JP6296589B2 - 暗号処理システム - Google Patents

Description

この発明は、平文の暗号化又は暗号文の復号化を行う暗号処理システムに関する。

情報化社会の到来に伴って、通信内容や記憶装置に記憶されたデータの秘密保持を目的とした暗号技術の研究が盛んに行われ、実用化されている。この一例として、暗号化及び復号化のための情報が示された暗号鍵を用いて、平文の暗号化や暗号文の復号化を行うＤＥＳ（Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）やＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）等の暗号方式を用いた暗号処理システムが開発され、公知になっている（例えば、特許文献１，２を参照。）。

特開２０００−１６２９６５号公報 特許第５０４２２７２号公報

上記文献に示す暗号処理システムでは、解読の困難性を高めて安全性を確保する場合、暗号鍵のビット長が長く設定するか、或いは複数回の暗号化処理を行う等によって、解読のために必要な計算量を増加させる必要があるので、安全性と、暗号化又は復号化の処理の高速化とを両立することが困難である。

本発明は、平文の暗号化の処理又は暗号文の復号化の処理を高速で行うことが可能であるとともに、安全性も高い暗号処理システムを提供することを課題とする。

本発明の暗号処理システムは、平文を暗号文に暗号化するか、或いは暗号文を平文に復号化する暗号処理システムであって、データが入力される入力部と、暗号鍵を提供する提供部と、前記入力部から入力された平文を提供部から提供された暗号鍵に基づいて暗号化するか、或いは入力部から入力された暗号を、提供部から提供された暗号鍵に基づいて復号化する変換部と、該変換部で変換されたデータを出力する出力部とを備え、上記暗号鍵は、平文を所定データ長毎に分割して得られる複数の平文分割データと、暗号文を所定データ長毎に分割して得られる複数の暗号文分割データとを、全てノードとして配置可能な木構造データの該リンク情報と、各平文分割データから各暗号文分割データを求めることが可能であるとともに各暗号文分割データから各平文分割データを求めることが可能なように木構造データの対応するノードにランダムに配置された各平文分割データ及び各暗号文分割データの該配置情報とを含み、前記木構造データは、子ノードのみとして機能するリーフノード以外のノードは、該ノードに接続された下層の複数のノードに対して親ノードとなり、該複数の下層ノードは該親ノードの子ノードとなり、前記木構造データは、任意の親ノードと、該親ノードにリンクを介して接続された複数の子ノードとにおいて、一のノードに格納されたデータを、該一のノード以外の複数のノードに格納されたデータから求めることが可能なように構成されたことを特徴とする。

前記変換部は入力部から入力される平文を暗号化する暗号化部であり、該暗号化部は、入力された平文を上記所定データ長毎に分割する分割処理と、分割処理によって分割された各平文分割データから、提供部により提供される暗号鍵に基づいて、各暗号文分割データを算出するメイン処理と、メイン処理によって求められた各暗号文分割データを結合して暗号化された暗号文を生成する結合処理とを行うものとしてもよい。

前記変換部は入力部から入力される暗号文を復号化する復号化部であり、該復号化部は、入力された暗号文を上記所定データ長毎に分割する分割処理と、分割処理によって分割された各暗号文分割データから、提供部により提供される暗号鍵に基づいて、各平文分割データを算出するメイン処理と、メイン処理によって求められた各平文分割データを結合して復号化された平文を生成する結合処理とを行うものとしてもよい。

平文分割データ又は暗号文分割データの数を１１以上としたものとしてもよい。

暗号鍵を生成する生成部と、パスワードを取得する取得部とを備え、上記木構造データのリーフノードは、分割された複数の平文分割データと同数設けられ、該複数のリーフノードには、対応する平文分割データがそれぞれ格納され、該木構造データの任意の親ノードは、リンクを介して接続される２つの子ノードを有し、前記生成部は、上記取得部で取得されるパスワードに基づいて再現可能な擬似乱数を発生させる発生処理と、発生処理によって発生させた擬似乱数に基づいて木構造データの上記リンク情報及び配置情報を再現可能にランダムに決定する決定処理と、上記木構造データのリンク情報及び配置情報に基づいて暗号鍵を成形する生成処理とを行うものとしてもよい。

暗号鍵を有していれば、暗号鍵に示されたリンク情報及び配置情報に基づいて、木構造データを迅速且つ簡易的に取得可能し、この木構造データから、少ない計算量で、直ちに平文への復号化処理または暗号文への暗号化を行うことが可能であるため、処理速度の高速化を図ることが可能である。これに加えて、暗号鍵がなければ、木構造データの取得も困難であるため、暗号解読が困難であり、安全性が高い。

本発明を適用した暗号処理システムのブロック図ある。 暗号化装置及び復号化装置の概略図である。 暗号化及び復号化の具体的手段を示す概念図である。 暗号化装置及び復号化装置の暗号生成部が行う暗号鍵生成処理のフロー図である。 擬似乱数生成手段の一例の構成を示す概念図である。 暗号化部が暗号鍵に基づいて行う平文の暗号化処理の手順を示す説明図であるとともに、復号化部が暗号鍵に基づいて行う暗号文の復号化処理の手順を示す説明図である。 暗号化部の処理フロー図である。 復号化部の処理フロー図である。 （Ａ），（Ｂ）は、それぞれ木構造データの他例を示す概念図である。 （Ａ）乃至（Ｅ）は、それぞれ本暗号処理システムの検証実験の結果を示す一覧表である。 （Ａ）は暗号化する際の処理速度を示し、（Ｂ）は復号化する際の処理速度を示している。

図１は、本発明を適用した暗号処理システムのブロック図ある。
図示する暗号処理システムは、暗号化装置１及び復号化装置２の一方又は両方（図示する例では両方）を備えている。本暗号処理システムは、通信の暗号化や保存されたデータの暗号化等、広い範囲に適用可能である。

図２は、暗号化装置及び復号化装置の概略図である。
暗号化装置１及び復号化装置２は共にコンピュータである。このコンピュータ１、２は、ＡＴ互換機と呼ばれる通常のＰＣであり、ＣＰＵ３と、ＲＡＭ４と、ＳＳＤやＨＤＤ等の記憶装置６と、キーボードやマウス等の入力インターフェイス７と、モニタに画像を出力するビデオカード８と、フロッピー（登録商標）やＣＤ−Ｒ等の記憶媒体からデータを読込むとともに該記憶媒体にデータを書込む外部記憶装置９と、他のＰＣとＴＣＰ／ＩＰ通信可能なネットワークインターフェイス１１とを備えている。

上記ＲＡＭ４上に実行されるプログラムによって、コンピュータが暗号化装置１及び復号化装置２として機能する。

図１に示す通り、上記暗号化装置１は、暗号化されていないデータである平文が入力される入力部（入力手段）１２と、暗号化のための暗号鍵を提供する暗号鍵提供部（提供部、暗号鍵提供手段）１３と、前記記憶装置６または記憶媒体が設置された外部記憶装置９からなる記憶部１４と、複数の英数字や記号からなる文字列であるパスワードが入力インターフェイス７等を介して入力された際にこのパスワードを取得するパスワード取得部（取得部，パスワード取得手段）１６と、パスワード取得部１６で取得されたパスワードから暗号鍵を生成する暗号鍵生成部（生成部，暗号鍵生成手段）１７と、該入力部１２から入力された平文を、暗号鍵提供部１３から提供される暗号鍵に基づいて暗号化する暗号化部（変換部，暗号化手段）１８と、該暗号化部１８で暗号化されたデータである暗号文を出力する出力部１９とを備えている。

入力部１２から入力される平文は、通常のブロック暗号やストリーム暗号とは異なり、そのままのサイズで、暗号化部１８に渡される。

暗号鍵生成部１７は、自身で生成した暗号鍵を、記憶部１４に記憶するか、或いは暗号鍵提供部１３に直接渡す。暗号鍵提供部１３は、上記のように暗号鍵生成部１７から直接暗号鍵を受取るか、或いは、上記のようにして予め記憶部１４に記憶された暗号鍵を読込む。なお、暗号鍵提供部１３が公開鍵等で暗号化された通信経路を介してネットワークインターフェイス１１から暗号鍵を取得してもよい。

上記復号化装置２は、暗号化されたデータである暗号文が入力される入力部（入力手段）２１と、復号化のための暗号鍵を提供する暗号鍵提供部（提供部、暗号鍵提供手段）２２と、前記記憶装置６または記憶媒体が設置された外部記憶装置９からなる記憶部２３と、複数の英数字や記号からなる文字列であるパスワードが入力インターフェイス７等を介して入力された際にこのパスワードを取得するパスワード取得部（取得部，パスワード取得手段）２４と、パスワード取得部２４で取得されたパスワードから暗号鍵を生成する暗号鍵生成部（生成部，暗号鍵生成手段）２６と、該入力部２１から入力された暗号文を、暗号鍵提供部２２から提供される暗号鍵に基づいて復号化する復号化部（変換部，暗号化手段）２７と、該復号化部２７で復号化されたデータである平文を出力する出力部２８とを備えている。

暗号鍵生成部２６は、自身で生成した暗号鍵を、記憶部２３に記憶するか、或いは暗号鍵提供部２２に直接渡す。暗号鍵提供部２６は、上記のように暗号鍵生成部２６から直接暗号鍵を受取るか、或いは、上記のようにして予め記憶部２３に記憶された暗号鍵を読込む。なお、暗号鍵提供部２２が公開鍵等で暗号化された通信経路を介してネットワークインターフェイス１１から暗号鍵を取得してよい。

本暗号処理システムでは、平文を暗号化して暗号文を作成する際に用いる暗号鍵と、該暗号文を復号化して平文を作成する際に用いる暗号鍵とが同一であり、このため、該暗号鍵は、共通鍵となる。

図３は、暗号化及び復号化の具体的手段を示す概念図である。
平文のデータ（例えば、図３の「Ａ」）は、所定のデータ長を有する複数の平文分割データ（例えば、図３の「ａ１」，「ａ２」，「ａ３」，「ａ４」）に分割される。平文を分割する数（分割数）Ｎは、任意の値に設定できるが、好ましくは１１以上に設定し、さらに好ましくは１２以上に設定する。分割された各平文分割データ同士は、それぞれ異なるデータ長としてもよいし、或いは互いに同一データ長としてもよい。

同様に、暗号文のデータ（例えば、図３の「Ｂ」）は、所定のデータ長を有する複数の暗号文分割データ（例えば、図３の「ｂ１」，「ｂ２」，「ｂ３」，「ｂ４」）に分割される。暗号文の分割数Ｎも、任意の値に設定できるが、好ましくは１１以上に設定し、さらに好ましくは１２以上に設定する。分割された各暗号文分割データ同士は、それぞれ異なるデータ長としてもよいし、或いは互いに同一データ長としてもよい。

ちなみに、本例では、平文を暗号化することにより暗号文と、該暗号文を復号化することにより得られる平文とは、共に、等分に分割され、分割数Ｎも同数に設定されている。すなわち、平文と暗号文のデータサイズは同一で、各分割データも互いに全て同一である。

本暗号処理システムでは、全ての平文分割データを個別に格納するとともに、全ての暗号文分割データを個別に格納することが可能な数のノードｎを有する木構造データＴ（同図の状態９参照）を規定する。そして、木構造データＴにおいて、平文分割データを格納するノードｎである平文用ノードｎａ（例えば、図３の状態９の「ａ１」，「ａ２」，「ａ３」，「ａ４」）と、暗号文分割データを格納するノードｎである暗号文用ノードｎｂ（例えば、図３の状態９の「ａ２」，「ｎ１」，「ｎ２」，「ｎ３」）とは、一部で重複してもよいが、全てで重複してはならず、平文分割データ又は暗号文分割データの何れも格納されないノードも存在しないようにする。

この木構造データＴは、最上層に配置されたノードｎ（例えば、図３の状態９の「ｎ３」）が「根ノード（ルートノード）」になり、下層のノードｎである「子ノード」から上層のノードｎである「親ノード」に延びるリンクＬは必ず１つであり、「親ノード」となるノードｎから「子ノード」となるノードｎに延びるリンクＬは必ず複数であり、これを言換えると、「子ノード」になるノードｎと、該ノードｎの「親ノード」になるノードｎとの関係は、多対一になる。最下層に配置されたノードｎ（例えば、図３の状態９の「ａ１」，「ａ２」，「ａ３」，「ａ４」）が「葉ノード（リーフノード）」になる。

あるノードｎに着目すると、このノードｎを「親ノード」とした場合における該ノードｎの「子ノード」となる全てのノードｎに格納されたデータに基づいて、この「親ノード」となるノードｎに格納されるデータの情報が求められる。例えば、「親ノード」となるノードｎ（例えば、図３の状態９の「ｎ１」）に対して、「子ノード」となる２つのノードｎ（例えば、図３の状態９の「ａ１」，「ａ２」）を考えた場合、「子ノード」となる一方のノードｎに格納されたデータと、他方のノードｎに格納されたデータとの差分を求め、この差分データを「親ノード」となるノードｎに格納してもよい。

また、「親ノード」となる１つのノードｎに対して、「子ノード」となるノードｎが３つ以上ある場合には、「子ノード」となる３つ以上のノードｎから選択した２つのノードｎの差分を求め、この差分と、残りの「子ノード」となるノードｎから選択された１つのノードｎとからさらに差分を求め、以下、「子ノード」となる全てのノードｎが選択されるまで順次この処理を繰返して、「親ノード」となるノードｎに格納するデータを求めてもよい。

さらに、「親ノード」となるノードｎ及び該ノードｎにリンクＬで繋がれた「子ノード」となる全てのノードｎに対し、これらのノードｎの何れか１つが、格納されるデータが未知である「未知ノード」であるとともに、残りが、格納されるデータが既知である「既知ノード」である場合、この「既知ノード」となるノードｎに格納された既知データから、「未知ノード」となるノードｎに格納された未知データが求められれば、「子ノード」の格納データから「親ノード」に格納されるデータを算出する手段は、差分に限定されることもなく、その他の乗算や除算や減算を用いてもよい。

そして、このようなリンク構造（ツリー構造）を有する木構造データＴの全ノードｎのうちから、各平文分割データを個別に格納するノードｎを、平文用ノードｎａとして、ランダムに選択するとともに、各暗号文分割データを個別に格納するノードｎも、暗号文用ノードｎｂとして、ランダムに選択する。

ただし、この平文用ノードｎａのランダム選択にあたっては１つの条件が課せられる。具体的には、各平文用ノードｎａに格納された平文分割データから、木構造データＴの平文用ノードｎａ以外の各ノードｎに格納されたデータを求めることができるようにして、平文用ノードｎａのランダム選択が行われる。図示する例では、「葉ノード」となる各ノードｎが平文用ノードｎａになっている。

同様に、この暗号文用ノードｎｂを、木構造データＴの全ノードｎのうちからランダムに選択する際にも同一の条件が課せられる。具体的には、各暗号文用ノードｎｂに格納された暗号文分割データから、木構造データＴの暗号文用ノードｎｂ以外の各ノードｎに格納されたデータを求めることができるようにして、暗号文用ノードｎｂのランダム選択が行われる。

暗号鍵は、この木構造データの木構造及び配置情報を有し、この暗号鍵の情報に基づいてデータの暗号化及び復号化が行われる。

以下、図３乃至図５に基づいて、上記木構造データのアルゴリズムを用いた暗号鍵生成の具体的手段を説明する。

図４は、暗号化装置及び復号化装置の暗号生成部が行う暗号鍵生成処理のフロー図である。
暗号鍵生成部１７，２６は、暗号鍵を生成する処理が開始されると、平文から分割した複数の平文分割データを各別に格納する複数のノードｎ（すなわち、平文用ノードｎａ）を、それぞれ「未処理ノード」として選択範囲に加え、ステップＳ１に進む。ちなみに、このようにして「未処理ノード」としてセットされたノードｎは、後述する処理（具体的には、ステップＳ６の処理）によって、順次、「処理済みノード」にセットされる。

ステップＳ１では、選択範囲の中から、１つのノードｎを「選択ノード」としてランダムに選択し、この選択したノードｎが「処理済ノード」であれば、再度、選択範囲中からランダムに１つのノードｎを「選択ノード」として選択し、以下、「未処理ノード」が選択されるまで、このステップＳ１の処理を繰返し、「未処理ノード」が「選択ノード」としてランダムに選択された時点で、該選択されたノードｎを、左右一方側（図示する例では左側）に「子ノード」として配置し、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、選択範囲に含まれるノードｎの中に、ステップＳ２でランダム選択したノードｎ以外で、「未処理ノード」が存在するか否かをチェックし、「未処理ノード」が存在すれば、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、選択範囲の中から、１つのノードｎを「選択ノード」としてランダムに選択し、この選択されたノードｎが「処理済ノード」である場合、或いは該ノードｎがその回のループのステップＳ１で「選択ノード」とされている場合、再度、選択範囲中からランダムに１つのノードｎを「選択ノード」として選択し、「未処理ノード」で且つその回のループのステップＳ１で「選択ノード」にされていないノードｎを選択するまで、このステップＳ３の処理を繰返し、該条件を満たすノードｎが「選択ノード」としてランダム選択された時点で、該選択されたノードｎを、左右他方側（図示する例では右側）に「子ノード」として配置し、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、そのループ処理のステップＳ１及びステップＳ３で選んだ２つのノードｎを、「子ノード」に有する「親ノード」と、「子ノード」となる一対のノードｎからこの「親ノード」となるノードｎに繋がるリンクＬを生成し、ステップＳ５に進む。ちなみに、「親ノード」となるノードｎに格納されるデータは、後述したように全ての子ノードｎから求められるものであれば何れでもよいが、ここでは、「子ノード」となる一対のノードｎの差分データを、「親ノード」となるノードｎに格納する。

ステップＳ５では、その回のループ処理でステップＳ１及びステップＳ３で「子ノード」として選択した一対のノードｎがそれぞれ「葉ノード」であるか否かを確認し、両方とも「葉ノード」であれば、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、その回のループ処理で「子ノード」」とした一対のノードｎ及び「親ノード」とした１つのノードｎのうちからランダムに選択された２つのノードｎを、「対象ノード」とするとともに、残りの１つのノードｎを、暗号文分割データが格納されない「非対象ノード」として、ステップＳ７に進む。ちなみに、この「対象ノード」となるノードｎは、上述した暗号文用ノードｎｂである。

ステップＳ７では、その回のループ処理でステップＳ１及びステップＳ３で「子ノード」としてランダム選択した２つの各ノードｎを、「処理済みノード」にセットするとともに、その回のループのステップＳ４で「親ノード」として生成したノードｎを、「未処理ノード」にセットして上述した選択範囲に追加し、その回のループ処理を終了させ、ステップＳ１に処理を戻して、次の回のループ処理に移行する。

ステップＳ５において、その回のループ処理で「子ノード」とした一対のノードｎの一方が「葉ノード」であり、他方が「葉ノード」でない場合、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、上記「葉ノード」且つ「子ノード」であるノードｎと、その回のループ処理で生成された「親ノード」であるノードｎとの何れか一方を、ランダムに選択して「対象ノード」とするとともに、他方を、上述した「非対象ノード」として、ステップＳ７に進む。

ステップＳ５において、その回のループ処理で「子ノード」として選択した一対のノードｎが何れも「葉ノード」でない場合には、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、「親ノード」を「非対象ノード」とし、ステップＳ７に進む。

また、ステップＳ２において、選択範囲中のノードｎが全て「処理済みノード」である場合には、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、その回のループ処理で、ステップＳ１で「子ノード」として選択されたノードｎを「根ノード」にするとともに、該ノードｎを、「処理済みノード」にセットし、これによって木構造データＴの木構造及び配置情報を格納された暗号鍵が生成され、以上をもって暗号鍵を生成する処理を終了させる。

以上のようにして、上述した木構造及び配置の条件を満たす木構造データＴがランダムに生成され、この木構造及び配置情報が暗号鍵に格納され、これらの情報に基づいて、データの暗号化及びデータの復号化が行われる。

ちなみに、図３の状態１は、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３の処理に対応し、状態２は、ステップＳ４の処理に対応し、状態３は、ステップＳ５→ステップＳ６→ステップＳ７の処理に対応し、状態４は、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３の処理に対応し、状態５は、ステップＳ４の処理に対応し、状態６は、ステップＳ５→ステップＳ８→ステップＳ７の処理に対応し、状態７は、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３の処理に対応し、状態８は、ステップＳ４の処理に対応し、状態９は、ステップＳ５→ステップＳ８→ステップＳ７→ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ１０の処理に対応している。

なお、上記したステップＳ１、ステップＳ３、ステップＳ６及びステップＳ８の処理（決定処理）によって、木構造データＴの木構造及び配置状態をランダムに選択して決定する際、本例では擬似乱数を用いて再現可能にランダム選択を行う。

この擬似乱数の生成には、従来公知の種々の手段を用いることができるが、ここでは、フィボナッチＬＦＳＲ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）からなる擬似乱数生成手段２９（図５参照）を用いる。擬似乱数生成手段２９はＲＡＭ４上に実行される前記プロフラムによって実装される他、上記フィボナッチＬＦＳＲについては従来公知であるため、詳細は割愛するが、その構成を以下に簡単に説明する。

図５は、擬似乱数生成手段の一例の構成を示す概念図である。生成する乱数は、予め定めた所定（図示する例ではＭビットであり、さらに具体的には６３ビット）ビット長のデータサイズを有し、ある状態からその次の状態への移行（以下、「次状態への移行」）にあたっては、各ビットＸの値が、隣接する最終のビットＸ（図５における最右端のＭ番目のビットＸ）側のビットＸに１つづつずれるとともに、全ビットＸから予め選定された複数の各ビット（タップ）Ｘｓの排他的論理和が順次求められ、その最終結果が最初のビットＸ（図５における最左端の１番目のビットＸ）にフィードバックされる。このようにして、周期の長い再現性のある乱数が順次擬似的に生成されていく。

なお、このフィボナッチＬＦＳＲでは、初期値Ｒの決定も非常に重要になるが、この初期値Ｒを、パスワード取得手段１６，２４で取得されるパスワード及び上述した分割数Ｎの一方又は両方（図示する例では両方）に基づいて決定する。

これに加えて、タップＸｓの選定や、排他的論理和を求めるＸＯＲゲート３１ａからなる論理回路３１の構成を、パスワード取得手段１６，２４で取得されるパスワード及び上述した分割数Ｎの一方又は両方に依存させてもよい。

そして、この擬似乱数生成手段２９は、ランダム選択毎に「次状態への移行」の処理を繰返して、擬似的に乱数を生成する処理（発生処理）を行い、このように生成した乱数を用いてランダム選択処理（決定処理）を行う。例えば、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ４→ステップＳ５→ステップＳ６→ステップＳ７と処理を進む場合、ステップＳ１、ステップＳ３及びステップＳ６の計３回、ランダム選択が行われ、このランダム選択の処理毎に「次状態への移行」の処理が行われる。

ちなみに、このランダム選択毎に行われる「次状態への移行」の処理は、必ずしも１回づつである必要はなく、予め定めた所定回数実行して、最後の「次状態への移行」の処理により擬似生成される乱数を、ランダム選択に用いてもよい。このようにランダム選択に用いない擬似乱数生成を行う「空回し処理」によって、より解読され難い乱数を擬似的に生成することが可能になる。

ランダム選択の際、このように再現可能な擬似乱数を用いた場合、同一のパスワードを用いることにより同一の暗号鍵（具体的には、木構造データの同一の木構造及び配置情報）を暗号化装置１及び復号化装置２の両方で生成できる。このため、暗号化装置１において上記パスワードを入力するのみによって、暗号化のための暗号鍵を生成可能であるとともに、復号化装置２において上記パスワードを入力するのみによって、復号化のための暗号鍵を生成可能であり、利便性が高い。

次に、図６及び図７に基づいて、暗号化部１８の構成を詳述する。

図６は、暗号化部が暗号鍵に基づいて行う平文の暗号化処理の手順を示す説明図であるとともに、復号化部が暗号鍵に基づいて行う暗号文の復号化処理の手順を示す説明図であり、図７は、暗号化部の処理フロー図である。暗号化部１８は、入力部１２から入力された平文を受取ると、ステップＳ１１から処理を開始する。ステップＳ１１では、上記分割数Ｎ個に平文を分割して、平文分割データを生成する分割処理を行い、処理が終了すると、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、暗号鍵提供部１３から提供される暗号鍵を受取り、この暗号鍵から、木構造データＴのリンク情報及び配置情報を取得し、まず、各平文分割データを、木構造データＴの平文用ノードｎａに格納し（図６の「暗号化処理１」）、この各平文用ノードｎａに格納されたデータから、残りのノードｎに格納されたデータを求め、上記暗号鍵から、木構造データＴの各暗号文用ノードｎｂに格納されたデータを、暗号文分割データとして取得する（同図の「暗号化処理２」）。このステップＳ１２の処理が暗号化のためのメイン処理になり、このメイン処理が終了すると、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、直前のステップＳ１２で取得した各暗号文分割データを結合させて暗号文を生成する結合処理を行い、処理を終了させる。

次に、図６及び図８に基づいて、復号化部２７の構成を詳述する。

図８は、復号化部の処理フロー図である。復号化部２７は、入力部１２から入力された暗号文を受取ると、ステップＳ２１から処理を開始する。ステップＳ２１では、上記分割数Ｎ個に暗号文を分割して、暗号文分割データを生成する分割処理を行い、分割処理が終了すると、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、暗号鍵提供部１３から提供される暗号鍵を受取り、この暗号鍵から、木構造データＴのリンク情報及び配置情報を取得し、まず、各暗号文分割データを、木構造データＴの暗号文用ノードｎｂに格納し（図６の「復号化処理２」）、この各暗号文用ノードｎｂに格納されたデータから、残りのノードｎに格納されたデータを求め、上記暗号鍵から、木構造データＴの各平文用ノードｎａに格納されたデータを、平文分割データとして取得する（同図の「復号化処理２」）。このステップＳ２２の処理が復号化のためのメイン処理になり、このメイン処理が終了すると、ステップＳ２３に進む。

ステップＳ２３では、直前のステップＳ２２で取得した各平文分割データを結合させて平文を生成する結合処理を行い、処理を終了させる。

以上のように構成される暗号処理システムによれば、木構造データＴのリンク情報及び配置状態を、暗号鍵によって取得できれば、少ない処理工程で、迅速に暗号化及び復号化を行うことができる一方で、上記リンク情報及び配置情報を取得できなれば、暗号文の復号化は困難であり、処理の迅速化と、暗号強度の向上とを両立できる。

しかも、擬似乱数によって、分割数Ｎやパスワードによる再現性を持たせて暗号鍵を生成するため、暗号鍵をデータとして、保持しておく必要がなく、利便性の暗号強度も両立可能になる。

なお、擬似乱数生成手段２９による乱数生成の手段として、本例では、フィボナッチＬＦＳＲを用いているが、これに限定されるものではなく、ガロアＬＦＳＲや、その他の擬似乱数を生成する公知の手段を用いてもよい。

また、パスワードによる再現性を持たせることなく、暗号鍵を生成する場合には、擬似乱数ではなく、ランダム選択による決定処理時に真正乱数を用いて、木構造データＴを生成し、これに基づいて暗号鍵を生成する生成処理を行ってもよい。この場合には、暗号化及び復号化にあたって、暗号鍵をデータとして保持する必要はあるが、暗号文を解読される可能性はさらに低くなる。

さらに、木構造データＴの構成も図３及び図６に示すような構成に限定されない。

図９（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ木構造データの他例を示す概念図である。木構造データＴは、「リーフノード」以外のノードｎに平文分割データを配置してもよく（同図（Ａ）参照）、さらには、「親ノード」となるノードｎが「子ノード」となるノードｎを３個以上有していてもよい（同図（Ｂ）参照）。

次に、図１０及び図１１に基づき、本暗号処理システムの検証結果について説明する。

図１０（Ａ）乃至（Ｅ）は、それぞれ本暗号処理システムの検証実験の結果を示す一覧表である。
まず、同図（Ａ）の一覧表に示す検証では、木構造データＴの木構造を総当りにより解析した。具体的には、パスワードが５桁で英数字が混在するもの（同表の「Ａ」で示すもの）と、英数字が混在するもの（同表の「Ｂ」で示すもの）と、英字のみのもの（同表の「Ｃ」で示すもの）と、数字のみのもの（同表の「Ｄ」で示すもの）と、英数字が混在するもの（同表の「Ｅ」で示すもの）とのそれぞれに対して、分割数Ｎを５〜１０の範囲で１つづつ変化させ、各分割数Ｎに対して、総当りにより、木構造データＴの木構造の解析を行った。

ちなみに、用いるコンピュータは、本願の出願時点で高性能されるＡＴ互換機のコンピュータを用い、初期値Ｒは、パスワードを用いて以下の式から求め、求めた値を、Ｘビット（具体的には６３ビット）の２進数表示して用いる。

Ｎは上述した分割数であり、ｍはパスワードの文字数であり、ＰＷ［ｉ−１］は、パスワードにおけるｉ番目の文字の文字コードである。

その結果は、同表に示す通りであり、解析に要する時間及び回数は、分割数Ｎの上昇に伴って飛躍的に上昇している。そして、同表には示していないが、分割数Ｎが１１になると、解析が困難になり、分割数Ｎが１２になると、解析に要する時間が３５年以上となるという結果になり、事実上、解析が不可能になった。

続いて、図１０（Ｂ）の一覧表に示す検証では、乱数再現により、木構造データＴの木構造の解析を行った。その他の条件は、同図（Ａ）と同様である。

その結果は、同表に示す通りであり、上述したノードｎの総当りによる解析によりも少ない時間や回数で解析を行うことができる場合が多くあり、全体的には、解析に要する時間や回数は減少し、効率的な解析が行われている。ちなみに、パスワード自体の解読は、乱数の再現に帰着されるので、乱数発生時に乱数値に基づいて上述の「空回し処理」を行うことにより、再現されるリスクを大幅に低減することが可能になる。その詳細は、後述する。

続いて、図１０（Ｃ）の一覧表に示す検証では、木構造データＴのリンク構造（木構造）が既知であると仮定し、総当りにより、暗号文用ノードｎｂを特定する解析を行った。用いるパスワードの種類は、同図（Ａ）に示すものと同様であり、分割数Ｎを８→１２→１６→２０→２１→２２と変化させ、各分割数Ｎに対して、総当りにより、暗号文用ノードｎｂを特定する解析を行った。

その結果は、同表に示す通りであり、分割数Ｎが少ない場合には、少ない時間及び回数が解析可能であったが、分割数Ｎが増加ほど解析は困難になっている。そして、分割数Ｎが１６を超えたあたりから、解析の難易度が極端に上がり、同表には示していないが、分割数Ｎが２６に達した段階で、解析は不可能になった。

続いて、図１０（Ｄ）の一覧表に示す検証では、木構造データＴのリンク構造（木構造）が既知であると仮定し、乱数再現により、分割用ノードｎｂを特定する解析を行った。その他の条件は、同図（Ｃ）に示すものと同様である。

その結果は、同表に示す通りであり、同図（Ｃ）に示す総当り解析に比べて、概ね解析に要する時間や回数が減少している。

続いて、同図（Ｅ）の一覧表に示す検証では、木構造データＴの木構造を総当りにより解析した。ただし、木構造データＴの生成にあたっては、擬似乱数生成手段２９により「次状態への移行」の処理を行う際、上述した処理に加えて、乱数発生回数がｊ回である場合、パスワードのｊ番目の文字コードをＭビットの２進数表示して、各ビットＸに加え、これを擬似的に生成した乱数として用い、上述した「空回し処理」を行う。ちなみに、ｊは、パスワードの文字数以上にはならず、パスワードの文字数を超えた場合には、その値が１に戻される。その他の条件は同図（Ａ）と同様である。

その結果は、同表に示す通りであり、解析に要する時間や回数は、同図（Ａ）に示す総当り解析と同程度になっている。すなわち、総当り解析に対しては、「空回し処理」の効果は殆ど見られないことが分った。一方、この木構造データＴの木構造の解析を、乱数再現により行うと、分割数Ｎが４の段階で、解析が困難になり、この「空回し処理」は、乱数再現による解析に対して、有効であることが分った。

図１１（Ａ）は暗号化する際の処理速度を示し、（Ｂ）は復号化する際の処理速度を示している。同図（Ａ）は、分割数Ｎが８０と、９６と、１１２と、１２８のそれぞれの場合において、平文のデータサイズを１ＭＢ→４ＭＢ→１６ＭＢ→３２ＭＢ→６４ＭＢ→１２８ＭＢと変化させ、この平文を暗号鍵により暗号化する処理に要す時間から、処理速度を求め、これをグラフ化したものである。暗号化装置１としては、上述の検証と同一のコンピュータを用いた。

このグラフに示されるように、概ね１７００Ｍｂｉｔ／ｓｅｃの処理速度が確保され、実用に耐え得る良好な結果となった。

また、同図（Ｂ）は、分割数Ｎが８０と、９６と、１１２と、１２８のそれぞれの場合において、暗号文のデータサイズを１ＭＢ→４ＭＢ→１６ＭＢ→３２ＭＢ→６４ＭＢ→１２８ＭＢと変化させ、この暗号文を暗号鍵により復号化する処理に要す時間から、処理速度を求め、これをグラフ化したものである。復号化装置２としては、上述の検証と同一のコンピュータを用いた。

このグラフに示されるように、概ね１４５０Ｍｂｉｔ／ｓｅｃの処理速度が確保され、実用に耐え得る良好な結果となった。

１２ 入力部（入力手段）
１３ 暗号鍵提供部（提供部，暗号鍵提供手段）
１６ パスワード取得部（取得部，パスワード取得手段）
１７ 暗号鍵生成部（生成部，暗号鍵生成手段）
１８ 暗号化部（変換部，暗号化手段）
１９ 出力部（出力手段）
２１ 入力部（入力手段）
２２ 暗号鍵提供部（提供部，暗号鍵提供手段）
２４ パスワード取得部（取得部，パスワード取得手段）
２６ 暗号鍵生成部（生成部，暗号鍵生成手段）
２７ 暗号化部（変換部，暗号化手段）
２８ 出力部（出力手段）
ｎ ノード
Ｔ 木構造データ

Claims (5)

1. 平文を暗号文に暗号化するか、或いは暗号文を平文に復号化する暗号処理システムであって、
   データが入力される入力部と、
   暗号鍵を提供する提供部と、
   前記入力部から入力された平文を提供部から提供された暗号鍵に基づいて暗号化するか、或いは入力部から入力された暗号を、提供部から提供された暗号鍵に基づいて復号化する変換部と、
   該変換部で変換されたデータを出力する出力部とを備え、
   上記暗号鍵は、
   平文を所定データ長毎に分割して得られる複数の平文分割データと、暗号文を所定データ長毎に分割して得られる複数の暗号文分割データとを、全てノードとして配置可能な木構造データの該リンク情報と、
   各平文分割データから各暗号文分割データを求めることが可能であるとともに各暗号文分割データから各平文分割データを求めることが可能なように木構造データの対応するノードにランダムに配置された各平文分割データ及び各暗号文分割データの該配置情報とを含み、
   前記木構造データは、子ノードのみとして機能するリーフノード以外のノードは、該ノードに接続された下層の複数のノードに対して親ノードとなり、該複数の下層ノードは該親ノードの子ノードとなり、
   前記木構造データは、任意の親ノードと、該親ノードにリンクを介して接続された複数の子ノードとにおいて、一のノードに格納されたデータを、該一のノード以外の複数のノードに格納されたデータから求めることが可能なように構成された
   暗号処理システム。
2. 前記変換部は入力部から入力される平文を暗号化する暗号化部であり、
   該暗号化部は、
   入力された平文を上記所定データ長毎に分割する分割処理と、
   分割処理によって分割された各平文分割データから、提供部により提供される暗号鍵に基づいて、各暗号文分割データを算出するメイン処理と、
   メイン処理によって求められた各暗号文分割データを結合して暗号化された暗号文を生成する結合処理とを行う
   請求項１に記載の暗号処理システム。
3. 前記変換部は入力部から入力される暗号文を復号化する復号化部であり、
   該復号化部は、
   入力された暗号文を上記所定データ長毎に分割する分割処理と、
   分割処理によって分割された各暗号文分割データから、提供部により提供される暗号鍵に基づいて、各平文分割データを算出するメイン処理と、
   メイン処理によって求められた各平文分割データを結合して復号化された平文を生成する結合処理とを行う
   請求項１または２の何れかに記載の暗号処理システム。
4. 平文分割データ又は暗号文分割データの数を１１以上とした
   請求項１乃至３の何れかに記載の暗号処理システム。
5. 暗号鍵を生成する生成部と、
   パスワードを取得する取得部とを備え、
   上記木構造データのリーフノードは、分割された複数の平文分割データと同数設けられ、該複数のリーフノードには、対応する平文分割データがそれぞれ格納され、
   該木構造データの任意の親ノードは、リンクを介して接続される２つの子ノードを有し、
   前記生成部は、
   上記取得部で取得されるパスワードに基づいて再現可能な擬似乱数を発生させる発生処理と、
   発生処理によって発生させた擬似乱数に基づいて木構造データの上記リンク情報及び配置情報を再現可能にランダムに決定する決定処理と、
   上記木構造データのリンク情報及び配置情報に基づいて暗号鍵を成形する生成処理とを行う
   請求項１乃至４の何れかに記載の暗号処理システム。

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