JP7268529B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、プログラムのセキュリティを確保しつつ、プログラムの高速な起動を可能にする電子機器に関する。

近年のＩｏＴ（Internet of Things）化により組込機器もネットワークに接続されるようになり、クラッカーと呼ばれる悪意をもった者による破壊行為や、ウィルスの侵入等による組込機器に影響を及ぼす攻撃が増加している。このような攻撃に対抗する方策として、動作するソフトウェアを信頼できるソフトウェアか否かを検証し、信頼できるソフトウェアだけを起動することが考えられている。

しかし、ソフトウェア（プログラム）の信頼性を検証すると、検証する時間分、機器の起動時間が延びてしまうという課題が生じる。そこで、特許文献１では、検証するプログラムに優先順位をつけて、起動処理を短縮することを提案している。

また、特許文献２には、検証するプログラムを固定せず、検証するプログラムを確率によって決定し、起動処理時間を短縮するものが提案されている。

特開２００６－３９８８８号公報 特開２００９－９３７２号公報

しかしながら、特許文献１，２のいずれの場合も、プログラム全ての検証を行うと、プログラムの起動時間が延びてしまうという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プログラムのセキュリティを確保しつつ、プログラムの高速な起動を可能にする電子機器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電子機器は、プロセッサの外部に設けられた外部記憶部に記憶されたプログラムを前記プロセッサが読み出して実行する電子機器であって、前記プログラムは、プログラム本体と、前記プログラム本体のハッシュ値を含むプログラムヘッダとからなり、前記プロセッサは、前記プログラムの一部、前記プログラムの分割状態を管理するプログラム分割情報を含むプログラム管理情報、及び、前記プログラムを読み込むローダプログラムを少なくとも記憶する内部記憶部と、前記プログラムの改竄を検証する暗号処理部と、を備え、前記外部記憶部は、前記プログラムの一部の残りである前記プログラムの他部を記憶し、前記ローダプログラムは、前記プログラムの起動時、前記プログラム分割情報をもとに前記プログラムの一部と前記プログラムの他部とを読み出して結合し、結合した前記プログラムのプログラム本体のハッシュ値の演算を前記暗号処理部に行わせ、前記暗号処理部が演算したハッシュ値と前記プログラムヘッダ内のハッシュ値とが一致した場合、前記プログラム本体を前記プロセッサの外部の主記憶部にロードして起動することを特徴とする。

また、本発明にかかる電子機器は、上記の発明において、前記プログラム本体の一部又は全部が暗号化されものであり、前記プログラム管理情報は、暗号化されたプログラム本体の領域を管理する暗号化領域情報を含み、前記内部記憶部は、暗号化された前記プログラム本体の一部又は全部を復号する暗号化鍵を有し、前記ローダプログラムは、前記プログラムの起動時、前記プログラム分割情報をもとに前記プログラムの一部と前記プログラムの他部とを読み出して結合し、前記暗号化領域情報及び前記暗号化鍵を用いて、暗号化された前記プログラム本体の一部又は全部の復号を前記暗号処理部に行わせ、復号した前記プログラムのプログラム本体のハッシュ値の演算を前記暗号処理部に行わせ、前記暗号処理部が演算したハッシュ値と前記プログラムヘッダ内のハッシュ値とが一致した場合、前記プログラム本体を前記プロセッサの外部の主記憶部にロードして起動することを特徴とする。

また、本発明にかかる電子機器は、上記の発明において、前記プログラムを更新する更新プログラムのプログラムヘッダには、前記ハッシュ値を前記プログラムの所有者の署名鍵で暗号化したプログラム署名と、前記プログラム分割情報に対応した前記更新プログラムの更新プログラム分割情報とを有し、前記内部記憶部は、前記署名鍵を有し、前記プロセッサは、前記プログラムを前記更新プログラムに更新する場合、前記暗号処理部に対し、前記更新プログラムのプログラム本体のハッシュ値を求めさせるとともに、前記署名鍵を用いて前記プログラム署名を復号したハッシュ値を求めさせ、各ハッシュ値が一致する場合、前記プログラム署名を、一致したハッシュ値に置き換えるとともに、前記更新プログラム分割情報を前記プログラム管理情報のプログラム分割情報に置き換え、その後、前記更新プログラム分割情報をもとに、前記更新プログラムの一部を前記内部記憶部に記憶させるとともに、前記更新プログラムの他部を前記外部記憶部に記憶させることを特徴とする。

また、本発明にかかる電子機器は、上記の発明において、前記更新プログラム本体の一部又は全部が暗号化されものであり、前記更新プログラムのプログラムヘッダには、暗号化するプログラム本体の領域を指定する暗号化領域情報を含み、前記プロセッサは、前記暗号化領域情報が含まれる場合、前記暗号鍵を用いて前記暗号処理部に対して前記暗号化領域情報が指定する領域を暗号化し、その後、更新プログラムのプログラムヘッダから暗号化領域情報を削除するとともに、暗号化領域情報を前記プログラム管理情報の暗号化領域情報として置き換えることを特徴とする。

また、本発明にかかる電子機器は、上記の発明において、前記プログラム管理情報は、複数の前記プログラムに対する管理情報であることを特徴とする。

本発明によれば、プログラムのセキュリティを確保しつつ、プログラムの高速な起動を可能にする。

図１は、本発明の実施の形態である電子機器を含む自動販売機の全体構成を示す図である。 図２は、図１に示した電子機器１の構成を示すブロック図である。 図３は、プログラムの分割状態を説明する説明図である。 図４は、プログラム管理情報内のプログラム分割情報の内容を示す図である。 図５は、プログラムの起動処理手順を示すフローチャートである。 図６は、変形例１の電子機器の構成を示すブロック図である。 図７は、変形例１のプログラム管理情報の内容を示す図である。 図８は、変形例１による、プログラムの起動処理手順を示すフローチャートである。 図９は、変形例２の電子機器の構成を示すブロック図である。 図１０は、更新プログラムのフォーマット構成を示す図である。 図１１は、変形例２による、プログラムを更新プログラムに更新するプログラム更新処理手順を示すフローチャートである。 図１２は、変形例３による、プログラムを更新プログラムに更新するプログラム更新処理手順を示すフローチャートである。 図１３は、変形例４の電子機器の構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

＜全体構成＞
図１は、本発明の実施の形態である電子機器１を含む自動販売機の全体構成を示す図である。図１に示すように、自動販売機３は、上位機器２である主制御コントローラに電子機器１である決済コントローラが接続される。自動販売機３は、電子機器システムの一例であり、上位機器２に複数の異なる電子機器１が接続されてもよい。電子機器１及び上位機器２は、自動販売機３の電源オンによって電子機器１及び上位機器２内のプログラムを起動する。

＜電子機器の構成＞
図２は、図１に示した電子機器１の構成を示すブロック図である。図２に示すように、電子機器１は、電子機器１の全体を制御するプロセッサ１０、電子機器１上で動作するプログラム３０の分割された他方のプログラム３０ｂを記憶する外部記憶部として機能する外部ＲＯＭ１２、プログラムを動作させるために用いる主記憶部として機能する外部ＲＡＭ１３、上位機器２と通信するための通信インターフェースである通信部１１、及び、各種情報の表示及び操作を行うユーザインターフェースである表示操作部１４を有し、それぞれは内部バスＢに接続される。

プロセッサ１０は、内部記憶部として機能する内部ＲＯＭ２０、プロセッサ本体２６、プログラム３０の復号や改ざん検知の処理を行う暗号処理部２７、及び、内部ＲＡＭ２８を有する。

内部ＲＯＭ２０は、プログラム３０の一部であるプログラム３０ａ、電子機器１で動作するプログラム３０をロードするローダプログラム２１、及び、プログラム３０の分割状態を管理するプログラム分割情報を含むプログラム管理情報２２を有する。

暗号処理部２７には、電子機器１で用いる暗号用演算や認証用演算を行う。暗号処理部２７は、例えば、ＳＨＡ－１、ＳＨＡ－２５６、ＨＭＡＣ－ＳＨＡ１などのハッシュ関数、ＡＥＳ、ＤＥＳ等の共通鍵暗号、ＲＳＡ、ＥＣＣなどの公開鍵暗号などを用いた演算を行う。

図３は、プログラム３０の分割状態を説明する説明図である。図３に示すように、プログラム３０は、プログラムヘッダ３１とプログラム本体３２とからなる。プログラムヘッダ３１内には、プログラムハッシュ値３３が格納されている。プログラム３０は、プログラム管理情報２２に記述された内容に従って、プログラム本体３２の一部であるプログラム３０ａが、内部ＲＯＭ２０内に格納され、プログラム３０ａの残りである他方のプログラム３０ｂが、外部ＲＯＭ１２に格納される。

図４は、プログラム管理情報２２内のプログラム分割情報２２ａの内容を示す図である。図４に示すように、プログラム分割情報２２ａは、プログラム３０に対して、内部ＲＯＭ２０に格納されるプログラム３０ａの格納位置を示すアドレス及びサイズが記述され、外部ＲＯＭ１２に格納されるプログラム３０ｂの格納位置を示すアドレス及びサイズが記述される。さらに、プログラム３０ａが分割された位置を、外部ＲＯＭに格納されたプログラム３０ｂの先頭からのオフセット量を示している。図４では、このオフセット量は、プログラム３０ｂの先頭位置から０ｘ２０バイト、シフトした位置であることを示している。なお、外部ＲＯＭ１２に格納されるプログラム３０ｂの容量が２０Ｋバイトであるのに対し、内部ＲＯＭ２０に格納されるプログラム３０ａの容量が１６バイトであり、プログラム３０ｂに比して極めて容量が小さい。これは、内部ＲＯＭ２０の容量が外部ＲＯＭ１２の容量に比して極めて小さいからである。本実施の形態では、分割された容量の大小にかかわらず、プログラム３０が内部ＲＯＭ２０と外部ＲＯＭ１２とに分割されていればよい。

＜プログラム起動処理＞
次に、図５に示したフローチャートをもとに、プログラム３０の起動処理手順について説明する。図５に示すように、電子機器１に電源が投入されると、プロセッサ本体２６はローダプログラム２１を読み込み、ローダプログラム２１は、プログラム分割情報２２ａをもとに、内部ＲＯＭ２０からプログラム３０ａを読み出すとともに、外部ＲＯＭ１２からプログラム３０ｂを読み出す（ステップＳ１１０）。

その後、ローダプログラム２１は、プログラム分割情報２２ａをもとに、読み込んだプログラム３０ａとプログラム３０ｂとを結合する（ステップＳ１２０）。具体的には、プログラム３０ｂ内にプログラム３０ａを挿入することになる。なお、図３では、プログラム３０ａは、プログラム３０のうちの１つの部分であったが、これに限らず、複数の部分であってもよい。すなわち、プログラム３０に対して複数のプログラム３０ａであってもよい。この場合、プログラム分割情報２２ａに記述されるオフセット量は複数となる。

その後、ローダプログラム２１は、暗号処理部２７に、結合したプログラム３０のうちのプログラム本体３２のハッシュ値を演算させる（ステップＳ１３０）。そして、この演算したハッシュ値は、プログラムヘッダ３１内に格納されているプログラムハッシュ値３３に一致するか否かを判定する（ステップＳ１４０）。

演算したハッシュ値が、プログラムハッシュ値３３に一致する場合（ステップＳ１４０，Ｙｅｓ）には、このプログラム本体３２を外部ＲＡＭ１３にロードし、プログラムを起動し（ステップＳ１５０）、本処理を終了する。一方、演算したハッシュ値が、プログラムハッシュ値３３に一致しない場合（ステップＳ１４０，Ｎｏ）には、プログラムの起動を停止し、異常報知して（ステップＳ１６０）、本処理を終了する。

本実施の形態では、プログラム３０全体を暗号化するのではなく、プログラム３０を内部ＲＯＭ２０と外部ＲＯＭ１２とに空間分割することによって秘匿性及び堅牢性を得ている。そして、プログラム全体を復号する複雑かつ時間のかかる処理を行う必要がなく、基本的にプログラム３０の結合処理のみでよいため、プログラム３０を高速に起動することができる。また、プログラム３０の結合後に、プログラム本体３２を、ハッシュ値を用いて検証しているため、プログラムの真正性を確保することができる。

なお、外部ＲＯＭ１２へのアクセスは内部バスＢを介して直接的に行うことができるが、内部ＲＯＭ２０はプロセッサ本体２６とプロセッサ内部バスを介して接続されているのみで、プロセッサ本体２６を介さないとアクセスすることができない。すなわち、内部ＲＯＭ２０へのアクセスは、間接的なものとなり、困難なものとなる。したがって、改ざんや漏洩を防止することができる。

＜変形例１＞
本変形例１では、プログラム本体３２の一部又は全部を暗号化するようにしている。なお、上記のように、プログラム本体３２全体の暗号化ではなく、一部の暗号化であることが好ましい。この暗号化を行うのは、特に秘匿性のある部分が存在する場合に、この部分を暗号化しておく。

図６は、変形例１の電子機器１の構成を示すブロック図である。図６に示すように、本変形例１では、内部ＲＯＭ２０内に、暗号化された部分を復号するための暗号化鍵２３を有している。また、プログラム管理情報２２には、暗号化された部分を特定する暗号化領域情報２２ｂをさらに含んでいる。その他の構成は、図２に示した構成と同じである。

図７は、変形例１のプログラム管理情報２２の内容を示す図である。図７に示すように、プログラム管理情報２２は、プログラム分割情報２２ａに加えて、暗号化領域情報２２ｂを有している。暗号化領域情報２２ｂは、暗号化が開始されているオフセット量とサイズとが記述されている。オフセット量は、プログラム本体３２の先頭から暗号化が開始される位置までのバイトである。この暗号化領域情報２２ｂを参照することによって、暗号化された領域を特定することができる。

＜プログラム起動処理＞
次に、図８に示したフローチャートをもとに、変形例１による、プログラム３０の起動処理手順について説明する。本処理は、図５に示したフローチャートにステップＳ１２５を追加したものである。すなわち、図８に示すように、ローダプログラム２１は、プログラム分割情報２２ａをもとに、読み込んだプログラム３０ａとプログラム３０ｂとを結合した（ステップＳ１２０）後、暗号化領域情報２２ｂをもとに、暗号化されたプログラム領域を特定し、暗号処理部２７に対し、特定したプログラム領域のプログラムを暗号化鍵２３を用いて復号させる（ステップＳ１２５）。その後、ローダプログラム２１は、暗号処理部２７に、結合したプログラム３０のうちのプログラム本体３２のハッシュ値を演算させる（ステップＳ１３０）ことになる。

＜変形例２＞
本変形例２は、プログラム３０の更新のための構成と処理とを行うものである。図９は、図９は、変形例２の電子機器１の構成を示すブロック図である。図９に示すように、本変形例２では、内部ＲＯＭ２０内に、更新プログラム内の暗号化されたプログラムハッシュ値を復号するための署名鍵２４を有する。その他の構成は、図６に示した構成と同じである。

図１０は、更新プログラム４０のフォーマット構成を示す図である。図１０に示すように、更新プログラム４０は、プログラム３０と同様に、プログラムヘッダ３１とプログラム本体３２とを有する。プログラムヘッダ３１には、プログラム本体３２のハッシュ値を暗号化したプログラム署名３３ａと、更新プログラム４０と分割するためのプログラム分割情報２２ａとが格納されている。プログラム署名３３ａは、内部ＲＯＭ２０内の署名鍵２４によって復号され、プログラムハッシュ値となる。プログラム分割情報２２ａは、プログラム管理情報２２内に格納されているものと同じフォーマットであり、更新プログラムの分割要領を指定している。

なお、更新プログラム４０は、自動販売機３を接続するサーバから配信され、サーバと電子機器１への通信路は暗号化され、更新プログラム全体も暗号化されている。また、サーバと電子機器１との認証も行われている。この暗号化は、例えば通信部１１などによって復号化される。

＜プログラムの更新処理＞
次に、図１１に示したフローチャートをもとに、変形例２による、プログラム３０を更新プログラム４０に更新するプログラム更新処理手順について説明する。図１１に示すように、プロセッサ１０は、更新プログラム４０を受信すると、更新プログラム４０のプログラム本体３２のハッシュ値を演算する（ステップＳ２１０）。その後、プロセッサ１０は、プログラムヘッダ３１内のプログラム署名３３ａを、署名鍵２４を用いて復号することによって、プログラムハッシュ値を算出する（ステップＳ２２０）。

その後、プログラム本体３２のハッシュ値は、復号したプログラムハッシュ値と一致するか否かを判定する（ステップＳ２３０）。ハッシュ値がプログラムハッシュ値に一致した場合（ステップＳ２３０，Ｙｅｓ）、プログラムヘッダ３１内のプログラム署名３３ａを、復号したプログラムハッシュ値に置き換える（ステップＳ２４０）。さらに、プログラムヘッダ３１内のプログラム分割情報２２ａを、プログラム管理情報２２に移動して登録する（ステップＳ２５０）。

その後、プロセッサ１０は、プログラム分割情報２２ａをもとに、更新プログラム４０を分割し、更新プログラムの一部を内部ＲＯＭ２０に記憶するとともに、更新プログラムの残りを外部ＲＯＭ１２に記憶し（ステップＳ２６０）、本処理を終了する。このプログラム更新処理によって、プログラム３０が更新プログラム４０に更新される。その後、上記のように、電源投入時に、更新プログラム４０の起動処理が行われる。

一方、ハッシュ値がプログラムハッシュ値に一致しない場合（ステップＳ２３０，Ｎｏ）、更新プログラムのプログラム更新を中止し、異常報知を行って（ステップＳ２７０）、本処理を終了する。

＜変形例３＞
本変形例３は、変形例２における更新プログラム４０の格納時にプログラムの一部又は全部を暗号化するものである。このため、本変形例３では、図９に示すように、暗号化鍵２３を有する。また、更新プログラム４０のプログラムヘッダ３１内には、プログラム分割情報２２ａに加え、暗号化領域情報２２ｂが格納されている。

＜プログラムの更新処理＞
次に、図１２に示したフローチャートをもとに、変形例３による、プログラム３０を更新プログラム４０に更新するプログラム更新処理手順について説明する。図１２では、図１１に示したフローチャートにステップＳ２３５を加え、暗号化領域情報２２ｂが指示する領域を暗号化鍵２３を用いて暗号化する。また、ステップＳ２５０において、暗号化領域情報もプログラム管理情報２２に移動して登録するようにしている。その他の処理は、図１１に示した処理と同じである。

＜変形例４＞
上記の実施の形態及び変形例では、プログラム３０あるいは更新プログラム４０は、１つであったが、本変形例４では、複数のプログラム３０あるいは複数の更新プログラム４０を格納する。

図１３は、変形例４の電子機器１の構成を示すブロック図である。図１３に示すように、複数のプログラムＰ１～Ｐｎの各一部は、内部ＲＯＭ２０内に複数のプログラムＰ１ａ～Ｐｎａとして格納され、複数のプログラムＰ１～Ｐｎの各残りは、外部ＲＯＭ１２内に複数のプログラムＰ１ｂ～Ｐｎｂとして格納される。ここで、プログラム管理情報２２は、各プログラムＰ１～Ｐｎに対する複数のプログラム管理情報が含まれる。

なお、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１ 電子機器
２ 上位機器
３ 自動販売機
１０ プロセッサ
１１ 通信部
１２ 外部ＲＯＭ
１３ 外部ＲＡＭ
１４ 表示操作部
２０ 内部ＲＯＭ
２１ ローダプログラム
２２ プログラム管理情報
２２ａ プログラム分割情報
２２ｂ 暗号化領域情報
２３ 暗号化鍵
２４ 署名鍵
２６ プロセッサ本体
２７ 暗号処理部
２８ 内部ＲＡＭ
３０，３０ａ，３０ｂ，Ｐ１～Ｐｎ，Ｐ１ａ～Ｐｎａ，Ｐ１ｂ～Ｐｎｂ プログラム
３１ プログラムヘッダ
３２ プログラム本体
３３ プログラムハッシュ値
３３ａ プログラム署名
４０ 更新プログラム
Ｂ 内部バス

Claims (5)

1. プロセッサの外部に設けられた外部記憶部に記憶されたプログラムを前記プロセッサが読み出して実行する電子機器であって、
   前記プログラムは、プログラム本体と、前記プログラム本体のハッシュ値を含むプログラムヘッダとからなり、
   前記プロセッサは、
   前記プログラムの一部、前記プログラムの分割状態を管理するプログラム分割情報を含むプログラム管理情報、及び、前記プログラムを読み込むローダプログラムを少なくとも記憶する内部記憶部と、
   前記プログラムの改竄を検証する暗号処理部と、
   を備え、
   前記外部記憶部は、前記プログラムの一部の残りである前記プログラムの他部を記憶し、
   前記ローダプログラムは、前記プログラムの起動時、前記プログラム分割情報をもとに前記プログラムの一部と前記プログラムの他部とを読み出して結合し、結合した前記プログラムのプログラム本体のハッシュ値の演算を前記暗号処理部に行わせ、前記暗号処理部が演算したハッシュ値と前記プログラムヘッダ内のハッシュ値とが一致した場合、前記プログラム本体を前記プロセッサの外部の主記憶部にロードして起動することを特徴とする電子機器。
2. 前記プログラム本体の一部又は全部が暗号化されものであり、
   前記プログラム管理情報は、暗号化されたプログラム本体の領域を管理する暗号化領域情報を含み、
   前記内部記憶部は、暗号化された前記プログラム本体の一部又は全部を復号する暗号化鍵を有し、
   前記ローダプログラムは、前記プログラムの起動時、前記プログラム分割情報をもとに前記プログラムの一部と前記プログラムの他部とを読み出して結合し、前記暗号化領域情報及び前記暗号化鍵を用いて、暗号化された前記プログラム本体の一部又は全部の復号を前記暗号処理部に行わせ、復号した前記プログラムのプログラム本体のハッシュ値の演算を前記暗号処理部に行わせ、前記暗号処理部が演算したハッシュ値と前記プログラムヘッダ内のハッシュ値とが一致した場合、前記プログラム本体を前記プロセッサの外部の主記憶部にロードして起動することを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
3. 前記プログラムを更新する更新プログラムのプログラムヘッダには、前記ハッシュ値を前記プログラムの所有者の署名鍵で暗号化したプログラム署名と、前記プログラム分割情報に対応した前記更新プログラムの更新プログラム分割情報とを有し、
   前記内部記憶部は、前記署名鍵を有し、
   前記プロセッサは、前記プログラムを前記更新プログラムに更新する場合、前記暗号処理部に対し、前記更新プログラムのプログラム本体のハッシュ値を求めさせるとともに、前記署名鍵を用いて前記プログラム署名を復号したハッシュ値を求めさせ、各ハッシュ値が一致する場合、前記プログラム署名を、一致したハッシュ値に置き換えるとともに、前記更新プログラム分割情報を前記プログラム管理情報のプログラム分割情報に置き換え、その後、前記更新プログラム分割情報をもとに、前記更新プログラムの一部を前記内部記憶部に記憶させるとともに、前記更新プログラムの他部を前記外部記憶部に記憶させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器。
4. 前記更新プログラム本体の一部又は全部が暗号化されものであり、
   前記更新プログラムのプログラムヘッダには、暗号化するプログラム本体の領域を指定する暗号化領域情報を含み、
   前記プロセッサは、前記暗号化領域情報が含まれる場合、前記暗号鍵を用いて前記暗号処理部に対して前記暗号化領域情報が指定する領域を暗号化し、その後、更新プログラムのプログラムヘッダから暗号化領域情報を削除するとともに、暗号化領域情報を前記プログラム管理情報の暗号化領域情報として置き換えることを特徴とする請求項３に記載の電子機器。
5. 前記プログラム管理情報は、複数の前記プログラムに対する管理情報であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の電子機器。

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