JP5863994B2 - 統合セキュリティ装置および統合セキュリティ装置に用いられる信号処理方法 - Google Patents
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Description
(1)あらかじめ、携帯電話本体に搭載されたLSI、およびバッテリに搭載されたLSIに、それぞれ秘密情報Kを格納する。
(2)認証時、携帯電話本体は、乱数Cをバッテリ側に送る。同時に、暗号化関数Enc(C、K)=Rを実行し、Rmとして保持する。
(3)バッテリ側は、送られてきた乱数Cに対して本体側と同様に、暗号化関数Enc(C、K)=Rを実行し、実行結果をRsとして本体側に送信する。
(4)本体側は、バッテリ側から受信したRsと自身が計算したRmとが等しくなるか否かをチェックし、等しくなれば認証をOKとし、異なっていれば認証をNGとする。
<機能1>秘密情報Kを安全に機器内でそれぞれ保持する機能。
<機能2>乱数Cを生成する機能。
<機能3>暗号化関数Encを処理する機能。
上述した認証プロトコルを実現するためには、それぞれPUF回路、物理乱数発生回路、暗号化回路の3つの回路をLSIにそれぞれ個別に実装し、制御回路やCPUなどによって、それらの機能を統合するのが一般的である。
一般に、PUFの応答をそのまま暗号に使用する鍵として用いることは難しい。なぜならば、PUFの応答が毎回誤りを含まず、かつその応答が一様分布であることを保証することが難しいためである。そこで、通常は、Fuzzy Extractor(以下、FEと称す)を用いて、鍵生成を行う。FEの構成法は、いくつかのバージョンが存在するが、本願では、コードオフセットによる構成について説明する。
Glitch PUF(以下、GPUFと称す)は、論理回路を構成する各ゲートの入出力信号間の遅延関係によって発生するグリッチと呼ばれる現象を利用したPUFの一構成法である。
図10中の“Input register”101を8bitのレジスタとし、0x00を保持した状態から0x55に変化させるとする。この動作がアルゴリズム3、4におけるx’i→xiに相当する。
図1は、本発明の実施の形態1に係るPUFの機能、乱数生成の機能、および暗号化機能を統合したセキュリティ装置のブロック図である。暗号化・復号器11は、通常の暗号化・復号処理を行う回路ブロックである。そして、暗号化・復号器11を構成する論理回路の複数の中間ノードの信号が、回路ブロックの外部へ出力される。
本実施の形態2では、先の実施の形態1における図1の構成をより具体化した態様について説明する。図2は、本発明の実施の形態2に係るPUFの機能、乱数生成の機能、および暗号化機能を統合したセキュリティ装置のブロック図である。
図3は、本発明の実施の形態3に係るPUFの機能、乱数生成の機能、および暗号化機能を統合したセキュリティ装置のブロック図である。まず、暗号化関数Encについて説明する。なお、ここでは、説明の簡易化のために、暗号化関数で用いる秘密情報Kを省略する。
H1=g(f(P));
の処理が行われ“input register”31の値がH1に更新される。
H2=g(f(H1));
の処理を行い、このような処理をn回繰り返した後に“input register”31に格納される
C=Hn=g(f(Hn-1));
を暗号文Cとして、暗号化関数の処理を終了する。
先の実施の形態3では、暗号化関数Encの副関数fおよび副関数gを、PUFおよび物理乱数発生器のランダムロジックとしてそのまま利用する構成であった。しかしながら、副関数fおよび副関数gの論理段数が少ない場合には、十分なビット誤り率が得られず、PUFとして機能しても、乱数性が不十分になる可能性がある。
本実施の形態5では、先の実施の形態4をより具体化した構成について説明する。図6は、本発明の実施の形態5に係るPUFの機能、乱数生成の機能、および暗号化機能を統合したセキュリティ装置のブロック図である。本実施の形態5においては、暗号化関数Encとして、米国標準暗号AESを想定した構成を採用している。
<機能1>秘密情報Kを安全に機器内でそれぞれ保持する。
<機能2>乱数Cを生成する。
<機能3>暗号化関数Encを処理する。
(動作1)アルゴリズム4に従い、本モジュールは、PUFとして動作を行い、“Additional modules for PUF & RNG”62は、PUFの応答Wを生成する。
(動作2)アルゴリズム2に従い、PUFの応答Wと補助データS、Smaskから、“Encoder/Decoder”71および“Hash”72は、鍵KPUFを生成し、本モジュールのAES回路である“Basic modules for AES”61へロードされる。
(動作4)“Basic modules for AES”61は、非セキュア領域に格納されている認証鍵Kを鍵KPUFで暗号化したデータD=Enc(K、KPUF)を暗号文として、本モジュールにロードし、K=Dec(D、KPUF)で認証鍵Kに復号し、本モジュールに鍵としてロードする。
(動作6)“Basic modules for AES”61は、乱数Rに対して暗号化C=Enc(R、K)を行う。
(動作7)“Basic modules for AES”61は、認証先から受信したデータC’とCを比較し、一致すれば認証OK、不一致であれば認証NGを判定する。
Claims (7)
- 暗号化・復号関数を構成する論理回路を利用して、認証に必要な処理を実行する暗号化・復号処理部と、
外部からの選択信号に応じて、前記論理回路の複数の中間ノードからの信号のうち、特定の本数分の信号を選択する選択器と、
前記選択器により選択された前記特定の本数分の信号により発生するグリッジを検出する機能を有するとともに、前記選択器に対して前記外部信号を与えることで前記特定の本数分の信号を切り替え選択し、切り替え選択した前記特定の本数分の信号に応じて検出した前記グリッジに基づいて、物理的特性によってデバイス識別子を生成する機能と、物理乱数を発生する機能の両機能を実現する信号処理部と
を備える統合セキュリティ装置。 - 請求項1に記載の統合セキュリティ装置において、
前記暗号化・復号関数は、副関数の繰り返し処理で構成され、
前記信号処理部は、前記選択器に対して前記外部信号を与えることで、前記繰り返し処理により更新される信号の中から前記特定の本数分の信号を選択することで、前記デバイス識別を生成する機能に必要な入力情報を取得する
統合セキュリティ装置。 - 請求項1または2に記載の統合セキュリティ装置において、
前記信号処理部により生成された前記デバイス識別子により認証に必要な鍵を保護し、発生した前記物理乱数により認証に必要なチャレンジデータを生成する鍵生成部をさらに備え、
前記暗号化・復号処理部は、前記鍵生成部から前記鍵および前記チャレンジデータを取得し、認証に必要な暗号化・復号処理を行うことで認証プロトコルを処理する
統合セキュリティ装置。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の統合セキュリティ装置において、
前記暗号化・復号処理部は、前記暗号化・復号関数を構成するある1つの副関数として、N分割(Nは、2以上の整数)された単位で処理を実行する分割副関数を有し、
前記選択器は、前記外部信号に応じて、前記分割副関数のn分割目(nは、1以上N−1以下の整数)の出力をn+1分割目の入力にフィードバックする切り替え回路を有し、
前記信号処理部は、前記物理乱数を発生する機能を実現する際には、前記フィードバックする切り替え回路が形成されるように前記外部信号を出力し、前記物理的特性によってデバイス識別子を生成する機能を実現する際には、前記フィードバックする切り替え回路が形成されないように前記外部信号を出力する
統合セキュリティ装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の統合セキュリティ装置において、
前記信号処理部は、前記選択器を介して、所定のビット遷移確率を有する信号を所定回数繰り返して読み込んだ際の遷移状態に基づいて、前記物理乱数を発生する処理を行う
統合セキュリティ装置。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の統合セキュリティ装置において、
前記暗号化・復号関数は、少なくとも1段目の論理回路を構成する第1の副関数、および2段目の論理回路を構成する第2の副関数を含み、複数の論理段数により構成されており、
前記信号処理部は、前記物理的特性によってデバイス識別子を生成する機能を実現する際には、前記第1の副関数からの出力信号を選択するように前記選択器に対して前記外部信号を与え、前記物理乱数を発生する機能を実現する際には、前記第2の副関数からの出力信号を選択するように前記選択器に対して前記外部信号を与える
統合セキュリティ装置。 - 暗号化・復号関数を構成する論理回路を利用して、認証に必要な処理を実行する暗号化・復号処理ステップと、
外部からの選択信号に応じて選択器を切り替えることで、前記論理回路の複数の中間ノードからの信号のうち、特定の本数分の信号を選択する選択ステップと、
前記選択ステップにより選択された前記特定の本数分の信号により発生するグリッジを検出する機能を実行するとともに、前記選択器に対して前記外部信号を与えることで前記特定の本数分の信号を切り替え選択し、切り替え選択した前記特定の本数分の信号に応じて検出した前記グリッジに基づいて、物理的特性によってデバイス識別子を生成する機能と、物理乱数を発生する機能の両機能を実行する信号処理ステップと
を備える統合セキュリティ装置に用いられる信号処理方法。
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