JP2012110009A

JP2012110009A - エンティティの認証と暗号化キー生成の機密保護されたリンクのための方法と構成

Info

Publication number: JP2012110009A
Application number: JP2012003596A
Authority: JP
Inventors: Ben Smeets; ベンスメーツ，
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2012-06-07
Also published as: US6633979B1; AU5817600A; CN1371565A; JP2003503896A; WO2001001630A1; MY130611A; EP1190526A1; BR0011870A

Abstract

【課題】通信ノード間の信頼を維持し、関連するオーバヘッドメッセージトラフィック量を低減する。
【解決手段】エンティティ認証処理が暗号化キー７０を用いて実行する。認証処理中、暗号化オフセット（ＣＯＦ）値５０が生成される。各ノードＡ，ＢはＣＯＦ値５０を格納し、ＣＯＦ値５０を用いてノードＡ、Ｂ間で送信されるデータを暗号化するために用いられる次の暗号化キー７０を生成する。それで、最新のエンティティ認証処理と次に生成される暗号化キー７０との間には論理的な関係がある。これは機密保護機能を強化し、リンクやエンティティの認証処理を繰り返すことに関連するオーバヘッド処理／遅延を低減するのに用いられる。その方法と構成は、例えば、汎欧州デジタル移動電話方式のような移動通信システムを含むどんな通信システムにでも機密保護機能を強化するのに用いることが出来る。
【選択図】図６

Description

本発明は機密保護通信に関し、特に、機密保護通信中にエンティティ認証処理と暗号キー生成処理との間の論理的な関係を提供する方法と装置に関する。

例えば、通信システムにおける２つのノード間における機密保護通信は通常、少なくとも初期認証処理が実行されて接続されたノードが機密保護通信を実行するために認められていることを保証することが要求される。この初期認証処理により、ノードは、それらが正しい相手方ノードとの通信リンクを確立し、データを送信するに先立って十分に機密保護されていることを確立することが可能になる。付加的な認証処理が機密保護通信のセション中に種々の時刻に実行され、さらにそのノードが合法的なものでありそのリンクが依然として機密保護されていることを検証する。

このように、認証処理が設計されて通信ノードに、送信データを盗もうと試みるかもしれない潜在的な盗聴者、他人になりすます者、及び／或いはハイジャッカー（詐欺師）に対する理にかなったレベルの保護を提供する。

例えば、ある従来の通信システムでは、認証処理とデータ暗号化処理とを組み合わせることによって認可されていないエンティティに対して保護が備えられている。その認証処理は通常、試行（challenge）応答方式を採用し、その方式を通し、ノードは互いに対して、自分が共通の機密共用キーや公開／プライベート暗号化法のキーをもっていることを証明する。また、試行／応答は、後で認証されたリンクによって送信されるデータの暗号化のために用いられる暗号化キーを生成するための暗号化キー生成器に対する入力として用いられる。

パーティの必要に依存して、認証処理は相互方向か或いは一方向であっても良い。相互認証処理において、ノード各々は他のノードに秘密キーを用いて生成される応答メッセージを要求する試行メッセージを送信することにより試行する。一方向認証処理では、そのノードの１つだけが他のノードに試行を行なう。

いずれの場合でも、２つのノード間で交換される必要がある必須レベルのメッセージトラフィックがある。認証処理中はデータが送信されないので、この付加的なメッセージトラフィックは通信効率を低下させる傾向がある。この付加的な“オーバヘッド”は、通信セション中に複数のリンク認証処理を実行する必要があるときにはやっかいなものとなる。例えば、もし機密保護トランザクションへのパーティが、暗号化キーが毎分変更されることを要求するなら、新しいリンク認証処理が通常毎分必要とされるか、或いはさもなければ、他のノードが認証されていることを再検証することなく、暗号化キーが生成される。

その結果、この種の機密保護通信に関連したオーバヘッドを低減する新しい方法や構成を備えることが望まれる。好適には、その方法や構成は非常に信頼される機密保護リンクに対して備えられる一方で、通信ノード間の信頼を維持することに関連するオーバヘッドメッセージトラフィック量を低減する。

本発明をある側面から見れば、繰返されるエンティティ認証処理に関連したオーバヘッドの低減に役立つ通信システムで用いるために新しい方法と構成とが備えられる。

従って、例えば、本発明のある実施形態に従えば、第１のノードと第２のノードとの間の機密保護リンクのセットアップにおける暗号化キーを生成する方法が備えられる。その方法は、暗号化法のキーと関連技術とを用いて第１と第２のノードとの間の認証処理を実行する工程と、その認証処理中に暗号化オフセットを生成する工程と、それらのノードの夫々においてその暗号化オフセットを格納する工程と、その後、少なくとも１つのランダム入力値、暗号化法のキー、及び暗号化オフセットとを用いて、それらのノード各々において暗号化キーを生成する工程とを含む。このようにして、送信データを暗号化し、また、暗号翻訳するために用いられる暗号化キーが論理的にその認証処理に関連付けられる。さらに、ある実施形態では、第１のノードは基地局であり、第２のノードは移動局であり、それら各々は、例えば、改良型汎欧州デジタル移動電話方式（ＧＳＭ）のような移動通信システムの各部である。

上述された必要性や他の事柄はまた、本発明のある実施形態に従う通信ノードにおいて暗号化キーを生成する構成によって満たされる。その構成は、データを格納するために構成されたメモリと、通信リンクによってデータを送受信するために構成可能なトランシーバと、そのメモリとそのトランシーバとに接続されるプロセッサとを含む。その構成は、暗号化法のキーを用いて、外部通信ノードとの通信リンクにより認証処理を実行し、その認証処理中に暗号化オフセットを生成し、その暗号化オフセットを前記メモリに格納し、その後、少なくとも１つの生成されたランダム入力値、暗号化法のキー、及び暗号化オフセットとを用いて、その暗号化キーを生成するために構成されている。

本発明のさらに別の実施形態に従えば、通信システムが備えられる。その通信システムは、第１のノードと第２のノードとの間に接続される通信リンクを含む。第１と第２のノードの両方は、その通信リンクによってデータを送受信し、暗号化法のキーを用いてその通信リンクにより認証処理を実行し、その認証処理中に暗号化オフセットを生成し、その暗号化オフセットを格納し、その後、少なくとも１つの生成されたランダム入力値、暗号化法のキー、及び暗号化オフセットとを用いて、暗号化キーを生成するために構成されている。そのようにして、結果として得られる暗号化キーは論理的に認証処理に関連付けられる。

本発明の種々の方法と装置のより完全な理解は添付図面に関連してとられた詳細な説明への参照によって得ることができるかもしれない。

２つのノード間に機密保護リンクを備える代表的な通信システムを描写するブロック図である。基地局ノードと移動局ノードとの間に機密保護無線インタフェースリンクを備える代表的な移動通信システムを描写するブロック図である。例えば、図１や図２に示すような機密保護通信システムに関連した従来の認証処理と構成とを描写するブロック図である。本発明のある実施形態に従う、例えば、図１や図２に示すような機密保護通信システムに関連した改良された認証処理と構成とを描写するブロック図である。本発明のある実施形態に従う、例えば、図４に示すような機密保護通信システム内のノードと関連した代表的な構成を描写するブロック図である。本発明のある実施形態に従う、例えば、図４に示すような機密保護通信システム内のノードと関連した代表的な機能構成を描写するブロック図である。本発明のある実施形態に従う機密保護通信システムで用いられる代表的な認証と暗号化キー生成処理を描写するフローチャートである。

図１は２つのノード間の機密保護通信を備えるために構成される通信システム１０を示している。通信システム１０は、第１のノード１２（ノードＡ）と、通信リンク１４と、第２のノード１６（ノードＢ）とを含んでいる。ノード１２と１４とは両方ともリンク１４に結合されて、リンク１４によりデータを送受信するように構成されている。リンク１４は１つ以上の接続、ネットワーク、或いは他の通信資源を含むことができる。

図２は、例えば、機密保護無線インタフェースリンク２４により基地局（ＢＳ）２６と通信するために構成されている移動局（ＭＳ）２２（例えば、セルラ電話）を有する汎欧州デジタル移動電話方式（ＧＳＭ）のような代表的な移動通信システム３０を示している。従って、図１に描かれているように、ＭＳ２２はノード１２と類似しており、ＢＳ２６はノード１６と類似している。それで、無線インタフェースリンク２４により機密保護するようにして、ＭＳ２２はアップリンク信号をＢＳ２６に送信でき、ＢＳ２６はダウンリンク信号をＭＳ２２に送信することができる。

ＢＳ２６はさらに移動交換センタ／在圏ローケーションレジスタ（ＭＳＣ／ＶＬＲ）２８に接続される。ＭＳＣ／ＶＬＲ２８は、ホームローケーションレジスタ（ＨＬＲ）３０によって定義されているように、通信サービスをＭＳ１２に関係した加入者に提供する。例えば、ＭＳＣ／ＶＬＲ２８は、ゲートウェイ移動交換センタ（ＧＭＳＣ）３２と１つ以上のネットワーク３４とを介して、ＭＳ２２と遠隔通信端末（ＴＴ）３６との間の呼のための備えをする。

図３は上述の通信システム１０と２０において用いられるのに適した代表的な従来の認証処理と構成とを示している。

図３に描写されているように、各ノード１２と１６内には暗号化法のキー４０がある。暗号化法のキー４０はリンク１４によって機密保護通信セションを実行することを求めるパーティに対して以前に同意が与えられて備えられたキーである。従って、例えば、暗号化法のキー４０は秘密キーであるか、或いは公開／プライベートキーのペアである。

暗号化法のキー４０が、各ノード（１２と１６）内で、認証ユニット（Ａ３）４２と暗号化キー発生器（Ａ８）４４に備えられる。認証ユニット４２は、リンク１４によって試行メッセージ４６を送受信し、リンク１４によって試行応答メッセージ４８を送受信することにより認証処理を実行するように構成されている。リンク１４による試行メッセージの受信時、認証ユニット４２は暗号化法のキー４０を用いて生成される応答メッセージ４８を出力する。応答メッセージの受信時、認証ユニット４２はその受信データを処理し、送信ノードが暗号化法のキー４０を用いて応答メッセージ４８を生成したことを検証する。上述のように、その認証処理は一方向でも或いは相互的なもの（両方向）でも良く、初期的に、ランダムに、周期的になど、必要であると思うときに実行して良い。

うまくいった認証処理に続いて、暗号化キー発生器４４は、例えば、ランダム入力値（例えば、試行値）と暗号化法のキー４０とを用いて暗号化キーを生成する。それから、その暗号化キーが用いられてリンク１４によってデータを送信するのに先立ってデータを暗号化し、そして受信データを暗号翻訳する。好適には、暗号化キーは認証処理における応答の計算後すぐに（或いは、それに平行して）計算される。

機密保護通信セション中のある時点で、新しい暗号化キーを生成して機密保護が維持されることを保証する必要があるかもしれない。例えば、ノード１２とノード１６との少なくともいずれかが、ある一定時間経過後かデータの送信後の少なくともいずれかに新しい暗号化キーの生成を要求するように構成されていても良い。

通常の手順ではそれらノードの１つが試行メッセージ４６で新しいランダム試行値を送信し、その値がそれから用いられて（うまくいった最新の認証処理の完了に続いて）新しい暗号化キーを計算する。あるシステムでは、簡略化された認証処理が実行される。そこでは、応答メッセージ４８を送信する必要はない。この種の簡略化された認証処理はオーバヘッドを低減し、新しい暗号化キーが生成されるのを可能にする一方で、その新しい暗号化キーがもはや機密保護通信セションの始まりで実行された認証に（即ち、論理的には）関連しないという欠点がある。

本発明のある側面からすれば、この機密保護の潜在的な喪失は、重大な付加的なオーバヘッド時間／処理を必要とすることなく、以前に実行された認証処理に論理的に関連づけられる暗号化キーを保持する種々の方法と構成によって回避される。

このことを考慮して、図４は本発明のある実施形態に従って、上述の通信システム１０と２０で用いられるのに適した改良された認証処理の代表的な例を描がいている。

図示されているように、ノード１２′内には改良された認証ユニット４２′と暗号化キー生成器４４′とが備えられている。認証ユニット４２′は、認証ユニット４２（上述）が初期或いは全認証処理中に暗号化オフセット（ＣＯＦ）５０を生成するという付加的な能力を備えているように構成される。ＣＯＦは、例えば、暗号化キー発生器４４′での将来の使用のために格納されるビットのどんなストリングでも良い。好適には、ＣＯＦ５０は暗号化キー４０を用いて生成される。ＣＯＦ５０が暗号化キー発生器４４′によって次に用いられるとき、その結果得られる暗号化キーは論理的に認証処理に関連付けられる。これは、リンク１４における機密保護の信用／信頼性が強化するのに貢献する。

その結果、リンク１４によってデータを搬送するペイロードは、例えば、通信ノード間の通信セションが初期化したときに実行された認証処理に論理的に関連付けられる暗号化キーで暗号化される。

この新規な認証処理は、認証手順を実行するのみならず、各ノードが記憶するＣＯＦ５０を生成する。例えば、図５には、ノード１２′と１６′とで用いられる構成６０が示されている。構成６０はメモリ６４とトランシーバ６６との接続されたプロセッサ６２を含んでいる。プロセッサ６２は、メモリ６４の格納能力とトランシーバ６６の通信能力とを用いて、認証ユニット４２′と暗号化キー発生器４４′とに関連した処理を実行するように構成されている。従って、例えば、プロセッサ６２は、初期の或いはこれに続く認証処理中にＣＯＦ５０を生成（或いは、さもなければ提供）し、メモリ６４に格納することができる。それから、プロセッサ６２はＣＯＦ５０にアクセスし、後で必要に応じて新しい暗号化キーを生成できる。

図６に示されているように、暗号化法のキー４０とランダム入力値６８とともに、暗号化キー発生器４４′によりＣＯＦ５０は用いられて、暗号化キー７０を生成（或いは、さもなければ提供）する。それから、暗号化キー７０は、例えば、プロセッサ６２によって用いられて、リンク１４によるトランシーバ６６による送信に先立ってデータを暗号化する。

それで、暗号化されたデータと最新の認証処理との間の論理的な関係が維持される。それ故に、リンクの機密保護とエンティティの認証の暗号化法による結合が強化され、リンクのハイジャックや詐欺行為などの潜在的な可能性が大幅に軽減される。

この方法と構成とは、暗号化法の技術に基づく公開キー或いは暗号化法の技術に基づく秘密キーを用いる一方向と相互方向とのリンク認証処理の少なくともいずれかに使用可能である。

このことを考慮して、図７は、本発明のある実施形態に従う機密保護通信システム１０に用いられる代表的な認証及び暗号化キー生成処理１００を描写している。

処理１００のステップ１０２において、認証処理が暗号化法のキー４０を用いて実行される。ステップ１０４では、暗号化オフセット（ＣＯＦ）５０が各ノード１２′と１６′において生成されるか、さもなければ提供される。ステップ１０６では、ＣＯＦ値５０が各ノード１２′と１６′で格納される。次に、ステップ１０８では、暗号化キー７０が暗号化法のキー４０とＣＯＦ値５０とランダム入力値６８とを用いて生成される。ステップ１１０では、リンク１４によって送信されるデータが、ステップ１０８で生成されたような暗号化キー７０を用いて暗号化されるか、さもなければ符号化される。

本発明の方法と構成のいくつかの好適な実施形態が添付図面において図示され、前述の詳細な説明で説明されたが、本発明はその開示された実施形態に限定されるものではなく、数多くの再構成、変形例、代用が、請求の範囲によって説明され定義されるような本発明の精神を逸脱することなく可能であることが理解されるべきである。

Claims

第１のノードと第２のノードとの間の機密保護されたリンクのセットアップにおいて暗号化キーを生成する方法であって、前記方法は、
暗号化法のキーを用いて前記第１と第２のノードとの間の認証処理を実行する工程と、
前記認証処理中に暗号化オフセットを生成する工程と、
前記第１と第２のノードの夫々において前記暗号化オフセットを格納する工程と、
その後、少なくとも１つのランダム入力値、前記暗号化法のキー、及び前記暗号化オフセットとを用いて、前記暗号化キーが論理的に前記認証処理に関連付けられるように前記第１及び第２のノードの両方において暗号化キーを生成する工程とを有することを特徴とする方法。
前記暗号化キーを用いて、前記第１及び第２のノード間で送信されるデータを暗号化する工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
少なくとも１つの新しいランダム入力値、前記暗号化法のキー、及び前記暗号化オフセットとを用いて、新しい暗号化キーが論理的に前記認証処理に関連付けられるように前記新しい暗号化キーを周期的に生成する工程と、
前記新しい暗号化キーを用いて、前記第１及び第２のノード間で送信されるデータを暗号化する工程をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記認証処理を実行する工程は、さらに、
前記第１のノードと前記第２のノードとに前記暗号化法のキーを提供する工程と、
前記第１のノードに、前記第２のノードが前記暗号化法のキーをもっていることを検証させる工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記認証処理を実行する工程は、さらに、前記第２のノードに、前記第１のノードが前記暗号化法のキーをもっていることを検証させる工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記暗号化法のキーは、秘密キーであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記暗号化法のキーは、公開／プライベートキーのペアの一部であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第１のノードは基地局であり、前記第２のノードは移動局であり、それらは移動通信システムの各部であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記移動通信システムは汎欧州デジタル移動電話方式（ＧＳＭ）であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
通信ノードにおいて暗号キーを生成する装置であって、前記装置は、
データを格納するために構成されたメモリと、
通信リンクによってデータを送受信するために構成可能なトランシーバと、
前記メモリと前記トランシーバに接続され、暗号化法のキーを用いて、外部通信ノードとの通信リンクにより認証処理を実行し、前記認証処理中に暗号化オフセットを生成し、前記暗号化オフセットを前記メモリに格納し、その後、少なくとも１つの生成されたランダム入力値、前記暗号化法のキー、及び前記暗号化オフセットとを用いて、暗号化キーが論理的に前記認証処理に関連付けられるように前記暗号化キーを生成するために構成されたプロセッサとを有することを特徴とする装置。
前記プロセッサはさらに、前記通信リンクによる送信のために、データを前記トランシーバに提供するのに先立って、前記暗号化キーを用いて、前記データを暗号化するために構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
前記プロセッサはさらに、少なくとも１つの新しく生成されたランダム入力値、前記暗号化法のキー、及び前記暗号化オフセットとを用いて、新しい暗号化キーが論理的に前記認証処理に関連付けられるように前記新しい暗号化キーを周期的に生成するために構成され、そして、
前記プロセッサはさらに、前記通信リンクによる送信のために、データを前記トランシーバに提供するのに先立って、前記新しい暗号化キーを用いて、前記データを暗号化するために構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
前記プロセッサはさらに、
前記外部通信ノードが前記認証処理の間に前記暗号化法のキーをもっていることを検証するために構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
前記プロセッサはさらに、前記暗号化法のキーを用いて、前記外部通信ノードから受信される検証の試行に応答するために構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
前記暗号化法のキーは、秘密キーであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
前記暗号化法のキーは、公開／プライベートキーのペアの一部であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
前記通信ノードは、移動通信システムの一部であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
前記通信ノードは、基地局と移動局とを有する前記移動通信システム内のノードのグループから選択されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
前記移動通信システムは汎欧州デジタル移動電話方式（ＧＳＭ）であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
通信リンクと、
前記通信リンクに接続され、前記通信リンクによってデータを送受信し、暗号化法のキーを用いて前記通信リンクにより認証処理を実行し、前記認証処理中に暗号化オフセットを生成し、前記暗号化オフセットを格納し、その後、少なくとも１つの生成されたランダム入力値、前記暗号化法のキー、及び前記暗号化オフセットとを用いて、暗号化キーを生成するために構成された第１のノードと、
前記通信リンクに接続され、前記通信リンクによってデータを送受信し、前記暗号化法のキーを用いて前記通信リンクにより前記第１のノードとの前記認証処理を実行し、前記認証処理中に前記暗号化オフセットを生成し、前記暗号化オフセットを格納し、その後、少なくとも１つの生成されたランダム入力値、前記暗号化法のキー、及び前記暗号化オフセットとを用いて、前記暗号化キーが前記第１のノードと前記第２のノードとの両方において同じであり、論理的に前記認証処理に関連付けられるように前記暗号化キーを生成するために構成された第２のノードとを有することを特徴とするシステム。
前記第１及び第２のノードはさらに、前記通信リンクによってデータを送信するのに先立って、前記暗号化キーを用いて、前記データを暗号化するために構成されていることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
前記第１及び第２のノードはさらに、少なくとも１つの新しく生成されたランダム入力値、前記暗号化法のキー、及び前記暗号化オフセットとを用いて、新しい暗号化キーが論理的に前記認証処理に関連付けられて維持されるように前記新しい暗号化キーを周期的に生成するために構成され、そして、
前記第１及び第２のノードはさらに、前記通信リンクによりデータを送信するのに先立って、前記新しい暗号化キーを用いて、前記データを暗号化するために構成されていることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
前記第１のノードはさらに、
前記認証処理中、前記第２のノードが前記暗号化法のキーをもっていることを検証するために構成されていることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
前記第２のノードはさらに、
前記認証処理中、前記第１のノードが前記暗号化法のキーをもっていることを検証するために構成されていることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
前記暗号化法のキーは、秘密キーであることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
前記暗号化法のキーは、公開／プライベートキーのペアの一部であることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
前記第１及び第２のノードは、移動通信システムの一部であることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
前記第１のノードは基地局であり、前記第２のノードは移動局であることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
前記移動通信システムは汎欧州デジタル移動電話方式（ＧＳＭ）であることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。