JPH10143695A - 相互認証システムと有料道路の料金収受システムと料金収受システムの相互認証方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＩＣカードの通信速度が遅く、計算能力が小さ
くても暗号鍵を用いて無線で相互認証を行って料金の収
受を行う。 【解決手段】ＩＣカード（ＩＣＣ）とＯＢＵを介して路
側システム（ＲＳＥ）との間で暗号鍵を用いて相互認証
を行うが、最初の通過する車両に搭載されているＯＢＵ
と入口路側システムとの間で通信を開始し、入口路側シ
ステムがＯＢＵを確認した時点でこのＯＢＵを搭載した
車両の通行が許可され、ＯＢＵを介してＩＣカードにメ
ッセージ認証コードが送信され、今度はＩＣカードが入
口路側システムから受け取った入口情報、乱数及びメッ
セージ認証コードとから入口路側システムの正当性を認
証してメッセージ認証コードを生成してＯＢＵに送信
し、ＯＢＵと出口路側システムとの間で通信を行って出
口路側システムがＯＢＵ、入口情報、ＩＣカードが正当
であることを確認する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば有料道路
において、車両等の移動体に搭載されている車載機器と
無線によって相互認証して料金収受を行う相互認証シス
テムと有料道路の料金収受システムと料金収受システム
の相互認証方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば有料道路における料金収受
装置の端末装置を備える料金所において、有料道路本線
に入線する車両に対して料金所の入口の端末装置で入口
情報（料金所の識別番号、車種、時刻等）を記録した通
行券を発行し、上記料金所と有料道路で接続されている
他の料金所の出口で、上記料金所で発行された通行券の
入口情報により、この料金所の出口に備えられている端
末装置を用いて通行料金を計算し、通行料金の収受を行
っている。

【０００３】この料金収受装置は、複数の端末装置を持
って各料金所に設置されている。料金所の入口の各端末
装置は、有料道路本線に入線する車両に対して入口情報
（料金所の識別番号、車種、時刻等）を記録した通行券
を発行する。料金所の出口の各端末装置は、通行料金計
算のためのテーブル、例えば全ての料金所との区間料
金、車種別の料金等をメモリに記憶しており、料金所の
出口において料金所の入口で発行された通行券の入口情
報によりメモリに記憶している通行料金テーブルを検索
して通行料金を計算する。

【０００４】それに対して、車両に搭載した車載機器と
地上（料金所）側の通信装置と無線で料金の収受を行う
料金収受システムが、非接触、ノンストップのメリット
をユーザに提供する手段として注目を受けている。

【０００５】有料道路における無線カード式の料金収受
システムの場合、道路側に設置される路側機器と車両に
搭載される車載機器との間で無線通信による課金情報の
送受信が行われる。ここで、車載機器が支払請求先とは
直接関係を持たない車載機と、支払請求先の情報を担っ
たＩＣカードを用いた構成を想定する。

【０００６】従来、ＩＣカードを使った認証システムで
は、通信されたメッセージの所有者（作者）を特定し、
かつメッセージが改竄されていないことを確認するため
にメッセージ認証コードと呼ばれる符号が使われてい
る。これについて図１３を用いて簡単に説明する。

【０００７】送信者Ａが作ったメッセージは通信手段に
よって受信者ＢにＡが作成したメッセージとして伝えら
れたとする。もちろん、この間の送信路に何も問題なけ
れば両者のメッセージは同一であり、また、通信路が一
つに確定していればそれはまぎれもなくＡが作ったメッ
セージであると言える。

【０００８】しかし、一般の通信路ではこの様な保証は
なく、誰かがＡを装ってメッセ−ジを作ったり、また、
Ａが作ったメッセージを通信過程で何者かが自分の都合
の良いように改竄する恐れもある。したがって、Ｂは自
分が受け取ったメッセージが確かにＡが作ったものであ
り、かつ改竄されていないことを確認しなくてはならな
い。

【０００９】このため送信者Ａと受信者Ｂは、お互いに
同じ情報（これを共通鍵と呼ぶ）を共有する。この鍵を
用いてＡさんはメッセージをハッシュ関数と呼ばれる関
数によってメッセージ認証コード（ＭＡＣ）を作成す
る。ハッシュ関数は、一方向性関数の一種であり、この
関数の結果から元の値を算出することがきわめて困難な
関数である。例えば、ＭＤ５、ＳＨＡと呼ばれるアルゴ
リズムが良く知られている。

【００１０】Ａはこれをメッセージに添付してＢに送信
する。これを受け取ったＢはＡが行ったと同じ行程で同
じ共通鍵を使って受け取ったメッセージのメッセージ認
証コードを作成する。メッセージが改竄されていれば受
け取ったメッセージ認証コードと自分が作成したメッセ
ージ認証コードとが一致しない。また、Ｂが所有する共
通鍵を共有するＡ以外にこれと一致するメッセージ認証
コードを作成するのは極めて困難であるので、Ｂはこの
メッセージの作者がＡであると確認することができる。

【００１１】これはＢがＡのメッセージの正当性を検査
する一方向の認証である。さて、ここでＩＣカードがＡ
であった場合、ＩＣカードを差し込む装置がＢとした場
合、もし、このＩＣカードが入退室に使われるならば、
つまりＩＣカードを認証する装置が確かにその場所にあ
るＩＣカードを差し込んだ装置であるならば、認証は一
方向で十分である。

【００１２】しかし、ネットワークなどを使った通信を
用い、認証する相手が特定できない場合などは、一方向
では不十分であり、お互いがお互いを認証しあう相互認
証が不可欠である。この場合、メツセージ認証コードを
付けたメッセージを相互に交換することで容易に実現で
きることは明かである。

【００１３】これを図に表すと図１４のようになる。前
述の手続きに従って、Ａの要求によりＢはＡの正当性を
メッセージ認証コードを検証することで認証する。次に
認証結果をＡに返し、ＡがＢの正当性を認証コードを用
いて検証する。しかる後に、相互の通信を行うのであ
る。

【００１４】近年、こういったＩＣカードを用いた認証
システムが多方面に用いられる試みが行われている。そ
の中には、有料の高速道路の料金収受システムなども含
まれる。この場合の料金収受システムの特徴としては、
ＩＣカードを搭載した車両が高速道路で入口および出口
ゲートを通過する極めて短い時間内にＩＣカードと、高
速道路の入口および出口にある路側システムとの相互認
証を行う点にある。

【００１５】しかしながら、この相互認証方式を有料道
路の料金収受システムなどに応用する場合には次の問題
が起きる。まず、ＡすなわちＩＣカードは、高速演算が
望めないので、Ｂすなわち路側システムの認証を完全に
行うことができない。従って、車両が入口の路側システ
ムで相互認証手続きの通信を行って入口の路側システム
を認証した結果行われる通信は、次の出口の路側システ
ムまで待機させられる。そして、車両が出口を通過した
とき、同様に出口の路側システムを認証する必要が生
じ、これにも同様の時間が必要となるため、結局、入口
路側システムと出口路側システムを完全に認証した後で
それに基づいた料金収受の通信を行うことが不可能とな
る。

【００１６】また、路側システムとＩＣカードとの間で
容易に考えられる安全な課金方式としては、ＩＣカード
に個別の秘密の暗号鍵Ｋが格納されていて、路側システ
ムはあらかじめＩＣカードの識別番号から鍵Ｋを特定
し、路側システムが車載機を介してＩＣカードと暗号通
信を行うことによって確かに正当なＩＣカードを搭載し
た車であることを確認するとともに、そのカードから特
定される対象者に課金を行うようなシステムがある。こ
こで、ＩＣカードと路側システムが行う暗号通信とは、
例えば次に示す４ステップからなる相互認証プロトコル
である。 （１）乱数Ｒ１をＩＣカードが生成し、路側システムに
送る。 （２）路側システムは第２の乱数Ｒ２を生成し、Ｒ１と
Ｒ２を連結したものを鍵Ｋで暗号化して、結果をＩＣカ
ードに送る。 （３）ＩＣカードは受信した暗号文を鍵Ｋで復号し、
（１）で送ったのと同じＲ１が所定の形式で得られるこ
とを確認すると共に、復号文からＲ２を取り出して路側
システムに送り返す。 （４）路側システムは送り返された電文が、（２）で生
成したＲ２と一致することを確認する。

【００１７】このような手続きの相互認証プロトコルに
より路側システムは、ＩＣカードが路側システムと同じ
鍵Ｋを持つことが確認できる。鍵Ｋは、カード毎に異な
る値を発行するので鍵Ｋが特定できたことにより課金先
が特定できたことになる。なお、この手続きが実施でき
るためには路側システムがＩＣカードと同じ鍵を持つこ
とが必要であるが、路側システムは例えばカードの識別
番号とそのカードに格納されている鍵のリストを所持し
たり、カード識別番号から秘密の変換アルゴリズムによ
って鍵を導き出す等の手段を用いることができる。

【００１８】このような相互認証の手続きは、用いるＩ
Ｃカードが高速の通信機能を有していれば容易に実装で
きる。しかしながら、ＩＳＯで規格化された標準的なコ
ンタクト型ＩＣカードの通信速度は９．６ｋｂｐｓであ
り、車両が料金所（入口と出口の路側システム）をノン
ストップで通過する料金収受システムでは、上記のよう
な相互認証プロトコルをＩＣカードと路側システムとの
間で直接行うことはできない。また、仮に通信速度が向
上しても、ＩＣカードに搭載されるプロセッサの計算能
力は通常小さく、相互認証の暗号化演算をこの時間内で
行うことは不可能である。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、車両
に搭載されるＩＣカードと有料道路の料金所（入口と出
口の路側システム）との間で暗号鍵を用いて無線で料金
の収受を行なう料金収受システムにおいては、ＩＣカー
ドの通信速度が遅いので相互認証をすることができず、
また、ＩＣカードの計算能力が小さいので相互認証の暗
号化演算を時間内で行うことができないという問題があ
った。

【００２０】そこで、この発明は、ＩＣカードの通信速
度が遅く、計算能力が小さくても暗号鍵を用いて無線で
相互認証を行って料金の収受を行うことのできる相互認
証システムと有料道路の料金収受システムと料金収受シ
ステムの相互認証方法を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】この発明の相互認証シス
テムは、施設利用者に所有されるＩＣカードに対して情
報の読み取り、及び送信情報を書き込むＩＣカード読取
書込装置と、施設の入口に設けられる第１の認証装置と
施設の出口に設けられる第２の認証装置とから構成され
る相互認証システムにおいて、上記第１の認証装置は、
上記ＩＣカード向けの認証情報と次に情報交換を行う第
２の認証装置向けの認証情報とを生成する第１の生成手
段と、この第１の生成手段で生成された２つの認証情報
を上記ＩＣカードに送信する第１の送信手段と、上記Ｉ
Ｃカードは、上記ＩＣカード読取書込装置を介して上記
第１の送信手段から送信された２つの認証情報を受信す
る第１の受信手段と、この第１の受信手段で受信された
２つの認証情報の内のＩＣカード向けの認証情報により
認証を行う第１の認証手段と、この第１の認証手段によ
り認証された際、上記第２の認証装置向けの認証情報を
生成する第２の生成手段と、この第２の生成手段で生成
された認証情報と上記第１の受信手段で受信された２つ
の認証情報の内の第２の認証装置向けの認証情報とを上
記ＩＣカード読取書込装置を介して上記第２の認証装置
に送信する第２の送信手段と、上記第２の認証装置は、
上記第２の送信手段から送信された複数の認証情報によ
り上記ＩＣカードの認証を行う第２の認証手段とから構
成されている。

【００２２】この発明の有料道路の料金収受システム
は、車両に搭載されるＩＣカードに対して情報の読み取
り、及び送信情報を書き込むＩＣカード読取書込装置
と、施設の入口に設けられる第１の認証装置と施設の出
口に設けられる第２の認証装置とから構成される有料道
路の料金収受システムにおいて、上記第１の認証装置
は、上記ＩＣカード向けの認証情報と次に情報交換を行
う第２の認証装置向けの認証情報とを生成する第１の生
成手段と、この第１の生成手段で生成された２つの認証
情報と当該入口を示す入口情報とを上記ＩＣカードに送
信する第１の送信手段と、上記ＩＣカードは、ＩＤ番号
を含む課金情報を記憶する記憶手段と、上記ＩＣカード
読取書込装置を介して上記第１の送信手段から送信され
た２つの認証情報と入口情報とを受信する第１の受信手
段と、この第１の受信手段で受信された２つの認証情報
の内のＩＣカード向けの認証情報により認証を行う第１
の認証手段と、この第１の認証手段により認証された
際、上記第２の認証装置向けの認証情報を生成する第２
の生成手段と、この第２の生成手段で生成された認証情
報と上記第１の受信手段で受信された２つの認証情報の
内の第２の認証装置向けの認証情報と入口情報及び上記
記憶手段に記憶されている課金情報とを上記ＩＣカード
読取書込装置を介して上記第２の認証装置に送信する第
２の送信手段と、上記第２の認証装置は、上記第２の送
信手段から送信された複数の認証情報により上記ＩＣカ
ードの認証を行う第２の認証手段と、この第２の認証手
段により認証できたとき、上記第２の送信手段から送信
された入口情報及び課金情報に基づいて有料道路の通行
料金の収受処理を行う収受手段とから構成されている。

【００２３】この発明の相互認証システムは、ＩＣカー
ドの情報を読み取り、情報を書き込むＩＣカード読取書
込装置と、少なくとも２つの認証装置とから構成される
相互認証システムにおいて、上記ＩＣカード読取書込装
置と最初に情報交換を行う第１の認証装置が、上記ＩＣ
カード向けの認証情報と次に情報交換を行う第２の認証
装置向けの認証情報とを生成する第１の生成手段と、こ
の第１の生成手段で生成された２つの認証情報を上記Ｉ
Ｃカードに送信する第１の送信手段と、上記ＩＣカード
が、上記ＩＣカード読取書込装置を介して上記第１の送
信手段から送信された２つの認証情報を受信する第１の
受信手段と、この第１の受信手段で受信された２つの認
証情報の内のＩＣカード向けの認証情報により認証を行
う第１の認証手段と、この第１の認証手段により認証さ
れた際、上記第２の認証装置向けの認証情報を生成する
第２の生成手段と、この第２の生成手段で生成された認
証情報と上記第１の受信手段で受信された２つの認証情
報の内の第２の認証装置向けの認証情報とを上記ＩＣカ
ード読取書込装置を介して上記第２の認証装置に送信す
る第２の送信手段と、上記第２の認証装置が、上記第２
の送信手段から送信された複数の認証情報による認証を
行う第２の認証手段とから構成されている。

【００２４】この発明の料金収受システムの相互認証方
法は、車両に設けられた車載機とこの車載機に挿入され
るＩＣカードとから構成される車載機器と、上記車両が
通過する入口と出口の路側システムとの間で料金収受が
行われる料金収受システムの相互認証方法であって、上
記入口の路側システムがＩＣカード向けの認証情報と出
口の路側システム向けの認証情報とを生成して上記車載
機に無線で送信し、上記車載機が送信された２つの認証
情報を受信して上記ＩＣカードに送信し、ＩＣカードが
送信された２つの認証情報の内のＩＣカード向けの認証
情報により認証し、認証された際、上記出口の路側シス
テム向けの認証情報を生成し、生成した出口の路側シス
テム向けの認証情報と上記車載機から送信された２つの
認証情報の内の出口の路側システム向けの認証情報とを
上記車載機に送信し、上記車載機が送信された２つの認
証情報を受信して上記出口の路側システムに無線で送信
し、上記出口システムが送信された２つの認証情報によ
り認証するようにしたことを特徴とする。

【００２５】この発明の料金収受システムは、車両に設
けられた車載機とこの車載機に挿入されるＩＣカードと
から構成される車載機器と、上記車両が通過する路側シ
ステムとの間で無線によって料金収受が行われる料金収
受システムにおいて、上記車載機が、ＩＣカードが挿入
された際、乱数を発生する乱数発生手段と、この乱数発
生手段で発生された乱数を上記挿入されたＩＣカードに
送信する第１の送信手段と、上記ＩＣカードが、上記第
１の送信手段から送信された乱数を受信する第１の受信
手段と、この第１の受信手段で乱数が受信された際、予
め格納しているＩＤ番号を上記車載機に送信する第２の
送信手段と、上記第１の受信手段で受信された乱数と予
め格納している相互認証プロトコルに用いる秘密鍵とを
予め格納しているカード固有の暗号鍵で暗号化する暗号
化手段と、この暗号化手段で暗号化された暗号文を上記
車載機に送信する第３の送信手段と、上記車載機が、上
記第２の送信手段から送信されたＩＤ番号を受信する第
２の受信手段と、この第２の受信手段で受信されたＩＤ
番号から予め格納しているマスタ鍵で秘密鍵を生成する
生成手段と、上記第３の送信手段から送信された暗号文
を受信する第３の受信手段と、この第３の受信手段で受
信された暗号文を上記生成手段で生成された秘密鍵で復
号化する復号化手段と、この復号化手段で復号化された
復号文の所定の位置に上記乱数発生手段で発生された乱
数と同じ乱数があるか否かを確認する確認手段と、この
確認手段で同じ乱数が確認された際、上記復号化手段で
復号化された復号文から相互認証プロトコルに用いる秘
密鍵を取り出し、この相互認証プロトコルに用いる秘密
鍵を用いて上記路側システムとの間で相互認証プロトコ
ルを制御する制御手段とから構成されている。

【００２６】この発明の料金収受システムの相互認証方
法は、車両に設けられた車載機とこの車載機に挿入され
るＩＣカードとから構成される車載機器と、上記車両が
通過する路側システムとの間で無線によって料金収受が
行われる料金収受システムの相互認証方法であって、上
記車載機がＩＣカードが挿入された際、乱数を発生し、
発生された乱数を上記挿入されたＩＣカードに送信し、
上記ＩＣカードが送信された乱数を受信し、乱数が受信
された際、予め格納しているＩＤ番号を上記車載機に送
信し、受信された乱数と予め格納している相互認証プロ
トコルに用いる秘密鍵とを予め格納しているカード固有
の暗号鍵で暗号化し、暗号化された暗号文を上記車載機
に送信し、上記車載機が送信されたＩＤ番号を受信し、
受信されたＩＤ番号から予め格納しているマスタ鍵で秘
密鍵を生成し、送信された暗号文を受信し、受信された
暗号文を生成された秘密鍵で復号化し、復号化された復
号文の所定の位置に上記発生された乱数と同じ乱数があ
るか否かを確認し、同じ乱数が確認された際、復号化さ
れた復号文から相互認証プロトコルに用いる秘密鍵を取
り出し、この相互認証プロトコルに用いる秘密鍵を用い
て上記路側システムとの間で相互認証プロトコルを制御
するようにしたことを特徴とする。

【００２７】この発明の料金収受システムは、車両に設
けられた車載機とこの車載機に挿入されるＩＣカードと
から構成される車載機器と、上記車両が通過する路側シ
ステムとの間で無線によって料金収受が行われる料金収
受システムにおいて、上記車載機が、ＩＣカードが挿入
された際、乱数を発生する乱数発生手段と、この乱数発
生手段で発生された乱数と予め格納している車載機固有
の公開鍵と対応するディジタル署名とを上記挿入された
ＩＣカードに送信する第１の送信手段と、上記ＩＣカー
ドが、上記第１の送信手段から送信された乱数と車載機
固有の公開鍵と対応するディジタル署名とを受信する第
１の受信手段と、この第１の受信手段で受信された車載
機固有の公開鍵と対応するディジタル署名とから予め格
納されている公開鍵を用いて復号化する第１の復号化手
段と、この第１の復号化手段で復号化された復号文のデ
ィジタル署名が正しいか否かを確認する確認手段と、こ
の確認手段で正しいと確認された際、上記第１の受信手
段で受信された乱数と予め格納されているＩＣカード固
有の秘密鍵とを連結して上記復号文の車載機固有の公開
鍵で暗号化する暗号化手段と、この暗号化手段で暗号化
された暗号文を上記車載機に送信する第２の送信手段
と、上記車載機が、上記第２の送信手段で送信された暗
号文を受信する第２の受信手段と、この第２の受信手段
で受信された暗号文を上記車載機固有の公開鍵に対応す
る車載機固有の秘密鍵で復号化する第２の復号化手段
と、この第２の復号化手段で復号化された復号文の所定
の位置に上記乱数発生手段で発生された乱数と同じ乱数
があるか否かを確認する確認手段と、この確認手段で同
じ乱数が確認された際、上記復号化手段で復号化された
復号文から上記ＩＣカード固有の秘密鍵を取り出し、こ
のＩＣカード固有の秘密鍵を用いて上記路側システムと
の間で相互認証プロトコルを制御する制御手段とから構
成されている。

【００２８】この発明の料金収受システムの相互認証方
法は、車両に設けられた車載機とこの車載機に挿入され
るＩＣカードとから構成される車載機器と、上記車両が
通過する路側システムとの間で無線によって料金収受が
行われる料金収受システムの相互認証方法であって、上
記車載機がＩＣカードが挿入された際、乱数を発生し、
発生された乱数と予め格納している車載機固有の公開鍵
と対応するディジタル署名とを上記挿入されたＩＣカー
ドに送信し、上記ＩＣカードが送信された乱数と車載機
固有の公開鍵と対応するディジタル署名とを受信し、受
信された車載機固有の公開鍵と対応するディジタル署名
とから予め格納されている公開鍵を用いて復号化し、復
号化された復号文のディジタル署名が正しいか否かを確
認し、正しいと確認された際、受信された乱数と予め格
納されているＩＣカード固有の秘密鍵とを連結して上記
復号文の車載機固有の公開鍵で暗号化し、暗号化された
暗号文を上記車載機に送信し、上記車載機が送信された
暗号文を受信し、受信された暗号文を上記車載機固有の
公開鍵に対応する車載機固有の秘密鍵で復号化し、復号
化された復号文の所定の位置に上記発生された乱数と同
じ乱数があるか否かを確認し、同じ乱数が確認された
際、上記復号化された復号文から上記ＩＣカード固有の
秘密鍵を取り出し、このＩＣカード固有の秘密鍵を用い
て上記路側システムとの間で相互認証プロトコルを制御
するようにしたことを特徴とする。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施例につい
て図面を参照して説明する。この発明に係る料金収受シ
ステムは、入口と出口の路側システムから構成される入
口発券出口収受方式（以下、クローズドシステムと記述
する）と、均一車線のみで構成されるオープンシステム
とに分けられる。

【００３０】また、詳しくは後述するが車両に搭載され
る車載機器は、無線通信機能や操作部、表示部を備えた
車載機としてのオンボードユニット（On Board Unit ：
以下、ＯＢＵと記述する）２と利用者のＩＤ番号、口座
番号（以下、課金情報と記述する）を備えたＩＣカード
１とから構成されている。

【００３１】また、ＯＢＵ２には、予め搭載する車両の
車種を決定する要因の長さ・軸数・重量・用途・特長の
データ（以下、車両情報と記述する）が登録されてい
る。ＩＣカード１には、課金情報が記憶されている。

【００３２】図１は、この発明の料金収受システムに係
るＩＣカード１の構成を示すものである。すなわち、Ｉ
Ｃカード１は、全体の制御を司るＣＰＵ１０、制御プロ
グラム等を記憶しているＲＯＭ１１、課金情報等を記憶
するＲＡＭ１２、乱数を発生する乱数発生器１３、後述
するセキュリティ方式Ａまたセキュリティ方式Ｂのため
の鍵が格納される鍵格納エリア１４、及び暗号化アルゴ
リズム実行器１５とから構成されている。

【００３３】図２は、ＯＢＵ２の構成を示すものであ
る。すなわち、ＯＢＵ２は、全体の制御を司るＣＰＵ２
０、制御プログラム等を記憶しているＲＯＭ２１、車両
情報等を記憶するＲＡＭ２２、乱数を発生する乱数発生
手段としての乱数発生器２３、後述するセキュリティ方
式Ｂのための鍵が格納される鍵格納エリア１４、暗号化
アルゴリズム実行器１５、各車線に設置されたアンテナ
と交信を行うアンテナ２６、アンテナ２６の制御を行う
無線通信制御部２７、操作案内をする文字表示とＬＥＤ
ランプを備えた表示部２８、複数のボタンを備えた操作
部２９、及びＩＣカード１が装着されて読取り・書込み
が可能なＩＣカード処理部１８とから構成されている。

【００３４】図３は、路側システム（ＲＳＥ）として、
クローズドシステムに用いられる入口路側システムの構
成を示すものである。すなわち、入口路側システムは、
車両の進行方向から車種判別装置３１、第１アンテナ３
２、通行券自動発行機３０、発進検知装置３３、及び第
２アンテナ３４とから構成されている。

【００３５】車種判別装置３１は、進入した車両を検知
し、車両の進入を通行券自動発行機３０に伝達する。さ
らに、進入した車両の車種を判別し、判定結果を通行券
自動発行機３０に通知する。

【００３６】第１アンテナ３２は、通行券自動発行機３
０の指示により、進入した車両に搭載された車載機器と
の通信を行うものである。発進検知装置３３は、車両の
発進を検知し、通行券自動発行機３０に通知する。

【００３７】第２アンテナ３４は、第１アンテナ３２で
正常に交信が終了した車両が発進検知装置３３に進入す
ることにより、通行券自動発行機３０の指示の元で、車
載機器との通信を行うものである。

【００３８】通行券自動発行機３０は、各機器の制御を
行うと同時に、車載機器を搭載していない車両（以下、
非ＥＴＣ車と記述する）に対して通行券を発行する。通
行券自動発行機３０にはネガティブリストが登録されて
いる。

【００３９】図４は、路側システム（ＲＳＥ）として、
クローズドシステムに用いられる出口路側システムの構
成を示すものである。図４の（ａ）に示すように出口路
側システムは、車両の進行方向から車両検知装置４１、
第１アンテナ４２、出口ブース内機器４３、車両検知装
置４４、及び第２アンテナ４５とから構成されている。

【００４０】出口ブース内機器４３は、図４の（ｂ）に
示すように非ＥＴＣ車が持参した通行券を処理する通行
券確認機４６、前納のカードを処理するカード処理機４
７、現金支払い車に対する領収書発行を行う領収書発行
機４８、各機器の制御を行う出口車線制御装置４０とか
ら構成されている。出口車線制御装置４０は、ネガティ
ブリストが登録されている。なお、通行券確認機４６
は、ＩＣカード１を処理することのできるＩＣカードリ
ーダ４６ａを備えている。

【００４１】車両検知装置４１は、車両の進入を検知し
た結果を出口ブース内機器４３の出口車線制御装置４０
に通知する。第１アンテナ４２は、出口車線制御装置４
０の制御の元で、進入車両に搭載された車載機器との交
信を行うものである。

【００４２】車両検知装置４４は、車両の進入を検知し
た結果を出口車線制御装置４０に通知する。第２アンテ
ナ４５では、出口車線制御装置４０の制御の元で、車両
に搭載された車載機器との交信を行う。

【００４３】図５は、路側システム（ＲＳＥ）として、
オープンシステムに用いられる均一路側システムの構成
を示すものである。図５の（ａ）に示すように均一路側
システムは、車両の進行方向から車両検知装置５１、第
１アンテナ５２、ブース内機器５３、車両検知装置５
４、及び第２アンテナ５５とから構成されている。

【００４４】ブース内機器５３は、図５の（ｂ）に示す
ように料金支払種別や進入車両の車種を入力し、各機器
の制御を行う料金処理機５０、前納のカードを処理する
カード処理機５６、現金支払い車に対する領収書の発行
を行う領収書発行機５７、ＩＣカード１を処理すること
のできるＩＣカードリーダ５８とから構成されている。
なお、料金処理機５０にはネガティブリストが登録され
ている。

【００４５】車両検知装置５１は、車両の進入を検知し
た結果をブース内機器５３の料金処理機５０に通知す
る。第１アンテナ５２は、料金処理機５０の制御の元
で、進入車両に搭載された車載機器との交信を行うもの
である。

【００４６】車両検知装置５４は、車両の進入を検知し
た結果を料金処理機５０に通知する。第２アンテナ５５
では、料金処理機５０の制御の元で、車両に搭載された
車載機器との交信を行う。

【００４７】利用者は、車両に車載機器を搭載し、ＯＢ
Ｕ２にＩＣカード１を挿入した状態で走行する。ＯＢＵ
２に挿入されたＩＣカード１は、ＯＢＵ２の正当性を確
認することにより、ＯＢＵ２に対してカードＩＤ番号を
通知する。

【００４８】次に、クローズシステムの道路を利用する
例について説明する。入口路側システムでは、車種判別
装置３１が車両の進入を検知することにより、通行券自
動発行機３０に進入検知を伝達する。通行券自動発行機
３０は、第１アンテナ３２を制御し、進入する車両に搭
載されている車載機器（ＩＣカード１が挿入されたＯＢ
Ｕ２）に対する交信問い合わせを開始する。車載機器
は、正当なアンテナからの問い合わせと認識することに
より、予めＩＣカード１から通知されたＩＤ番号とＯＢ
Ｕ２に記録されている車両情報を返信する。

【００４９】通行券自動発行機３０は、車載機器からの
応答が正当と認識することにより、ＩＣカード１のＩＤ
番号をネガティブリストと照合し、正当であれば入口を
特定する道路番号・料金所番号・通過年月日時分・車線
番号（以下、入口情報Ａと記述する）を車載機器に送信
する。ＯＢＵ２では、入口情報Ａの受信が正常に行われ
たことを確認して、入口路側システムに受信完了を通知
する。

【００５０】入口路側システムは、車載機器からの受信
完了を受けることにより、通行券自動発行機３０に発券
停止を指示し、正常な車載機器搭載車両（以下、ＥＴＣ
車と記述する）と認定する。

【００５１】ＥＴＣ車が発信検知装置３３を通過するこ
とにより、通行券自動発行機３０は、発信検知装置３３
から車両進入の通知を受け、第２アンテナ３４を制御
し、車載機器に対する交信問い合わせを実行する。車載
機器は、正当なアンテナからの問い合わせと認識するこ
とにより、予めＩＣカード１から通知されたＩＤ番号を
通知する。

【００５２】通行券自動発行機３０は、車載機器からの
応答が正当と認識することにより、ＩＣカード１のＩＤ
番号を第１のアンテナ３２で受信したものと比較し、一
致していれば車種判別装置３１から受信した車種判定結
果を入口情報Ｂとして第２アンテナ３４を利用して車載
機器に返信する。

【００５３】車載機器（ＩＣカード１が挿入されたＯＢ
Ｕ２）では、入口情報Ｂのデータが正常に受信されたこ
とを確認し、第２アンテナ３４に受信完了を通知する。
同時に車載機器では、正常に受信した入口情報Ａと入口
情報ＢとをＩＣカード１に入口情報（入口情報Ａと入口
情報Ｂとを合わせたものを入口情報とする）として記録
する。

【００５４】出口路側システムでは、車両検知装置４１
が車両の進入を検知することにより、車両の進入を出口
車線制御装置４０に通知する。出口車線制御装置４０で
は、第１アンテナ４２を制御し、進入した車両に対して
問い合わせを実行する。出口路側システムでも入口路側
システム同様に相手の正当性を認識することにより、車
載機器は、ＯＢＵ２に記録されている入口情報及び課金
情報を第１アンテナ４２に伝送する。

【００５５】出口車線制御装置４０では、第１アンテナ
４２を経由して受信した入口情報を元に通行料金の算出
を行い、同時にＩＤ番号のネガティブリスト照合を行
い、ＩＤ番号の正当性を認識することにより、入口情報
及び出口情報（料金所番号・通過年月日時分・車線番号
・通行料金）を利用履歴として、ＯＢＵ２に伝送する。
ＯＢＵ２では、利用履歴が正常に受信完了したことを確
認し、路側システムに受信完了を通知する。同時に、Ｉ
Ｃカード１に対して利用履歴を記録する。

【００５６】次に、オープンシステムの均一路側システ
ムについて説明する。上述したクローズシステムと同様
に利用者は、車両に車載機器を搭載し、ＯＢＵ２にＩＣ
カード１を挿入した状態で走行する。ＩＣカード１は、
ＯＢＵ２の正当性確認を行い、ＩＤ番号を通知してお
く。

【００５７】均一路側システムでは、車両検知装置５１
が車両の進入を検知することにより、料金処理機５０に
車両進入を通知する。料金処理機５０は、第１アンテナ
５２を制御し、車載機器に対して問い合わせを実行す
る。上述した入口車線と同様に相手の正当性を認識する
ことにより、ＯＢＵ２は、予め通知されたＩＣカード１
のＩＤ番号とＯＢＵ２に記録された車両情報を第１アン
テナ５２に送信する。

【００５８】料金処理機５０では、第１アンテナ５２を
経由して受信したＩＤ番号をネガティブリストと照合
し、正当性が認識された場合、車両情報を元にした車種
判定が行われ、判定した車種で通行料金を算出する。算
出結果を元に料金所情報（料金所番号・通過年月日時分
・車線番号・通行料金）を生成し、利用履歴としてＯＢ
Ｕ２に伝送する。

【００５９】ＯＢＵ２では利用履歴が正常に受信完了し
たことを確認し、均一路側システムに受信完了を通知す
る。同時に、ＩＣカード１に対して利用履歴を記録す
る。図６は、この発明に係る通行券自動発行機３０の構
成を示すものである。すなわち、通行券自動発行機３０
は、各機器と接続されて全体の制御を司るＣＰＵ３０
１、制御プログラム等を記憶しているＲＯＭ３０２、各
種情報を記憶するＲＡＭ３０３、乱数を発生する乱数発
生器３０４、後述するセキュリティ方式Ａのための鍵が
格納される鍵格納エリア３０５、暗号化アルゴリズム実
行器３０６、及び通行券発行処理部３０７とから構成さ
れている。

【００６０】図７は、この発明に係る出口車線制御装置
４０の構成を示すものである。すなわち、出口車線制御
装置４０は、各機器と接続されて全体の制御を司るＣＰ
Ｕ４０１、制御プログラム等を記憶しているＲＯＭ４０
２、各種情報を記憶するＲＡＭ４０３、乱数を発生する
乱数発生器４０４、後述するセキュリティ方式Ａのため
の鍵が格納される鍵格納エリア４０５、及び暗号化アル
ゴリズム実行器４０６とから構成されている。

【００６１】次に、このような構成において第１実施例
について説明する。まず、利用者は車両に車載機器を搭
載し、ＯＢＵ２にＩＣカード１を挿入した状態で走行す
る。ＩＣカード１の鍵格納エリア１４には、登録発行時
に特定の数字（ＩＣ−ＩＤ）および３つの個別鍵（Ｋ
ｉ、Ｋｊ、Ｋｋ）が格納されている。ＫｉおよびＫｊ
は、ＩＣ−ＩＤに路側システム固有鍵ＭＫ１を一方向性
関数を用いて作用させることによって生成する。

【００６２】 Ｋｉ＝ｆ（ＩＣ−ＩＤ、ＭＫ１）………………（１） ただしｆ（）は一方向性関数。 Ｋｊ＝ｇ（ＩＣ−ＩＤ、ＭＫ１）………………（２） ただしｇ（）は一方向性関数。

【００６３】また、ＫｋはＩＣ−ＩＤにカード発行局固
有鍵ＭＫ２を一方向性関数を用いて作用させることによ
って、Ｋｉ、Ｋｊ同様に生成する。 Ｋｋ＝ｈ（ＩＣ−ＩＤ、ＭＫ２）………………（３） ただしｈ（）は一方向性関数。

【００６４】一方向性関数を用いることによって、ＩＣ
カード１に格納されるＫｉ、ＫＪ、Ｋｋが不正に読まれ
たとしても、これらを導き出すのに用いられたシステム
固有鍵ＭＫ１、ＭＫ２を逆算により求めることは不可能
となるので本システム全体の安全性は保たれる。

【００６５】ＯＢＵ２にもまた特定の数字（ＯＢＵ−Ｉ
Ｄ）と２つの個別鍵（Ｋ０、Ｋ０ｔ）が鍵格納エリア２
４に格納されている。Ｋ０はＩＣカード１の個別鍵同
様、ＯＢＵ−ＩＤに路側システム固有鍵ＭＫ１を一方向
性関数を用いて作用させたことによって生成する。

【００６６】 Ｋ０＝Ｆ（ＯＢＵ−ＩＤ、ＭＫ１）………………（４） ただし、Ｆ（）は一方向性関数。一方、Ｋ０ｔは全ての
ＯＢＵ２に共通していて、路側システムにも与えられる
情報であり、おもに通信路の暗号化鍵生成に用いられ
る。Ｋ０、Ｋ０ｔ共に、それ自体はＩＣチップの中に埋
め込まれるか、あるいは既知の物理的手段によって、ブ
ローブ等で取り出すことが出来ないように保護されてい
る。

【００６７】ＩＣカード１をＯＢＵ１に差し込んだと
き、あるいはＩＣカード１を差し込んだ後にＯＢＵ２に
電源が投入されたとき、あるいはＩＣカード１を差し込
んだ後にＯＢＵ２の所定のスイッチもしくは所定の複数
キーを入れたとき、あるいはＯＢＵ２が路側システムか
ら所定の信号を受け取ったとき、ＩＣカード１のＩＣ−
ＩＤがＯＢＵ２に送信され格納される。

【００６８】その後、ＩＣ−ＩＤは、ＯＢＵ２の電源が
切断されたとしても既知のバックアップ手段によりＯＢ
Ｕ２内に保持される。付加機能として、ＯＢＵ２にＩＣ
−ＩＤ情報の抹消を行う手段を設けること、およびバッ
クアップの時間制限機能を設け、例えば電源切断状態が
１日連続すればＩＣ−ＩＤ情報を抹消するといった設定
を可能とするのも有効である。

【００６９】次に、車両が路側システム（ＲＳＥ）の入
口に達したときのＯＢＵ２と路側システム（ＲＳＥ）と
の情報の流れを図８を参照して説明する。まず、最初に
通過する車両に搭載されているＯＢＵ２と入口路側シス
テムとの通信が開始される。

【００７０】ＯＢＵ２からＯＢＵ−ＩＤが入口路側シス
テムの通行券自動発行機３０に送信され、続いて通行券
自動発行機３０からＯＢＵ２に疑似乱数（Ｔ１）が送信
される。疑似乱数は、順次数もしくは時刻を示す数を路
側システム固有鍵ＭＫ１で暗号化して生成される。使わ
れた順次数もしくは時刻を示す数はホストとしてのＩＣ
カード発行局（ＲＣＣ）に通知される。

【００７１】ＯＢＵ２は、Ｔ１及びＫ０からセッション
鍵Ｋ０（Ｔ１）を所定の関数を用いて生成する。ＯＢＵ
２は、ＩＣカード１から受け取り保持しているＩＣ−Ｉ
Ｄと、ＯＢＵ２が格納しているＯＢＵ−ＩＤおよび車両
情報（Ｉｖ）について、Ｋ０（Ｔ１）を用いてメッセー
ジ認証コード（ＭＡＣ１）を生成する。

【００７２】 ＭＡＣ１＝ＭＡＣ（Ｋ０（Ｔ１）、ＩＣＣ−ＩＤ、ＯＢＵ−ＩＤ、Ｉｖ）…… …………（５） ただし、ＭＡＣ（ｋ、｜Ｉ｜）はメッセージＩについて
ｋを鍵としたメッセージ認証関数である。

【００７３】さらにＯＢＵ２は、Ｔ１及びＫ０ｔから通
信のためのセッション鍵Ｋ０ｔ（Ｔ１）を所定の関数を
用いて生成する。ＩＣ−ＩＤ、ＯＢＵ−ＩＤ、Ｉｖ、及
びＭＡＣ１はＫ０ｔ（Ｔ１）を鍵として暗号化され、通
行券自動発行機３０に送信される。

【００７４】通行券自動発行機３０では、ＯＢＵ２から
受け取ったＯＢＵ−ＩＤと路側システム固有鍵ＭＫ１か
ら式４を用いてＫ０を算出すると共に、全てのＯＢＵ２
に共通なＫ０ｔとＯＢＵ２に送信したＴ１から所定の関
数によりＫ０ｔ（Ｔ１）を算出する。受け取った情報は
Ｋ０ｔ（Ｔ１）を鍵として暗号化されているので、路側
システムの通行券自動発行機３０はこれを直ちに解いて
情報を取り出すことができる。

【００７５】つぎに通行券自動発行機３０は、ＯＢＵ２
が付けたＭＡＣ１を検証する。これには、ＯＢＵ２が行
ったと同様の手続きをセッション鍵Ｋ０ｔ（Ｔ１）を用
いてメッセージ認証コードを生成し、これとＯＢＵ２か
ら受け取ったＭＡＣ１とが一致することを確認する。一
致していれば、メッセージすなわちＩＣ−ＩＤ、ＯＢＵ
−ＩＤ、Ｉｖが全て正しい情報であることが確認できる
と共に、メッセージ認証に用いたセッション鍵が、通行
券自動発行機３０がその場で生成した乱数Ｔ１に基づい
て作られているので、入口にさしかかったＯＢＵ２がメ
ッセージ認証コードを正しく生成したと言うことが確認
できる。これはメッセージが盗聴などされ時間差を置い
て２度使われるという、いわゆるリプレイ攻撃を阻止す
るのに非常に重要なポイン卜である。そしてこれによっ
て通行券自動発行機３０はＯＢＵ２を認証することがで
きるのである。

【００７６】通行券自動発行機３０がＯＢＵ２を認証し
た時点で、ＯＢＵ２を搭載した車両は通行許可が与えら
れる。しかし、通行券自動発行機３０はＯＢＵ２へ正し
い入口情報を送信しなければならないし、また、決済を
行うＩＣカード１に対して自分が正しい路側システムで
あることを認証させるためにＩＣカード１の鍵に基づく
メッセージ認証コードを送信しなければならない。

【００７７】このため、ＯＢＵ２から受け取ったメッセ
ージが正しいことが確認できると、路側システムの通行
券自動発行機３０は、ＩＣ−ＩＤと路側システム固有鍵
ＭＫ１から式１に基づきＩＣカード固有鍵の一つＫｉを
生成する。さらにＫｉと乱数Ｔ１から所定の関数からＫ
ｉ（Ｔ１）を生成する。そして入口情報（Ｉｉｎ：入口
名称、時刻、車両情報など）およびＭＡＣ１についてＫ
ｉ（Ｔ１）を用いてメッセージ認証コード（ＭＡＣ２）
を生成する、 ＭＡＣ２＝ＭＡＣ（Ｋｉ（Ｔ１）、ＭＡＣ１、Ｉｉｎ）………………（６） ただし、ＭＡＣ（ｋ、｜Ｉ｜）はメッセージＩについて
ｋを鍵としたメッセージ認証関数である。

【００７８】これを入口情報と共にＯＢＵ２に暗号化し
て送信する。このときの暗号化鍵は受信時と同様Ｋ０ｔ
（Ｔ１）を用いる。ＯＢＵ２は、これを受け取りＫ０ｔ
（Ｔ１）を鍵として暗号メッセージを解く。うまく解け
ればこのメッセージを発行したのは間違いなくＫ０ｔを
知り、先ほどＴ１を送信してきた相手、すなわち正当な
路側システム（通行券自動発行機３０）であることが確
認できる。これによって、ＯＢＵ２は路側システム（通
行券自動発行機３０）を認証することができるのであ
る。

【００７９】ＯＢＵ２は、ＯＢＵ固有鍵を使った路側シ
ステムの認証は行わない。ただすべてのＯＢＵ２に共通
な鍵Ｋ０ｔと乱数Ｔ１を用いた通信路暗号化が正しけれ
ば、路側システムは正当と認証する。このことは不正な
路側システムを構築された場合、比較的簡単に（Ｋ０ｔ
が盗まれたなら）ＯＢＵ２に不正な入口情報がインプッ
トされるのではないかと思われる。しかし本システムで
は、これについては問題ないと考えられる。なぜなら、
たとえ不正な入口情報をインプットされたとしても、路
側システム固有鍵ＭＫ１が盗まれない限り、正しいＭＡ
Ｃ２を生成することができないからである。ＭＡＣ２は
ＯＢＵ２では確認されないがＩＣカード１の中で確認さ
れ、その情報が出口路側システムで確認されるため、こ
ういった不正は必ず出口で検出できる。

【００８０】次に、ＩＣカード１内での処理と出口処理
について説明する。正しい路側システムとして入口路側
システム（通行券自動発行機３０）から受け取った入ロ
データ（Ｉｉｎ）、乱数（Ｔ１）及びメッセージ認証コ
ード（ＭＡＣ２）は、ＩＣカード１とＯＢＵ２間の所定
のインターフェースを通ってＩＣカード１へ送られる。
ＭＡＣ２は、路側システム（通行券自動発行機３０）が
ＩＣカードの個別鍵Ｋｉを用いて作成したコードであ
る。従って、ＩＣカード１は路側システムと同様の手続
きで、個別鍵Ｋｉを用いてメッセージ認証コードを作成
し、これをＭＡＣ２と比較する。一致すれば、この入口
情報はＩＣカード１の個別鍵を知り得る正当な路側シス
テムが作った情報であることが確認でき、これによって
ＩＣカードは路側システムを認証できる。

【００８１】続いてＩＣカード１は、ＭＡＣ２に対して
二つの個別鍵Ｋｊ、Ｋｋと乱数Ｔ１を用いてそれぞれメ
ッセージ認証コード（ＭＡＣ３およびＭＡＣ４）を生成
し、これをＯＢＵ２に送信する。

【００８２】 ＭＡＣ３＝ＭＡＣ（Ｋｊ（Ｔ１）、ＭＡＣ２）………………（７） ただし、ＭＡＣ（ｋ、｜Ｉ｜）はメッセージＩについて
ｋを鍵としたメッセージ認証関数である。

【００８３】 ＭＡＣ４＝ＭＡＣ（Ｋｉ（Ｔ１）、ＭＡＣ３）………………（８） ただし、ＭＡＣ（ｋ、｜Ｉ｜）はメッセージＩについて
ｋを鍵としたメッセージ認証関数である。

【００８４】ＯＢＵ２はこれを出口まで保持する。もち
ろんこれらの情報についても、ＩＣ−ＩＤの保持に用い
るバックアップ機能及び、バックアップ制限機能は有効
に作用し、ＩＣカード１を抜いても、ＯＢＵ２の電源が
遮断されても情報は失われることはないし、またあらか
じめ設定した時間に達したり、所定の操作によって情報
を消去することも可能である。

【００８５】出口では、まずＯＢＵ２はＯＢＵ固有値
（ＯＢＵ−ＩＤ）を出口路側システム（ＲＳＥ）の出口
車線制御装置４０に送信し、出口車線制御装置４０はＯ
ＢＵ２に疑似乱数Ｔ２を送信する。ＯＢＵ２は、所定の
関数により暗号通信のためのセッション鍵Ｋ０ｔ（Ｔ
２）を生成する。続いてＯＢＵ２は、ＩＣカード固有値
（ＩＣ−ＩＤ）、ＯＢＵ固有値（ＯＢＵ−ＩＤ）、疑似
乱数（Ｔ１）、およびこれまで用いた全てのメッセージ
認証コード（ＭＡＣ１、ＭＡＣ２、ＭＡＣ３、ＭＡＣ
４）を、Ｋ０ｔ（Ｔ２）を鍵として暗号化し、出口車線
制御装置４０に送信する。

【００８６】出口車線制御装置４０では、Ｋ０ｔ（Ｔ
２）を鍵として暗号を解いた後、４つのメッセージ認証
コードの内３つを一つ一つ確認する。まず、ＭＡＣ１を
確認することでＯＢＵ２がＯＢＵ個別鍵Ｋ０をもつ正当
なＯＢＵ２であることと、入口および出口で同じＯＢＵ
２であることを確認する。続いて、ＭＡＣ２を確認する
ことで入口情報が改竄された情報でなく正当な路側シス
テムにおける入口路側システムの通行券自動発行機３０
が生成した情報であることを確認する。さらに、ＭＡＣ
３を確認することで、この入口情報が路側システム（通
行券自動発行機３０）が認識したＩＣカード１が、入口
通過中または直後にＯＢＵ２に挿入されていたことを確
認する。

【００８７】全てが正しく認証されるとＯＢＵ２は、疑
似乱数Ｔ１の元になった順次数もしくは時間数を、路側
システム固有鍵ＭＫ１を鍵として複号することによって
得る。路側システム（ＲＳＥ）において、入口路側シス
テムの通行券自動発行機３０からＩＣカード発行局（Ｒ
ＣＣ）へ登録された順次数は、数日間の後れをもって出
口路側システムの出口車線制御装置４０に配送されＲＡ
Ｍ４０３にテーブル化されている。

【００８８】出口車線制御装置４０がＲＡＭ４０３のテ
ーブルを参照し、もしＴ１がこのテーブル上にあれば、
ＯＢＵ２が出口路側システムの出口車線制御装置４０に
送信した情報は不自然に古い、すなわち入口から出口に
達するまで異常と推定できる時間を要していると判断で
きるので、この情報は不正にコピーされ再利用されてい
ると考えられるので、その場合は認証できないものとし
て、本システム以外の所定の手続きにまわることにな
る。

【００８９】認証が終了すると出口車線制御装置４０
は、所定のプログラムにより金額を決定し、この課金情
報およびＯＢＵ２から受け取った全ての情報をＩＣカー
ド発行局（ＲＣＣ）へ送信する。

【００９０】続いて、出口車線制御装置４０は、Ｋｉと
Ｔ２から所定の関数によりＫｉ（Ｔ２）を計算し、これ
を鍵として課金情報にメッセージ認証コード（ＭＡＣ
５）を生成し、ＯＢＵ２にＫ０ｔ（Ｔ２）を鍵として暗
号化し送信する。

【００９１】ＯＢＵ２は、受け取った情報をＫ０ｔ（Ｔ
２）を鍵として複号化し、入口同様正しく復号できれば
正当な路側システム（出口車線制御装置４０）として認
証できる。そして受け取った情報をＩＣカード１に送信
する。ＩＣカード１は、課金情報に付けられたメッセー
ジ認証コード（ＭＡＣ５）により、出口車線制御装置４
０からの情報の正当性を検証し、認証できれば課金情報
をログとしてＩＣカード１内に保管する。

【００９２】さて、ＩＣカード発行局（ＲＣＣ）では，
出口路側システムの出口車線制御装置４０から受け取っ
た情報を全てのメッセージ認証コードを検証することに
よりチェックし、所定金融機関に対して課金通知を行う
とともに、疑似乱数生成に使用した順次数または時刻数
を登録する。これらは一度使用されたものであるので二
度と使用されてはいけないものである。したがつて使用
済みとして登録された順次数は速やかに路側システムに
おける各出口路側システムの出口車線制御装置４０にネ
ガティブリストとして配布される。これにより、情報の
不正な二重使用を実質的に排除することができる。

【００９３】次に、第２実施例について説明する。第２
実施例における方式は、路側システムの料金所（入口路
側システム）進入前に、事前にＯＢＵ２にＩＣカード１
の課金情報を送信が可能な方式で以下に説明する。この
時、ＩＣカード１とＯＢＵ２との間の通信路を保護して
おかなければＩＣカード固有の秘密の鍵Ｋが第三者に知
られる可能性が非常に高くなる。そこで、本発明は、Ｉ
Ｃカード１とＯＢＵ２との間の通信路を保護し、ＩＣカ
ード固有の鍵ＫをＯＢＵ２に安全に転送する手段が最も
重要である。

【００９４】ここで、以下に考えられるいくつかの方法
を提示する。 （１）ＩＣカードをＯＢＵに取り込み、データの送受信
中は取り出せないようにする。 （２）秘密鍵を用いる方式 （３）公開鍵を用いる方式 上記（１）の方式については既知の技術で対応可能であ
る。

【００９５】次に、（２）の秘密鍵を用いる方式につい
て説明する。図９は、発行局におけるＩＣカード発行時
の秘密鍵を示すものである。すなわち、あらかじめＩＣ
カード１には、カード発行時にカードＩＤ番号からマス
ター鍵ＫＭと所定の秘密鍵暗号アルゴリズムに基づいて
導き出された鍵ＫｉがＩＣカード１の鍵格納エリア１４
に記憶されている。さらにＩＣカード１には、前記鍵Ｋ
ｉとは異なる相互認証プロトコルに用いるための鍵Ｋａ
ｎｓとが鍵格納エリア１４に記憶されている。ＯＢＵ２
にも外部からは読めない形で共通のマスター鍵ＫＭが鍵
格納エリア２４に記憶されている。

【００９６】ＯＢＵ２のＣＰＵ２０では、ＩＣカード処
理部１８でＩＣカード１の挿入を検知することにより、
ＩＣカード１とのデータ送受信を開始するが、データ送
受信を行う前にセキュリティ上は相互認証を行う必要が
ある。

【００９７】そこで、ＯＢＵ２とＩＣカード（ＩＣＣ）
１との相互認証動作を図１０を参照して説明する。ま
ず、ＯＢＵ２のＣＰＵ２０は、乱数発生器２３により乱
数Ｒ１を発生させ、これをＩＣカード１に送信する。ま
た、ＩＣカード１のＣＰＵ１０は、鍵格納エリア１４に
記憶されているＩＤ番号をＯＢＵ２に送信する。

【００９８】さらにＩＣカード１のＣＰＵ１０は、鍵格
納エリア１４に記憶されているＩＤ番号及び鍵Ｋａｎｓ
と乱数Ｒ１を連結してこれを鍵Ｋｉで暗号化アルゴリズ
ム実行器１５を用いて暗号化し、この暗号文Ｋ（Ｒ１＋
Ｋａｎｓ）をＯＢＵ２に送信する。

【００９９】ＯＢＵ２のＣＰＵ２０は、受信したＩＤ番
号からマスター鍵ＫＭと所定の秘密鍵暗号アルゴリズム
に基づいて暗号化アルゴリズム実行器２５で鍵Ｋｉを生
成し、Ｋｉを用いてＩＣカード１から受信した暗号文Ｋ
（Ｒ１＋Ｋａｎｓ）を復号化する。ＣＰＵ２０は、復号
文の所定の位置にＩＣカード１に送信した乱数と同じ乱
数が存在することを確認する。もし同じ乱数が確認でき
なければ、ＯＢＵ２のＣＰＵ２０は処理ＮＧとする。

【０１００】同じ乱数が確認された後、ＯＢＵ２のＣＰ
Ｕ２０は、鍵Ｋａｎｓが正しく受信できたものとして復
号文から鍵を取り出し、その鍵を用いて路側システムと
の間で相互認証プロトコルを実施する。

【０１０１】次に、（３）の公開鍵を用いる方式につい
て説明する。まず、ＩＣカード１は、鍵Ｋと本方式に共
通の公開鍵ＰＫがＩＣカード発行時点でＩＣカード１の
鍵格納エリア１４に記憶されている。

【０１０２】図１１は、発行局におけるＯＢＵ２発行時
の暗号鍵を示すものである。すなわち、ＯＢＵ２には、
ＯＢＵ固有の秘密鍵ＳＫｓと秘密鍵と対をなす公開鍵Ｐ
Ｋｓとが鍵格納エリア２４に記憶されている。また、こ
の公開鍵ＰＫｓには、本方式に共通の秘密鍵ＳＫでディ
ジタル署名ＤＳｓが付けられている。ＯＢＵ固有の秘密
鍵ＳＫｓは、外部から読めない形で記憶されている。

【０１０３】ここで、ＯＢＵ２とＩＣカード（ＩＣＣ）
１との相互認証動作を図１２を参照して説明する。ま
ず、ＯＢＵ２のＣＰＵ２０は、乱数発生器２３により乱
数を生成し、これと鍵格納エリア２４に記憶したＯＢＵ
固有の公開鍵ＰＫｓと対応するディジタル署名ＤＳｓを
ＩＣカード１に送る。

【０１０４】ＩＣカード１のＣＰＵ１０は、まず、添付
されてきたディジタル署名が正しいものであることを本
方式に共通の公開鍵ＰＫで確認する（復号化）。ＰＫｓ
＝ＰＫｓが確認できなかった場合は処理ＮＧとして異常
終了する。ＰＫｓ＝ＰＫｓが確認できてＯＢＵ２の正当
性の確認が完了した場合、ＣＰＵ１０は、鍵Ｋと乱数Ｒ
１を連結して、これをＯＢＵ固有の公開鍵ＰＫｓで暗号
化アルゴリズム実行器２５を用いて暗号化し、暗号文Ｐ
Ｋｓ（Ｒ１＋Ｋ）をＯＢＵ２に送信する。

【０１０５】ＯＢＵ２のＣＰＵ２０は、この暗号文ＰＫ
ｓ（Ｒ１＋Ｋ）をＯＢＵ固有の秘密鍵ＳＫｓで復号化
し、所定の場所にＯＢＵ２が送信したものと同じ乱数Ｒ
１が記録されていることを確認する。Ｒ１＝Ｒ１が確認
できなかった場合、ＣＰＵ２０は処理ＮＧとする。

【０１０６】Ｒ１＝Ｒ１が確認できて完了した場合、Ｏ
ＢＵ２のＣＰＵ２０は、鍵Ｋが正しく受信完了したもの
として復号文から鍵Ｋを取り出し、その鍵Ｋを用いて路
側システムとの間で相互認証プロトコルを実施する。

【０１０７】以上説明したように上記発明の実施の形態
によれば、第１実施例では、ＩＣカードの処理能力不足
を補うため、入口と出口の路側システムの間で時間的な
余裕を生み出すことにより、ＩＣカードの認証を可能と
した。この場合、クローズドシステムとしての入口発券
出口収受方式に適用可能である。

【０１０８】また、第２実施例では、ＩＣカードとＯＢ
Ｕとの間の通信路を保護し、ＩＣカード固有の鍵をＯＢ
Ｕに安全に転送し、本来のＩＣカードと路側システムと
の間で行うべき相互認証のプロトコルのＩＣカードの役
割をＯＢＵに代行させ、ＯＢＵと路側システムとの間で
高速な伝送処理を可能とした。この場合、オープンシス
テムの均一路側システムに適用可能である。

【０１０９】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
ＩＣカードの通信速度が遅く、計算能力が小さくても暗
号鍵を用いて無線で相互認証を行って料金の収受を行う
ことのできる相互認証システムと有料道路の料金収受シ
ステムと料金収受システムの相互認証方法を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の料金収受システムに係るＩＣカード
１の構成を示すブロック図。

【図２】ＯＢＵの構成を示すブロック図。

【図３】クローズドシステムに用いられる入口路側シス
テムの構成を示す図。

【図４】クローズドシステムに用いられる出口路側シス
テムの構成を示す図。

【図５】オープンシステムに用いられる均一路側システ
ムの構成を示す図。

【図６】通行券自動発行機の構成を示す図。

【図７】出口車線制御装置の構成を示す図。

【図８】ＩＣカードとＯＢＵと路側システムとの間の情
報の流れを説明するための図。

【図９】発行局におけるＩＣカード発行時の秘密鍵を示
す図。

【図１０】ＯＢＵとＩＣカードとの相互認証動作を説明
するための図。

【図１１】発行局におけるＯＢＵ発行時の暗号鍵を示す
図。

【図１２】ＯＢＵとＩＣカードとの相互認証動作を説明
するための図。

【図１３】メッセージ認証コードを使用した認証システ
ムを説明するための図。

【図１４】メッセージ認証コードを使用した相互認証シ
ステムを説明するための図。

【符号の説明】

１…ＩＣカード ２…ＯＢＵ（On Board Unit ） １０、２０、３０１、４０１…ＣＰＵ １１、２１、３０２、４０２…ＲＯＭ １２、２２、３０３、４０３…ＲＡＭ １３、２３、３０４、４０４…乱数発生器 １４、２４、３０５、４０５…鍵格納エリア １５、２５、３０６、４０６…暗号化アルゴリズム実行
器 ３０…通行券自動発行機 ４０…出口車線制御装置 ４３…出口ブース内機器 ＲＳＥ…路側システム ＲＣＣ…ＩＣカード発行局

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内藤 一敏 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 施設利用者に所有されるＩＣカードに対
   して情報の読み取り、及び送信情報を書き込むＩＣカー
   ド読取書込装置と、施設の入口に設けられる第１の認証
   装置と施設の出口に設けられる第２の認証装置とから構
   成される相互認証システムにおいて、 上記第１の認証装置は、 上記ＩＣカード向けの認証情報と次に情報交換を行う第
   ２の認証装置向けの認証情報とを生成する第１の生成手
   段と、 この第１の生成手段で生成された２つの認証情報を上記
   ＩＣカードに送信する第１の送信手段と、 上記ＩＣカードは、 上記ＩＣカード読取書込装置を介して上記第１の送信手
   段から送信された２つの認証情報を受信する第１の受信
   手段と、 この第１の受信手段で受信された２つの認証情報の内の
   ＩＣカード向けの認証情報により認証を行う第１の認証
   手段と、 この第１の認証手段により認証された際、上記第２の認
   証装置向けの認証情報を生成する第２の生成手段と、 この第２の生成手段で生成された認証情報と上記第１の
   受信手段で受信された２つの認証情報の内の第２の認証
   装置向けの認証情報とを上記ＩＣカード読取書込装置を
   介して上記第２の認証装置に送信する第２の送信手段
   と、 上記第２の認証装置は、 上記第２の送信手段から送信された複数の認証情報によ
   り上記ＩＣカードの認証を行う第２の認証手段と、 を具備したことを特徴とする相互認証システム。
2. 【請求項２】 車両に搭載されるＩＣカードに対して情
   報の読み取り、及び送信情報を書き込むＩＣカード読取
   書込装置と、施設の入口に設けられる第１の認証装置と
   施設の出口に設けられる第２の認証装置とから構成され
   る有料道路の料金収受システムにおいて、 上記第１の認証装置は、 上記ＩＣカード向けの認証情報と次に情報交換を行う第
   ２の認証装置向けの認証情報とを生成する第１の生成手
   段と、 この第１の生成手段で生成された２つの認証情報と当該
   入口を示す入口情報とを上記ＩＣカードに送信する第１
   の送信手段と、 上記ＩＣカードは、 ＩＤ番号を含む課金情報を記憶する記憶手段と、 上記ＩＣカード読取書込装置を介して上記第１の送信手
   段から送信された２つの認証情報と入口情報とを受信す
   る第１の受信手段と、 この第１の受信手段で受信された２つの認証情報の内の
   ＩＣカード向けの認証情報により認証を行う第１の認証
   手段と、 この第１の認証手段により認証された際、上記第２の認
   証装置向けの認証情報を生成する第２の生成手段と、 この第２の生成手段で生成された認証情報と上記第１の
   受信手段で受信された２つの認証情報の内の第２の認証
   装置向けの認証情報と入口情報及び上記記憶手段に記憶
   されている課金情報とを上記ＩＣカード読取書込装置を
   介して上記第２の認証装置に送信する第２の送信手段
   と、 上記第２の認証装置は、 上記第２の送信手段から送信された複数の認証情報によ
   り上記ＩＣカードの認証を行う第２の認証手段と、 この第２の認証手段により認証できたとき、上記第２の
   送信手段から送信された入口情報及び課金情報に基づい
   て有料道路の通行料金の収受処理を行う収受手段と、 を具備したことを特徴とする有料道路の料金収受システ
   ム。
3. 【請求項３】 ＩＣカードの情報を読み取り、情報を書
   き込むＩＣカード読取書込装置と、少なくとも２つの認
   証装置とから構成される相互認証システムにおいて、 上記ＩＣカード読取書込装置と最初に情報交換を行う第
   １の認証装置が、 上記ＩＣカード向けの認証情報と次に情報交換を行う第
   ２の認証装置向けの認証情報とを生成する第１の生成手
   段と、 この第１の生成手段で生成された２つの認証情報を上記
   ＩＣカードに送信する第１の送信手段と、 上記ＩＣカードが、 上記ＩＣカード読取書込装置を介して上記第１の送信手
   段から送信された２つの認証情報を受信する第１の受信
   手段と、 この第１の受信手段で受信された２つの認証情報の内の
   ＩＣカード向けの認証情報により認証を行う第１の認証
   手段と、 この第１の認証手段により認証された際、上記第２の認
   証装置向けの認証情報を生成する第２の生成手段と、 この第２の生成手段で生成された認証情報と上記第１の
   受信手段で受信された２つの認証情報の内の第２の認証
   装置向けの認証情報とを上記ＩＣカード読取書込装置を
   介して上記第２の認証装置に送信する第２の送信手段
   と、 上記第２の認証装置が、 上記第２の送信手段から送信された複数の認証情報によ
   る認証を行う第２の認証手段と、 を具備したことを特徴とする相互認証システム。
4. 【請求項４】 車両に設けられた車載機とこの車載機に
   挿入されるＩＣカードとから構成される車載機器と、上
   記車両が通過する入口と出口の路側システムとの間で料
   金収受が行われる料金収受システムの相互認証方法であ
   って、 上記入口の路側システムがＩＣカード向けの認証情報と
   出口の路側システム向けの認証情報とを生成して上記車
   載機に無線で送信し、上記車載機が送信された２つの認
   証情報を受信して上記ＩＣカードに送信し、ＩＣカード
   が送信された２つの認証情報の内のＩＣカード向けの認
   証情報により認証し、認証された際、上記出口の路側シ
   ステム向けの認証情報を生成し、生成した出口の路側シ
   ステム向けの認証情報と上記車載機から送信された２つ
   の認証情報の内の出口の路側システム向けの認証情報と
   を上記車載機に送信し、上記車載機が送信された２つの
   認証情報を受信して上記出口の路側システムに無線で送
   信し、上記出口システムが送信された２つの認証情報に
   より認証するようにしたことを特徴とする料金収受シス
   テムの相互認証方法。
5. 【請求項５】 車両に設けられた車載機とこの車載機に
   挿入されるＩＣカードとから構成される車載機器と、上
   記車両が通過する路側システムとの間で無線によって料
   金収受が行われる料金収受システムにおいて、 上記車載機が、 ＩＣカードが挿入された際、乱数を発生する乱数発生手
   段と、 この乱数発生手段で発生された乱数を上記挿入されたＩ
   Ｃカードに送信する第１の送信手段と、 上記ＩＣカードが、 上記第１の送信手段から送信された乱数を受信する第１
   の受信手段と、 この第１の受信手段で乱数が受信された際、予め格納し
   ているＩＤ番号を上記車載機に送信する第２の送信手段
   と、 上記第１の受信手段で受信された乱数と予め格納してい
   る相互認証プロトコルに用いる秘密鍵とを予め格納して
   いるカード固有の暗号鍵で暗号化する暗号化手段と、 この暗号化手段で暗号化された暗号文を上記車載機に送
   信する第３の送信手段と、 上記車載機が、 上記第２の送信手段から送信されたＩＤ番号を受信する
   第２の受信手段と、 この第２の受信手段で受信されたＩＤ番号から予め格納
   しているマスタ鍵で秘密鍵を生成する生成手段と、 上記第３の送信手段から送信された暗号文を受信する第
   ３の受信手段と、 この第３の受信手段で受信された暗号文を上記生成手段
   で生成された秘密鍵で復号化する復号化手段と、 この復号化手段で復号化された復号文の所定の位置に上
   記乱数発生手段で発生された乱数と同じ乱数があるか否
   かを確認する確認手段と、 この確認手段で同じ乱数が確認された際、上記復号化手
   段で復号化された復号文から相互認証プロトコルに用い
   る秘密鍵を取り出し、この相互認証プロトコルに用いる
   秘密鍵を用いて上記路側システムとの間で相互認証プロ
   トコルを制御する制御手段と、 を具備したことを特徴とする料金収受システム。
6. 【請求項６】 車両に設けられた車載機とこの車載機に
   挿入されるＩＣカードとから構成される車載機器と、上
   記車両が通過する路側システムとの間で無線によって料
   金収受が行われる料金収受システムの相互認証方法であ
   って、 上記車載機がＩＣカードが挿入された際、乱数を発生
   し、発生された乱数を上記挿入されたＩＣカードに送信
   し、上記ＩＣカードが送信された乱数を受信し、乱数が
   受信された際、予め格納しているＩＤ番号を上記車載機
   に送信し、受信された乱数と予め格納している相互認証
   プロトコルに用いる秘密鍵とを予め格納しているカード
   固有の暗号鍵で暗号化し、暗号化された暗号文を上記車
   載機に送信し、上記車載機が送信されたＩＤ番号を受信
   し、受信されたＩＤ番号から予め格納しているマスタ鍵
   で秘密鍵を生成し、送信された暗号文を受信し、受信さ
   れた暗号文を生成された秘密鍵で復号化し、復号化され
   た復号文の所定の位置に上記発生された乱数と同じ乱数
   があるか否かを確認し、同じ乱数が確認された際、復号
   化された復号文から相互認証プロトコルに用いる秘密鍵
   を取り出し、この相互認証プロトコルに用いる秘密鍵を
   用いて上記路側システムとの間で相互認証プロトコルを
   制御するようにしたことを特徴とする料金収受システム
   の相互認証方法。
7. 【請求項７】 車両に設けられた車載機とこの車載機に
   挿入されるＩＣカードとから構成される車載機器と、上
   記車両が通過する路側システムとの間で無線によって料
   金収受が行われる料金収受システムにおいて、 上記車載機が、 ＩＣカードが挿入された際、乱数を発生する乱数発生手
   段と、 この乱数発生手段で発生された乱数と予め格納している
   車載機固有の公開鍵と対応するディジタル署名とを上記
   挿入されたＩＣカードに送信する第１の送信手段と、 上記ＩＣカードが、 上記第１の送信手段から送信された乱数と車載機固有の
   公開鍵と対応するディジタル署名とを受信する第１の受
   信手段と、 この第１の受信手段で受信された車載機固有の公開鍵と
   対応するディジタル署名とから予め格納されている公開
   鍵を用いて復号化する第１の復号化手段と、 この第１の復号化手段で復号化された復号文のディジタ
   ル署名が正しいか否かを確認する確認手段と、 この確認手段で正しいと確認された際、上記第１の受信
   手段で受信された乱数と予め格納されているＩＣカード
   固有の秘密鍵とを連結して上記復号文の車載機固有の公
   開鍵で暗号化する暗号化手段と、 この暗号化手段で暗号化された暗号文を上記車載機に送
   信する第２の送信手段と、 上記車載機が、 上記第２の送信手段で送信された暗号文を受信する第２
   の受信手段と、 この第２の受信手段で受信された暗号文を上記車載機固
   有の公開鍵に対応する車載機固有の秘密鍵で復号化する
   第２の復号化手段と、 この第２の復号化手段で復号化された復号文の所定の位
   置に上記乱数発生手段で発生された乱数と同じ乱数があ
   るか否かを確認する確認手段と、 この確認手段で同じ乱数が確認された際、上記復号化手
   段で復号化された復号文から上記ＩＣカード固有の秘密
   鍵を取り出し、このＩＣカード固有の秘密鍵を用いて上
   記路側システムとの間で相互認証プロトコルを制御する
   制御手段と、 を具備したことを特徴とする料金収受システム。
8. 【請求項８】 車両に設けられた車載機とこの車載機に
   挿入されるＩＣカードとから構成される車載機器と、上
   記車両が通過する路側システムとの間で無線によって料
   金収受が行われる料金収受システムの相互認証方法であ
   って、 上記車載機がＩＣカードが挿入された際、乱数を発生
   し、発生された乱数と予め格納している車載機固有の公
   開鍵と対応するディジタル署名とを上記挿入されたＩＣ
   カードに送信し、上記ＩＣカードが送信された乱数と車
   載機固有の公開鍵と対応するディジタル署名とを受信
   し、受信された車載機固有の公開鍵と対応するディジタ
   ル署名とから予め格納されている公開鍵を用いて復号化
   し、復号化された復号文のディジタル署名が正しいか否
   かを確認し、正しいと確認された際、受信された乱数と
   予め格納されているＩＣカード固有の秘密鍵とを連結し
   て上記復号文の車載機固有の公開鍵で暗号化し、暗号化
   された暗号文を上記車載機に送信し、上記車載機が送信
   された暗号文を受信し、受信された暗号文を上記車載機
   固有の公開鍵に対応する車載機固有の秘密鍵で復号化
   し、復号化された復号文の所定の位置に上記発生された
   乱数と同じ乱数があるか否かを確認し、同じ乱数が確認
   された際、上記復号化された復号文から上記ＩＣカード
   固有の秘密鍵を取り出し、このＩＣカード固有の秘密鍵
   を用いて上記路側システムとの間で相互認証プロトコル
   を制御するようにしたことを特徴とする料金収受システ
   ムの相互認証方法。