TW200302980A - Shift device and method for shifting - Google Patents

Description

200302980 ⑴ 玖、發％鍊明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 技術領域 本發明係關於數個計算單元，且尤其係關於一種移位裝 置，用於將一資料字元（包括複數個位置）的一第一位置移 位至一第二位置，以便取得一移位資料字元。 先前技術 在傳統中央處理單元（CPU)中，移位運算為一重要功 能。運用移位可實現諸如乘法或除法之類的演算法。已知 的中央處理單元（CPU)與清楚的文字資料一起運作，該資 料可被移位或旋轉η個位置到左或右邊。有各種不同的移 位單元可用於此種目的，例如桶形移位器或對數移位器。 一般而言該單元為一排列器，將一任意位元從i帶到』的位 置。 用於已知中央處理單元（CPU)的此移位裝置之一缺點 為：需有清楚的文字資料才能正確運算。結果，攻擊的可 能性就變得有關係’這些可能性係根據探查或一簡單權限 分析（SPA)或一差異的權限分析（DPA)而得。為改良處理器 内部對抗此種攻擊的安全性，已導入一匯流排加密。這意 味著在數個匯流排上傳輪的資料被加密，並在饋入該中央 處理單元（CPU)之刖被解密，以便該中央處理單元（cpu) 能在清楚的文字空間内執行正確的計算方面的運算。然後 一運算的結果被再度加密，並以加密形式透過—匯流排傳 輸至一快取記憶體亦或一外部記憶體（對該中央處理單元 而言係位於外部）。 200302980 _ ⑺ I發 以此種方式，一攻擊者無法監視在内部匯流排上運送的 資料，這是因為如果試圖監視的話，可能僅能接收到該加 密資料。然而，若該攻擊者攻擊該計算單元的輸入或輸出 亦或該計算單元内部的中間狀態，則會因該計算單元係在 清楚的文字空間内運作的關係，而能監視到清楚的文字資 料。雖然在此處要被監視的該等結構較匯流排結構小且較 不固定，但仍不失為一可攻擊之處。 發明内容 本發明之目標為提供一用於移位資料的安全概念。 透過如申請專利範圍第1項之移位裝置，亦或透過如申 請專利範圍第7項之方法來達成此目標。 本發明係根據以下發現：該移位運算必須在秘密的文字 空間内執行，亦即以加密資料，以避免攻擊點，在這些攻 擊點中資料可在清楚的文字空間内取得。既然該資料字元 不同的位置係以不同方式加密，則除了將一資料字元的一 第一位置移至其第二位置之移位運算之外，還必須有一種 再加密方式，使該資料字元的位置（要被饋入該移位裝置 内）係以一用於該第一位置的加密參數加密，而移位裝置 則以一用於該第二位置的加密參數加密。為達此目的，提 供一再加密裝置，將該第一位置從一使用該第一加密參數 的加密，再加密至一使用該第二加密參數的加密。原則 上，該移位運算和再加密運算的順序為任意的。因而是可 能先將該第一位置再加密，然後再將它移位。然而，也可 先將該第一位置移位，然後將其再加密。 200302980

偏好以在該再加密期間不會產生清楚的文字資料的形 式執行該再加密。這要靠以下方式來達成：使用該第一加 密參數將第一位置解密至清楚的文字空間，以及使用一用 於第二位置的加密參數加密在清楚的文字空間的第一位 置，在一運算中結合此二種方式，其中並無清楚的文字資 料做為中間結果。 偏好該加密演算法採用具有一加密參數的逐位元的互 斥或（XOR)或非互斥或（XNOR)運算的形式，該資料字元 個別位置的加密參數均彼此獨立。該互斥或（XOR)或非互 斥或（XNOR)運算的反向再次對應於該互斥或（x〇R)或非 互斥或（XNOR)運算。該互斥或（X〇R)運算可使用簡單電 路並以適度的空間量，透過計算一再加密金鑰（對應該第 一和第二加密參數的一做互斥或（X〇Ring)或做非互斥或 (XNORing))，而達成從以一第一加密參數的加密再加密 成以一第一加岔參數的加岔。然後達到再加密透過以該再 加密金鑰做互斥或（XORing)或做非互斥或（XN〇Ring)該 資料位元的第一位置（以該第一加密參數加密），以便提供 一以該第一加禮參數加雄、第一位置的資料位元位置。以該 再加密金鑰做互斥或（XORing)或做非互斥或（XN〇Ring) 並不會產生任何清楚的文子資料’故一攻擊者無機會監視 在該移位裝置内任何位置的清楚文字資料。 可使用任何可反向之演算法於加密方面。然而，因速度 因素’較偏好以互斥或（XOR)或非互斥或（XNqr)加密。 如本發明’只有加密資料會被移位。這嚴格地限制了攻 200302980 W 丨 擊的可能性。 實施方式： 圖1圖示一種如本發明之移位裝置，具有複數個輸入， 供做一資料字元的被加密位置dGf，t’，...，該資料字元 包括一個以上（含）加密位置d 〇 ’，…。每一輸入具一有特別 權數，如圖1所示之二進位系統中的權數2G，21，等。此 外，該資料字元d的每一位置係透過一被指派至此位置的 加密參數k〇，ki，k2，...加密。這意味著該資料字元d〇’ 的位置是以加密參數k〇加密，而如該資料字元d，的位置 則是以加密參數k3，而不是加密參數kG加密。應注意被加 密的值是以撇號’來標記。 如本發明之該裝置也包括一單元1 0，用於將該資料字元 的一第一位置移位至其第二位置；一單元12，用於將該第 一位置從一使用指派給該第一位置的加密參數的加密，再 加密至一使用指派給該第二位置的加密參數的加密。如本 發明之該移位裝置也具有一控制單元14,執行用於移位10 的該單元以及用於再加密12的該單元的順序控制，以致於 該第一位置先被移位至該第二位置，然後產生再加密；亦 或先再加密該資料字元已加密的第一位置，然後該再加密 值再被移位至該第二位置。可經由一控制器輸入1 6 (具有 一移位值，指示應移位一字元内的多少位置或是一字元的 一個位置）饋入該控制器14。用於再加密之該單元12也包 括一金鑰輸入18,經由此輸入可接收各個位置的金鑰，亦 即被指派給個別位置或輸入的加密參數。 200302980 發 如本發明之該移位裝置也具有複數個輸出，該等輸出被 指派給一確定權數2G，21，22...，並且該權數，如同該等 輸入，被指派給該等加密參數k〇，k 1，...。

以下將以一實例並參考圖1的方式來解釋一資料字元的 移位。假設該已加密資料字元d ’具有三個位置，稱為d〇 ’， di’和d2’。在輸入16所輸入的移位值為+2，亦即，該加密 資料字元（在圖1所示該單元的輸入處）的三個位置，每一 個皆被向右移位二個位置，亦即向較高值的位置。為了要 如此，用於再加密的該單元12需要相關位置的再加密金 鑰，亦即k〇，ki，和k2，由於這些是受到該移位運算所影 響的輸入資料字元的位置；以及該金鑰k3和k4，由於這些 位置係最近才因該2位元移位至右邊而被佔用。 對該實例來說，假設該資料為以該各別加密參數加密的 逐位元互斥或（XOR)，亦即di’ = diXOR幻。然而，原則上也 可使用任何其它可反向之加密方法。

用於使該第一位置d〇f從該權數2°再加密到權數22的再 加密金鑰等於一 kG與k2的互斥或（X OR)閘運算。透過類 推，該權數為21的輸入位置的再加密金鑰為hXOR k3。最 後用於移位該輸入資料位元d2f的再加密金鑰為d2’：d24 = k2 XOR k4。原則上，該資料是先被加密然後再被移位，或是 該資料先移位然後再加密，並不很重要。在所有情況下， 皆要確保只有被加密的資料才會被移位。此點對較大的移 位器特別重要，因為從一輸入到一輸出的線路的長度可能 很長，並且因而很容易監視。然而，如本發明之該移位裝 -10 - 200302980 _

(6) 發瞵說螞續頁I 置能確保只有被加密的資料（不論係根據該輸入亦或輸出 方面的加密參數）才會被移位。雖然偏好以在再加密期間 不會計算任何清楚的文字資料的方式來執行再加密（在此 實例中，清楚的文字資料上不再有一攻擊點），但在以下 述方式使再加密生效的實例中，也做到增加安全性：首先 使用該第一加密參數先解密，然後使用一第二參數加密， 使清楚的文字資料存在於解密和加密之間。在此實例中， 也是只有被加密的資料被移位，並且該清楚的文字資料僅 出現於該再加密單元内。要以探測的方式竊聽這些資料， 比竊聽以未加密方式移位的資料更難。 應注意，圖1圖示所有位元皆移位一位置，僅為一範例。 如本發明之移位器可充做一般排列器，其中任何位元被帶 至任何位置之前，總需先考慮適當的再加密，以便存在正 確的金餘基礎。在一排列器中，一位元未被移位也會產生 此情況。在此實例中，不需再加密任何事物。 圖2圖示如本發明之一移位裝置較佳具體實施例，該裝 置在移位前以逐位元互斥或（X 0 R)加密和再加密。特別 是，圖2圖示一位元片段，亦即用於該輸入資料字元di' 的加密位元。該再加密單元包括許多互斥或（X OR)閘20, 2 1，2 2和2 3。用於移位之該單元具有許多移位單元，可移 位至左邊（SHL)或右邊（SHR)。圖2所示之一已加密桶形移 位器之原理為，每一位元（n-1)另外需要三倍（個）的互斥或 (XOR)閘。對一 32位元的中央處理單元來說，需再額外投 資3 2x(n-l)三倍（個）互斥或（XOR)閘，η的數目代表可移位 -11 - 200302980 ⑺

至左邊或右邊的最大位置數。 除了在該移位運算前再加密，如圖2所示，也可在該移 位運算後再加密。圖3圖示以用於該資料字元一加密位置 t’的位元片段。首先該加密值dif移位η個位元，並使用適 當的再加密金输再加密’該表不法+ 意味著在

i+ 2 η位置的該資料位元已被移位η個位置到右邊。該再加 密金鑰為k的再加密運算仍需要此中間結杲，此結果係源 自該相關二位置的二加密參數的做互斥或（XORing)，亦 即原始和目標加密參數。所產生的位元的方程式為：

rj, = (di,<<n)XORt1J 對該結杲q的每一位元而言，此解法需要一額外的三倍 (個）互斥或（XOR)閘30和一 n-in-Ι多工器32。此外，就如 同圖2，也需要與圖2中對應元件相等的位移單位24，25， 26和 27。

應注意的是，可根據前述細節實現各種移位演算法，例 如對數移位器等。一種特別的移位運算為旋轉一字元。若 要旋轉一資料字元一個位置到右邊，這意味著在旋轉前該 資料字元的最小位元（lsb)於旋轉後變成該資料字元的最 大位元（msb)。然後該第一位置為該資料字元的最不重要 位元，而該第二位置為該資料字元的最重要位元。然後該 再加密金餘為運算該最重要位元的加密參數和該最不重 要位元的加密參數的結果。 如本發明之該移位器也可結合一完整的算術邏輯單元 (A L U)(以加密資料計算），以執行較複雜的運算，例如從 -12 - 200302980 (8) 一暫存器中萃取k個位元並將其插入另一暫存器中的其它 位元位置内。一般而言，如本發明之該移位器可充做一排 列器，能相當任意地將位元位置移位。特別是，在一通用 排列器中，可能產生特定位元位置被移位，並且因而必須 被再加密；而其它位元位置則未被移位，並且因而不需被 加密的情況。

關於如何處理透過移位而被釋放的該等位元，例如圖1 中該權數為2°和21的該等位元，有各種不同的方式。在清 楚的文字空間内，若要插入數個0，則在該秘密文字空間 内的0必須以金鑰kG加密最不重要的位置，並以ki加密最 重要的位置。另一方面，例如為了做記號，而導入數個1， 則這些1也同樣地應以金鑰加密對應的位置。此外，若該 移位值本身即被加密，例如，使用自己的加密參數或用於 該等輸入的一加密參數，則不論是否發生移位或發生了多 少次移位，一攻擊者均不可能有機會攻擊。這是因為在不 需要或被釋放的位元線上所插入的數個0或1也被加密，故 不易查覺在該加密移位器内發生了什麼事。 圖式簡單說明 以下將參考圖式，詳細敘述本發明之較佳具體實施例， 其中 圖1圖示如本發明一移位裝置之方塊圖； 圖2圖示如本發明一較佳具體實施例之一移位裝置，其 中再加密係於移位前執行；且 圖3圖示如本發明一較佳具體實施例之方塊圖，其中再 -13 - 200302980 發鹌說.明.續買. (9) 加密係於移位後執行。 圖式代表符號說明 10 移 位 單 元 12 再 加 密 單 元 14 控 制 16 移 位 值 輸 入 18 鍵 值 輸 入 20 第 一 互 斥 或 閘 2 1 第 二 互 斥 或 閘 22 第 三 互 斥 或 閘 23 第 三 互 斥 或 閘 24 第 一 移 位 器 25 第 二 移 位 器 26 第 三 移 位 器 27 第 四 移 位 器 30 輸 出 互 斥 或 閘 32 多 工 器

-14-

Claims (1)

1. 200302980 拾、申讀專利範圓 1 . 一種用於將一資料字元的一第一位置移位至一第二位 置以取得一移位資料字元之移位裝置，該資料字元包括 複數個位置，其中使用一第一加密參數加密該第一位 置，並使用一第二加密參數加密該第二位置，包括： 一用於將該資料字元的第一位置移位至其第二位置 之單元（10); 一用於將該第一位置（為一使用該第一加密參數的加 密）再加密成一使用該第二加密參數的加密之單元 (12);及 一控制單元（14)，用於控制該單元（10)移位以及單元 (1 2)再加密，以便該第一位置係第一個被移位至該第二 位置，然後再被加密；或是該第一位置係第一個被再加 密，然後再被移位至該第二位置。 2 .如申請專利範圍第1項之移位裝置，其中雖該第一和第 二加密參數不同，卻仍使用相同加密演算法執行該第一 位置和第二位置的加密。 3 .如申請專利範圍第2項之移位裝置，其中該加密演算法 包括以一加密參數將該未加密的第一或第二位置做互 斥或（XORing)或做非互斥或（XNORing)，並且其中用於 再加密之該單元（1 2)係裝置成能以一再加密參數執行 該被加密第一位置的XORing或做非互斥或 (XNORing)，其中該再加密參數等於該第一和第二加密 參數的一做互斥或（XORing)或做非互斥或（XNORing)。 4 .如申請專利範圍第2項之移位裝置，其中該資料字元為 200302980

   一二進位數目，其中該資料字元之一位置為一位元，並 且其中做互斥或（XO Ring)或做非互斥或（XNO Ring)包 括逐位元的做互斥或（XORing)或做非互斥或 (XNORing)。 5 .如申請專利範圍第1項之移位裝置， 其中用於移位之該單元（1 2)在每個位置上皆有一多 工器（32)。 6. 如申請專利範圍第1項之移位裝置， 其中用於再加密之該單元有一非互斥或（XN OR)或一 互斥或（X OR)閘（20，21，22，23，30)，具有三個輸入， 一可施加一加密位置之第一輸入，一可施加該第一加密 參數之第二輸入，以及一可施加該第二加密參數之第三 輸入。 7. 如申請專利範圍第1項之移位裝置， 其中用於再加密（12)之該單元是以不會產生一中間 結果的方式來執行再加密，其中該第一位置未被加密。 8. 如申請專利範圍第1項之移位裝置，尚包括： 一用於將一數值插入該資料字元的一位置之單元，該 字元在將該位置移位前已被佔用，但在該位置移位後， 即不再被佔用。 9 ·如申請專利範圍第8項之移位裝置，其中用於插入該值 的單元被裝置成能以此位置之加密參數加密一用於插 入之數值，並能以加密形式插入該數值。 10.—種用於將一資料字元的一第一位置移位至一第二位 -2 - 200302980

   置以取得一移位資料字元之方法，該資料字元包括複數 個位置，其中使用一第一加密參數加密該第一位置，並 使用一第二加密參數加密該第二位置，以下步驟如下： 將該資料位元的第一位置移位至其第二位置，並將該 移位第一位置自一加密使用該第一加密參數再加密 成；或 自一加密使用該第一加密參數重新加密該第一位置 為使用該第二加密參數的一加密，並將該資料位元未加 密的位置移位至其第二位置。