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタと、
前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列の順序を制御するための制御値を出力する第2の線形フィードバックシフトレジスタとを有するコンピュータが行う情報処理方法であって、
前記コンピュータが、前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列の順序を前記第2の線形フィードバックシフトレジスタから出力された制御値に基づいて攪拌するとともに、前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列を結合する順序攪拌ステップと、
前記コンピュータが、前記順序攪拌ステップにより攪拌され結合された結合ビット列を攪拌する、数学的に安全性が証明可能である非線形変換ステップと、
前記コンピュータが、前記非線形変換ステップにより攪拌された結合ビット列を用いて処理対象データに対してストリーム暗号方式による暗号及び復号の少なくともいずれかを行うデータ処理ステップとを有することを特徴とする情報処理方法。 - それぞれが所定ビット長のビット列を出力する順序付けられている複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタと、
前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列の順序を制御するための制御値を出力する第2の線形フィードバックシフトレジスタとを有するコンピュータに、
前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列の順序を前記第2の線形フィードバックシフトレジスタから出力された制御値に基づいて攪拌するとともに、前記複数の第1の線形フィードバックシフトレジスタから出力された複数のビット列を結合する順序攪拌処理と、
前記順序攪拌処理により攪拌され結合された結合ビット列を攪拌する、数学的に安全性が証明可能である非線形変換処理と、
前記非線形変換処理により攪拌された結合ビット列を用いて処理対象データに対してストリーム暗号方式による暗号処理及び復号処理の少なくともいずれかのデータ処理とを実行させることを特徴とするプログラム。
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CSNG199800579003; 松井 充: 'ブロック暗号アルゴリズムMISTY' 電子情報通信学会技術研究報告 Vol. 96, No. 167, 19960722, pp. 35-42 * |
CSNG200800843007; 高橋 賢司, 市川 哲也, 反町 亨: 'FPGAの部分再構成技術を利用した証明可能安全性を持つブロック暗号への可変鍵適用' 電子情報通信学会技術研究報告 Vol. 108, No.207, 200809, pp. 63-68 * |
JPN6012067258; 松井 充: 'ブロック暗号アルゴリズムMISTY' 電子情報通信学会技術研究報告 Vol. 96, No. 167, 19960722, pp. 35-42 * |
JPN6012067260; 高橋 賢司, 市川 哲也, 反町 亨: 'FPGAの部分再構成技術を利用した証明可能安全性を持つブロック暗号への可変鍵適用' 電子情報通信学会技術研究報告 Vol. 108, No.207, 200809, pp. 63-68 * |
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WO2012023500A1 (ja) | 2010-08-16 | 2012-02-23 | 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ | 移動端末装置及び無線通信方法 |
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