JP4718319B2 - 秘密の鍵を生成する装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は暗号鍵に関するもので、より詳しくは暗号鍵を生成する装置と方法とに関するものである。

コンピュータ・システムでは、符号またはデータへのアクセスを制御するのに暗号鍵が用いられる。鍵は必ず何らかの媒体を通して送らなければならないので、鍵は途中で盗まれる可能性がある。安全なシステムでは、種々の鍵やその他の安全機構を構築する基となる主な信頼のルートを確立するのにルート鍵が用いられる。ルート鍵はこれまでソフトウエアやネットワークや内部の攻撃を受けやすい機構を用いて製作されまた記憶されているので、ルート鍵は製作や配送やシステムの使用の間に危うくなることがある。

従来、安全なシステム内の鍵は、ヒューズ／アンチ・ヒューズ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ、ＲＯＭ、フェロＲＡＭ、磁気抵抗ＲＡＭ、電池バックアップ付きメモリなどの不揮発性メモリ内に記憶されている。しかしこれらを用いると、鍵またはルート鍵を生成しまたプログラミングするときに人または機械が目的の装置と相互作用する。このプロセスでは本質的に１つ以上の機械や輸送手段や人に鍵が漏れるので、鍵が記録されおよび／または危うくなる場合が多くなる。また、かかる従来の方法では、鍵はホスト・コンピュータのオペレーティング・システムまたはそのポートにアクセス可能なシステム内の位置に記憶されるので、コンピュータ・システムが納入されて運転を開始した後で危うくなる場合が増える。

不揮発性要素の番号や関連するプログラミングの履歴を生成せずに、シリコン内に実現される回路の識別子を確立する技術は存在する。この技術はシリコン識別子と呼ばれるもので、任意のトランジスタのしきい値（Ｖ_t）の無作為性と比較器とを用いて、プログラミングのステップを必要とせずにシリコン上に識別子ビットを生成する。識別子ビットは、シリコン・トランジスタ内のしきい値電圧の自然の無作為性の関数である識別（ＩＤ）データ語を形成する。比較器はＶ_tとしきい値電圧とを比較して、この比較に応じて０または１の値を生成する。０または１はデータ語内のビットになる。

この技術の限界は、トランジスタのＶ_t値がしきい値に非常に近いと、比較値が時間や温度や電圧や雑音レベルと共に変わることである。したがって、環境条件によって、かかるトランジスタはあるときは１を生成し、またあるときは０を生成する。しかしながらシリコンＩＤはやはり「統計的にユニーク」である。これは、現場でのＩＤが工場で実現されたＩＤに高い確率で対応すると言えることを意味する。

セキュリティ鍵では、時間が経っても鍵のビットが一定であることが重要である。シリコンＩＤ技術を用いて鍵を生成する場合は、時間が経っても安定なＩＤを得る方法が必要である。

本発明は、しきい値電圧を表すビットを有する秘密のルート鍵を生成する回路と、秘密のルート鍵のビット内の誤りを訂正して、訂正された秘密のルート鍵を作成する誤り訂正モジュールとを含む装置を提供する。

また本発明は、電子デバイスのための秘密のルート鍵を作成する方法を含む。この方法は、トランジスタのしきい値電圧に応じて複数の論理１および０を作成することと、複数の論理１および０の誤りを訂正して、訂正された秘密のルート鍵を作成することとを含む。

別の態様では、本発明は、記憶媒体と、記憶媒体内に記憶されまた記憶媒体から検索されるデータを暗号化および復号化するための暗号およびセキュリティ・モジュールを含むコントローラとを備えるデータ記憶装置を提供する。ここで、暗号およびセキュリティ・モジュールは、しきい値電圧を表すビットを有する秘密のルート鍵を生成する回路と、秘密のルート鍵のビット内の誤りを訂正して、訂正された秘密のルート鍵を作成する誤り訂正モジュールとを含む。

本発明は閉じられた電子モジュール内に入れることのできる秘密の鍵を生成して用いるための装置と方法とを提供する。秘密の鍵は、この秘密の鍵がこの電子モジュールの外から見えないようにして装置内で用いることができる。

秘密の鍵を作成するこの方法は、誤り訂正符号（ＥＣＣ）回路を挿入して時間が経っても変わらない秘密の鍵を作成することにより、統計的にユニークなシリコン識別子技術を改良したものである。図１は本発明に従って構築された鍵生成装置１０のブロック図である。図１の装置は、秘密のルート鍵として働く複数のビットのデータ語を生成する回路１２を含む。回路１２は、シリコンＩＤを生成する周知の技術に従う複数のトランジスタと比較器とを含んでよい。シリコンＩＤ技術は優れた乱数を作るが、ビットの中には時間が経つと変わるものがある。ルート鍵は時間が経っても変わってはならないので、誤り訂正符号（ＥＣＣ）を追加すればよい。時間が経つと変わるビットの率は小さいので、普通の誤り訂正符号で十分である。シリコンＩＤ回路は既存の技術を用いて複数のビットを生成する。

シリコンＩＤ回路はビットのアレイを作成し、バス１４でこれを誤り訂正モジュール１６に送る。バス１４で送られたビットは訂正前の秘密のルート鍵を形成する。誤り訂正モジュールは、誤り訂正符号／誤り検出符号（ＥＣＣ／ＥＤＣ）値を記憶するレジスタ１８と、シリコンＩＤデータ語内の誤りを検出して訂正するための誤り訂正および誤り検出論理２０とを含む。ＥＣＣ／ＥＤＣ値は２つの値を含む。第１はＥＣＣすなわち誤り訂正符号値であり、第２はＥＤＣすなわち誤り検出符号値である。訂正された秘密のルート鍵はバス２２で読み取られ、また計算されたＥＣＣ／ＥＤＣ値はバス２４で読み取られる。制御および状態レジスタ２８は書込み／読取り制御バス３０を介してアクセスすることができる。

図１の鍵装置に電源を入れたとき、鍵装置は訂正されたルート鍵をバス２２で読み取ることを許さない。装置を最初に用いるとき、複数のシリコンＩＤビットのＥＣＣ／ＥＤＣ訂正値を計算するよう、装置はバス３０と制御レジスタ２８とを介して命じられる。計算されたＥＣＣ／ＥＤＣ値はバス２４から読み取られて、その後電源を入れる全ての場合に用いるために不揮発性メモリ内に記憶される。その後電源を入れたときは、バス２６を介してＥＣＣ／ＥＤＣ訂正値が装置のレジスタ１８にロードされる。レジスタ１８のロードが終わると、装置は訂正値のＥＤＣ部を用いて、シリコンＩＤ値内に誤りがあるかどうかどうか判定する。誤りがある場合は、装置は訂正値のＥＣＣ部を用いて生のシリコンＩＤ値を訂正する。得られた訂正された鍵の値は誤り訂正モジュール１６内のレジスタ内に記憶され、バス２２で読み取ることができる。生のシリコン識別子内に誤りがない場合は、生の鍵は誤り訂正モジュール１６内のレジスタ内に記憶され、バス２２で読み取ることができる。このように鍵の値を初期化した後は、バス２２で鍵を読み取ることが可能になる。電源が止まるまで、装置の状態はこの初期化された状態を保持する。

図１の回路はＡＳＩＣデバイス内のサブブロックとして実現してよく、ディスク・ドライブ内で用いるときは、閉じられたセキュリティ電子モジュールにより囲まれる。誤り訂正および検出はゲート・アレイを用いたハードウエアで実現してよい。

シリコン識別子ブロックはプログラミングの必要がなく、シリコン・デバイスを製作した後に無作為で、秘密で、統計的にユニークな識別子が得られる。ＥＣＣ回路は、デバイスの寿命がある限り識別子（ＩＤ）の不安定性を訂正するためのＥＣＣを生成するのに用いられる。誤り訂正符号は誤りの統計量の性質に従って変わってよく、その長さが変わる。例えば、リード・ソロモン（Ｒｅａｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ）型の符号化を用いてよい。

リード・ソロモン誤り訂正は、最初にデータ・ビットから多項式を作る符号化方式である。多項式データ内には冗長な情報が含まれるので、ある程度までなら誤りがあっても、元の多項式（したがってデータ・ビット）を再構築することができる。

リード・ソロモン符号は線形ブロック符号である。リード・ソロモン符号はｓビットのシンボルを持つＲＳ（ｎ，ｋ）で指定される。これは、符号器がそれぞれｓビットのｋデータ・シンボルを取り、パリティ・シンボルを追加してｎシンボル・コードワードを作ることを意味する。それぞれがｓビットのｎ−ｋパリティ・シンボルがある。リード・ソロモン復号器は、コードワード内の誤りを含むｔシンボルまでを訂正することができる。ただし、２ｔ＝ｎ−ｋである。

また、誤り訂正符号は誤りが存在することを検出する機能（誤り検出符号すなわちＥＤＣ）を含んでよい。誤り検出は、鍵が汚染されたかどうか判定するのに用いられる。一例を示すと、誤り訂正モジュールはメッセージの或る関数である或る値（チェックサムと呼ばれる）を作る。誤り検出器は同じ関数を用いて、受信した鍵のチェックサムを計算し、添付されたチェックサムと比較して、鍵が正しく受信されたかどうか調べる。

シリコンＩＤ技術を用いて、ディスク・ドライブ内のルート暗号鍵として用いられるユニークで秘密の識別子を実現することができる。図２は、秘密のルート鍵を用いる、データ記憶装置のコントローラの一例のブロック図である。暗号およびセキュリティ・モジュール４０は、対称暗号化モジュール（すなわち暗号ブロック）４２、ハッシュ・モジュール４４、バッファ・アクセス・ユニット／直接メモリ・アクセス（ＤＭＡ）４６、マイクロプロセッサ・インターフェース４８、非対称暗号化加速モジュール５０、ルート鍵５２、鍵記憶５４、乱数発生器（ＲＮＧ）５６、自己検査ハードウエア５８、ドライブ・ファームウエアからコマンドを受けて解釈するコマンド・コントローラ６０を含む。オプションのコマンド・キューおよび結果キューへのポインタをバッファ・メモリ内に記憶するためのオプションのコマンド・ポインタ・モジュール６２を設けてよい。

対称暗号ブロック４２はデータの対称暗号化を行うのに用いられる。例えば、対称暗号化モジュールは高度暗号化標準（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ（ＡＥＳ））および３倍データ暗号化標準（Ｔｒｉｐｌｅ Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ（ＴＤＥＳ））アルゴリズムを含んでよい。ハッシュ・モジュール４４はデータのハッシングのために設けられる。ハッシュ・モジュールはＳＨＡ−１アルゴリズムを用いて実現してよい。非対称暗号化加速モジュール５０は、例えば、１０２４ビットおよび２０４８ビットのリベスト、シャミア、アドルマン（Ｒｉｖｅｓｔ，Ｓｈａｍｉｒ，Ａｄｅｌｍａｎ（ＲＳＡ））アルゴリズムを用いてよい。

システム・マイクロプロセッサ・インターフェース４８は暗号およびセキュリティ・モジュールとシステム・マイクロプロセッサとの間を接続する。この接続は、暗号およびセキュリティ・モジュールにコマンドを転送しまたこのモジュールから状態を検索するのに用いられる。１つの実施の形態では、この接続は並列アドレスおよびデータ・バスであるが、直列ポート接続で実現してもよい。システム・マイクロプロセッサ・インターフェースは、システム・マイクロプロセッサ割込みコントローラに直接付属するハードウエア割込み信号線を含んでもよい。この割込みは、システム・マイクロプロセッサにコマンドの終了やバッファ内の利用可能な結果を通知するのに用いられる。

暗号およびセキュリティ・モジュールは、図２に示すようにＤＲＡＭコントローラ６４とドライブ・マイクロプロセッサ６６とに接続する。暗号およびセキュリティ・モジュールは、内部のサブ回路の間の通信のための内部コマンド・バス６８およびデータ・バス７０と、暗号操作のチェーニングのためのブロック・パイプライン・バス７２とを含む。バッファ・アクセス・ユニットとマイクロプロセッサ・インターフェース回路とはそれぞれの付属のバスのプロトコルへのデータ・フローを適合させる。

単調に増加するカウンタ回路７４は相対的時間を確実に知らせる。暗号用の優れた乱数発生器５６は技術的に予測不可能な乱数を与える。鍵記憶５４は一時的な鍵を記憶するための揮発性メモリでよい。

コマンド・コントローラ６０は、システム・マイクロプロセッサからコマンドを受けて復号するためと、サブ回路に仕事を割り当てるために設けられる。コマンド・コントローラの主な役目は、コマンドを復号することと、望ましい動作とデータ・フローのためにマイクロプロセッサのサブブロックを設定することとである。またコマンド・コントローラは、ＲＳＡ計算を行うのに必要な操作を配列してよい。
コマンド・コントローラの主な役目は、コマンドを復号することと、望ましい動作とデータ・フローのためにマイクロプロセッサのサブブロックを設定することとである。またコマンド・コントローラは、ＲＳＡ計算を行うのに必要な操作を配列することを期待される。

暗号およびセキュリティ・モジュールへのアクセスの完全性を保つには、上に述べた定義されたコマンド・インターフェースの外から暗号およびセキュリティ・モジュールへの別のアクセス方法がないことが大切である。この場合は、攻撃者はデバッグまたは製造の段階でモジュールに不正にアクセスすることができない。このように制約するために、モジュールは内部自己検査ユニットを含んでよい。

この自己検査ユニットは、モジュールの正しい機能性を確認すると共に、暗号およびセキュリティ・モジュールへの「裏口（ｂａｃｋ−ｄｏｏｒ）」アクセスを防ぐのに用いてよい。また自己検査モジュールをドライブ内のチップの通常の動作中に呼び出して、暗号およびセキュリティ・モジュールが継続的に正しく機能していることを確認してよい。自己検査ハードウエア５８は暗号およびセキュリティ・モジュールが正しく機能していることを自律的に保証する。

暗号およびセキュリティ・モジュールは、バッファ・アクセスおよび調停ユニット６４を介してディスク・ユニット７６に結合する。バッファ・メモリ７８は、ソース・データ、結果データ、コマンド・キュー、結果キューとして指定された種々の情報を記憶する。バッファ・マネージャはバッファ・アクセスと調停とを提供する。ホスト・ユニット８０はバッファ・マネージャと相互作用する。ドライブ・マイクロプロセッサ６６はホスト・ユニットと、バッファ・マネージャと、ディスク・ユニットと、暗号およびセキュリティ・モジュールとに結合する。

乱数発生器（ＲＮＧ）５６は統計的に優れた乱数を与える。これは、任意の与えられた数を予測することが技術に不可能であることを意味する。乱数発生に加えて、このブロックはシステム・マイクロプロセッサと協同して、無作為性の質を監視し、またＲＳＡ鍵ペアの生成に用いられる無作為の素数を生成する。

乱数発生器は次のような乱数を提供する。すなわち、ルート鍵５２への乱数、暗号ブロック内で他の暗号サブブロックに分配される乱数、システム・マイクロプロセッサ用の乱数、バッファ・メモリ内と恐らくディスク上に記憶される乱数のストリームである。

誤り訂正は図１に示すように行われて、ルート鍵内に誤りがあれば除くことができる。ＥＣＣブロックは、レジスタ・インターフェースを介して、秘密の鍵のためのＥＣＣ訂正値を計算するよう命令される。この訂正値はどれかの不揮発性メモリ内に記憶するために上位レベルのシステムに返される。訂正値は訂正前の秘密の鍵に与えられて、訂正された秘密の鍵を得るための値である。

ディスク・ドライブの例では、ＥＣＣ訂正値はシステム・マイクロプロセッサに返されて、不揮発性のディスク・ドライブ媒体および／またはディスク・ドライブ回路板上の他の不揮発性記憶要素に記憶される。その後秘密の鍵を初期化するたびに秘密の鍵は不能状態にデフォールトされて、秘密の鍵が初期化されるまでは秘密の鍵を用いる操作は許されない。初期化のたびにＥＣＣ訂正値がＥＣＣモジュールにロードされ、シリコン識別子を使用するたびにＥＣＣ訂正値が呼び出される。誤りがあると判定されるとＥＣＣモジュールは訂正を行って、訂正された秘密の鍵をその出力に与える。これは関連する電子モジュール内のセキュリティおよび暗号要素により用いられる。

ディスク・ドライブ内で用いるとき、秘密の鍵は暗号およびセキュリティ・モジュール内でのみアクセス可能である。暗号およびセキュリティ・モジュールは、暗号およびセキュリティ操作のために秘密の鍵を用いる暗号およびセキュリティ要素を含む。図２に示す実施の形態では、セキュリティ・モジュールはルート鍵の他に、単調カウンタと、対称暗号と、ハッシュと、ＲＳＡ電子モジュールとを含む。

図２の暗号およびセキュリティ・モジュールはよく閉じられたセキュリティ電子モジュールを含む特殊用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として実現してよい。これは、前記モジュール内で安全な操作を行うための秘密のルート鍵を含む。安全なコンピュータ・システムでは、ルート鍵をディスク・ドライブ上に有することにより一層安全な信頼のルートが確立される。なぜなら、ルート鍵はホスト・コンピュータのオペレーティング・システムやホスト・コンピュータ・システムに関連するポートから見えないからである。また、ルート鍵をディスク・ドライブ内の制御された電子ブロックに閉じ込めることにより、ディスク・ドライブ自身およびそのポートへの攻撃に対して更に安全になる。ルート鍵が秘密の方法で実現されると、鍵を危うくするのが極めて困難になるのでシステムは一層安全になる。なぜなら、製作、配送、安全なディスク・ドライブの使用を通して鍵が決して危うくならないからである。秘密の鍵の値が暗号的に無作為であれば秘密の鍵は一層安全になる。なぜなら、任意の与えられた秘密の鍵の値を推測することは技術的に不可能だからである。

図３は、本発明に係るデータ記憶装置内に含むことのできるディスク・ドライブ１１０（一般にヘッド・ディスク組立体と呼ばれる）の機械部分の絵画的表現である。ディスク・ドライブは、ディスク・ドライブの種々の構成要素を含む大きさと構成とを有するハウジング１１２（この図では上部が取り除かれていて下部が見える）を含む。ディスク・ドライブはハウジング内の少なくとも１個のデータ記憶媒体１１６（この場合は磁気ディスク）を回転させるためのスピンドル・モータ１１４を含む。ハウジング１１２内には少なくとも１個のアーム１１８が含まれる。各アーム１１８は、記録および／または読取りヘッドすなわちスライダ１２２を持つ第１の端１２０と、軸受け１２６によりシャフトに取り付けられて回転する第２の端１２４とを有する。アクチュエータ・モータ１２８はアームの第２の端１２４にあり、アーム１１８を回転させてヘッド１２２をディスク１１６の所望のセクタの上に位置決めする。アクチュエータ・モータ１２８は、この図には示されていないコントローラにより制御される。完全なディスク・ドライブは図４のヘッド・ディスク組立体と図２のコントローラ回路とを含む。

本発明は暗号およびセキュリティ・モジュール内に秘密の鍵を作成して、秘密の鍵がこのモジュールの外から決して見えないようにし、したがって決して危うくならないようにする。実現されると、この暗号的に不作為の秘密の信頼のルートをディスク・ドライブ・システム内で秘密に用いて、安全なディスク・ドライブと安全なコンピュータ・システムとをサポートする更なるセキュリティ機能をサポートする。かかる機能は、ディスク・ドライブおよびコンピュータ・システムの安全なブートストラッピングと、鍵および初期値の安全なブートストラッピングと、電力サイクルにまたがる時間の安全な記述と、その他の安全な機能とを含んでよいが、これらに限定されない。各データ記憶装置は、システム内に恒久的に記憶される自分のユニークな識別子すなわち鍵を有することができる。

ここに開示された例に加えて、本発明の鍵を作成する電子デバイスおよび方法は、暗号鍵またはその他の安定したデータ語の生成を必要とする複数の電子デバイスおよびシステム内で用いることができることを認識すべきである。本発明は、鍵生成器をプログラムする必要がなく、暗号鍵またはデータ語を生成するのを容易にする。

本発明について複数の例に関して説明したが、当業者に明らかなように、特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲から逸れずに、開示された例に種々の変更を加えることができる。

本発明に従って構築された鍵生成装置のブロック図である。 本発明に従って構築されたデータ記憶装置のブロック図である。 本発明に係るデータ記憶装置内に含めてよいディスク・ドライブ・ヘッド組立体の絵画的表現である。

符号の説明

１２ 秘密のルート鍵を生成する回路
１６ 誤り訂正モジュール
１１０ データ記憶装置

Claims (13)

1. 記録媒体とセキュリティ・モジュールとを含むデータ記憶装置における暗号化および復号化方法であって、
   前記セキュリティ・モジュールが、しきい値電圧に応じて複数の論理１および０を含む秘密のルート鍵を作成し、
   前記セキュリティ・モジュールが、前記複数の論理１および０の誤りを訂正することによって、訂正された秘密のルート鍵を作成し、
   前記セキュリティ・モジュールが、前記訂正された秘密のルート鍵を用いて前記記録媒体から読み出されたデータを暗号化および復号化する、ことを含む暗号化および復号化方法。
2. 前記複数の論理１および０を含むルート鍵はシリコン識別子を含む、請求項１記載の暗号化および復号化方法。
3. 前記しきい値電圧はトランジスタしきい値電圧である、請求項２記載の暗号化および復号化方法。
4. 前記誤りを訂正するステップはブロック誤り訂正符号を前記複数の論理１および０に与える、請求項１記載の暗号化および復号化方法。
5. 前記ブロック誤り訂正符号はリード・ソロモン符号を含む、請求項４記載の暗号化および復号化方法。
6. 前記セキュリティ・モジュールが、一連の論理１および０の誤りを訂正する前に前記複数の論理１および０の誤りを検出する、ことを更に含む、請求項１記載の暗号化および復号化方法。
7. 前記誤りを検出するステップは、前記セキュリティ・モジュールが、前記複数の論理１および０内のチェックサムと生成されたチェックサムとを比較するステップを含む、請求項６記載の暗号化および復号化方法。
8. データ記憶装置であって、
   記憶媒体と、
   前記記憶媒体内に記憶されまた記憶媒体から検索されるデータを暗号化および復号化するための暗号およびセキュリティ・モジュールを含むコントローラと、を備え、
   ここで前記暗号およびセキュリティ・モジュールは、
   しきい値電圧を表すビットを有する秘密のルート鍵を作成する回路と、
   前記秘密のルート鍵のビット内の誤りを訂正する誤り訂正モジュールと、
   前記秘密のルート鍵を用いてデータを暗号化および復号化する暗号化および復号化ユニットと、を含む、データ記憶装置。
9. 前記しきい値電圧はトランジスタしきい値電圧である、請求項８記載のデータ記憶装置。
10. 前記秘密のルート鍵から複数の得られた鍵を生成する回路をさらに備え、
    暗号化および復号化ユニットは、前記得られた鍵を用いてデータを暗号化および復号化する、請求項８記載のデータ記憶装置。
11. 前記誤り訂正モジュールはゲート・アレイを備える、請求項８記載のデータ記憶装置。
12. 前記誤り訂正モジュールはブロック誤り訂正符号を与える、請求項８記載のデータ記憶装置。
13. 前記ブロック誤り訂正符号はリード・ソロモン符号を含む、請求項１２記載のデータ記憶装置。

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