KR101714108B1 - 검증가능 누출 방지 암호화 및 복호화 - Google Patents

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Abstract

외부 모니터링 공격들로부터 보안성을 제공하는 방식으로 민감한 데이터를 암호화하고 복호화하는 방법들 및 디바이스들이 개시된다. 암호화 디바이스는 복호화 디바이스에도 공지된 베이스 비밀 암호화 값 (키) 으로의 액세스를 갖는다. 민감한 데이터는 세그먼트들로 분해되고, 각각의 세그먼트는 베이스 키 및 메시지 식별자로부터 유도된 별도의 암호화 키로 암호화되어, 암호화된 세그먼트들의 세트를 생성한다. 암호화 디바이스는 베이스 암호화 값을 이용하여, 이 메시지 식별자에 대한 암호화된 세그먼트들이 베이스 키로의 액세스를 갖는 디바이스에 의해 생성되었다는 것을 증명하는 검증자를 생성한다. 복호화 디바이스는, 암호화된 세그먼트들을 수신할 때, 메시지 식별자 및 그 암호화된 세그먼트가 변형되지 않았음을 검증하도록 밸리데이터를 이용한다.

Description

검증가능 누출 방지 암호화 및 복호화{VERIFIABLE, LEAK-RESISTANT ENCRYPTION AND DECRYPTION}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2010 년 12 월 2 일에 출원된 미국 출원 제1s2/958,570호 및 2009 년 12 월 4 일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/266,948호 에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원들은 여기에서 전체가 참조로서 포함된다.
본 특허는 암호화된 데이터 입력들을 프로세싱하는 기법들에 관한 것이고, 특히 그러한 시스템들 및 외부 모니터링 공격들에 대항하는 데이터를 보호하는 기법들에 관한 것이다.
민감한 데이터에 대해 동작하는 시스템들은 공격자들에 의한 그러한 데이터로의 비승인 액세스, 또는 그러한 데이터의 폭로 또는 변경에 대항하여 보호될 필요가 있다. 암호 키들 및 다른 비밀들에 액세스하는 공격자들은 민감한 데이터를 훔치거나 탬퍼링하여, 비승인 커맨드들의 도입이나 기밀 또는 사적 정보의 노출을 통해 시스템의 중요한 동작들의 전복과 같은 심각한 결과들을 가져올 수 있다. 한 가지 절충된 엘리먼트는 또한 추가 공격들을 시작하여 시스템의 다른 엘리먼트들을 위험에 빠뜨리는 데 이용될 수도 있다. 보다 구체적으로, 이전의 연구는, 공격자들이 동작 타이밍, 전력 소비 및/또는 전자기 방사와 같은 디바이스의 외부 특성들을 모니터링할 수 있고, 디바이스 내에서 이용되고 있는 비밀 키들을 추출하는 데 이 추가 정보를 이용할 수도 있다는 것을 보여 주고 있다. 예를 들어, Kocher 등에 의해 설명된 바와 같이 (P. Kocher, J. Jaffe, B. Jun, "Differential Power Analysis," Advances in Cryptology - Crypto 99 Proceedings, Lecture Notes In Computer Science Vol. 1666, Springer- Verlag, 1999 참조), 상이한 데이터를 갖는 동일한 세트의 키들을 이용하여 암호화 연산의 시퀀스를 수행하는 디바이스의 외부 모니터링이 키의 누설을 초래할 수 있다는 것은 본 분야에서 주지되어 있다.
외부 모니터링 공격들은 일반적으로 수동적이고 비침습적이기 때문에, 물리적 액세스를 방지하거나 부적절한 이용을 검출하는 것에 기초하는 일반적인 탬퍼링 방지 디펜스들은 그러한 공격들에 대한 방지를 제공하기에 불충분하거나 비실용적이다. 예를 들어, 물리적으로 안전한, 잘 차폐된 룸들을 이용하여 비밀 키들을 관리하는 방법들이 배경에서 주지되어 있다. 그러나, 많은 애플리케이션들에서, 암호화 시스템들을 물리적으로 격리된 설비들에 유지시킬 것을 요구하는 것은, 그들이 동작할 것으로 예상되는 환경이 제공되면, 가능하지 않다. 또한, 그러한 설비들은 축조하고 동작시키기에는 고가이며, 소량의 정보를 상대방에게로의 누출하는 것을 방지할 능력 면에서 여전히 불완전할 수도 있다.
물론, 필수적으로 물리적 차폐에 의존하지 않고도 모니터링 공격들로부터의 정보 누출 문제를 완화시킬 수 있는 다른 방법들이 백그라운드에 공지되어 있다. 이들은 트랜잭션들로부터의 정보 누출량 (또는 속도)을 감소시키고, 암호 알고리즘 구현들을 변형하여 계산상의 중간산물을 랜덤화하고, 및/또는 전력 소비 및 동작 타이밍에 잡음을 도입하는 방법들을 포함한다.
예를 들어, 발명의 명칭이 "Leak-Resistant Cryptographic Indexed Key Updated"인 미국 특허 제 6539092 호는 공유 마스터 키 및 인덱스 값 (예컨대, 카운터) 을 트랜잭션 키로 변환하는 방법들을 제공하는데, 여기서 유도물은 외부 모니터링 공격들에 대해 보호된다. 이러한 방법들은 외부 모니터링 공격들에 대해 보호되고 있는 디바이스(들)가 트랜잭션 키의 유도물의 원인이 될 수 있는 애플리케이션들에서 잘 작동한다. 예를 들어, '092 특허는 각각의 트랜잭션에 따라 증가하여, 키 유도물에서 인덱스 카운터를 이용하는 인덱스 카운터를 스마트카드가 어떻게 유지할 수 있는지를 설명한다.
그러나, '092 특허에서 설명된 바와 같이, 프로토콜에서의 참여자(들)가 외부 모니터링 공격들에 대해 보호되어야 하지만 시퀀스 카운터들 및 업데이트된 키들을 저장할 능력이 결여되어 있는 애플리케이션들이 존재한다. 예를 들어, 임의적인 순서로 암호문들을 복호화하는 데 반복적으로 이용되는 고정 불변의 내장 키를 포함하는 디바이스와 같은 디바이스가 동일한 입력 데이터를 규칙적으로 프로세싱할 필요가 있는 경우를 고려한다. 펌웨어 암호화는 그러한 애플리케이션의 실시예이다: 마이크로프로세서는 퓨즈들 내에 내장 키를 갖는 마이크로프로세가 제조될 수도 있고, 모든 리부팅 시에, 마이크로프로세서는 불신 (untrusted) 외부 플래쉬로부터 로딩된 그의 펌웨어 이미지를 재복호화할 필요가 있다. 펌웨어 이미지는 때때로 업데이트될 수도 있지만, 동일한 암호문이 또한 반복해서 복호화될 수도 있다. 따라서, 애플리케이션 요건들 및 물리적 제조 제한사항들 (예컨대, 키들을 보유하기 위해 일회용 프로그래밍가능 퓨즈들의 사용으로 인한 저장된 키를 변형하는 무능력) 양측 모두는 복호화 키가 이용될 횟수를 디바이스가 제한하는 것을 비용적이게 만들 수 있다. 펌웨어 공개자는 '092 특허에 설명된 방법들을 이용할 수 있는데, 새로운 인덱스 값을 이용하여, 매번 새로운 암호화된 펌웨어 이미지가 릴리스되지만, 복호화 디바이스는 각각의 리부팅 시에 상이한 인덱스 값을 사용할 수 없는데, 이는 인덱스 값을 암호화 디바이스에 의해 이용된 것과는 다른 값으로 변경하는 것이 부정확한 복호화를 초래할 것이기 때문이다. 따라서, 공격자는 복호화 디바이스에 탬퍼링된 데이터 세트들을 잠재적으로 제공할 수 있고, 그 이후에 디바이스가 그러한 암호문들을 프로세싱 (예컨대, 복호화 등) 하는 동안에 외부 특성들을 모니터링함으로써 비밀 키를 회수하고자 할 수 있다. 차동 전력 분석 (PDA) 과 같은 통계적 측면 채널 공격들은, 디바이스가 동일한 키를 반복해서 이용하여 상이한 입력 값들 (예컨대, 전술한 실시예들에서 상이한 펌웨어 암호문들 또는 동일한 펌웨어 암호문들의 탬퍼링된 버전들) 에 대해 동작할 때 수집된 측정치들의 세트로부터 비밀 키를 추론할 수 있다. 단일의 긴 메시지로부터의 측정치들 (예컨대, 많은 블록 암호 입력들을 포함함) 또는 적법한 메시지들의 콜렉션 (예컨대, 다수의 펌웨어 버전들) 은 또한 암호문 메시지들이 탬퍼링되지 않은 경우라 해도, 측면 채널 공격에 충분한 데이터를 제공할 수도 있다.
물론, 디바이스가 모든 트랜잭션에 대해 동일한 키를 이용하는 일부 상황들에 있어서, 디바이스는 이론상으로 (예컨대, 트랜잭션 또는 실패 임계가 초과되는 경우에 자멸함으로써) 록-아웃 (lock-out)을 구현하여, 상대방이 관찰할 수 있는 트랜잭션의 수를 제한할 수 있다. 그러나, 록-아웃 메커니즘들은 신뢰도 관계 및 실패 카운터를 저장하는 것과 관련된 곤란성들과 같은 다수의 실질적 문제들을 도입한다 (예컨대, 많은 반도체 제조 프로세스들은 안전한 온-칩 비휘발성 스토리지가 부족하고, 오프-칩 스토리지는 보장하기가 어렵다).
전술한 모든 사항의 관점에서, 디바이스들이 데이터를 통신 및 교환하는 검증 가능하게 안전한 방식을 제공하고, 외부 모니터링 공격들에 대한 보호 및 디바이스가 가짜 데이터를 거부할 능력을 갖는 방법이 유리할 것이다.
본 특허는 외부 모니터링 공격들에 대한 비밀 암호화 키들을 이용하는 디바이스뿐 아니라 종래의 암호해독, 및 디바이스의 내부 동작들에 상관된 정보를 수집하는 다른 공격들 (예컨대, DPA 및 다른 형태의 외부 모니터링 공격들) 에 대한 개선된 보안을 제공하는 방법들을 설명한다. 민감한 데이터를 암호화하는 다양한 예시적 실시형태들이 명세서에 개시된다.
이러한 다양한 실시형태들이 그들의 세부사항들에서 현저하게 변할 수도 있지만, 명세서에서 설명된 다양한 실시형태들에 관해 용이하게 검증될 수도 있는 바와 같이, 그들은 모두 하기의 일반적인 기법 내에 포괄된다: 암호화와 관련하여, 각 세트의 암호화될 데이터는 메시지 식별자 (트랜잭션/메시지 카운터, 평문의 해시, 랜덤 값, 또는 다른 고유 값 또는 준고유 값) 와 관련된다. 암호화 디바이스는 메시지 식별자, 및 복호화 디바이스(들) 와 공유되는 초기 비밀 내부 상태를 이용하여 메시지 키를 유도한다. 이러한 유도는, 공유된 비밀 내부 상태의 적어도 일부분으로부터 시작하여, 메시지 키에 이르는 일련의 하나 이상의 중간 키들을 통해 반복적인 방식으로 수행되며, 여기서 각각의 반복 시에, 다음 키는 적어도 하나의 이전 키 및 메시지 식별자의 적어도 일부분에 의존한다. 평문은 하나 이상의 세그먼트들로 분해될 수도 있다. 각각의 평문 세그먼트는 메시지 키 또는 메시지 키로부터 추가로 유도되는 키들을 포함하여 대응하는 암호화된 세그먼트를 생성할 수 있는 하나 이상의 비밀 키들로 암호화된다. 일반적으로, 상이한 키 (또는 상이한 세트의 키들) 가 각각의 세그먼트에 대해 이용된다.
그 후, 암호화 디바이스는 복호화 디바이스와 공유되는 비밀 키 (예컨대, 메시지 키, 비밀 내부 비밀, 상이한 키, 키들, 전술한 사항으로부터 유도된 키들 등) 를 이용하여, 적어도 하나의 밸리데이터를 계산한다. 밸리데이터의 유도는 메시지 키를 생성하는 데 이용된 것과 유사한 반복 프로세스를 이용하여 수행되어, 일련의 변환들은 연속적 값들을 생성하도록 비밀 키에 적용된다 (예를 들어, 각각의 중간 값의 생성은 그것의 부모 값을 해싱하는 것을 포함한다).
암호화 디바이스는 하나 이상의 암호화된 세그먼트들 및 하나 이상의 밸리데이터들을 출력한다. 추가 정보는 또한 수신자가 메시지 식별자를 판정하게 하는 데 필요하면 출력될 수도 있다.
대응하는 복호화 프로세스 동안, 복호화 디바이스는 하나 이상의 암호화된 세그먼트들, 하나 이상의 밸리데이터(들), 및 암호화된 세그먼트(들) 에 대응하는 메시지 식별자를 수신한다. 그 후, 그것은 하나 이상의 밸리데이터들을 이용하여, 적어도 복호화될 제 1 암호화된 세그먼트가 변형되지 않았음을 검증한다. 밸리데이터의 검증은 암호화 디바이스와 공유된 비밀로 시작한 일련의 연속적 중간 값들을 계산하는 것을 포함할 수도 있고, 각각의 중간 값은 그것의 부모의 해시이다 (그리고, 특정 해시 동작은 상기 암호화된 세그먼트(들)의 해시의 일부분에 의존한다). 일반적으로, 암호화된 세그먼트에 대한 복호화 프로세스는 세그먼트가 변형되지 않았다는 것이 검증되는 경우에만 진행하도록 허용된다. 검증이 성공적이면, 복호화 디바이스는 (이미 유도되지 않은 경우) 비밀 내부 상태를 이용하여 메시지 키를 계산하는데, 그것은 암호화 디바이스들과 공유하고, 그 뒤에 동일한 반복 키 유도 프로세스가 오고 그 다음에 암호화 디바이스가 온다 (즉, 공유된 비밀 내부 상태의 적어도 일부분으로부터 시작하여, 최종 메시지 키에 이르는, 일련의 중간 키들을 통해, 각각의 단계에서, 다음 키가 메시지 식별자의 적어도 일부분 및 적어도 하나의 이전 키에 의존한다). 각각의 암호화된 세그먼트 (변형되지 않은 것으로 결정된 경우) 는 메시지 키로부터 유도된 하나 이상의 대응하는 비밀 키들로 복호화되어 대응하는 평문 세그먼트를 복구한다.
도 1 은 키 및 암호문 해시 체이닝을 이용한 검증가능 누출 방지 암호화를 위한 전체 프로세스의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 2 는 공유된 암호화 비밀 KSTART 로부터 시작하여 경로 Pi ...PQ 를 통해 계속되는 누출 방지, 키-트리-기반 키 유도 프로세스의 예시적 실시형태를 도시한다. 도 2 의 키 유도 프로세스는 도 1 및 도 3 의 제 1 예시적 암호화 프로세스들 및 도 4 의 제 1 예시적 암호화 프로세스와 관련하여 이용 가능하다. 그것은 또한 도 5, 도 11 및 도 13 의 다른 예시적 암호화 프로세스들 및 도 6, 도 12 및 도 14 의 다른 예시적 암호화 프로세스들과 관련하여 이용 가능하다.
도 3 은 암호화를 위한 누출 방지 키 및 암호문 해시 체이닝 프로세스 (예컨대, 도 1 에 도시된 전체 암호화 프로세스의 일부분을 포함함) 의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 4 는 도 1 의 암호화 프로세스에 대응하는 키 및 암호문 해시 체이닝을 이용한 검증가능 누출 방지 복호화 프로세스의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 5 는 키 및 평문 해시 체이닝을 이용한 검증가능 누출 방지 암호화를 위한 프로세스의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 6 은 도 1 의 암호화 프로세스에 대응하는 키 및 평문 해시 체이닝을 이용한 검증가능 누출 방지 복호화를 위한 프로세스의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 7 은 검증가능 누출 방지 암호화 동작들이 칩 상의 시스템에 펌웨어를 로딩하는 데 이용되는 환경을 도시한다.
도 8 은 플래시 및/또는 RAM 과 같은 외부 메모리가 신뢰되는 안전한 CPU 칩 내에서 검증가능 누출 방지 암호화 동작들이 이용되는 환경을 도시한다.
도 9 는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이 상에 비트스트림 이미지를 로딩하는 데 검증 가능 누출 방지 암호화 동작들이 이용되는 환경을 도시한다.
도 10 은 패킷 기반 네트워크 통신 디바이스에서 검증가능 누출 방지 암호화 동작들이 이용되는 환경을 도시한다.
도 11 은 도 10 에 설명된 환경과 함께 및 다른 실시형태드에서 이용될 수 있는 검증가능 패킷-레벨 누출 방지 암호화를 위한 예시적 실시형태를 도시한다.
도 12 는 도 11 에 설명된 암호화 프로세스에 대응하는 검증가능 패킷-레벨 누출 방지 복호화를 위한 프로세스의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 13 은 인트라-세그먼트 키 변경들을 갖는 암호 블록 체이닝 (CBC)을 이용한 예시적 ENC() 동작의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 14 는 도 13 의 암호화 동작에 대응하는, 인트라-세그먼트 키 변경들을 갖는 암호 블록 체이닝 (CBC) 을 이용한 예시적 DEC 의 예시적 실시형태를 도시한다.
본 특허에서 설명되는 기법들은 당사자들이 외부 모니터링 공격들에 대해 증가된 보안성을 갖는, 암호로 보호된 민감한 데이터를 통신하게 한다. 일반적으로 암호화 디바이스 및 복호화 디바이스라고 지칭되는 2 개의 부분들을 포함하는 예시적 실시형태들이 설명되고 있지만, 디바이스라는 용어는 편의상 선택된 것이고, 반드시 시스템 설계에 있어서 임의의 특정 역할에 직접적으로 대응할 필요가 없다. 디바이스들은, 상이한 폼 팩터들 또는 구현물들을 이용할 수도 있지만, 그로 요구되는 것은 아니다. 예를 들어, 암호화 및 복호화 디바이스들은 양자 모두 휴대용 하드웨어 디바이스들일 수 있다. 대안으로, 암호화 디바이스는 설비에서 동작하는 서버 상에서 실행되는 소프트웨어 애플리케이션일 수 있고, 복호화 디바이스는 휴대용 하드웨어 디바이스일 수 있다 (또는 그 반대일 수 있다). 또한, 대부분의 암호화 동작들이 2 개의 부분들을 포함하고 있지만, 물론, 본 특허의 기법들은 (예컨대, 도 8 에 예시된 예시적 환경에서, 양측 모두의 역할들이 하나의 것 및/또는 디바이스의 제어 하에 있는 보안 메모리 또는 저장 시스템들에서와 같은) 오로지 하나의 부분만을 포함하는 환경들 또는 (도 10 예시된 예시적 실시형태와 같은) 3 개 이상의 부분들 및/또는 디바이스들을 포함하는 환경들에 적용될 수 있다.
엔트로피 분배 동작들( ENTROPY REDISTRIBUTION OPERATIONS )
여기서 사용되는 바와 같이, "엔트로피 분배 동작"(또는 "엔트로피 분배 동작") 은 그것의 입력(들)을 혼합하여 입력 비트들에 관한 미지의 정보가 출력 비트들 사이에 재분배되도록 하는 동작이다. 예를 들어, 각각의 i > 1 에 대해 키 Ki = f(Ki-1) 이 되도록 하는 엔트로피 분배 동작 f 로 x 비트 암호화 키 K0 이 반복적으로 프로세싱된다고 가정한다. 다음, n 개의 상이한 키 Ki 각각에 관한 (예컨대, 시도된 외부 모니터링 공격의 일부로서 획득된) y 비트의 정보를 상대방이 획득하여, 키 K0 에 대해 해결할 충분한 것 이상의 정보 (예컨대, y*n > x) 를 제공한다고 가정한다. 엔트로피 분배 동작 f 의 이용은 그러한 솔루션을 계산상으로 실현 불가능하게 만들 수 있다. 암호 해시 함수 H 는 엔트로피 분배 동작으로서 이용될 수도 있는 동작의 실시예이다. 예를 들어, 256-비트 결과를 생성하는 강한 해시 함수 H를 고려한다. 랜덤한 256-비트 초기 키 K0 이 제공되면, 각각의 i > 1 에 대해, Ki = H (Ki-1) 로 한다. (예를 들어) 각각의 K0, ..., K999,999 의 최상위 비트 에 대한 지식을 갖는 상대방은 K0 에 관련된 1,000,000 비트의 데이터를 갖는다. 무한 연산력을 갖는 가상의 상대방은 K0 에 대한 모든 가능한 2256 값을 테스트하여, 최상위 비트들의 공지된 시퀀스와 일치하는 값을 식별함으로써 K0을 찾을 수 있다. 그러나, 실제 상대방은 이용 가능한 유한 연산력을 가지며, 엔트로피 분배 동작은 시도된 외부 모니터링 공격들을 통해 누출된 정보를 제공받는 K0 (또는 임의의 다른 Ki) 에 대해 해결할 계산상으로 실용적인 방식으로부터 방지된다.
엔트로피 분배 동작들은 암호화 해시 함수들, 블록 암호 (예컨대, AES) 를 이용하여 구성된 동작들, 의사난수 변환, 의사난수 치환, 다른 암호화 동작들, 또는 이들의 조합을 이용하여, 비제한적으로 구현될 수도 있다. 편의상, 특정 예시적 실시형태들이 해시와 관련하여 설명되지만, 당업자는 전술한 사항에 따라 다른 엔트로비 재분배 함수들이 또한 대신에 또는 추가로 이용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
다수의 엔트로피 분배 동작들은 또한 베이스 동작으로부터 구성될 수 있다. 실례로서, 2 개의 256-비트 엔트로피 분배 동작들 f0() 및 f1() 가 요구되면, f0() 는 SHA-256 암호화 해시 함수를 f0() 으로의 입력과 연결된 동작 식별자 스트링 "f0" 에 적용하는 것을 포함할 수 있고, f1() 은 SHA-256을 f1() 로의 입력과 연결된 동작 식별자 스트링 "f1()" 에 적용하는 것을 포함할 수 있다. 엔트로피 분배 동작들은 주지된 AES 블록 암호를 이용하여 구성될 수 있다. 예를 들어, f0()...fb-1()을 구현하기 위해, 각각의 fi() 는 AES-256 키로서 그의 입력을 이용하여, 0...b-1 내에서 i 의 선택에 고유한 128-비트 입력 블록들의 쌍을 암호화하여 256 비트의 출력을 안출한다. 광범위한 블록 암호 기반 해시 함수 및 MAC 구성들은 또한 배경 기술들에서 주지되어 있고, 채용될 수도 있다.
공유된 암호화 값들 및 연산들( SHARED CRYPTOGRAPHIC VALUES AND OPERATIONS )
이 섹션은, 본 특허에서 설명되는 바와 같은 검증가능 누출 방지 암호화 연산을 수행하는 데 이용되는, 암호화 디바이스 및 그의 대응하는 복호화 디바이스 양측 모두에 의해 공유되는 특정 암호화 값(들) 및/또는 연산(들)을 설명한다.
암호화 디바이스 및 복호화 디바이스는 각각이 KROOT 로서 표기된 비밀 키와 같은 베이스 공유 비밀 암호화 상태 값으로의 액세스를 갖도록 셋업된다. 이 비밀 상태는, 예를 들어 EEPROM, 플래시, 퓨즈, 또는 탬퍼링 방지 칩 상의 다른 스토리지 중 하나 이상에 저장될 수도 있고, 다른 값들 또는 프로세스들로부터 전체적으로 또는 부분적으로 유도될 수도 있으며, 또는 외적으로 획득될 수도 있다. 이러한 디바이스들 각각이 KROOT 를 획득한 방법은, 각각의 디바이스가 KROOT 로 제조되고, 디바이스들은 서로 KROOT 와 직접적으로 협상하거나 제 3 자를 통해 (예컨대, RSA, Diffie-Hellman, 또는 다른 공개 키 암호화 기법들, 또는 대칭 기법들을 이용하는 프로토콜들을 이용하여) 물리적 키 인터페이스를 통한 KROOT 의 수신에 의해, (예컨대, 암호화 및 복호화 디바이스가 동일하다면) KROOT 를 랜덤하게 생성하는 것 등에 의해 협상한다.
또한, 암호화 디바이스 및 복호화 디바이스 양측 모두는 또한 비선형 암호화 엔트로피 분배 연산 f0(), f1(),..., fb-1() 의 세트를 계산할 수 있으며, 이 때 b > 1 은 양의 정수이다. 이러한 b 엔트로피 분배 함수들은 트리 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, 높이 Q 의 간단한 b-진수 트리 구조 (즉, 0 내지 Q 의 Q+1 레벨들을 가짐) 는 b 개의 개별 엔트로피 분배 함수들 f0()...fb-1() 을 이용하여 트리의 각각의 노드에서 이 b-진수 트리의 b 개의 가능한 브랜치들을 나타냄으로써 생성될 수 있는데, 각각의 노드는 가능한 유도된 키를 나타낸다. 이러한 트리에서, 루트 암호화 키 KSTART (레벨 0 에 설정됨) 로부터 시작하면, b 개의 가능한 유도된 키들이 레벨 1에서 계산될 수 있다: 가장 촤측 브랜치에 대해 f0(KSTART); 다음 브랜치에 대해 f1(KSTART); 및 가장 우측 브랜치에 대해 fb-1(KSTART) 까지 계속된다. 레벨 2에서, b2 개의 가능한 키들이 유도될 수 있는데, 이는 f0()...fb-1() 각각이 b 개의 가능한 레벨 1 키들 각각에 적용될 수 있기 때문이다. 물론, 특정 레벨 2 노드를 계산하는 것은 b2 가 아니라 2 의 계산들만을 요구한다 (즉, 경로 상에 있지 않은 노드들은 계산되지 않는다). 트리는 연속 레벨들 1 내지 Q 에 대해 계속되는데, 이 때 이전 레벨의 각각의 가능한 키 (즉, 상이한 노드) 는 f0()...fb-1()를 적용함으로써 프로세싱되어 b 개의 추가의 가능한 유도된 키들을 유도할 수 있다. 전체 키 트리는 레벨 0에서 단일 노드로 시작하여, 레벨 i 에서 bi 노드들로 계속되어, 레벨 Q에서 bQ노드들로 종료되는, Q + 1 레벨들을 갖는다. 따라서, 레벨 0 에서의 루트 노드로부터 레벨 Q 에서의 bQ 개의 최종 노드들까지의 가능한 경로들이 bQ 개 존재한다. 상이한 레벨들에서 인가된 함수들의 고유 시퀀스에 대응하는 그러한 가능한 경로 각각은 Q 개의 정수들의 시퀀스로서 표현될 수 있으며, 각각의 정수는 (0...b-1) 로부터 선택된다.
예를 들어, 예시적 실시형태에서, b = 2 이다. 따라서, 2 개의 엔트로피 분배 연산 f0() 및 f1() 이 이용된다 (예컨대, 전술된 바와 같이, 베이스 연산으로부터 구성될 수도 있다). Q = 128 인 경우 (즉, 높이가 128 인 경우), 2128 개의 경로들이 가능하고, 128 개의 엔트로피 분배 함수 계산이 레벨 0 노드 (시작 키) 로부터 레벨 Q 키를 유도하기 위해서 요구된다.
변형으로서, 실시형태들은 레벨들 중 b 의 값을 변화시키는 것 및/또는 특정 레벨로 취해진 루트에 기초하여 b 를 변화시키는 것과 같은 b 의 선택에 있어서 더 많은 다양성을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 엔트로피 분배 연산도, 예컨대 엔트로피 분배 연산 fi() 을 상이한 레벨들에서 상이하게 만들거나 그러한 연산을 특정 레벨로 취해진 시퀀스에 의존하게 만듦으로써 변화할 수 있다.
암호화 및 복호화 디바이스들은 또한 함수들 fi() 와는 별개일 수도 있는 (그러나, 반드시 그러한 것은 아닌) 암호화 비선형 키 체이닝 연산 g() 을 수행할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, g() 는 암호화 해시 연산으로 구성된다. 변형 실시형태들은, (예컨대, 카운터 또는 g() 의 애플리케이션을 나타내는 다른 값으로 입력 데이터를 해시함으로써) 베이스 함수로부터 구성된 변형들을 포함하는, g() 의 상이한 애플리케이션들에 대한 상이한 함수들을 이용할 수 있다.
암호화 디바이스 및 복호화 디바이스는 또한 연산 fi() 및 g() 와는 별개일 수도 있는 (그러나, 반드시 그러한 것은 아닌) 암호화 충돌 방지 일방향 해시 함수 h()(예컨대, 세그먼트 해싱 함수로서 이용됨) 를 갖는다.
예시적 실시형태에서, 각각의 연산들 fi(), g() 및 h() 는 각각의 연산을 연산 식별자 및 입력 데이터의 암호화 해시로서 계산함으로써 공통 암호화 해시 함수로부터 구성된다. 연산 식별자는, 예를 들어 "f#", "g" 또는 "h"으로 구성되는 제로-종단 스트링일 수도 있는데, 여기서 # 는 f0() 에 대한 연산 식별자가 f0 이도록 하는 소정의 fi() 에 대한 i 의 값이다. 입력을 키로서 사용하는 연산 식별자의 HMAC 는 또한 이러한 연산들을 구현하는 데 이용될 수도 있다. 본 특허의 기법들과 함께 이용 가능한 해시 함수들은, MD5, SHA-1, SHA-256, SHA-512, 임의의 SHA3 후보 연산뿐 아니라 전술한 사항과 (HMAC 와 같은) 전술한 사항을 이용한 구성들의 조합을 포함하며, 이들로 국한되지 않는다. 여기서 사용되는 바와 같이, 함수들 BLAKE, Blue Midnight Wish, CubeHash, ECHO, Fugue, Grostl, Hamsi, JH, Keccak, LANE, Luffa, Shabal, SHAvitE-3, SIMD, 및 Skein 각각은 SHA3 후보 연산이다. 다른 실시형태들에 있어서, 해시 함수는, AES, DES 또는 다른 암호들과 같은 블록 아호들을 해시 함수로 변환하는, Matyas-Meyer-Oseas, Davies-Meyer, Miyaguchi-Preneel, Merke-Damgard 등을 포함하지만 이들로 국한되지 않는 다른 주지된 구성들을 이용하여 유도된다. 충돌 방지가 아닌 변환들 (예컨대, MD5, 해시 변환들의 축소된 라운드 변형들, 또는 다른 혼합 연산들)은 또한 입력에 존재하는 엔트로피를 재분배할 수 있지만, 일방향 함수 h() 로서의 사용에는 덜 매력적일 것이다.
또 다른 실시형태들은, 엔트로피 분배 연산들 f0...b-1() 를 구현하는 데 있어, 가볍고, 잠재적으는 암호학적으로 약한 스트림 암호들을 잠재적으로 포함하는 스트림 암호들을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 스트림 암호 RC4 가 채용될 수도 있는데, 이 때, 엔트로피 분배 연산 입력은 RC4 키로서 이용되고, RC4 출력 바이트들은 엔트로피 분배 연산 출력으로서 (또는 엔트로피 분배 연산 출력을 형성하는 데) 이용된다.
암호화 디바이스 및 복호화 디바이스는 대응하는 복호화 함수 DEC()를 갖는 비밀 키 암호화 함수 (또는 함수들의 세트) ENC()를 갖는다. 일부 실시형태들에서, 고정 길이 메시지들을 갖는 것들과 같이, ENC() 및 DEC() 는 ECB 또는 CBC 모드에서의 AES 와 같은 종래의 암호 구성들을 이용할 수도 있다. 다른 실시형태들에 대한 ENC() 및 DEC() 의 구성들은 각각 도 13 및 도 14 를 참조하여 이후에 설명된다.
도 1 및 도 2 에서의 예시적 실시형태
이 섹션은 검증가능 누출 방지 암호화 및 복호화를 위한 일반적 기법의 예시적 실시형태를 설명한다. 이 제 1 예시적 실시형태는 키 체이닝 및 암호문 해시 체이닝을 이용한다.
암호화( Encryption )
편의상, 암호학에서의 일반적인 명명법에 따라, 평문이라는 용어를 이용하여 암호화될 데이터를 지칭한다. 당업자는, 이것이 반드시 입력 데이터가 인간-판독가능하고, 또한 본 특허의 기법에 따라 보호되기 전에 어떠한 것도 압축, 인코딩, 또는 심지어 암호화되는 것으로부터 그러한 데이터를 배제하지 않는다는 것을 의미하는 것은 아니라는 점을 이해할 것이다. 마찬가지로, 당업자는, 데이터라는 용어가 처리되는 임의의 양을 포괄하고, 콘텐츠, 데이터, 소프트웨어, 코드 및 임의의 다른 타입의 정보를 포함하지만 이들로 국한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
보호될 민감한 평문 데이터 메시지 D 가 주어지고, 공유된 베이스 비밀 암호화 값 KROOT 의 지식으로, 암호화 디바이스는 도 1에서 약술된 하기의 단계들을 수행한다. 먼저, 그것은 민감한 평문 데이터 D 를 L 세그먼트들 D1, ..., DL 의 시퀀스로 분해하는데 (단계 100), 이 때 (L ≥ 1) 이며, 세그먼트들 각각은 수신기(들)에서 인입 세그먼트들을 위한 메모리에 피팅될 수 있을 정도로 충분히 작다. 또한, 이러한 세그먼트들 각각의 사이즈는 애플리케이션 및 구현의 누출 요건들을 충족시킬 정도로 충분히 작아야 한다. 세그먼트들은 동일한 사이즈일 수 있지만, 반드시 그러한 것은 아니다. 또한, 다른 변형들이 또한 도 13 및 도 14 와 관련하여 하기에서 도시되는 바와 같이 키들을 변경함으로써 비제한적 사이즈의 세그먼트들을 지원할 수 있다.
암호화 디바이스는 또한 D 의 암호화와 관련하여 사용되는 메시지 식별자 (또는 그에 대한 전구체) 로서 이용될 수 있는 넌스 N (하기에 도시됨)을 생성한다 (단계 101). 예를 들어, 넌스는 진성 난수 발생기, 의사 난수 발생기, 진성 난수 발생기와 의사 난수 발생기의 일부 조합, 카운터 값 또는 다른 (바람직하게는 고유 또는 셀덤-반복(sEldom-rEpEating)) 파라미터를 이용하여, 또는 암호화 디바이스에 이용 가능한 (예컨대, N을 일부 또는 모든 D 의 해시로 설정함으로써 D 를 제한없이 포함하는) 키들 및/또는 데이터로부터 N을 유도함으로써 생성될 수 있다. 도 1에서, 소정 KROOT 에 대해, 특정 메시지를 암호화하는 데 이용된 N 의 값은 바람직하게는 임의의 다른 메시지를 암호화하는 데 이용되지 않는다 (또는, 그러한 경우, 임의의 재사용은 믿기 어렵게 및/또는 빈번하지 않게 제한되어야 한다).
다음의 예시적 실시형태들에서, 메시지 식별자 H1 은 넌스 N 을 이용하여 형성된다. N 이 메시지 식별자로서 이용되는 대부분의 수월한 구현에 있어서, H1 은 단순히 N 과 동일할 수도 있다. N 이 메시지 식별자에 대한 전구체로서 이용되는 다른 실시예로서, 암호화 디바이스는 함수 f()를 이용하여 N 의 해시로서 H1 을 계산할 수 있다 (단계 102). 해싱은 고정 사이즈의 메시지 식별자를 생성하여, 예를 들어 계산 효율을 위해 더 짧은 양에 대해 연산하는 한편 (문자열과 같은) 더 긴 데이터 값들의 포함을 허용하거나, 또는 계산상의 간소성을 위해 가변 길이 데이터 값들을 균일 길이 메시지 식별자로 변환하거나, 또는 당사자들이 H1 의 선택에 영향을 주어야 할 수도 있는 임의의 능력을 감소시키기 원하는 상황들에서 유용하다. 물론, 해싱은 메시지 식별자를 생성할 유일한 방법이며, 당업자는 h 외의 함수들이 H1 을 생성하는 데 이용될 수도 있다는 것을 인지할 것이다.
H1을 계산한 후, 암호화 디바이스는 누출 방지 키-트리 기반 키 유도 프로세스로의 입력으로서, 공유된 베이스 비밀 암호화 값 KROOT 및 H1을 이용하여 메시지 키 KMESSAGE 를 계산한다 (103). 설명의 편의를 위해, 키 유도 프로세스가 여기서 (예컨대, 암호화 디바이스에 의해 수행되는) 암호화의 문맥, 및 더 구체적으로는, 도 1 의 제 1 예시적 암호화 프로세스에 제시된다. 그러나, 동일한 키 유도 프로세스는, 그것이 복호화 디바이스에 의해 수행될 경우인 도 4 의 제 1 예시적 복호화 프로세스에서도 이용될 것이다. 마찬가지로, 키 유도 프로세스는, 도 5, 도 11 및 도 13 의 예시적 암호화 프로세스들 및 도 6, 도 12 및 도 14 의 예시적 복호화 프로세스들을 포함하는 다른 프로세스들과도 관련되어 이용될 것이다.
예시적 키 유도 프로세스는 도 2 에 도식화되어 있다. 프로세스는 KSTART 로 표기된 트리의 시작점 (201) 및 경로 P1...PQ (202) 에서 시작된다. 예를 들어, 도 1 의 상기 단계 103 에서, KSTART 는 공유된 비밀 키 KROOT 의 값이고, 경로 P1...PQ (202) 는 H1 에 의해 결정된다 (H1 의 P1...PQ 로의 변환은 하기에 설명된다.) 경로는 KSTART 에 적용될 일련의 엔트로피 분배 연산들을 특정한다.
예시적 구현에 있어서, 메시지 식별자 H1 은 Q 개의 부분들 P1, P2, ..., PQ 로 분해된다. 예시적 분해에 있어서, 각각의 부분 Pi 는 0 내지 (b-1) 의 정수이다 (예컨대, b = 4 이면, 각각의 Pi 는 2-비트 값 (0, 1, 2 또는 3) 이다). 마찬가지로, b = 2 이면, 각각의 Pi 는 단일 비트 (0 또는 1) 이다. 이러한 이유로, 경로 부분들 P1...PQ 는 함수들 f0(), f1(), ..., fb-1()을 적용하여 KSTART , PATH 에 이르는 복수의 중간 키들을 다음과 같이 생성함으로써 KSTART 로부터 KSTART , PATH 까지의 특정 경로를 특정하는 데 이용될 수 있다. 먼저, 함수 fp1 이 KSTART 에 적용되어 중간 키 KSTART , P1 (203) 을 안출하고, 그 후, fp2 가 KSTART , P1 에 적용되어 중간 키 KSTART , P1 , P2 (204) 를 안출하는 등에 이어서, 중간 키 KSTART , P1 , P2 ,... PQ -1 (205) 에 fPQ 를 최종 적용하여 최종 키 KSTART , P1 , P2 ,..., PQ (206) 를 안출한다. 각각의 중간 키의 유도는 적어도 하나의 전임자 키 (예컨대, 도 2 의 경우, 그것의 즉각적 부모 키) 및 메시지 식별자의 관련 부분에 의존한다. 편의상, 이 최종 유도 키를 (KSTART 로 시작하여 PATH 를 따름으로써 도달된 키를 표시하는) 표기 KSTART , PATH 로 표기한다. 마찬가지로, 도 1 의 단계 103 의 경우에 있어서, 최종 유도 키 (KMESSAGE 키에 할당된 메시지 키) 는 KROOT , H1 로 표기되는데, 이는 시작 키가 사실상 KROOT 이고, 경로가 사실상 단순히 H1 의 분해인 P1,P2, ..., PQ 이기 때문이다. (대안의 실시형태들에서, KMESSAGE 는, 예컨대 KROOT , H1 을 해싱함으로써 KOOT,H1 로부터 유도될 수도 있다. 어느 방식이든, KMESSAGE 는 KOOT,H1 에 기초한다.)
단계 104에서, 데이터 세그먼트(들)는 상기 메시지 키 KMESSAGE 에 기초한 적어도 하나의 암호화 키를 이용하여 암호화되며, 암호문 E = E1, ..., EL 을 생성하는 것은 입력 세그먼트(들) D = D1, ..., DL 로부터이다. 단계 104 에 대한 예시적 실시형태는 도 3 에 도시되는데, 이는 암호화된 세그먼트들 E1, ..., EL 을 계산할 시에 포함된 단계들 및 상태들을 나타낸다.
도 3 의 프로세스는 KMESSAGE 를 이용하여 L 개의 개별 세그먼트 암호화 키들 Ki (i = 1 내지 L) 를 계산하며, 각각의 키는 비밀 메시지 데이터 D 의 대응 세그먼트 Di (i = 1 내지 L)를 암호화하는 데 이용된다. 먼저, 함수 g() 는 KMESSAGE 에 적용되어 제 1 세그먼트에 대해 이용될 암호화 키 K1 (302) 을 안출한다. 그 후, 함수 g() 가 키 K1 등에 적용되어 제 2 세그먼트 등에 대한 암호화 키 K2 (303) 등을 안출한다. 마지막으로, 함수 g() 가 키 KL-1 에 적용되어 최종 세그먼트에 대한 암호화 키 KL (305) 을 생성한다. 이러한 타입의 프로세스를 키 체이닝이라고 지칭하는데, 이는 암호화 키들이 서로 연쇄되기 때문이다.
L 개의 세그먼트들을 암호화하기 위한 L 개의 키 K1, ..., KL 이 결정된 후, 세그먼트들의 암호화는 다음과 같이 진행된다. 최종 (L 번째) 세그먼트가 먼저 프로세싱되는데, 이 때 ENC() 함수로의 평문 입력 (306) 은 전체 평문 D1, ..., DL 을 암호학적으로 해싱함으로써 계산된 메시지 무결성 값으로 연결된 L 번째 데이터 세그먼트 DL 이다. (D1...DL 의 해시의 포함은 선택적이며; 실시형태들은 이것을 생략할 수도 있고, 또는 0 바이트들의 시퀀스 또는 일부 다른 형태의 패딩과 같은 다른 데이터를 연결할 수도 있다.) 이 L 번째 평문 세그먼트는 키 KL 에 의해 암호화되어 암호화된 세그먼트 EL (307) 을 안출한다.
다음, L-1 번째 세그먼트는, 해시 함수 h() 를 EL 에 적용하고, 이 해시 함수를 데이터 세그먼트 DL-1 에 부가하며, L-1 번째 세그먼트로의 암호화 입력으로서 그 결과를 이용함으로써 308에서 프로세싱된다. 그 후, 309에서, L-1 번째 평문 세그먼트는 키 KL-1 을 이용하여 암호화되어 암호화된 세그먼트 EL-1 을 안출한다. 이 프로세스는 다른 세그먼트들에 대해 반복된다. 예를 들어, 제 2 평문 세그먼트에 대응하는 암호화 입력 (310) 은 3 번째 암호화된 세그먼트의 해시 h(E3) 가 뒤따르는 제 2 데이터 세그먼트 D2 로 분해되며, 그 후 입력 (310) 은 키 K2 를 이용하여 암호화되어 암호화된 세그먼트 E2 (311)를 안출한다. 마지막으로, 제 1 평문 세그먼트에 대응하는 암호화 입력 (312) 은 제 2 암호화된 세그먼트 (311) 의 해시 h(E2) 가 뒤따르는 제 1 데이터 세그먼트 D1 로 분해되고, 그 후, 입력 (311) 은 키 K1 을 이용하여 암호화되어 암호화된 세그먼트 E1 (313) 을 안출한다. (전술한 사항의 변형으로서, 후속 세그먼트 해시들은 암호화될 필요가 없는데, 예컨대, Ei는 Di 를 암호화하고, 그 후에 암호화 결과를 Ei+1 의 해시로 연결함으로써 형성될 수 있다.)
암호화된 세그먼트들 E1...EL 은 암호문 E 를 형성한다. 그 후, 도 1 의 단계 104 가 완료된다. Ei의 계산 시에 각각의 Ei+1 의 해시를 이용하는 것은, 암호화 값들을 효과적으로 서로 연쇄시키는데, 이는 복호화 디바이스들이 결함 세그먼트(들)을 복호화하기 전에 수정된(또는 결함) 암호문 세그먼트(들)를 검출하게 하는 데 도움이 된다. 이것을 암호문 해시 체이닝이라고 지칭한다. 상기에 도시된 실시예에서, 각각의 암호문 세그먼트 Ei(1 < i < L) 는 다음 암호문 세그먼트의 해시를 인증하는 데 이용되며, 그 후 E1 은 (필요하다면 D1 에 대한 복호화 이후에) E2 의 예상 해시를 안출한다. 마찬가지로, E2 는 (필요하다면, 복호화 이후에) 세그먼트 E3 의 해시 등을 안출한다.
도 3 의 프로세스는 (예컨대, 입력 메시지가 작거나 또는 도 13 에 도시된 프로세스와 같은 암호화 프로세스 ENC()가 채용되기 때문에) 여전히 모든 데이터가 하나의 세그먼트 (즉, L = 1) 에 있는 경우에 수행될 수 있다는 것에 유의한다. L = 1 의 경우, 오로지 K1 만이 요구되며, K1 = g(KMESSAGE) 이다. 대안으로, KMESSASGE 는 연산 g() 이 함께 생략될 수도 있는 경우에 K1 로서 직접적으로 이용될 수도 있다. 전술된 바와 같이, D1...DL (이 경우, L = 1 이므로, 오로지 D1) 의 해시의 포함은 선택적이다. 프로세스의 결과는 이것이 유일한 세그먼트이므로 E = E1 이다.
도 1 을 다시 참조하면, 데이터 세그먼트 Di 가 계산된 후, 암호화된 메시지의 승인된 수신자들이 복호화 이전에 암호문을 승인하게 할 밸리데이터 V 가 계산된다. 먼저, 값 H2 가 제 1 암호화된 세그먼트 E1 의 해시로서 계산된다 (105). 제 1 세그먼트 E1 이 모든 다른 세그먼트들의 해시들을 포함하는 것을 리콜한다. 따라서, E1 의 해시는, 세그먼트 E1 을 포함하는 모든 세그먼트들의 콘텐츠를 실질적으로 반영하며, 세그먼드들 중 어느 것도 변경되지 않았음을 검증하는 데 이용될 수 있다. (선택적으로, E1 외에, H2 를 생성하는 해시로의 입력이 또한 길이, 버전 넘버, 발신자 아이덴티티, N 의 값 등과 같은 메시지에 관한 추가 정보를 포함할 수도 있다.)
다음, 암호화 디바이스는 비밀 키를 이용하여, 메시지 식별자의 밸리데이터인 V 및 암호문 세그먼트(들) Ei를 계산한다 (106). 밸리데이터 V 는 적어도 하나의 암호문 세그먼트의 해시 (예컨대, 해시 H2 = h(E1)) 및 초기 비밀 (예컨대, KMESSAGE, 또는 하기의 단락에서 설명되는 다른 값들) 을 이용하여 계산된다. V 의 계산은 도 2에서 설명된 누출 방지 키-트리-기반 키 유도 프로세스를 이용하여 수행될 수도 있으며, 시작 키 KSTART 는 KMESSAGE 이고, 경로는 H2를 이용하여 판정된다 (106). 따라서, V 의 유도는 V 에 이르는 복수의 연속적 중간 값들을 계산하는 것을 포함하는데, 여기서 각각의 중간 값은 적어도 하나의 전임자 (예컨대, 도 2 의 경우에 있어서, 그것의 부모 값) 및 해시 (예컨대, H2) 의 관련 부분에 의존한다. 함수 fi(), 값 b 등은 103에서 사용된 것과 동일한 것일 수도 있다(그러나, 반드시 그러한 것으로 요구되는 것은 아니다) 는 것에 유의한다. 이 프로세스는 밸리데이터 V 인 (또는 밸리데이터 V 를 형성하도록 추가로 프로세싱되는) 키 KMESSAGE , H2 의 유도를 초래한다.
전술된 설명은 밸리데이터를 유도함에 있어서 KMESSAGE 로 시작되지만, 대안의 실시형태들은 상이한 값으로 시작될 수도 있다. 예를 들어, 단계 104 에서의 키 KMESSAGE 및 단계 106 에서의 키 KMESSAGE 는 서로 상이할 수도 있지만, 양측 모두는 KROOT,H1 로부터 유도된다. 마찬가지로, 단계 106에서 사용되는 키는 단계 104에서 사용되는 KMESSAGE 로부터 유도될 수도 있고, 또는 그 반대로 유도될 수도 있으며, 또는 (KROOT 외의) 상이한 베이스 키가 KSTART 로서 채용될 수도 있다. 물론, KROOT 자체는 (예컨대, H2 가 N 및/또는 H1 과 하나 이상의 암호문 세그먼트들의 해시인 경우) KSTART 로서 이용될 수도 있다.
본 특허에서 이용되는 밸리데이터는, 일부 추정 암호문이 특정 메시지 식별자와 관련된 일부 평문 메시지 데이터의 비변형 버전의 암호화이고 비밀 암호화 값으로의 액세스를 갖는 엔티티에 의해 생성되었다는 검증가능 암호화 증거이다. 단계 106 에서 구성된 밸리데이터는 편리하게도 복호화 디바이스와 같은 수신자에 의해 차동 전력 분석 및 관련 외부 모니터링 공격들에 대한 민감성을 피하는 방식으로 검증될 수 있다. 또한, 밸리데이터 생성 프로세스 (즉, 단계 106 의 수행) 도 암호화 디바이스가 차동 전력 분석 및 관련 외부 모니터링 공격들에 대한 민감성을 피하게 한다.
밸리데이터를 계산한 후, 암호화 프로세스가 완료된다. 단계 107에서, 결과가 출력된다. 출력 데이터는 수신자가 메시지 식별자, 밸리데이터 V, 및 암호화된 결과 E (암호화된 세그먼트들 E1, ..., EN) 을 유도하게 하는 데 요구되는 정보 (만약 존재한다면, 넌스 N) 로 구성된다. 키 체이닝 및 암호문 해시 체이닝을 조합함으로써, 이러한 타입의 암호화 프로세스는 차동 전력 분석 및 암호화 디바이스에 대한 관련 공격들을 가능하게 하는 방식들로 암호화 디바이스에 위치되는 비밀 키들의 재사용을 피하면서 메시지 인증을 갖는 암호학적으로 강한 출력을 안출할 수 있다. 암호화 결과는 복호화 디바이스가 차동 전력 분석 및 복호화 디바이스에 대한 관련 공격들을 가능하게 하는 방식들로 비밀 키들을 재사용하지 않고 복호화를 수행하게 하는 형태로 생성된다. 키-트리 프로세스는 KMESSAGE 및 밸리데이터 V 의 형성 시에 키들의 재사용을 제한하지만, 암호화 해시 체이닝 방법은 데이터 암호화에 사용되는 키들의 사용을 제한한다.
다음 섹션은 출력 데이터가 복호화 디바이스에 의해 후속하여 어떻게 복호화될 수 있는지를 설명한다.
복호화( DEcryption )
도 4 는 도 1 및 도 3 의 예시적 암호화 프로세스에 대응하는 예시적 복호화 프로세스를 도시한다. 먼저 언급된 바와 같이, 이것은 복호화 디바이스 및 암호화 디바이스 양측 모두가 동일한 식별자 (예컨대, 각각의 디바이스가 넌스 N 을 알고 있기 때문에, H1 을 계산할 수 있음), 베이스 비밀 암호화 값 KROOT, 암호화 함수들 f(), g() 및 h() 를 유도하는 능력을 갖는다. 예시적 복호화 프로세스는 도 2 에서 설명된 동일한 키 유도 프로세스(그리고 키 체이닝) 을 이용할 것이다.
예시적 복호화 프로세스는 단계 400에서 시작하여, 암호화의 추정 결과 (즉, 메시지 식별자 (예컨대, 넌스 N), 밸리데이터 V, 및 세그먼트들 E1, ..., EN 을 포함하는 암호화 결과 E) 를 (예컨대, 비신뢰 디지털 인터페이스를 통해) 획득한다. 단계 401에서, 디바이스는 다음으로 수신 넌스 N 을 해싱함으로써 값 H1 을 계산한다. 넌스가 부정확하게 수신되지 않았다면, 복호화 디바이스는 세그먼트 E12 (그리고, 암호화 동안 이전에 이용되었다면, H2 의 유도에 포함되었던 메시지에 관한 다른 정보)) 을 해싱함으로써 값 H2 를 계산한다는 것에 유의한다. 단계 403에서, 디바이스는 도 2 에 설명된 누출 방지 키-트리 기반 키 유도 프로세스를 이용하여 KSTART = KROOT 및 PATH = H1 과 함께 메시지 키 KMESSAGE 를 계산하고자 한다. 단계 404 에서, 디바이스는, 암호화 디바이스와 동일한 누출 방지 키-트리 기반 키 유도 프로세스 (예컨대, 키 KSTART = KMESSAGE 및 PATH = H2 를 이용하는 도 2 의 프로세스) 를 이용하여 예상된 밸리데이터 V' 을 계산한다. 단계 405 에서, 계산 값 V' 은 수신된 밸리데이터 V 와 비교된다. 예상된 밸리데이터 V' 이 제공된 밸리데이터 와 매칭되지 않으면, 프로세스는 제공된 데이터가 악의적으로 손상되었거나 변형되었을 수도 있고, 또는 일부 다른 에러가 발생했으므로 에러를 갖고 종료된다 (단계 406).
단계 405 에서의 검사거 성공적이면, 프로세스는 단계 407 로 이동하는데, 이 단계에서 카운터 i 가 값 1 로 초기화되는 경우, 키 레지스터 K 는 제 1 암호화된 세그먼트 E1 을 복호화하기 위한 키인 g(KMESSAGE) 를 계산한 결과 (즉, 도 3에서 302 로 라벨링된 K1 의 값) 로 초기화된다. 또한, 단계 407 에서, 변수 H 는 H2 로 초기화된다. 그 후, 하기의 동작들은 도 4 에 도시된 루프에서 수행된다. 먼저, 복호화될 다음 암호문 세그먼트의 해시 (즉, h(Ei)) 가 계산되고, 예상 해시 H 와 비교된다 (단계 408). 비교가 실패하면, 암호화된 세그먼트는 변경되어, 프로세스가 에러를 갖고 종료되고 (409) 추가의 복호화가 수행되지 않는다. 비교가 단계 408 에서 성공하면, 세그먼트 Ei는 단계 410에서 복호화 함수 DEC() 를 이용하여 복호화되며, 키 K 는 다음 암호문 세그먼트는 퍼포팅된 (purportEd) 해시가 뒤따르는 평문 Di 를 포함하는 것으로 해석되는 복호화된 세그먼트를 안출한다. H 가 이 퍼포팅된 해시 값으로 설정된다. 다음, 단계 411에서, 모든 L 개의 세그먼트들이 복호화되었는지를 (즉, 카운터 i 가 L 과 동일한지를) 알기 위한 검사가 수행된다. 카운터가 아직 L 에 도달하지 않았다면, 단계 412 에서, 카운터 i 는 증가하고, 레지스터 K 는 K = g(K) 를 계산함으로써 다음 세그먼트에 대한 복호화 키로 업데이트되고, 프로세스는 단계 408 로부터 앞으로 나아가 반복된다. 단계 411 이, i 가 L 에 도달했음을 판정하면, H 가 예상된 패드 데이터 (예컨대, D1...DL 의 해시) 와 동일한지를 알기 위한 검사가 단계 413에서 수행된다. 이러한 검사가 실패하면, 복호화는 실패 상태로 종료된다 (414). 검사가 성공하면, 복호화 프로세스는 성공적이고, 복구된 복호화된 출력 D = D1, ..., DL 은 단계 415에서 리턴된다.
이 실시형태에서, 복호화 프로세스는 스트리밍 방식으로 이루어질 수 있고 (즉, 복호화 디바이스는 초기에 N, V 및 E1 을 획득할 수 있고, 이후에 나머지 세그먼트들 E2,..., EL 을 한 번에 수신할 수 있다), 여전히 전술된 단계들을 실행할 수 있다. 스트리밍 동작은, 예를 들어 복호화 디바이스가 전체 메시지를 보유할 정도로 충분한 메모리가 결여되어 있는 경우, 또는 모든 데이터가 수신되고 복호화되기 전에 복호화된 데이터의 초기 부분들이 이용 가능할 필요가 있는 경우에 유용하다.
제 2 예시적 실시형태
이 섹션은 검증가능 누출 방지 암호화 및 복호화를 위한 일반적 기법의 제 2 예시적 실시형태를 설명한다. 암호문 해시 체이닝을 이용한 제 1 예시적 실시형태와는 대조적으로, 제 2 예시적 실시형태는 평문 해시 체이닝을 이용한다. 그러나, 양측 모두의 경우들에 있어서, 키들의 재사용은 암호화 디바이스 및 복호화 디바이스 양측 모두에서 제어되어, 차동 전력 분석 및 관련 공격들을 방지한다.
암호화( Encryption )
암호화 디바이스에 의한 암호화의 제 2 예시적 실시형태가 도 5 에 도시되며, 도 5 는, 간결성을 위해, 조합된 프로세스도 및 상태도를 도시한다. 암호화 디바이스는 암호화할 메시지 D, 및 카운터, 랜덤하게 생성된 값, 평문 해시 등일 수도 있는 메시지 식별자 N 을 생성하거나 획득한다.
입력 메시지 D 는 세그먼트들 D1, ..., DL 의 시퀀스로 분할되며, 이러한 세그먼트들은 다음과 같이 평문 세그먼트들 B1, ..., BL 을 생성하는 데 이용된다. 먼저, 세그먼트 B1 (501) 이 메시지 세그먼트 D1 을 임의의 희망하는 메시지 데이터 (X 로 표기되며, 길이 L, 메시지 식별자 N, 트랜잭션 식별자 또는 카운터 등과 같은 엘리먼트들을 포함할 수도 있음) 의 해시와 연결함으로써 형성된다. 다음, B2 (502) 가 D2 를 h(B1)(즉, B1 의 해시)과 연결함으로써 형성된다. 그 후, 각각의 후속하는 Bi 내지 BL-1 이 Di 를 Bi-1 의 해시와 연결함으로써 형성된다. 마지막으로, 최종 평문 세그먼트 BL (504) 이 DL 을 h(BL-1) 과 연결함으로써 형성된다.
프로세스의 다음 단계들 (505-508) 은 키 체이닝 프로세스를 이용하여 평문 세그먼트들 각각에 대한 암호화 키들을 생성하여, 제 1 실시형태와 유사하게, 각각의 암호화 키가 직접 또는 간접적으로 메시지 키에 기초하게 한다. 제 2 예시적 실시형태에서, 제 1 암호화 키 K1 은 간단히 h(N) 을 계산하고, 이후에 KSTART=KROOT 및 PATH=h(N) 과 함께 도 2 에 설명된 바와 같은 누출 방지 키 트리 기반 키 유도 프로세스를 이용하여, K1=KMESSAGE=KROOT ,h(N) 를 계산함으로, 유도된 (505) 메시지 키 KMESSAGE 의 값으로 설정된다. 따라서, 제 2 키 K2 는 g(K1)(506) 을 계산한 결과이다. 이 프로세스는 반복되어, L-1 번째 키 (KL-1)이 g(KL-2)(507) 로서 계산되고 최종 세그먼트 키 KL 이 g(KL-1)(508)로서 계산되게 한다. 따라서, 모든 키 Ki 는 메시지 키 KMESSAGE 에 기초한다(예컨대, 그와 동일하거나 그를 이용하여 유도된다).
프로세스에서의 다음 단계는 암호화된 세그먼트들 E1, ..., EL 을 안출하기 위해 대응하는 키들 K1, ..., KL 을 이용한 평문 세그먼트들 B1, ..., BL 각각의 암호화이다. 예를 들어, 암호화된 세그먼트 E1 은 B1 을 K1 로 암호화하여 생성되고 (509), E2 등은 K2 등으로 B2 등을 암호화하여 생성되고 (510), EL-1 은 KL-1 로 BL-1 을 암호화하여 생성되며 (511), EL 은 BL 을 KL 로 암호화하여 생성된다 (512). 암호화 결과 E 는 세그먼트들 E1, ..., EL 로 구성된다.
프로세스에서의 다음 단계는 암호화를 위한 밸리데이터 V 의 계산이다 (513). 먼저, 해시 함수 h() 는
Figure 112012044698817-pct00001
Figure 112012044698817-pct00002
을 계산하는 데 이용되고, 이 때 "
Figure 112012044698817-pct00003
"은 연결을 표기한다. 다음,
Figure 112012044698817-pct00004
이 계산되고, 그 후 KROOT ,Z 가 누출 방지 키-트리 기반 키 유도 프로세스 (예컨대, 도 2 에 설명된 바와 같이, KSTART = KROOT 및 PATH = Z 를 이용함) 를 이용하여 계산된다. 그 후, 밸리데이터 V 가 키 트리 결과의 해시 (즉, h(KROOT ,Z)) 로서 계산된다. 마지막으로, N, h(BL), E 및 밸리데이터 V 를 포함하는 암호화 프로세스의 결과가 제공된다 (514).
상기의 암호화 프로세스는 입력 데이터 D 가 스트리밍에 의해 도달하거나 또는 다른 이유들로 (예컨대, 메모리 제한 때문에) D 가 한 번에 모두 프로세싱될 수 없는 시스템들에서 채용될 수 있다. 이 경우, 암호화 디바이스는 N, h(X) 및 K1 을 획득함으로써 시작된다. 또한, 실행 중인 해시 계산은 N 으로 초기화된다.
1. N 을 생성하거나 획득함
2. 실행 중인 해시 계산을 초기화함
3. H = h(X) 라 함
4. K = KROOT ,h(N) 이라 함
5. N 을 이용하여 실행 중인 해시 계산을 업데이트함
6. i = 1 이라 함
7. 입력 데이터 Di (예컨대, 내부 스트리밍) 를 수신함
8. Bi = Di 및 H 의 연결
9. H = h(Bi) 라 함
10. Ei= ENC(K, Di) 를 생성함
11. Ei를 이용하여 실행 중인 해시 계산을 업데이트함
12. Ei를 출력함
13. i 를 증가시킴
14. 입력 데이터가 많다면, 단계 7 로 진행함
15. H 를 이용하여 실행 중인 해시 계산을 업데이트함
16. 실행 중인 해시 계산을 완료하고 Z 에 저장함
17. V = h(KROOT ,Z) 를 계산함
18. H (h(BL) 와 동일함), N, V 를 출력함
복호화( Decryption )
복호화의 프로세스가 도 6 에 예시된다. 단계 600에서, 복호화 디바이스는 (일반적으로 불신용 인터페이스로부터) 암호화 프로세스, 즉 E, h(BL), 넌스 N, 및 밸리데이터 V 의 퍼포팅된 결과들을 수신한다. 복호화 디바이스는 E 를 E1, ... , EL 로 분할하고, 카운터 i 를 1 로 초기화하고, 레지스터 H 를 수신된 값 해시 h(BL) 로 설정한다. 메시지의 길이 L 이 또한 수신되거나 판정된다 (예컨대, 1 킬로바이트의 세그먼트 사이즈가 1 킬로바이트보다 작을 수도 있는 거의 모든 최종 세그먼트에 대해 이용되면, L 은 킬로바이트의 반올림된 길이이다). 단계 605에서, 복호화 디바이스는
Figure 112012044698817-pct00005
.
Figure 112012044698817-pct00006
를 계산하며, 이 때, "
Figure 112012044698817-pct00007
"는 연결을 표기한다. 단계 610에서, 복호화 디바이스는 도 2에서 설명된 누출 방지 키-트리 기반 키 유도 프로세스를 이용하여 KROOT , Z 의 값을 계산하되, 루트는 KSTART = KROOT 및 PATH = Z 이며, 그 결과를 해싱하여 h(KROOT ,Z) 를 안출한다. 단계 620에서, 그것은 계산된 h(KROOT ,Z) 를 수신된 밸리데이터 V 와 비교한다. 결과가 V 와 동일하지 않으며, 데이터 손상이 존재하고, 어떠한 복호화도 수행하지 않고 프로세스가 611 에서 중지된다. 검사가 성공하면, 단계 620에서, 복호화 디바이스가 h(N) 을 계산하고, 그 후에 도 2에서 설명된 누출 방지 키-트리 기반 키 유도 프로세스를 이용하여 KROOT ,h(N) 을 계산한 결과로 키 레지스터 K 를 초기화하며, KSTART = KROOT 및 PATH = h(N) 을 갖고, 카운터 i 를 1 로 설정한다.
다음, 하기의 동작들이 루프에서 수행된다. 단계 630에서, 세그먼트 Ei 가 키 레지스터 K 에서의 키로 복호화되어, 데이터 세그먼트 Di 및 해시 값으로 구성된 평문 세그먼트 Bi 를 생성한다. 제 1 세그먼트 (즉, i = 1) 에 대해, 해시는 h(X) 에 비교되는데, X 는 암호화 동안에 X 와 동일한 필드들로 구성된다. 제 1 이후의 세그먼트들 (즉, i > 1) 에 대해, Bi 로부터의 해시는 이전 세그먼트의 해시 (즉, h(Bi-1)) 에 비교된다. 비교가 실패하면, 복호화 프로세스는 단계 641에서 실패한다. 그렇지 않으면, 단계 650에서, Bi 의 메시지 부분 (즉, Di) 이 출력 버퍼 (예컨대, RAM) 에 추가되고, 키 레지스터 K 는 g(K) 를 계산한 후 K 에 그 결과를 저장함으로서 다음 세그먼트 키로 증가한다. 카운터 i 가 또한 1 만큼 증가한다. 단계 660에서, i 의 값은 L 과 비교되며, i 의 값이 L 을 초과하면, 복호화 프로세스는 단계 630 으로 되돌아간다. 그렇지 않은 경우, 복호화 프로세스는, 최종 평문 세그먼트의 해시 (즉, h(BL)) 가 수신된 해시 H 에 비교되는 단계 670에서 완료된다. 단계 670에서 비교가 실패하면 (즉, 값들이 동일하지 않으면), 에러가 발생한 것이고, 복호화는 실패한다 (단계 671). 그렇지 않으면, 결과 데이터 D1, ..., DL이 단계 680에서 출력된다.
이 실시형태에서, 평문의 해시들은 체이닝되고, 평문 세그먼트 Bi 는 평문 Bi-1 의 해시를 포함한다. 이 체이닝은, 누출 방지에 엄격하게 필수적인 것은 아니지만, 평문이 암호화된 것과 동일한 것으로 검증되기 때문에 복호화 프로세스 동안에 발생하는 임의의 결함들이 검출될 수 있다는 추가 특성을 제공한다. 따라서, 이 실시형태는 복호화 프로세스의 손상 가능성이 있는 환경들에서의 사용에 유리하다.
시스템들, 애플리케이션들 및 변형들
이러한 점으로, 본 특허는 누출 방지 암호화 및 복호화를 위한 일반적 기법을 그 기법의 일부 예시적 실시형태들과 함께 설명하였다. 이 섹션은 전술한 사항이 이용될 수 있는 일부 예시적 시스템들 및/또는 애플리케이션들뿐 아니라 전술된 예시적 실시형태들의 양태들의 추가 변형들을 설명할 것이다.
보안 펌웨어 로딩
도 7 은 중앙 처리 유닛 (CPU) 상의 민감한 펌웨어를, 예컨대 소위 시스템 온 칩 (SoC) 의 일부분으로서 안전하게 로딩하는 검증가능 누출 방지 암호화의 애플리케이션을 도시한다. 편의상, 문맥에 따라, 참조부호들은 프로세스의 단계들, 및/또는 그러한 프로세스 단계들에 의해 사용되는 (또는 생성되는) 수량을 지칭할 수도 있다. 이 실시형태에서, SoC 는 CPU (703) 및 다양한 타입의 메모리를 포함하는 단일 집적회로 (700) 로 구성된다. 메모리들은, 코드가 실행될 수도 있는 랜덤 액세스 메모리 (RAM)(701), 신뢰된 부트스트랩 코드를 포함하는 판독 전용 메모리 (ROM)(704), 공유된 암호화 비밀 키 KROOT 를 보유하는 비밀 상태 저장 메모리 (702) 를 포함할 수도 있지만, 이들로 국한되지 않는다. 키 저장 메모리는 다양한 기법들을 이용하여 구현될 수도 있으며, 퓨즈/안티퓨즈, 배터리 보조 RAM 및 EEPROM 를 포함하지만 이들로 국한되지 않는다. SoC 는 (예컨대, 상대방의 관찰 및/또는 제어 하에 잠재적으로) 불신용 소스로부터 전력을 수신할 수도 있는 외부 전력 입력 (707) 을 가질 수도 있다. 외부 공급 클록 (708) 이 또한 수신될 수도 있다 (그리고, 추가 클록들을 형성하기 위해 PLL 과 함께 사용될 수도 있다). SoC 는 데이터 암호화 및 복호화에 대한 AES 엔진, 예컨대 SHA-1 또는 SHA-256 또는 AES 기반 해시 함수 엔진을 포함하되 이들로 국한되지 않는 해시 함수 엔진, 및 도 2 에 기초한 누출 방지 키 유도 프로세스의 구현을 갖는 암호화 하드웨어 콤포넌트 (705) 를 가지며, 함수들 f0(), ..., fb-1() 은 해시 함수 및/또는 AES 함수 또는 그들의 변형들을 이용하여 구현된다. 다른 실시형태들에서, 암호화 하드웨어 콤포넌트 (705) 의 전체 기능, 또는 그의 일부 서브세트가 소프트웨어에 의해 (예컨대, CPU 에 의해) 수행될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
ROM 에서 신용 부트스트랩 코드로부터의 부트스트랩 시, SoC 는, 불신 인터페이스 (706) 를 통해, 이 실시형태에서 플래시 메모리 (709) 인 외부 불신 저장 디바이스로부터 그의 민감한 소프트웨어/데이터를 로딩한다. 민감한 소프트웨어/데이터를 폭로 또는 비승인 변경으로부터 보호하기 위해, 그것은 공유된 비밀 암호화 값 KROOT 를 이용하여 디바이스 제조자 또는 다른 코드 발행자에 의해 검증가능 누출 방지 기법들 (예컨대, 도 1 또는 도 5 에 도시된 바와 같음) 을 이용하여 암호화된다. 암호화 결과는 플래시 메모리 (709) 에 저장된다. SoC 는 먼저 플래시 메모리 (709) 로부터의 암호화된 코드/데이터를 그의 내부 RAM (701) 로 로딩한다. 그 후, 그것은 프로세스가 ROM (704) 암호화 하드웨어 콤포넌트 (705) 에 저장된 신용 부트스트랩 코드로 구현되고, 공유된 비밀 키 KROOT 를 이용하여 키스토어 (702) 로부터 수행되는 누출 방지 복호화 (예컨대, 도 4 에 도시됨) 를 수행한다. 성공적인 경우, 이 프로세스는 검증되고 복호화된 민감한 코드/데이터 이미지를 RAM 메모리 (701) 내에 생성하는데, 이는 이후에 실행될 수도 있다. 복호화 프로세스가 실패한 경우, RAM 내의 암호화된 코드/데이터 (그리고 임의의 부분적으로 복호화된 코드/데이터) 는 플러시되고, 동작은 필요 시 시작부로부터 재시작된다.
이 실시형태에 대한 동작 향상에 있어서, 보안성은 퓨즈, 배터리 지원 메모리, 또는 소프트웨어가 로딩될 디바이스의 다른 로컬 스토리지에서 최소의 수용가능 소프트웨어 버전 넘버를 저장함으로써 보완된다. 디바이스 내로 로딩될 모든 소프트웨어는 버전 번호를 전달할 것이며, 디바이스는 최소보다 큰 버전 번호를 갖는 소프트웨어만을 수용할 것이다. 또한, 일부 소프트웨어 버전들은 SoC 에게 최소의 수용가능한 소프트웨어 버전 번호를 업데이트하여 수용 불가능한 것으로 간주된 이전 버전에 대한 소프트웨어의 악의적 롤백을 방지할 것으로 구체적으로 명령할 수도 있다. 전술된 안티-롤백 방법들은 검증가능 누출 방지 동작들과는 독립적으로 (즉, 이에 대한 부가물로서) 구현될 수 있다. 대안으로, 안티-롤백 방법은 메시지 식별자, 밸리데이터, 또는 검증가능 누출 방지 동작들에서 사용되는 다른 보안된 수량의 일부로서 구현될 수 있다.
당업자는, SoC 애플리케이션들이 여기에서 제시된 특정 아키텍처로 국한되지 않고, SoC들 또는 도 7 에 제시된 실시형태와는 상이한 내부 아키텍처 및/또는 콤포넌트들을 갖는 다른 디바이스들이 보호될 수도 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다.
예를 들어, 도 8 은 보안 프로세서 아키텍처 (800) 로의 검증가능 누출 방지 암호화의 적용을 도시한다. 편의상, 문맥에 따라, 참조 부호들은 프로세스에서의 단계들, 및/또는 그러한 프로세스 단계들에 의해 사용되는 (또는 생성되는) 수량을 지칭할 수도 있다. 이러한 설정에 있어서, 디바이스는 CPU, 베이스 비밀 암호화 키를 포함하는 내부 비밀 상태를 보유하는 키스토어를 포함한다. 퓨즈들 (801) 을 포함하지만 이로 국한되지 않는 비휘발성 저장소가 내부 비밀 상태를 저장하도록 채용될 수도 있다. 암호화 하드웨어 서브콤포넌트 (804) 는 온-칩 데이터/명령 캐시 (803)로부터 외부 RAM 메모리 (806) 로 이동하는 모든 데이터를 암호화하고 및/또는 무결성 보호하고 및/또는 리플레이 보호하며, 외부 비보안 RAM 메모리로부터 페치되는 모든 데이터를 복호화하고 및/또는 무결성 검사하고 및/또는 리플레이 검사한다. 또한, 모든 코드는 비보안 플래시 (805) 에 암호화되고 무결성 보호된 형태로 저장되며, 온-칩 데이터/명령 캐시 (803) 내로 불러올 때 복호화 및 무결성 검사된다. 보안성이 검증가능 누출 방지 암호화의 추가를 통해 개선될 수 있는 배경 기술의 예시적 프로세서 아키텍처들은, IBM 으로부터의 보안 블루 설계 ("IBM Extends Enhanced Data Security to Consumer Electronics Products"라는 명칭의 2006 년 4 월 6일자 IBM press release 에 소개됨) 및 MIT 로부터의 AEGIS 설계 (AEGIS: Architecture for Tamper-evident and Tamper-resistant Processing (Proceedings of the 17th Annual International Conference on Supercomputing, pages 160 - 171, 2003) 에서 설명됨) 를 포함하지만 이들로 국한되지 않는다.
검증가능 누출 방지 암호화의 이용은 모니터링 공격들에 대한 보호를 제공함으로써 기존 프로세서 설계의 보안성을 실질적으로 향상시킨다. 특히, 이 실시형태는 암호화 하드웨어 서브콤포넌트 (804)를 강화하여 기존 보안 프로세서 설계의 암호화 (예컨대, AES) 기능을 재사용하는 키 트리 프로세싱 기능 및 해시 함수를 포함하고, 제 1 예시적 실시형태의 단계들 및 방법을 구현하여 보안 누출 방지 보안 프로세서를 생성한다. 특히, 캐시 (803) 로부터 RAM 메모리 (806) 에 기록되는 임의의 데이터는 누출 방지 암호화 프로세스 (예컨대, 도 1 에 도시됨)를 이용하여 암호화되고, 불신용 플래시 (805) 및 불신용 RAM 으로부터 판독된 임의의 코드는 도 4에서 약술된 누출 방지 복호화 프로세스를 이용하여 복호화된다. 데이터가 특정 세그먼트에 기록될 때, 그 세그먼트에 대응하는 카운터가 증가하고, 카운터 값은 그 세그먼트에 대한 암호화 및/또는 무결성 검사 생성 프로세스에 포함되어, 낡은 데이터의 치환을 수반하는 공격들의 검출을 가능하게 한다.
FPGA 비트스트림 로딩
FPGA 내로 로딩될 로직은 종종 고도로 민감한 트레이드 비밀, 암호 비밀 및/또는 폭로 또는 복제로부터 보호될 필요가 있는 다른 민감한 정보를 포함한다. 이 로딩된 로직 또는 업그레이드된 로직은 일반적으로, 플래시 메모리 디바이스 또는 CPU 또는 일부 다른 소스 (907)을 포함하지만 이들로 국한되지 않는 외부 소슬부터의 비트스트림으로서 FPGA 에 공급된다. 일부 FPGA 는 구성 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리를 포함하고, 다른 것들은 칩이 전력을 공급받을 때마다 재로딩되어야 한다. 기존의 FPGA 는, (예컨대, 온-칩 플래시, EEPROM, 또는 퓨즈들을 이용하여) 일반적으로 배터리 지원 메모리에 보유되거나 또는 국부적으로 저장된 키를 이용하여, 비트스트림들을 복호화하는 능력을 갖는다. FPGA 는 공급된 암호화된 비트스트림을 FPGA 내에 존재하는 프로그래밍가능 슬라이스들 내에 인스톨하기 전에 (또는 인스톨하는 동안에) 그러한 비트스트림을 복호화한다. 차동 전력 분석 공격들 및 관련 외부 모니터링 공격들은 비트스트림 프로세스들에 대해 시도되어, 성공적인 공격이 비트스트림 복호화 키 및/또는 비트스트림 자체의 폭로를 가져올 수 있을 때 심각한 보안 위험을 제기할 수 있다.
도 9 를 참조하면, 검증가능 누출 방지 암호화는 FPGA 상에서 보안 비트스트림 복호화 기능을 생성하는 데 이용될 수 있다. 복호화 이전, 민감한 비트스트림은 누출 방지 암호화 프로세스 (예컨대, 제 1 예시적 실시형태에서 설명된 바와 같음)를 이용하여 외부 디바이스에 의해 암호화되어, 암호화된 비트스트림을 생성한다. 암호화된 비트스트림은 외부 플래시 또는 하드드라이브와 같은 불신용 메모리에 위치될 수도 있고 (907), CPU 등과 같은 불신용 소스로부터 취출될 수도 있다.
FPGA 내에서, 누출 방지 복호화를 위한 암호화 비밀 KROOT 는, 내부 비밀 상태를 저장하고, 퓨즈, 배터리 지원 RAM (902, 903), EEPROM, 플래시 등을 포함하되 이들로 국한되지 않는 기법들을 이용하여 구현될 수도 있는 키스토어 (902) 에 보관된다. FPGA (900) 는 인터페이스 (906)를 통해 암호화된 비트스트림을 수신한다. 이 비트스트림은, 예를 들어 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태 (도 1 및 도 5 에 대응함) 중 어느 하나를 이용하여 암호화되었을 수 있다.
도 1 의 실시형태가 암호화에 이용되었다면, FPGA 는 먼저 넌스 N, 밸리데이터 V, 길이 L, 및 초기 세그먼트 E1 를 수신한다. E1 은 암호화된 세그먼트 버퍼에 저장된다 (905). 전술된 바와 같은 누출 방지 복호화 프로세스 (예컨대, 도 4 참조) 를 이용하면, E1 의 해시가 계산되고, 밸리데이터가 KROOT ,L, 및 해시로 검증되어, (성공 시) KMESSAGE 또는 치명적 에러 (이 경우에는 프로세스 중단)를 안출한다. 성공적인 경우, FPGA 는 세그먼트 복호화 프로세싱 콤포넌트 (904)를 이용하여 E1 에 대해 누출 방지 복호화 프로세스를 수행한다. E1 의 복호화는 로딩되고, 검증되며, 복호화되는 세그먼트 E2 의 해시를 안출한다. 프로세스는 한 번에 하나의 세그먼트를 계속하는데, 이는 최종 세그먼트가 복호화되고 검증될 때까지이다. 에러가 발생하면, 프로세스는 중단되고, 모든 부분 FPGA 복호화 데이터가 와이핑된다. (실패 시, 프로세스는 시작으로부터 다시 재시작될 수 있다.) 하나 이상의 상태 레지스터들 (910) 은 비트스트림 로딩 프로세스의 상태를 추적 (예컨대, 프로세스가 진행 중인지 실패인지 또는 완료인지를 추적) 하는 데 사용된다. 상태는 또한 진단 목적 및 외부 콤포넌트들에 의한 사용을 위해 내보내질 수 있다. 일단 모든 세그먼트들이 성공적으로 로딩되었다면, FPGA 가 이제 구성되고, 이용될 수 있다 (예컨대, FPGA 는 이제 I/O, 클로킹 등을 허용하여, 로딩된 비트스트림 이미지에 적용될 수 있다). FPGA 동작은(예컨대, 비완료 FPGA 이미지에 관한 정보 누설을 피하고 부정확한 FPGA 구성으로부터 발생하는 전체 회로의 예측불능 동작을 피하기 위해) 비트스트림이 충분히 로딩될 때까지 방지될 수 있다.
도 5 의 제 2 실시형태가 암호화를 위해 사용되었다면, FPGA 는 먼저 E, V, N 및 h(BL)을 수신하고 E를 버퍼에 저장한다. 그 후, FPGA 의 세그먼트 복호화 프로세싱 콤포넌트 (904) 는 도 6 에 설명된 방법을 이용하여, 제공된 암호화된 세그먼트들을 검증 및 복호화한다. 상태 레지스터(들)(910) 은 비트스트림 로딩의 상태, 검증, 및 복호화 프로세스들을 추적하는 데 사용되며, 임의의 심각한 에러는 프로세스의 중단 및 임의의 부분 복호화된 데이터의 와이핑을 초래한다.
네트워크 통신 및 다른 패킷 기반 애플리케이션들
도 10 은 외부 모니터링 공격들로부터 네트워크 통신을 보호하도록 하는 검증가능 누출 방지 암호화의 애플리케이션을 도시한다. 이 실시형태에서, 디바이스 A (1000), 디바이스 B (1030) 및 디바이스들 (1040) 과 같은 다수의 네트워크 디바이스들은 네트워크 (1020)를 통해 서로 통신한다. 이들 통신의 일부 또는 모두는 민감한 정보를 포함하여, 데이터를 암호화하고 인증하는 데 유용하게 한다. 또한, 이러한 디바이스들의 일부 (이 실시형태에서는 디바이스 A) 는 외부 모니터링 공격들로부터 그들의 암호 계산 및 키들을 보호하기 위해 요구된다.
디바이스 A 는 그것이 통신할 필요가 있는 다른 디바이스들과 공유된 암호 루트 키들의 테이블을 저장하도록 하는 키스토어 (1001)를 갖는다. 이러한 키들은 이전에 저장되었을 수도 있고, 또는 (예컨대, 공개 키 암호 작성법을 이용하여) 협상될 수도 있다. 공개 키 암호 시스템들을 이용하여 키들을 협상하는 방법들은 배경 기술에 주지되어 있으며, SSL 및 IPSEC 와 같은 프로토콜들에서 이용된다. 이 실시형태는 그러한 프로토콜들 또는 다른 프로토콜들 내에 용이하게 통합될 수 있다.
암호화될 아웃바운드 패킷들 또는 데이터 세그먼트들은 애플리케이션, 운영 체제, 드라이버, 또는 다른 콤포넌트로부터 기원하며 (1002), 평문 패킷 버퍼에 진입한다 (1003). 그 후, 각각의 패킷은, 검증가능 누출 방지 암호화 방법 (예컨대, 도 1 에 설명된 바와 같은 방법)을 이용하여 암호화되는 세그먼트 암호화/복호화 프로세싱 콤포넌트를 이용하여 프로세싱된다 (1004). 이 암호화를 위한 루트 키는 디바이스 A 와 목적지 디바이스 사이의 공유된 키이며, 키스토어 (1001) 로부터 획득된다. 이 프로세싱을 위해, 메시지 식별자 넌스 N 은, 카운터를 포함한, 임의의 (바람직하게는) 고유한 값일 수도 있다. 예를 들어, 넌스는 패킷 식별자를, 가능하게는 오버플로우를 방지하기 위한 추가 최상위 비트들, 값의 해시, 난수 등의 포함을 갖는 TCP 시퀀스 번호와 같을 수 있다. 각각의 패킷에 대해, 누출 방지 암호화 동작은 암호화된 세그먼트 및 밸리데이터 V 를 생성한다. 넌스는 (예컨대, 이전에 수신된 패킷들의 수에 기초하여) 송신될 수도 있고, 또는 내포될 수도 있다. 암호화된 세그먼트 V 및 임의의 다른 요구되는 데이터는 아웃고잉 패킷 내에 어셈블리되고, 적절한 목적지 디바이스로의 라우팅을 위해 네트워크 인터페이스 콤포넌트 (1006) 및 그 후의 네트워크 (1020) 로 이동한다.
인바운드 암호화된 패킷들에 대해, 전송 디바이스가 전술된 바와 같은 암호화를 수행하였다는 것을 가정한다. 이러한 패킷들은 네트워크 인터페이스 콤포넌트 (1006) 에 의해 네트워크로부터 수신되고, 이후에 암호문 패킷 버퍼 (1005) 로 이동한다. 그 후, 각각의 패킷은 누출 방지 복호화 프로세스 (예컨대, 도 4에서 설명된 바와 같음) 가 수행되는 세그먼트 암호화/복호화 프로세싱 콤포넌트 (1004) 에 의해 프로세싱된다. 이 복호화 프로세스 동안, (i) 수신 디바이스와 전송 디바이스 사이의 공유된 키가 키스토어 (1001) 로부터 획득되고, (ii) 넌스 N 은 패킷으로부터 복구되거나 이와 달리 결정되며, (iii) 밸리데이터가 N 및 암호화된 패킷에 대해 검증되고, (iv) 밸리데이터가 정확하면, 패킷 데이터가 복호화된다. 디바이스 A 와 전송 디바이스 사이의 공유된 암호화 비밀은 KROOT 로서 이용될 수도 있다. 복호화 또는 검증이 실패하면, 패킷은 드롭된다. 그렇지 않으면, 성공적인 복호화 시, 복호화 결과가 애플리케이션, 운영 체제, 드라이버 등에 제공될 수 있다.
이 프로세스는 도 11 및 도 12 에 약술된다. 도 11 은 검증가능 패킷 레벨 누출 방지 암호화 프로세스를 예시하고, 도 12 는 대응하는 복호화 프로세스를 예시한다. 검증가능 패킷 레벨 누출 방지 암호화 프로세스는 다음과 같다: 베이스 암호화 값 KROOT를 공유하는 소스 및 목적지를 갖는 입력 패킷 데이터 D (1100) 가 제공되며, 메시지 식별자 N 이 (예컨대, 통신 프로토콜과 관련된 시퀀스 번호와 같은 패킷 D 및/또는 일부 패킷에 존재하는 랜덤 소스 및/또는 정보를 이용하여) 단계 1101 에서 생성된다. TCP/IP 통신의 경우, N 은 세션 식별자, 시퀀스 번호 (선택적으로, 롤오버를 방지하기 위해 첨부된 추가의 최상위 비트들을 가짐), 소스 포트, 목적지 포트, 및/또는 다른 값들로부터 구성될 수 있다. 다음, 단계 1102에서, N 의 해시가 계산된다. (선택적으로, 이 단계는 생략될 수도 있고, N 은 KMESSAGE 의 유도 시에 h(N) 대신에 이용될 수도 있다.) 후속으로, 단계 1103 에서, 메시지 키 KMESSAGE = KROOT ,h(N) 은 KSTART = KROOT 및 PATH = h(N) 과 함께 도 2에서 설명된 누출 방지 키-트리 기반 키 유도 프로세스를 이용하여 계산된다. 입력 패킷 데이터 D 는 키 KMESSAGE 로 암호화되어, 암호화 결과 E (1104)를 안출한다.
다음, E 의 해시가 (예컨대, SHA-256을 이용하여) 계산된다 (1105). 그 후, 암호화를 위한 밸리데이터 V 가, KSTART = KMESSAGE 및 PATH = h(E) 와 함께, 도 2에서 약술된 누출 방지 키-트리 기반 키 유도 프로세스를 이용하여 KMESSAGE ,h(E)(1106) 로서 계산된다. 마지막으로, 출력 패킷은 V, E 및 N (또는, 존재한다면, 수신자가 N 을 복구하게 하는 데 요구되는 임의의 다른 정보)을 포함하도록 형성된다. 그 후, 출력 데이터 E 는 패킷에서 (인터넷을 통한 원격 컴퓨터와 같은) 원격 디바이스로 전달된다.
선택적 최적화로서, 암호화 디바이스가 전송을 위해 버퍼링된 다수의 패킷들을 갖는다면, 오로지 하나의 밸리데이터가 모든 패킷들을 위해 요구되도록 동시에 다수의 패킷들을 암호화할 수 있다. 예를 들어, 암호화 프로세스는 도 3 에 도시된 바와 같이 수행될 수도 있고, 이 때 각각의 세그먼트 Di 는 패킷이다. 이 방식으로 패킷들을 조합하는 것은, 전송자 및 수신자 양측 모두에게 요구되는 키-트리 동작들의 수를 감소시킨다.
대응하는 검증가능 패킷 레벨 누출 방지 복호화 프로세스가 도 12 에 예시된다. V, E, N (또는 N, 예컨대 시퀀스 넘버를 복구하기에 충분한 데이터)을 포함하는 암호화된 패킷 및 공유된 암호화 비밀 KROOT (1200) 이 제공되면, 복호화 프로세스는 다음과 같이 진행된다: 먼저, h(N) 의 값 (1201) 이 계산된다 (또는 암호화 디바이스가 N 을 직접 이용했다면, 이 단계는 생략된다). 그 후, E 의 해시가 계산된다 (1202). 다음, KMESSAGE = KROOT ,h(N) 이, KSTART = KROOT 및 PATH = h(N) 과 함께, 도 2에서 약술된 누출 방지 키 트리 프로세스를 이용하여 계산된다 (1204). 후속으로, 복호화 디바이스는 V' = V인지를 검사한다 (1205). 그들이 같지 않으면, 프로세싱은 이 패킷에 대해 중지되고, 그 패킷은 폐기된다 (1206). 검사가 성공하면, E 는 KMESSAGE 로 복호화되어 (예컨대, 도 14 에 도시된 DEC() 프로세스를 이용하여) 평문 패킷 D 를 안출한다 (1207).
스마트카드 애플리케이션들( Smart Card Applications )
검증가능 누출 방지 암호화 및 복호화가 (예컨대, 스마트카드가 차동 전력 분석 및 관련 외부 모니터링 공격들로부터 안전한 방식으로 암호화 및/또는 복호화를 수행하는 데 요구되는 프로토콜들과 관련하여) 스마트카드에서 구현될 수 있다. 이러한 시스템들 및 프로토콜들의 실시예들은, 지불 텔레비전 신호들, 납부 (오프라인 파라미터들을 포함함), 아이덴티티 검증/네트워크 로그인, 모바일 전화 SIM 카드들, 및 수송 패스들의 복호화를 위한 키들 (제어 워드들) 의 유도를 포함하지만 이들로 국한되지 않는다. 본 특허에 개시된 예시적 암호화 기법들은 스마트카드 S의 비밀 키들이 그러한 프로토콜들을 수행하면서 외부 모니터링 공격들로부터 보호되는 것을 보장하도록 하는 데 이용될 수 있다. 스마트카드들 (또는 다른 보안 칩들) 은 또한, 마치 KSTART 가 결코 스마트카드를 떠날 필요가 없도록 스마트카드가 도 3 의 키-트리 기반 키 유도 프로세스를 구현하는 것처럼, 더 큰 시스템에서 이용되는 누출 방지 암호화 또는 복호화 프로세스들 중 일부 또는 모두를 구현하는 데에도 이용될 수 있다.
수동 인증 애플리케이션들
많은 애플리케이션들에 있어서, 2 개 이상의 디바이스들은 서로 인증하고 및/또는 그들 사이에서 민감한 정보를 교환할 필요가 있다. 이러한 프로토콜들의 예시적 애플리케이션들은, (i) 프린터 및 카트리지 양측 디바이스들이 진품이고 위조품이 아니라는 것을 보증하도록 하는 프린터와 카트리지 사이의 승인; (ii) (예컨대, 도난당한 비디오 복호화 키들의 도입을 방지하기 위해) 콤포넌트들이 진본인 것을 보장하도록 하는 세톱 박스와 스마트카드 사이의 승인; (iii) 차고 문과 오프너 사이의 승인; (iv) (예컨대, 문을 잠금해제하거나 엔진을 시동하기 전에) 키들을 승인하는 (차에서 사용될 수도 있는 바와 같은) 무키 입력 시스템들; (v) 빈번하게 도난 당하는 아이템들 (예컨대, 라디오, GPS 유닛들, 셀 폰들 등) 에 의해 수행되어 도난 당하거나 탬퍼링된 디바이스들이 동작하지 못하게 하는 인증 프로토콜들; 및 (vi) 입력을 허용하기 전에 키/토큰을 승인하는 보안 빌딩에서 발견되는 것들과 같은 입력 시스템들을 포함하지만 이들로 국한되지 않는다. 이러한 애플리케이션들에서, 디바이스들 사이의 도전 응답 프로토콜들은 일반적으로 수동적 승인 및 민감한 정보의 교환을 위한 공유된 비밀 키의 셋업 양측 모두에 이용되고 있다. DPA를 견디면서 이러한 인증을 수행하도록 하는 간단한 프로토콜들은 본 특허의 방법을 이용하여 임의의 요구된 암호화 또는 복호화 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 디바이스는 본 특허에서 개시된 기법들을 이용하여 유효한 밸리데이터를 공급하고 및/또는 메시지를 복호화하는 그의 능력을 통해 그것의 진위를 입증할 수 있다.
인트라 - 세그먼트 키 변경들을 갖는 세그먼트 암호화 및 복호화
이 섹션은 (예컨대, 도 3 의 단계 320, 도 4 의 단계 410, 도 5 의 단계 509, 도 6 의 단계 630, 도 11 의 단계 1104, 도 12 의 단계 1207에서 도시된 바와 같은) 예시적 실시형태들을 구현하는 (ECB 또는 CBC 모드에서의 AES 와 같은) 종래의 암호화 프로세스들 대신에 이용될 수 있는 ENC() 및 DEC() 동작들의 예시적 변형들을 설명한다. 도 13 및 도 14 에 각각 도시된 ENC() 및 DEC() 변형들에서, 암호화 키들은, 심지어 더 큰 보안성을 위해, 빈번하게 변경된다. 구체적으로, 추가 암호화 키 업데이트들은 Ei 로의 데이터 세그먼트 Di (또는 그 반대로) 의 암호화 내에서 발생한다. 따라서, 이러한 변형들을 인트라-세그먼트 키 변경들을 구현하는 것이라 지칭한다.
ENC() 및 DEC() 에 대한 변경들 외에, 제 1 및 제 2 예시적 실시형태들에서의 동작들 중 나머지는 이전에 설명된 바와 같이 구현될 수 있다. 예를 들어, 비제한적으로, 초기 메시지 키 KMESSAGE, 밸리데이터 V 등을 포함하는 연산들은 변경될 필요가 없다.
도 13 은 데이터 세그먼트들을 암호화하는 ENC() 연산의 예시적 실시형태이다. 도 14 는 DEC() 연산의 대응하는 예시적 실시형태이다. 이 실시형태에서, 이러한 연산들은 암호 블록 체이닝 (CBC) 모드에서 블록 암호 AES 를 이용하여 이루어지지만, 다른 QFFHR 암호들 또는 암호화/복호화 기초요소 또는 암호화 모드들이 마찬가지로 이용될 수 있다는 것은 당업자에게 명확할 것이다.
세그먼트 i 에 대한 암호화 프로세스로의 입력들은 세그먼트 키 Ki (1301) 및 데이터 세그먼트 Di (1310) 이다. 입력 데이터 세그먼트 Di (1310) 는 서브세그먼트들 Di,1 (1311), Di,2(1312) 등으로 분할된다. 도 13 및 도 14 는 3 AES 블록들의 서브세그먼트들로 분할되는 데이터 세그먼트 D를 도시하지만, 다른 사이즈들도 이용될 수 있고, AES 외의 다른 알고리즘들도 물론 채용될 수도 있다. (더 적은 서브세그먼트들은 계산상의 오버헤드를 증가시키고, 더 큰 서브세그먼트들은 키들로 하여금 더 많은 동작들에서 이용되게 하여, 정보가 누출될 잠재성을 증가시킨다.) 세그먼트 키 Ki 는 해시 연산 m() 으로 변환되어, 제 1 서브세그먼트 Di,1 에 대한 키인 Ki,1 (1302) 를 안출한다. 초기화 벡터 (IV)(1314) 가 이용될 것이면, 그것은 Di,1 의 제 1 AES 블록과 XOR 연산된다. (어떠한 IV 도 이용되지 않을 것이면, 이 XOR 단계는 생략될 수도 있다. IV 가 이용되면, 그것은, 예컨대 그것을 밸리데이터 계산에 포함시킴으로써 또는 IV를 메시지 식별자와 같은 검증된 값으로부터 유도함으로써 승인될 수 있다.) (Di XOR IV) 의 제 1 비트들은 세그먼트 키 Ki,1 (1302)를 이용하여 AES (1315) 로 암호화되어, 암호문 서브세그먼트 Ei,1 의 제 1 부분을 형성한다. 이 암호문 부분은 또한 서브세그먼트 Di,1 의 다음 비트들과 택 연산되어, 키 Ki,1 (1302)를 이용하여 후속으로 암호화되어 서브세그먼트 Di,1 (1311) 의 다음 부분을 생성하는 다른 AES 입력을 안출한다. 유사한 암호 블록 체이닝 동작이 수행되어, 키 Ki,1 로 수행되는 제 3 AES 암호화로의 입력을 형성한다. 3 개의 AES 연산들의 결과는 암호문 서브세그먼트 Ei,1 (1320) 이다. 제 4 AES 연산은 다음 데이터서브세그먼트 Di,2 (1312)의 제 1 블록 상에서 수행되고, m()를 Ki,1 (1302) 에 적용함으로써 유도되는 새로운 키, 특히 Ki,2 (1303) 가 사용된다. Di,1 을 프로세싱하는 것으로부터의 최종 암호문은 Di,2 (1312) 의 제 1 부분에 대한 IV (1317) 이 된다. 암호화 프로세스는, 모든 s 개의 데이터 서브세그먼트들의 모든 블록들이 암호화되어, 궁극적으로 암호화된 서브세그먼트들 Ei,2 (1321), ..., Ei,s (1322)를 안출할 때까지, 그리고 새로운 키가 각각의 서브세그먼트에 대해 m()을 이용하여 유도되는 경우에 계속된다. 마지막으로, 암호문 서브세그먼트들은 최종 암호문 세그먼트 Ei (1330) 를 형성하도록 어셈블리된다.
도 14를 참조하면, 복호화 프로세스 DEC() 는 ENC() 프로세스의 역이다. 서브키 Ki,1 (1402), Ki,2 (1403) 등은 상기 암호화 동안과 동일한 프로세스를 통해 m()를 이용하여 세그먼트 키 Ki (1401) 로부터 유도된다 암호화된 세그먼트 Ei 는 서브세그먼트들로 분할되고, 각각의 서브세그먼트는 서브키들로 복호화되는 하나 이상의 AES 입력들을 포함한다. 각각의 복호화 연산 후, 적절한 IV (존재한다면) 또는 이전 암호문이 데이터와 XOR 처리된다. 최종 데이터는 서브세그먼트들 (1420, 1421, 1432 등)을 형성하도록 어셈블리되며, 이 서브세그먼트들은 이후에 Di (1430)를 형성하도록 어셈블리된다.
상기 ENC() 및 DEC() 프로세스는 급속한 키 변경을 포함하여 더 큰 누설 공차를 제공하는 실시예들이다. ECB, CBC, 또는 카운터 (예컨대, 갈로이스 카운터) 모드들에서 (RC4, SEAL, AES, DES, 트리플 DES 등과 같은) 스트림 암호 및/또는 블록 암호의 적용을 포함하는 다른 세그먼트 암호화 및 복호화 방법들이 이용될 수 있다. 동일한 키가 세그먼트의 모든 데이터에 적용되는 그러한 동작들에 대해, 각각의 키로 수행되는 동작들의 수를 제한하도록 암호화 이전에 (예컨대, 데이터를 도 3 에 도시된 바와 같이 서브 세그먼트들로 분할함으로써) 각각의 세그먼트의 사이즈를 제한하여, 각각의 키로 수행되는, 상대방이 관찰할 수 있는 동작들의 수를 감소하는 것이 유리할 수도 있다.
통신 채널
여기에 개시된 데이터 교환은 폭넓은 가능한 방식들로 실현될 수도 있다. 예를 들어, 제한 없이, (I2C, JTAG, PCI, (USB 를 포함한) 시리얼 I/O , PCI 익스프레스, 이더넷 등과 같은) 통상의 버스/인터페이스들, (802.11 계열, 블루투스, 셀룰라 전화기 프로토콜, IS014443 등과 같은) 무선 프로토콜, 및 (APB, 다른 플립 플롭들과의 직접 접속 등과 같은) 칩 내 접속이 모두 이용될 수도 있다. 상술한 내용 각각에 대해, 전송 디바이스(들) 및 수신 디바이스(들)는 (필요에 따라) 전송, 수신 또는 전송 및 수신할 수 있는 적절한 인터페이스들 (예를 들어, 상술한 유형들의 인터페이스들) 을 갖는다.
복호화 이전의 다른 형태들의 데이터 검증 ( Data Validation )
이제까지 제공된 예시적인 실시형태들은 (예를 들어, 도 2 에 나타낸 바와 같은) 리크-저항 키-트리-기반 키 (leak-resistant key-tree-based key) 유도 프로세스를 이용하여 복호화 이전에 안전하게 검증될 수 있는 암호문의 검증기를 계산하였다. 이 프로세스는 광범위한 애플리케이션에 매우 적합하지만, 유사한 역할을 서브할 수 있는 값을 생성하는 다른 기술들도 특정 설정들에 적합할 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 암호화 프로세스는 외부 모니터링에 저항성 (복호화 프로세스는 이러한 저항을 요구하지 않음) 있도록 요구받지 않으며/않거나 (미국 특허 제6,304,658호에 설명된 바와 같은) 공개 키 디지털 사인 프로세스들에 대한 대책들이 존재할 수 있다. 이들 시스템에서, 디지털 사인 (디지털 서명) 동작들을 이용하여 복호화 시간에 검증될 수 있는 값을 구성하여, 암호문이 변형되지 않음을 보장할 수도 있다. 예를 들어, 디지털 서명은 적어도 하나의 암호화된 세그먼트 및 메시지 식별자를 인증할 수 있다. 공개 키 디지털 사인 알고리즘의 예들은 제한 없이, RSA, DSA,및 (제한없이 EC-DSA 를 포함한) 타원 곡선 DSA 변형물을 포함한다. 디지털 서명의 검증은 어떠한 민감한 정보도 요구하지 않으며, 따라서, 복호화 전에 수행될 수도 있다. 그러나, 이 유연성은 암호화 디바이스 내에서 공개 키 서명 로직을 필요로 하고 복호화 디바이스 내에서 공개 키 검증 로직을 필요로 한다는 댓가를 치룬다. 또한, 검증기 (또는, 검증기 대체물) 가 복수의 대칭 검증기들, 공개 키 서명들, 또는 다른 요소들로 구성되는 것도 가능하다.
비 순차적 세그먼트 키 유도
세그먼트 키들 (예를 들어, 도 3 에서의 K1, K2, ... KL) 및 서브세그먼트 키들 (도 13 에서의 Ki ,1, Ki ,2 등) 은 순차적으로 유도되도록 요구되지 않는다. 예를 들어, 키들은 계층적 트리 패턴으로 유도될 수 있거나, 보다 일반적으로, 각각의 키가 임의의 이전 키(들)의 함수일 수 있거나, 또는 키 트리 구성을 이용하여 KROOT 로부터 독립적으로 유도될 수 있거나 또는 키들이 다른 키들 및 키 트리 구성의 몇몇 조합을 이용하여 유도될 수 있다.
데이터 전송 및 계산의 재순서화 ( Reordering )
데이터 전송 및 동작의 순서화는 변경될 수도 있다. 예를 들어, 도 1, 도 3 및 도 4 에 설명된 예시적인 실시형태는 마지막 세그먼트 (DL) 에서부터 제 1 세그먼트 (Dl) 로 진행하는 암호화 프로세스를 나타내며, 각각의 세그먼트 (Di) 는 i+l 번째 세그먼트의 암호화 결과 (Ei +l) 의 해시를 포함한다. 별도의 검증기가 제 1 암호화된 세그먼트 (El) 에 대해 계산된다 (예를 들어, 단계 106 을 참조). 이 접근 방식은 도 4 에 도시된 복호화 디바이스에 대해 유용할 수 있는데, 그 이유는 암호화 디바이스는 버퍼링을 해야할 필요가 있는 반면, 복호화 디바이스는 복호화 전에 전체 암호화 결과를 버퍼링할 필요가 없기 때문이다.
대안으로서, 암호화 디바이스는 Dl 에서 시작하여 DL 에서 끝나는 세그먼트들을 암호화할 수 있고, 각각의 세그먼트 Di +l 는 이전 세그먼트의 암호화 (Ei) 의 해시를 포함한다. 이 예에서, 세그먼트 (Dl) 는 (예를 들어) 이 세그먼트가 제 1 세그먼트임을 나타내도록 해시 함수의 출력 길이와 동일한 크기의 0들의 스트링에 의해 확장된다. 그 후, 키 트리에 의해 생성된 검증기는 PATH=h(EL) 를 이용하여 계산된다. 이 변형예에서, 복호화 프로세스는 도 4 와 유사하지만, 마지막 암호화된 세그먼트에서부터 시작하여 제 1 세그먼트로의 역방향의 진행을 한다. 따라서, 현재 복호화 디바이스는 버퍼를 해야 하지만, 암호화 디바이스는 더이상 데이터 세그먼트들을 버퍼하지 않는다.
해시들의 추가적인 검증기들의 대체
몇몇 예들은 후속의 암호화된 세그먼트들을 인증하는 데이터 세그먼트에서의 해시들을 보여주고 있지만, 대안으로서, 후속의 세그먼트들은 자신의 독립적인 검증기를 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 3 은 세그먼트 (E2) 가 변경되지 않았음을 검증하도록 해시 (h(E2)) 를 수행하는 제 1 데이터 세그먼트 (312) 를 보여준다. 그러나, 이러한 해시가 항상 요구되는 것은 아니며, 몇몇 경우에, (예를 들어, 다음 세그먼트가 대신에 검증기를 수행한다면) 생략될 수 있다. 이는 암호화를 다소 간략화하지만, 더 많은 검증기가 연산 및 검사될 필요가 있기 때문에 계산을 증가시킨다. 저장/메모리가 한정된다면 또는 스트리밍 애플리케이션에서는, 후속의 데이터를 이용가능하고 버퍼링되도록 할 필요성을 회피하는 이점이 주어진다면, 추가적인 계산 작용 (effort) 이 정당화될 수도 있다.
해싱에서의 변형들( Variations in Hashing )
일부 도식들에서, 도 3 에서의 h() 와 같은 단일 동작이 다수회 적용되고, 및/또는 상이한 용도에 이용된다. 일반적으로 이들 모두가 동일한 기능이라는 것이 요구되는 것은 아니다. 예를 들어, 상이한 단계들은 상이한 해시 함수들을 채용할 수 있다.
해시 함수의 출력은 트렁케이트될 수도 있고, 다른 해시 함수 출력들과 조합될 수도 있고, 또는 이와 달리 사후 프로세싱을 통해 변형될 수도 있다. 예를 들어, SHA-2 는 256-비트 출력 해시를 생성하지만, 더 짧은 메시지 식별자 (예컨대, 160-, 128-, 80- 또는 64-비트) 가 희망될 수도 있다. 함수 h() 는 내적으로 SHA-2를 이용할 수도 있고, 그 결과의 오직 일부 비트들만을 리턴할 수도 있다.
동작 순서의 변형
예시적 실시형태들 중 일부는 데이터 엘리머트들이 연결되거나 조합되는 특정 순서를 지정한다. 예를 들어, 도 3 의 단계 303-312에서, 데이터 Di 는 해시 h(Ei+1) 로 연결된다. 해싱되기 전에 데이터 세그먼트들이 시퀀스에서 연결되는 다른 실시예들은 도 5 의 엘리먼트들 501-504 및 513, 도 3 의 단계 306을 포함한다. 이러한 특정 순서화는 가능한 순서화의 하나의 실시예에 불과하며, 다양한 다른 데이터 순서화가 대안의 실시형태들에서 이용될 수 있다.
트리 기반 키 유도의 변형들
동작들 (예컨대, fi) 이 가역적이면, 트리의 최상단외의 값을 시작 값으로서 이용하는 것이 가능하다. 마찬가지로, 계산된 값들은 캐싱될 수 있다 (예컨대, 메시지 식별자가 카운터이며, 초기 동작들은 일반적으로 하나의 메시지로부터 다음 메시지로 변하지 않을 것이고, 그에 따라 재계산될 필요가 없다).
에러 검출 및/또는 정정
암호 디바이스의 동작에 결함들을 주입한 결과로서 생성된 부정확한 출력들이 민감한 데이터 및 키들에 관한 정보를 안출할 수 있다는 것은 본 분야에서 주지되어 있다. 실제로, 암호화 동작들은 비밀들을 타협할 수 있는 부정확한 계산들의 릴리스를 방지하는 데 도움이 되도록 검사될 수 있다. 예를 들어, 간단하고 효율적인 기법은, 이상적으로는 2 개(이상)의 독립적 하드웨어 프로세서들 및 구현물들을 이용하여, 암호화 동작들을 2 회 수행하는 것이며, 비교기는 양측 모두(또는 모두)가 동일한 결과들을 생성한다는 것을 검증한다. 단위대로 생성된 결과들이 매칭되지 않으면, 비교기는 결과가 이용되지 못하게 하고 및/또는 다른 에러 조건들을 트리거할 것이다. 개별적인 암호화 동작들 (예컨대, 해싱 단계들) 내에서, 에러 검출 및/또는 에러 정정 로직은 또한 암호화 동작들이 부정확하게 수행되는 상황들을 방지하거나 검출하는 데 도움이 되도록 채용될 수 있다.
본 특허에서 개시된 기법들은 또한 암호화 및 복호화 프로세스들에 대한 특정 타입의 결함 주입 공격들에 대해 일부 내재적 저항성을 제공한다. 암호화 프로세스 동안, 키 트리 기반 키 유도 프로세스 동안에 도입된 제한되거나 부분적인 결함은 이 프로세스 내에서의 엔트로피 분배 함수들의 사용으로 인해 랜덤하고 예측 불가능한 결과들을 생성할 것이다. 특히, 손상된 중간값들은 일반적으로 후속하는 엔트로피 분배 함수들에 의해 혼합되는데, 이는 결합 결과를 이용하는 공격들을 마운팅할 상대방의 능력을 제한할 것이다.
마찬가지로, 복호화 동안, 암호문 또는 메시지 식별자 프로세싱 내에 도입된 결함 또는 에러는 일반적으로 밸리데이터가 거부되게 할 것이다. 평문 해시 체이닝을 갖는 제 2 실시형태는 평문 세그먼트들이 출력 이전에 정확성에 대해 독립적으로 승인되기 때문에 추가 저항성을 제공한다. 물론, 동작들의 검사 및 다른 공지된 결함 검출 기법들이 추가로 이용될 수도 있다.
POST (power-on-self-test) 및 난수 테스팅과 같은 자가 진단 함수들은 또한 암호화 함수들 및 난수 발생 능력이 손상받지 않았음을 검증하도록 포함될 수도 있다.
추가 호스트 환경 및 폼 팩터들( Additional Host Environments and Form Factors )
검증가능 누출 방지 암호화의 이용을 위한 여러 예시적 시스템들 및 애플리케이션들이 전술되었다. 그러나, 당업자가 이해하는 바와 같이, 전술된 기법들은 특정 호스트 환경들 또는 폼 팩터들로 국한되지 않는다. 오히려, 그들은: ASIC, FPGA, SoC, 마이크로프로세서, 보안 프로세서, 보안 네트워크 디바이스, 모든 종류의 암호화 스마트카드 (ISO 7816-1, ISO 7816-2, 및 ISO 7816-3 과 실질적으로 부합하는 스마트카드("ISO 7816-컴플라이언트 스마트카드")들을 비제한적으로 포함함)를 비제한적으로 포함하는 다양한 애플리케이션들; (ISO 14443 과 실질적으로 부합하는 스마트카드를 비제한적으로 포함하는) 무접촉 및 근접성 기반 스마트카드 및 암호화 토큰; 저장된 값 카드 시스템; 암호화 방식으로 보안된 신용 및 데빗 카드; 고객 로얄티 카드 및 시스템; 암호학적으로 승인된 신용 카드; 암호화 액셀러레이터; 갬블링 및 도박 시스템; 보안 암호화 칩; 탬퍼링 방지 마이크로프로세서; 소프트웨어 프로그램 (개인용 컴퓨터, 서버 등에서의 사용을 위한 프로그램, 암호화 디바이스에 로딩되거나 내장될 수 있는 프로그램을 비제한적으로 포함함); 키 관리 디바이스; 은행업무 키 관리 시스템; 보안 웹 서버; 방어 시스템; 전자 지불 시스템; 마이크로지불 시스템 및 미터계; 선불 전화 카드; 암호 식별 카드 및 다른 아이덴티티 검증 시스템; 전자 금융 이체 시스템; 자동 응답기; 판매 시점 관리 단말기; 증명서 발행 시스템; 전자 뱃지; 진입구 시스템; 암호화 키를 이용한 모든 종류의 물리적 자물쇠; 텔레비전 신호를 복호화하는 시스템 (브로드캐스트 텔레비전, 위성 텔레비전, 및 케이블 텔레비전을 비제한적으로 포함함); 암호화된 음악 및 다른 오디오 콘텐츠 (컴퓨터 네트워크를 통해 배포된 음악을 포함함)를 복호화하는 시스템; 모든 종류의 비디오 신호를 보호하는 시스템; 콘텐츠 보호 및 복제 방지 시스템 (예컨대, 영화, 오디오 콘텐츠, 컴퓨터 프로그램, 비디오 게임, 이미지, 텍스트, 데이터베이스 등의 무허가 복제 또는 이용을 방지하는 데 이용되는 것들); 셀룰러 전화 스크램블링 및 승인 시스템 (전화 승인 스마트카드를 포함함); 보안 전화 (그러한 전화용 키 저장 디바이스를 포함함); 암호화 PCMCIA 카드; 휴대용 암호화 토큰; 및 암호화 데이터 편집 시스템들을 포함하지만 이들로 국한되지 않는 다양한 애플리케이션에서 사용될 수 있다.
전술한 모든 사항은 검증가능 누출 방지 암호화의 예시적 실시형태들 및 애플리케이션들을 예시하며, 이들로부터 관련된 변형물, 개선물, 변경물들이 본 개시물의 사상 및 범주의 문맥에서 자명하다. 따라서, 본 특허에 의해 보호되는 발명(들)은 전술한 개시물로 국한되어서는 안 되며, 오히려 여기에 첨부되는 청구범위에 의해 이해되어야 한다.

Claims (68)

  1. 암호화 키들의 재사용을 제한하면서 내부 비밀 상태를 갖는 디바이스에 의해 평문 데이터를 암호화하는 방법으로서,
    (a) 상기 내부 비밀 상태의 적어도 일부분으로 시작하여 메시지 키에 이르는 복수의 연속적 중간 키를 계산함으로써, 상기 내부 비밀 상태로부터 상기 메시지 키 및 메시지 식별자를 유도하는 단계로서, 각각의 연속적 키는 상기 메시지 식별자의 적어도 일부분 및 이전 키에 기초하여 유도되는, 상기 내부 비밀 상태로부터 메시지 키 및 메시지 식별자를 유도하는 단계;
    (b) 하나 이상의 암호화된 데이터 세그먼트들을 생성하도록 적어도 상기 메시지 키에 기초한 하나 이상의 상기 암호화 키들을 이용하여 상기 평문 데이터의 하나 이상의 세그먼트들을 암호화하는 단계;
    (c) 비밀 키를 이용하여, 적어도 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 하나 이상에 기초하고, 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 하나 이상을 검증하는 데 이용 가능한 암호화 검증 값을 계산하는 단계; 및
    (d) 상기 하나 이상의 암호화된 데이터 세그먼트들 및 상기 암호화 검증 값을 출력하는 단계를 포함하는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (c) 는:
    (i) 적어도 하나의 상기 암호화된 데이터 세그먼트로부터 암호화 해시를 계산하는 단계; 및
    (ii) 적어도 비밀 값 및 상기 암호화 해시로부터 밸리데이터를 유도하는 단계를 포함하고,
    상기 유도하는 단계는, 상기 비밀 값으로 시작하는 복수의 연속적 중간 값들을 계산하는 단계를 포함하고,
    각각의 연속적 값은 적어도 상기 중간 값들 중 이전 값 및 상기 암호화 해시의 일부분에 기초하는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    단계 (a) 에서, 각각의 상기 중간 키의 상기 유도는 엔트로피 분배 동작을 선택하고, 그 후에 상기 엔트로피 분배 동작을 상기 이전 키에 적용하는 단계를 포함하는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 메시지 식별자는 복수의 부분들로 분해되고, 각각의 상기 부분은 적용될 특정 엔트로피 분배 동작을 결정하는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 엔트로피 분배 동작은, 적어도 (i) 상기 이전 키; 및 (ii) 상기 메시지 식별자의 적어도 일부분에 대응하는 값에 의존하는 암호화 해시 동작인, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    단계 (b) 에서, 상기 암호화 키는 키 체이닝을 이용하여 상기 메시지 키로부터 유도되는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    단계 (a) 에서, 상기 메시지 키는 키 트리를 통한 경로에 따름으로써 계산되고, 상기 경로는 상기 메시지 식별자를 포함하는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 밸리데이터는 키 트리를 통한 경로에 따름으로써 계산되고, 상기 경로는 상기 암호화된 데이터 세그먼트들에 기초한 해시를 포함하는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    단계 (b) 는 복수의 엔트로피 분배 동작들을 수행함으로써 상기 메시지로부터 복수의 상기 암호화 키들을 유도하는 단계를 포함하고;
    상기 평문 데이터를 암호화하는 방법은, 추가로,
    (i) 상기 암호화 키들 중 하나는 엔트로피 분배 함수를 상기 메시지 키에 적용함으로써 계산되고,
    (ii) 복수의 연속적 암호화 키들 각각은 엔트로피 분배 함수를 상기 암호화 키들 중 이전 암호화 키에 적용함으로써 계산되는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  10. 제 2 항에 있어서,
    (i) 상기 평문 데이터는 복수의 세그먼트들을 포함하고;
    (ii) 상기 암호화 키들 각각은 오로지 하나의 평문 세그먼트를 암호화하여, 암호화된 데이터 세그먼트를 생성하는 데 이용되고,
    (iii) 상기 암호화된 데이터 세그먼트 모두에 기초한 암호화 해시가 계산되는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    (iii) 에서, 상기 암호화 해시는 해시 체이닝을 이용하여 계산되는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 해시 체이닝에서, 상기 암호화된 데이터 세그먼트들은 상기 암호화된 데이터 세그먼트들이 출력되는 순서로부터 역의 순서로 해싱되는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  13. 제 2 항에 있어서,
    (b) 에서,
    (i) 상기 평문 데이터는 복수의 세그먼트들을 포함하고, 각각의 세그먼트는 복수의 서브세그먼트들을 포함하고,
    (ii) 각각의 평문 서브세그먼트에 대해, 상기 암호화 키들 중 새로운 하나의 암호화 키는 상기 서브세그먼트를 암호화하는 데 이용되는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 암호화된 데이터 세그먼트들 모두에 기초하여 해시 체이닝을 이용하여 암호화 해시를 계산하는 단계를 더 포함하는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  15. 제 2 항에 있어서,
    (b) 에서,
    (i) 상기 평문 데이터는 복수의 세그먼트들을 포함하고;
    (ii) 암호화 키 업데이트는 인트라-세그먼트 기반으로 발생하고;
    (iii) 각각의 상기 암호화된 데이터 세그먼트는 업데이트된 상기 암호화 키들 중 적어도 하나를 이용하여 생성되는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  16. 제 2 항에 있어서,
    각각의 상기 연속적 중간 값은 입력들이 (1) 상기 연속적 중간 값의 중간 부모 (parent) 값; 및 (2) 1 또는 2 비트의 상기 암호화된 데이터 세그먼트 해시에 의해서만 결정되는 암호화 해시 동작의 결과인, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  17. 제 2 항에 있어서,
    오로지 하나의 평문 데이터 세그먼트 및 오로지 하나의 암호화된 데이터 세그먼트가 존재하고, 상기 암호화 해시 계산은 데이터 세그먼트 길이를 더 포함하는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  18. 제 2 항에 있어서,
    상기 메시지 식별자는 랜덤하게 생성되는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  19. 제 2 항에 있어서,
    상기 메시지 식별자는 카운터인, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  20. 제 2 항에 있어서,
    상기 디바이스는 데이터 패킷들을 복호화 디바이스에 송신하는 네트워킹된 통신 디바이스인, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  21. 제 2 항에 있어서,
    암호화된 데이터를 송신하기 전에 복호화 디바이스를 인증하는 단계를 더 포함하는, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 암호화 검증 값은 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 적어도 하나를 인증하는 디지털 서명인, 평문 데이터를 암호화하는 방법.
  23. 암호화 키들의 재사용을 제한하면서 내부 비밀 상태를 갖는 디바이스에 의해 데이터를 복호화하는 방법으로서,
    (a) 하나 이상의 암호화된 데이터 세그먼트들 및 암호화 검증 값을 수신하고, 그에 대응하는 메시지 식별자를 획득하는 단계;
    (b) 상기 암호화 검증 값을 검증하여, 상기 메시지 식별자 또는 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 적어도 하나가 변형되었는지를 판정하는 단계;
    (c) 상기 내부 비밀 상태의 적어도 일부분으로 시작하고 메시지 키에 이르는 복수의 연속적 중간 키들을 계산함으로써 상기 내부 비밀 상태 및 상기 메시지 식별자로부터 상기 메시지 키를 유도하는 단계로서, 각각의 연속적 키는 상기 메시지 식별자의 적어도 일부분 및 이전 키에 기초하여 유도되는, 상기 내부 비밀 상태 및 메시지 식별자로부터 메시지를 유도하는 단계;
    (d) 적어도 상기 메시지 키에 기초한 상기 하나 이상의 암호화 키들을 이용하여 상기 암호화된 데이터의 하나 이상의 검증된 세그먼트들을 복호화하여 하나 이상의 평문 데이터 세그먼트들을 생성하는 단계를 포함하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 단계 (b) 는:
    (i) 적어도 하나의 상기 암호화된 데이터 세그먼트로부터 암호화 해시를 계산하는 단계;
    (ii) 적어도 비밀 값 및 상기 암호화 해시로부터 예상 밸리데이터를 유도하는 단계로서, 상기 유도하는 단계는 상기 비밀 값으로 시작하는 복수의 연속적 중간 값들을 계산하는 단계를 포함하고, 각각의 연속적 값이 적어도 상기 중간 값들 중 이전 값 및 상기 암호화 해시 중 일부분에 기초한, 상기 유도하는 단계; 및
    (iii) 상기 유도된 예상 밸리데이터를 상기 수신된 암호화 검증 값과 비교하는 단계를 포함하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    (c) 에서, 각각의 상기 중간 값의 상기 유도는 엔트로피 분배 동작을 선택하고, 이후에 상기 엔트로피 분배 동작을 상기 이전 키에 적용하는 단계를 포함하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 메시지 식별자는 복수의 부분들로 분해되고, 각각의 상기 부분은 적용될 특정 엔트로피 분배 동작을 결정하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 엔트로피 분배 동작은, 적어도 (i) 상기 이전 키; 및 (ii) 상기 메시지 식별자의 적어도 일부분에 대응하는 값에 의존하는 암호화 해시 동작인, 데이터를 복호화하는 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    (d) 에서, 상기 암호화 키들은 키 체이닝을 이용하여 상기 메시지 키로부터 유도되는, 데이터를 복호화하는 방법.
  29. 제 24 항에 있어서,
    (c) 에서, 상기 메시지 키는 키 트리를 통한 경로를 따름으로써 계산되고, 상기 경로는 상기 메시지 식별자를 포함하고, 상기 밸리데이터는 키 트리를 통한 경로를 따름으로써 계산되고, 상기 경로를 상기 암호화된 데이터 세그먼트들에 기초한 해시를 포함하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  30. 제 24 항에 있어서,
    (d) 는 복수의 엔트로피 분배 동작들을 수행함으로써 상기 메시지 키로부터 복수의 상기 암호화 키들을 유도하는 단계를 포함하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    (i) 상기 암호화 키들 중 하나는 엔트로피 분배 함수를 상기 메시지 키에 적용함으로써 계산되고;
    (ii) 복수의 연속적 암호화 키들 각각은 엔트로피 분배 함수를 상기 암호화 키들 중 이전 암호화 키에 적용함으로써 계산되는, 데이터를 복호화하는 방법.
  32. 제 24 항에 있어서,
    (i) 상기 암호화된 데이터는 복수의 세그먼트들을 포함하고;
    (ii) 마지막을 제외한 각각의 암호화된 데이터 세그먼트는 다음 암호화된 데이터 세그먼트의 암호화 해시의 표현을 나타내고;
    (iii) 제 1 암호화된 데이터 세그먼트를 복호화하기 전에, 그것의 암호화 해시가 계산되고 검증되며;
    (iv) 각각의 후속 세그먼트를 복호화하기 전에, 그의 암호화 해시가 계산되고 이전 암호화된 데이터 세그먼트에 표현된 해시에 비교되며;
    (v) 상기 암호화 키들 각각은 오로지 하나의 암호화된 데이터 세그먼트만을 복호화하는 데 이용되는, 데이터를 복호화하는 방법.
  33. 제 24 항에 있어서,
    (d) 에서,
    (i) 상기 암호화된 데이터는 복수의 세그먼트들을 포함하고, 각각의 세그먼트는 복수의 서브세그먼트들을 포함하고,
    (ii) 각각의 암호화된 서브세그먼트에 대해, 상기 암호화 키들 중 새로운 암호화 키는 상기 서브세그먼트를 복호화하는 데 이용되는, 데이터를 복호화하는 방법.
  34. 제 24 항에 있어서,
    상기 해시는 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 모두에 의존하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  35. 제 24 항에 있어서,
    (b) 에서,
    (i) 상기 암호화된 데이터는 복수의 세그먼트들을 포함하고;
    (ii) 암호화 키 업데이트들은 인트라-세그먼트 단위로 발생하며;
    (iii) 각각의 상기 평문 데이터 세그먼트는 업데이트된 상기 암호화 키들 중 적어도 하나를 이용하여 생성되는, 데이터를 복호화하는 방법.
  36. 제 24 항에 있어서,
    각각의 상기 연속적 중간 값은 입력들이 (A) 부모 값, 및 (B) 상기 암호화된 데이터 세그먼트 해시의 적어도 일부분에 대응하는 그것의 값을 포함하는 암호화 해시 동작의 결과인, 데이터를 복호화하는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 암호화 해시 동작으로의 상기 입력들은 (1) 상기 연속적 중간 값의 중간 부모 값, 및 (2) 상기 암호화된 데이터 세그먼트 해시의 1 또는 2 비트에 의해서만 결정되는, 데이터를 복호화하는 방법.
  38. 제 24 항에 있어서,
    오로지 하나의 평문 데이터 세그먼트 및 오로지 하나의 암호화된 데이터 세그먼트가 존재하고, 상기 암호화 해시 계산은 데이터 세그먼트 길이를 더 포함하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  39. 제 24 항에 있어서,
    상기 예상 밸리데이터는 해시를 검증하고, (i) 상기 해시는 제 2 암호화된 데이터 세그먼트의 해시를 포함하는 제 1 암호화된 데이터 세그먼트에 의존하고, (ii) 상기 제 2 및 후속 암호화된 데이터 세그먼트들은 다음 암호화된 데이터 세그먼트의 해시를 각각 포함하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  40. 제 24 항에 있어서,
    상기 메시지 식별자는 카운터인, 데이터를 복호화하는 방법.
  41. 제 24 항에 있어서,
    상기 메시지 식별자는 상기 평문 데이터의 적어도 일부분의 암호화 해시인, 데이터를 복호화하는 방법.
  42. 제 24 항에 있어서,
    상기 평문 데이터는 FPGA 비트스트림인, 데이터를 복호화하는 방법.
  43. 제 24 항에 있어서,
    프로세서를 이용하여 상기 평문 데이터의 적어도 일부분을 실행하는 단계를 더 포함하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  44. 제 24 항에 있어서,
    프로세서를 포함하는 칩에 의해, 외부 메모리로부터 온-칩 캐시로 로딩되는 데이터를 보호하는 데 이용되는, 데이터를 복호화하는 방법.
  45. 제 24 항에 있어서,
    상기 디바이스는 복호화 디바이스로부터 데이터 패킷들을 수신하는 네트워킹된 통신 디바이스인, 데이터를 복호화하는 방법.
  46. 제 24 항에 있어서,
    안티-롤백 보호를 더 포함하는, 데이터를 복호화하는 방법.
  47. 제 23 항에 있어서,
    상기 암호화 검증 값은 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 적어도 하나를 인증하는 디지털 서명인, 데이터를 복호화하는 방법.
  48. 암호화 키들의 재사용을 제한하면서 평문 데이터를 암호화하는 디바이스로서, 상기 디바이스는 하드웨어 유닛을 포함하고,
    상기 하드웨어 유닛은:
    (a) 내부 비밀 상태의 적어도 일부분으로 시작하여 메시지 키에 이르는 복수의 연속적 중간 키를 계산함으로써, 상기 내부 비밀 상태로부터 상기 메시지 키 및 메시지 식별자를 유도하되, 각각의 연속적 중간 키는 상기 메시지 식별자의 적어도 일부분 및 이전 키에 기초하여 유도되고;
    (b) 하나 이상의 암호화된 데이터 세그먼트들을 생성하도록 적어도 상기 메시지 키에 기초한 하나 이상의 상기 암호화 키들을 이용하여 상기 평문 데이터의 하나 이상의 세그먼트들을 암호화하고;
    (c) 비밀 키를 이용하여, 적어도 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 하나 이상에 기초하고, 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 하나 이상을 검증하는 데 이용 가능한 암호화 검증 값을 계산하고;
    (d) 상기 하나 이상의 암호화된 데이터 세그먼트들 및 상기 암호화 검증 값을 출력하도록 구성된, 평문 데이터를 암호화하는 디바이스.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 (c) 는.
    (i) 적어도 하나의 상기 암호화된 데이터 세그먼트로부터 암호화 해시를 계산하고;
    (ii) 적어도 비밀 값 및 상기 암호화 해시로부터 밸리데이터를 유도하도록 구성되고,
    상기 유도는, 상기 비밀 값으로 시작하는 복수의 연속적 중간 값들을 계산하는 것을 포함하고,
    각각의 연속적 값은 적어도 상기 중간 값들 중 이전 값 및 상기 암호화 해시의 일부분에 기초하는, 평문 데이터를 암호화하는 디바이스.
  50. 제 49 항에 있어서,
    (a) 에서, 각각의 상기 중간 키의 상기 유도는 엔트로피 분배 동작을 선택하고, 그 후에 상기 엔트로피 분배 동작을 상기 이전 키에 적용하는 것을 포함하는, 평문 데이터를 암호화하는 디바이스.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 엔트로피 분배 동작이, 적어도 (i) 상기 이전 키; 및 (ii) 상기 메시지 식별자의 적어도 일부분에 대응하는 값에 의존하는 암호화 해시 동작이도록 구성된, 평문 데이터를 암호화하는 디바이스.
  52. 제 49 항에 있어서,
    (a) 에서, 상기 메시지 키가, 키 트리를 통한 경로에 따름으로써 계산되도록 구성되고, 상기 경로는 상기 메시지 식별자를 포함하는, 평문 데이터를 암호화하는 디바이스.
  53. 제 49 항에 있어서,
    (b) 에 대해, 복수의 엔트로피 분배 동작들을 수행함으로써 상기 메시지로부터 복수의 상기 암호화 키들을 유도하는 것을 포함하도록 구성되고,
    (i) 상기 암호화 키들 중 하나는 엔트로피 분배 함수를 상기 메시지 키에 적용함으로써 계산되고,
    (ii) 복수의 연속적 암호화 키들 각각은 엔트로피 분배 함수를 상기 암호화 키들 중 이전 암호화 키에 적용함으로써 계산되도록 구성된, 평문 데이터를 암호화하는 디바이스.
  54. 제 49 항에 있어서,
    각각의 상기 연속적 중간 값이, 입력들이 (1) 상기 연속적 중간 값의 중간 부모 (parent) 값; 및 (2) 1 또는 2 비트의 상기 암호화된 데이터 세그먼트 해시에 의해서만 결정되는 암호화 해시 동작의 결과가 되도록 구성된, 평문 데이터를 암호화하는 디바이스.
  55. 제 48 항에 있어서,
    상기 암호화 검증 값은 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 적어도 하나를 인증하는 디지털 서명이도록 구성된, 평문 데이터를 암호화하는 디바이스.
  56. 암호화 키들의 재사용을 제한하면서 내부 비밀 상태를 갖는 디바이스에 의해 데이터를 복호화하는 디바이스로서, 상기 디바이스는 하드웨어 유닛을 포함하고,
    상기 하드웨어 유닛은:
    (a) 하나 이상의 암호화된 데이터 세그먼트들 및 암호화 검증 값을 수신하고, 그에 대응하는 메시지 식별자를 획득하고;
    (b) 상기 암호화 검증 값을 검증하여, 상기 메시지 식별자 또는 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 적어도 하나가 변형되었는지를 판정하고;
    (c) 상기 내부 비밀 상태의 적어도 일부분으로 시작하고 메시지 키에 이르는 복수의 연속적 중간 키들을 계산함으로써 상기 내부 비밀 상태 및 상기 메시지 식별자로부터 상기 메시지 키를 유도하되, 각각의 연속적 키는 상기 메시지 식별자의 적어도 일부분 및 이전 키에 기초하여 유도되며;
    (d) 적어도 상기 메시지 키에 기초한 상기 하나 이상의 암호화 키들을 이용하여 상기 암호화된 데이터의 하나 이상의 검증된 세그먼트들을 복호화하여 하나 이상의 평문 데이터 세그먼트들을 생성하도록 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 (b) 는:
    (i) 적어도 하나의 상기 암호화된 데이터 세그먼트로부터 암호화 해시를 계산하고;
    (ii)적어도 비밀 값 및 상기 암호화 해시로부터 예상 밸리데이터를 유도하되, 상기 비밀 값으로 시작하는 복수의 연속적 중간 값들을 계산하는 단계를 포함하고, 각각의 연속적 값이 적어도 상기 중간 값들 중 이전 값 및 상기 암호화 해시 중 일부분에 기초하도록 하며,
    (iii) 상기 유도된 예상 밸리데이터를 상기 수신된 암호화 검증 값과 비교하도록 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  58. 제 57 항에 있어서,
    (c) 에서, 각각의 상기 중간 값의 상기 유도는 엔트로피 분배 동작의 선택 및 그 이후에 상기 엔트로피 분배 동작의 상기 이전 키로의 적용을 포함하도록 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 엔트로피 분배 동작은, 적어도 (i) 상기 이전 키; 및 (ii) 상기 메시지 식별자의 적어도 일부분에 대응하는 값에 의존하는 암호화 해시 동작이도록 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  60. 제 57 항에 있어서,
    (c) 에서, 상기 메시지 키는 키 트리를 통한 경로를 따름으로써 계산되도록 구성되고, 상기 경로는 상기 메시지 식별자를 포함하는, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  61. 제 57 항에 있어서,
    (d) 는, 복수의 엔트로피 분배 동작들을 수행함으로써 상기 메시지 키로부터 복수의 상기 암호화 키들을 유도하는 것을 포함하도록 구성되고,
    (i) 상기 암호화 키들 중 하나는 엔트로피 분배 함수를 상기 메시지 키에 적용함으로써 계산되고;
    (ii) 복수의 연속적 암호화 키들 각각은 엔트로피 분배 함수를 상기 암호화 키들 중 이전 암호화 키에 적용함으로써 계산되도록 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  62. 제 57 항에 있어서,
    상기 암호화 해시 동작으로의 입력들이 (1) 상기 연속적 중간 값의 중간 부모 값, 및 (2) 상기 암호화된 데이터 세그먼트 해시의 1 또는 2 비트에 의해서만 결정되도록 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  63. 제 57 항에 있어서,
    오로지 하나의 평문 데이터 세그먼트 및 오로지 하나의 암호화된 데이터 세그먼트가 존재하고, 상기 암호화 해시 계산은 데이터 세그먼트 길이를 더 포함하는, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  64. 제 57 항에 있어서,
    상기 예상 밸리데이터는 해시를 검증하고, (i) 상기 해시는 제 2 암호화된 데이터 세그먼트의 해시를 포함하는 제 1 암호화된 데이터 세그먼트에 의존하고, (ii) 상기 제 2 및 후속 암호화된 데이터 세그먼트들은 다음 암호화된 데이터 세그먼트의 해시를 각각 포함하도록 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  65. 제 57 항에 있어서,
    상기 디바이스는 FPGA 비트스트림이고, 상기 디바이스는 상기 평문 데이터가 FPGA 비트스트림을 포함하도록 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  66. 제 57 항에 있어서,
    상기 디바이스에 포함된 프로세서를 이용하여 상기 평문 데이터의 적어도 일부분을 실행하도록 추가로 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  67. 제 57 항에 있어서,
    상기 디바이스는 프로세스를 포함하는 칩이고, 상기 디바이스는
    프로세서를 포함하는 칩에 의해, 외부 메모리로부터 온-칩 캐시로 로딩되는 데이터를 보호하도록 구성되고, 상기 데이터는 상기 칩에 의해 이전에 암호화된 것으로 로딩되는, 데이터를 복호화하는 디바이스.
  68. 제 56 항에 있어서,
    상기 암호화 검증 값은 상기 암호화된 데이터 세그먼트들 중 적어도 하나를 인증하는 디지털 서명으로 구성된, 데이터를 복호화하는 디바이스.

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