TW556111B

TW556111B - Extended key generator, encryption/decryption unit, extended key generation method, and storage medium

Info

Publication number: TW556111B
Application number: TW089116363A
Authority: TW
Inventors: Motoji Oomori; Kaoru Yokota; Tsutomu Sekibe; Makoto Tatebayashi; Fumihiko Sano
Original assignee: Toshiba Corp; Matsushita Electric Ind Co Ltd
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2003-10-01
Also published as: EP1081889B1; CN1291744A; CN1172235C; DE60024739D1; MXPA00008484A; US6891950B1; EP1081889A3; EP1081889A2; KR20010067121A; SG92735A1; KR100402811B1; ID27135A; DE60024739T2

Description

556111 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（2 ) 匙。D E S的第一項優點在於配置有通用的加密及解密電路。亦即，如圖1 A及1 B所示，雖然加密及解密的輸入順序相反，但可在資料離散化部位的循環功能中使用相同的電路。 D E S的第二優點在於由於利用單一的共同鑰匙，因此僅需管理少量的鑰匙。在D E S中，爲了依據單一鑰匙，產生一般及反向順序的擴充鑰匙，鑰匙產生器執行以下的程序。亦即，對共同鑰匙進行左旋平移，以產生每一擴充鑰匙。旋轉的總値相同於共同鑰匙的位元數，最後將中間鑰匙返回成初始的狀態。在此方式中，使加密程序的最後擴充鑰匙具有相同於解密程序之第一鑰匙的値。在解密的程序中，對共同鑰匙實施右旋處理以產生反向順序的擴充鑰匙。然而，由於鑰匙產生器的程序僅由D E S中的陣列轉換來加以實施，此種鑰匙具有低的安全性，且一般稱爲弱鑰匙。弱鑰匙是指具有相同値的擴充鑰匙，其例子包括所有的擴充鑰匙K 1至K 6的値彼此相同（K 1 = K 2 =… ……K6)，以及一半的擴充鑰匙K1至K8，K9至 Κ1 6 彼此相同（Κ1=Κ6 ，Κ2=Κ1 5 ........... Κ 8 = Κ 9 )。然而，產生此種鑰匙並不表不具有極大的危險性，只要在擴充鑰產生器中加入防止輸入共同鑰匙的裝置，或在密碼產生裝置中加入用以判斷產生之擴充鑰匙是否爲弱鑰 (請先閱讀背面之注意事項再填一^頁) 裝訂· •線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -5 - 556111 A7 B7 五、發明說明（3 ) 匙，並適當地加以移除的裝置，來避免上述的危險性。 (請先閱讀背面之注意事項再填9頁) 然而，當加入避免產生弱鑰匙的裝置後，會使擴充鑰匙產生器及加密/解密單元的價格上升，並使電路變多。除了 D E S外，已需要能在循環式的單元中防止產生弱鑰匙，並利用不同的擴充鑰匙提供密碼技術的強健性。如上所述，在習知的擴充鑰匙產生器及加密/解密單元中，當加入防止產生弱鑰匙的裝置以避免低的安全性時，會使擴充鑰匙產生器及加密/解密單元的價格上升，並使電路變多。即使能防止產生弱鑰匙，鑰匙產生器的程序仍未足以提供所需的密碼強健性，因此需有進一步的改良。發明總結經濟部智慧財產局員工消費合作社印製考量到上述的觀點，本發明的目的在於提供一種擴充鑰匙產生器，加密/解密單元，擴充鑰匙產生方法及儲存媒體，其可提生擴充鑰匙的隨機度，抑制成本及電路規模的增加，並依據輸入的鑰匙產生擴充鑰匙，其中每一鑰匙轉換功能區塊包括第一鑰匙轉換機構，用以依據由輸入鑰匙所產生之第一鑰匙，利用預定的代換表執行轉換程序，並包括擴充鑰匙計算機構，用以依據第一鑰匙轉換機構所轉換的結果以及由輸入鑰匙所獲得的第二鑰匙計算出擴充鑰匙。依據本發明另一觀點，提供一種加密/解密單元，其包括擴充鑰匙產生器，此擴充鑰匙產生器包括資料隨機化本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公嫠） 556111 Α7 Β7 五、發明說明（4 ) 部位’用以依據鑰匙轉換功能區所產生的擴充鑰匙，將輸入的文本加密，並輸入加密的文件，以及將輸入的密文解密並輸出文本。依據本發明另一觀點，提供一種擴充鑰匙產生方法，包括步驟：在循環單元中輸入不同的鑰匙（KC，K c 1 ...........K c η — 1 ); 從輸入的鑰匙產生第一鑰匙，利用預定的代換表，轉換產生的第一鑰匙；及依據轉換的結果以及由輸入鑰匙所獲得的第二鑰匙計算擴出鑰匙。依據本發明另一觀點，提供一種計算機可讀取的儲存媒體，其儲存的程式可使電腦：從輸入至循環單元中的不同鑰匙（K C，K c 1 ..........，κ c η — 1 )產生第一鑰匙；並依據轉換的結果以及由輸入鑰匙所獲得的第二鑰匙計算擴充鑰匙。依據本發明，在每一鑰匙轉換功能區塊中，第一鑰匙轉換機構依據由輸入鑰匙所獲得的第二鑰匙，利用預定的代換表執行轉換程序，且擴充鑰匙計算機構依據第一鑰匙轉換機構的轉換結果及及由輸入鑰匙所獲得的第二鑰匙計算擴充鑰匙。在此方法中，由於使用不需加入額外裝置的簡單配置，並藉由產生每一鑰匙實施利用替換表的非線性轉換程序，可抑制裝置的價格及電路的規模，同時可提昇鑰匙的隨機性，並防止產生弱鑰匙，而增強密碼的強健性。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -7 - * ϋ 1 ϋ ϋ ϋ 1 1 ϋ ·ϋ I · ϋ I (請先閱讀背面之注意事項再ϋΛψ頁) 訂： --線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 556111 A7 B7 五、發明說明（5 ) 進一步的，資料隨機化部位具有多個用以加密及解密的替換表，且資料隨機化部位中的替換表爲第一鑰匙轉換機構所共有，因此能減少裝置的電路規模。依據本發明，提供一種擴充鑰匙產生器，加密/解密單元，擴充鑰匙產生方法，及儲存媒體，其可提生擴充鑰匙的隨機度，抑制成本及電路規模的增加，並防止產生弱鑰匙，而增強密碼的強健性。以下將說明本發明的其他目的及優點，其中的一部份可從描述中淸楚的理解，或可由實施本發明而學得。由此處所提的機制及其結合可理解並獲得本發明的優點及目的〇圖示的簡單說明利用合倂於本說明書中的伴隨圖示，較佳實施例來說明本發明的原理。圖1A及1B的方塊圖說明習知的共同鑰匙密碼程序〇圖2的方塊圖顯示依據本發明第一實施例之加密/解密單元。圖3的方塊圖顯示在第一實施例之加密/解密單元中，擴充鑰匙的配置。圖4A及4 B說明在第一實施例中，設定常數暫存器的値。圖5顯示在第一實施例中，S box的配置。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210x297公釐）-〇- 請先閲讀背面之注意事項再UI本頁) 裝 --線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 556111 A7 B7 五、發明說明（6 ) 圖6顯示在第一實施例中設定旋轉暫存器的例子。圖7的方塊圖顯示第一實施例之循環功能的結構。圖8的流程圖顯示加密/解密單元的流程圖。圖9說明第一實施例的操作。圖1 0的方塊圖顯示依據本發明第二實施例，用於擴充鑰匙產生器之鑰匙轉換功能的配置。圖1 1的方塊圖顯示依據本發明第三實施例，擴出鑰匙產生器的配置。圖1 2說明在第三實施例中建立替換部位的情形。圖1 3的流程圖顯示圖1 1之實施例的操作情形。圖1 4的功能方塊圖顯示聰明卡（smart card )的配置，其爲本發明之擴充鑰匙產生器，加密/解密單元及儲存媒體的例子。圖1 5顯示依據本發明第四實施例的加密/解密單元 0 圖1 6說明第四實施例的改良。圖1 7說明第四實施例的另一改良。圖1 8 A及1 8 B說明第四實施例的改良。符號說明 (請先閲讀背面之注意事項再頁：經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 10 擴充鑰匙產生器 2 0 資料隨機化部位 1 1 1 〜1 In 鑰匙暫存器 1 2 1 〜1 2 η 常數暫存器本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -9 - 556111 Α7 Β7 五、發明說明（7 ) • —ml — It — — — — — — — — · I I (請先閲讀背面之注意事項再頁) 13!〜13 n X〇R元素 14i〜14n S 盒 Ιδχ-Ιδη 擴充轉換器 1 6 i〜1 6 η 加法器 17l〜17n-l 旋轉平移器 Κ Α 第一鑰匙 K B 第二鑰匙 K1〜K16 擴充鑰匙 fkl〜fkn 鑰匙轉換功能 K C 鑰匙

Kc1〜Ken—1 中間鑰匙轉換結果 L i ，R i 次區塊較佳實施例的詳細描述 ;線· 以下將參考伴隨的圖示說明本發明的較佳實施例。 (第一實施例）經濟部智慧財產局員工消费合作社印製圖2的方塊圖顯示依據本發明第一實施例的加密/解密單元。圖3顯示在圖2之加密/解密單元中，擴充鑰匙的配置。此加密/解密單元爲一種個人電腦，工作站等的加密 /解密處理器，並利用軟硬體進行加密/解密的程序。更詳盡的，加密/解密單元包括用以從共同鑰匙產生η個擴充鑰匙Κ 1至ΚΝ的擴充鑰匙產生器1 0，及資料隨機化本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-10 - 556111 A7 B7 五、發明說明（8 ) 部位2 0 ’其利用按R 1至R η順序由擴充鑰匙產生器 1 0所產生的擴充鑰匙Κ 1至Κη來進行加密或解密。亦即，在加密及解密程序中，共用擴充鑰匙產生器1 0及資料隨機化部位2 0，且當以程式實施加密/解密單元時，需事先從儲存媒體安裝其操作程式。可將排列程序插於擴充鑰匙產生器1 0及資料隨機化部位2 0間。擴充鑰匙產生器1 0具有並聯的鑰匙轉換功能f Κ 1 至fKn (其後可簡單的稱爲鑰匙轉換功能），其對應至個別的循環R 1至R η。當接收到個別的鑰匙K C或中間鑰匙轉換結果K c 1至K c η - 1時，藉由將這些輸入轉換成資料隨機化部位2 0的循環轉換式f r 1至f r η而輸出擴充鑰匙Κ 1至Κ η，接著將中間鑰匙轉換功能 Kc 1至k c η — 1輸入至下一段的鑰匙轉換功能f k 1 至 f k η。鑰匙轉換功能f k 1至f k η分別包括暫時的鑰匙暫存器1 1!至1 In，常數暫存器1 2!至1 2η，X〇R元素131至1311，3盒（31)〇“8)141至1411，擴充轉換器151至1511，加法器161至1611及旋轉平移器 1 7 i至1 7 η _ :，如圖3所示。由於下一階段中不具有鑰匙轉換功能f k ( η + 1 )，因此省略最後一段的旋轉平移器1 7 η。鑰匙暫存器，保持輸常數暫存器 1 2 ^中的設定値對應至入至擴充鑰匙產生器1 0的共同鑰匙，或從前一階段之鑰匙轉換功能k f ( i 一 1 )輸入的本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _，j _ <請先閱讀背面之注意事項再填經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 Ϊπ · ϋ I I ϋ ϋ β— 一 · ifli 1 ·1 1 ·1 ϋ I ϋ ϋ I ϋ n ϋ ϋ ϋ ϋ ^1 ^1 ^1 · Γ> 556111 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（9 ) 中間鑰匙轉換結果，並在此實施例中使用5 6位元的暫存器。鑰匙轉換功能f k i所擁有的循環數目，並將該數提供至X〇R元素1 3:。更特定的，如圖4A所示，由於常數暫存器1 2 i必須以相反的順序產生擴充鑰匙K 1至 K16，當循環數η爲16，常數暫存器12:所保持的常數以對稱的方式加以設定，且以循環數目的中間値（8， 9 )作爲其中心値。然而，本發明並不限於此種特定的設定’並可任意地設定保持的常數，只要可以反向的順序設定擴充鑰匙K 1至K 1 6便可。例如，如圖4 B所示，可在加密及解密的程序中將常數反向。如圖4 A所示，僅需將常數暫存器i 2中的値設成不同於其他暫存器之値。例如，常數可設成C〇NST12i=i 。 X〇R元素1 3:計算暫時鑰匙暫存器1 1 ,之8位元資料的第一鑰匙KA.，及常數暫存器中的常數，並將獲得的5十算結果輸出至S box。 S盒（S boxes ) 14i具有將XOR元素13i所輸入的8位元値作非線性轉換的功能，以及將8位元轉換結果輸出至擴充轉換器1 5 i的功能。S盒（S boxes ) 1 4 I利用代換輸入輸出位元的代換表，作非線性的轉換 ’如圖5所示。例如，如果輸入位元爲（ 00000001) ，S 盒（Sboxes) 14i 將資訊（ 0 0 0 0 0 0 0 1 )視爲二進位値，並將此二進位値轉換成十進位的1。 S盒（Sboxes) 1 4 i接著查閱圖5的代換表。假設本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公嫠） .12- i——1--------裝·II <請先閱讀背面之注意事項再填H頁) 訂： :線. 556111 A7 B7 五、發明說明（10) 首先出現的''48 〃代表第0元素，S盒（S boxes ) 14i出''第一〃元素>54〃（十進位），並輸出其二進位値（0 0 1 1 0 1 1 0 )。依此方式，可將（00000001)轉換成輸出位元（00110110) ° 圖5的代換表保持對應至2 5 6個輸入之0 t h至 2 5 5 t h的元素，且依據接收的値（0至2 5 5 )判斷出介於0至2 5 5間的一個數値。並且，最好在其後所述的旋環式中使用相同的S盒（ S boxes )，以達到減少裝置的目的。擴充轉換器1 5 i將自S盒（S boxes ) 1 4 i輸入的 8位元轉換結果轉換成較大的値。在此實施例中，擴充轉換器1 5 i可將8位元的轉換結果向左平移4個位元，並在較低的4個位元中嵌入0以將其展開，並將獲得的1 2 個位元輸出至加法器1 6 i。由於S盒（S boxes ) 1 4 i的輸出位元在資料隨機化部位2 0中反射至兩個S盒S 2及S 3中，因此擴充轉換器1 5 i的平移量較佳的是等價於S盒（S boxes ) 1 4 i 之輸出位元（=8 ) —半（=4個位元）。 ''等價"代表除了 4位元的平移外，並加入輸出位元的整數倍乘數，如 12 (4 + 8x1)位元的平移，或 20 ( = 4 + 8x2) 位元的平移（換句話說，改良的平移量使剩餘値相當於除數的一半）。當S盒（S boxes ) 14 i的輸出位元進行 1 2位元的平移時，則對S盒（S boxes ) S 2及S 3作映 • J — — — — — — — — — — — — · I I (請先閱讀背面之注意事項再填頁) 訂- --線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _】3 - 556111 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製五、發明說明（11 ) 射，而非對S盒S 3及s 4作映射，位元的結合並不限於 4個位元，而可結合1及7位元，2及6位元，3及5位元等。亦即，除了等效的4位元平移外，亦可使用等效的 1至3及5至7位元的平移。加法器1 6 i可將自擴充轉換器1 5 i輸入之1 2位元的擴充轉換結果與鑰匙暫存器1 1 i中的3 2位元第二鑰匙KB相加，並將相加的和輸出至資料隨機化部位2 0 的循環式fri中，而成爲循環Ri的擴充鑰Ki 。第一及第二鑰匙KA及K B個別第從鑰匙暫存器 11i的連續區域中取出。然而，本發明並不限於此，而可從離散的區域中取出這些値。亦即，第一鑰匙可爲鑰匙暫存器1 1 i中的任意8位元資料，而第二鑰匙可爲鑰匙暫存器1 1 i中的任意3 2位元資料。第一及第二鑰匙 KA及K B可相互重疊。第一鑰匙KA的位元長度較佳的是相等於資料隨機化部位2 0之S盒的輸入位元長。第二鑰匙K B的位元長度較佳的是擴充鑰匙K i的位元長以便簡化設計（若需要的話，第二鑰匙K B的位元長可不同於擴充鑰匙K i的位元長，此時，擴充鑰匙K i的位元長可利用減縮或擴充的陣列加以調整）。旋轉平移器1 7 i以預定的平移量將暫時鑰匙暫存器 1 1 i的値作旋轉，並將旋轉的値輸入至下一段的暫時鑰匙暫存器1 1 i 。在此實施例中，平移量以鑰匙轉換功能 f k i至f kn作爲其單位，如圖6所示。旋轉平移器 1 7 i的平移量最好與共同鑰匙KC的位元數或S盒（本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ 14 _ (請先閱讀背面之注意事項再裝頁) 訂： --線· 556111 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製五、發明說明（12) S boxes ) 1 4 i的輸出位元數互質，以提昇鑰匙的隨機性，且此三個數値最好彼此互質。由於必須利用擴充鑰匙 K 1至K6以相反的順序（K 1 6至K 1 )產生擴充鑰匙 κ 1至K 1 6，因此除了最後階段外，需使平移量對稱地設定。然而，本發明不限於此種特定的設定，只要能利用擴充鑰匙K 1至K 6，以相反的順序（K 1 6至K 1 )產生擴充鑰匙K1至K1 6，旋轉平移器17 i的平移量及轉方向可任意地加以設定。另一方面，資料隨機化部位2 0具有將輸入之文本進行加密的功能，且當以相反於加密程序的順序從擴充鑰匙產生器1 0接收擴充鑰匙K 1 6至K 1時，其具有將輸入之密文進行解密的功能。資料隨機化部位2 0具有循環式 f r 1至f r η，且與循環部位R 1至R 1 6並聯。循環式f r i依據從擴充鑰匙產生器1 〇所輸入的擴充鑰對文本或中間的加密結果進行轉換，並在加密過程中輸出中間的加密結果或密文，並依據從擴充鑰匙產生器 1 0反向輸入的擴充鑰匙K (n + 1 — i )對密文或中間的加密結果進行轉換，並在解密的過程中輸出中間的解密結果或文本。在此實施例中，循環式f r i使用圖7的 F e i s t e 1 結構。圖7的Feistel結構包括以下的配置。亦即，由兩個次區塊L i及R i所構成的輸入資料區塊，次區塊R i依據擴充鑰匙K i利用F功能作非線性的轉換’ X 〇 R元件 2 1將此轉換結果與另一次區塊作X〇R計算，並將計算 ϋ H ϋ n ϋ ϋ I I ϋ ϋ ^1 ϋ 1 · ϋ ϋ ϋ ϋ ϋ ^ ϋ 1· I I I ϋ ϋ ϋ I I I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) _ ϋ i_i ϋ 1 ϋ 1 ϋ —Bi «ϋ I · 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公« ) - 15- 556111 A7 B7 五、發明說明（13) 的結果Ri+Ι與次區塊Li+1 ( = Ri)供應至下一階段，同時交換及位置。圖7的F功能包括將擴充鑰匙K及次要匙Ri (或 L i )作XORs的XOR元件22 ，以及將X〇R元件 2 2的輸出分成四個元素的四個S盒S 1至S 4，亦即這些元素個別的非線性轉換。S盒S 1至S 4具有如圖5的替換表，且個別的S盒可具有共同的替換表或具有彼此不同的替換表。每一循環式f r所做的轉換具有迭代的性質，亦即，當重複兩次相同的轉換後，回復原始的資料。因而，當按擴充鑰K 1至K 1 6的順序轉換文本而產生密文時，資料隨機化部位2 0可依K 1 6至K 1復轉換該密文以產生文本。圖8的流程圖說明前配置之加密/解密單元的操作情在加密的過程中，如圖2所示，在每一循環中，利用鑰匙轉換功能f k i ，將輸入的共同鑰匙KC或轉換的中間鑰k c i轉換成擴充鑰匙。更特定的，如圖9所示，在鑰匙轉換功能f k i中， X〇R元件1 3 i將從暫時鑰匙暫存器1 1 i取出的8位元第一鑰匙KA及常數暫存器1 2 i中的常數作X〇R ( 圖8中的步驟S 1 )，且S盒1 4 i線性地轉換此X〇R (圖8中的步驟S 3 )。在非線性轉換中，以位元爲單位作輸入及輸出，亦具有如圖5的關係。此代換結果利用擴本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —16 - (請先閱讀背面之注意事項再填3頁) 訂· --線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 556111 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製五、發明說明（14) 充轉換器15i左移4個位元（=16次）’以獲得 12位元的資料。進一步的，在前端加上20個以使代換結果擴充到3 2個位元。接著將3 2位元的代換結果輸入至加法器16 i (圖8的步驟5)。加法器1 6 i將輸入的平移結果與從暫時鑰匙暫存器 1 1 i擴充的3 2位元第二鑰匙K B相加，並將相加的和 (3 2位元的擴充鑰匙）輸出至資料隨機化部位2 0。（圖8的步驟S 7 )。在此擴充鑰匙K i中，以S盒1 4 i轉換的8位元第一鑰匙置放於由右側屬來的第5至第1 2個位元（最大的位元）。這些位元的位置對應至第三及第四S盒S3及 S4的輸入。因此，擴充鑰匙產生器10中之S盒14 i 的隨機化效應反應到資料隨機化部位2 0中的兩個S盒 S 3及S 4，因此提昇擴充鑰匙的隨機性。在資料隨機化部位2 0中，文本依據一組循環式中的擴充鑰匙K 1至Κ η作轉換，最後經由中間的加密結果轉換成密文。另一方面，在解密的過程中，擴充鍮匙產生器1 0在接收到共同鑰匙後，以相反於加密的順序執行鑰匙轉換程序，並循序地將擴充鑰匙Κ η至Κ 1輸出至資料隨機化部位2 0。資料隨機化部位2 0以相反於加密的方向，依據擴充鑰匙Κ η至Κ 1將輸入的密文作轉換，最後經由中間的解碼結果將其轉換成文本。 ___1___ί________R___ (請先閲讀背面之注意事項再填Λ頁) 訂： -·線- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -17- 556111 A7 B7 五、發明說明（15) 依據此實施例，每一鑰匙轉換功能f k 1至f k η依據從輸入鑰匙獲得的第一鑰匙ΚΑ，利用S盒1 4 i執行非線性的轉換程序，且加法器1 6依據左移S盒1 4 i的轉換結果以及從輸入鑰匙獲得的第二鑰匙，計算擴充鑰匙 K 1至K 1 6的對應値。以此方式，僅使用簡單的配置而不需額外的裝置，並可藉由產生擴充鑰匙K i執行利用替換表的非線性轉換程序。因此，可抑制裝置的價格及規模，並可提昇擴充鑰匙的隨機性，同時避免產生弱鑰匙，因此能提高密碼的強健性。在每一轉換式f k i中，由於旋轉平移器1 7 i向左旋轉-平移輸入鑰匙，並將旋轉平移的輸入鑰匙輸入至下一回的鑰匙轉換功能f k ( i + 1 )，可簡化個別巡迴的鑰匙輸入並使鑰匙彼此不同。進一步的，假設旋轉平移器1 7 i的平移量與S盒 1 4 i的輸出位元數互質，則可使循環R 1至R η中的所有第一鑰匙ΚΑ幾乎彼此不同，且可更輕易可靠地達成前述的效果。進一步的，在鑰匙轉換功能f k i中，由於擴充轉換器1 5 i將S盒1 4 i的轉換結果加以擴充並轉換，同時將結果輸出至加法器1 6 i ，則除了上述的效果外，可將第一鑰匙KA的隨機化效應反映至擴充鑰匙K i的任意區域中。由於藉由平移預定的位元數來進行擴充轉換器1 5 i 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -18 - (請先閱讀背面之注意事項再填 I·頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 556111 A7 B7 五、發明說明（16) 的擴充轉換，可輕易可靠地達成前述的效應。再者，由於資料隨機化部位2 0具有多個用以加密解密的S盒S 1至S 4，且資料隨機化部位2 0的某些S盒與鑰匙轉換功能f k 1至f kn的S盒1 4 i共用，因此可降低裝置的大小。在每一鑰匙轉換功能f k 1至f k η中，由於擴充轉換器1 5 i將自S盒1 4 i接收的轉換結果向左平移（平移位元數爲轉換結果的一半或轉換結果的整數倍），並將平移的結果輸出至加法器1 6 i ，則可利用擴充鑰匙K A 將第一鑰匙的隨機化效應映射至左-平移的區域。在此情形中，由於第一鑰匙K A的隨機化效應可映射至輸入到資料隨機化部位2 0之S盒S 3及S 4的區域，因此可進一步的提昇密碼的強健性。 (第二實施例）圖1 0的方塊圖顯示依據本發明第二實施例，應用g 擴充鑰匙產生器之鑰匙轉換功能的配置。圖1 〇中的某參考標號與圖3者相同，且省略其詳細的描述，僅針對不同的部分加以說明。亦即，此實施例爲第一實施例的改良，且目標在於進一步提昇鑰匙的隨機性。更詳盡而言，在每一鑰匙轉換功能中，如圖1 0所示，包括常數暫存器1 2 i , 件1 3 i ，S盒（S boxes )14i，及擴充轉換器15主在鑰匙暫存器1 1 i及加法器1 6 i間並聯。 ---1---：________^___ (請先閲讀背面之注意事項再填|^頁) 訂· •線. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -19- 556111 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製五、發明說明（17) 兩個S盒1 4 i可爲一種或多種型態。使用多種s盒時’由於必須依據共同鑰匙K C，依一般及反向的順序產生擴充鑰匙k i ，因而較佳的是設定這些型態以使前一組的鑰匙轉換功能f k 1至f k 8及後一組的鑰匙轉換功能 f k 9至f k 1 6相對於中間値（f k 8及i k 9 )垂直地對稱，兩個擴充鑰匙1 5 i可具有相同的平移量。由於兩個 S盒1 4 i的隨機化效應必須映射至較寬的範圍內，最好使用不同的平移量將S盒1 4 i的輸出向左移。此時，若將擴充轉換器1 5 i作4位元的左移，且將另一擴充轉換器1 5 i作2 0位於的左移，第一鑰匙KA的隨機化效應可輕易地映射至資料隨機化部位2 0的所有S盒S 1至 S 4中。利用前述的配置，由於可進一步改善使用第一鑰匙的隨機性，除了第一實施例的功效外，可進一步提昇擴充鑰匙K i的隨機性。 (第三實施例）圖11的方塊圖顯示依據本發明第三實施例之擴充鑰匙產生器的配置。此實施例爲第一或第二實施例的改良，其包括替代暫時平移暫存器1 1 i及旋轉暫存器1 7 i的替換部位 1 8 1 ，用以非線性地替代輸入共同鑰匙K C元或k c 1 至k c η - 1中之一中間鑰匙的一個各別位，將所獲得之 (請先閲讀背面之注 Λ— I I I I · ϋ iai 意事項HtajJRW) 線. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公嫠） -20- 556111 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（18) 中間鑰匙的一些位元入至同一段的X〇R元件1 3 i及加法器1 6 i中，並將整個中間鑰匙輸出至下一段的替代部位1 8 + 。替代部位1 不會代替輸入共同鑰匙的 K C的個別位元。由於必須能以一般及反向的順序，依據共同鑰匙K C 來產生擴充鑰匙，因此設定個別的替換部位1 8 I ，使得在一般順序下’對共同鑰匙作η個代換的結果同等於原始的共同鑰匙。並且，如圖1 2所示，在加密時，以進增的順序進行轉換，且在解密時，以漸減的順序進行轉換。例如，利用任意的位元數向左·旋轉-平移共同鑰匙KC，便可進行每一替代部位1 8 i的程序。在圖1 1的實施例中，每一替換部位1 8 i在圖1 3 之步驟S 2 1中執行共同鑰匙K C的非線性轉換程序。在步驟S 2 3中，X〇R元件1 3將從替換部位1 8 i獲得的第一鑰匙KA與常數暫存器1 2 i中的常數作X〇R計算。在步驟S25中，S盒（S boxes ) 1 4 i利用代換表將X 0 R元件1 3 i輸出的X 0 R値作非線性轉換。在步驟S 2 7中，擴出鑰匙1 5 i將非線性轉換的値向左平移 4個位元，因此獲得1位元的擴充轉換結果。進一步的，藉由在前端加入2 0個” 0 · ”，以將1 2位元的轉換結果擴充至3 2個位元。在步驟S 2 9中，將3 2位元的擴充轉換結果加至從替換部位1 8 i獲得的第二鑰匙K B以產生擴充鑰匙。利用上述的配置，可獲得如第一及第二實施例的相同 (請先閲讀背面之注意事項再填||^頁) 裝訂： i線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公* ) -21 - 556111 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製五、發明說明（19) 效應。此外，可輕易可靠地使輸入至鑰匙轉換功能f k 1 至f kn的鑰匙KC及k c 1至k c η - 1彼此不同。在上述的實施例中，將常數作XOR計算的XOR元件13 i連接至S盒（S boxes ) 1 4 i的輸入側。然而，本發明並不限於此特定的配置。例如，可省略X 0 R元件 1 3 i ，且在做完與常數的X〇R計算後，可以S盒 1 4 X i代換S盒1 4 i ，如此可實施發明並獲得類似的效果。更特定的，可事先計算KA與常數的XOR値，並以表格的形式加以保持，且S盒1 4 X i可利用K A値作爲輸入的參數來查詢表格，以獲得給定的X〇R値。圖1 4的方塊圖顯示實現前述擴充鑰匙產生器，加密 /解密單元，及儲存媒體之聰明卡（smart card )的配置。如圖14所示，聰明卡51具有CPU53，RAM55 ，ROM57 ，EEPROM59 及接觸器 61 。 RAM5 5用以儲存不同的資料。R0M5 7用以儲存各種程式及資料。EEPROM59儲存圖8至1 3的程式。接觸器6 1用以接觸聰明卡的讀寫器。除了 EEPR0M5 9外，圖8至1 3的程式可儲存在 RAM5 5 及 R0M5 7 中。 (第四實施例）圖1 5顯示依據本發明第四實施例的加密/解密單元。此加密/解密單元3 0具有第一至第三實施例的配置，並用以保護如影像資料，音樂資料等數位資訊（其後稱爲 -----.--------裝--- (請先闓讀背面之注意事項再填Hi頁) 訂. -線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公if ) •22- 556111 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（2〇) 生資料）。假設由儲存媒體安裝程式，以在個人電腦p c上實現加密/解密單元3 0，如圖1 5所示。加密/解密單元 3 0利用作爲共同鑰匙的使用者丨D將輸入至個人電腦 P C的生資料進行加密，並將獲得的加密資料儲存在可攜式的記憶元件3 1中。記憶元件3 1可爲聰明卡，聰明媒體，記憶卡等。記憶元件3 1配送至使用者處，且使用者處的加密/ 解密單元（未顯示）依據本身的使用者Ϊ D將記憶元件 3 1中的加密資料進行解密，並從揚聲器等再生出獲得的影像及聲音資料。依此方式，可僅將生資料配送至事先簽有合約的使用者處。本發明可有多種不同的改良。例如，如圖1 6所示，可利用包括加密/解密單元3 0的記錄單元3 2來取代P C。在此種配置中，在將內容寫入記憶元件3 1時，加密/解密單元3 0依據使用者I D加密生資料，並將加密的資料儲存在記憶元件3 1中。配送到解密的程序則如前述的方式所示。藉此，加密/解密單元3 0 可具有專用的記錄單元3 2，來代替個人電腦P C等。並且，如圖1 7所示，具有加密/解密單元3 0的主電腦3 3可經由網路N W與加密/解密單元3 0連接。在此情形中，從主電腦3 3下載的加密資料經由個人電腦 P C儲存至記錄單元3 2中。配送到解密的程序則如前述的方式所示。依據此種改良，除了前述的效應外，可避免網路NW上的內容被竊聽。 (請先閱讀背面之注意事項再填||^頁) 裝訂· --線. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公嫠） .23- 556111 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製五、發明說明（21 ) 進一步的，如圖1 8A及1 8 B所示，可使用DVD 作爲記憶元件。在圖1 8 A的情形中，預存有加密資料的 DVD 3 4配送至使用者處。使用者處的加密/解密單元 3 0將DVD 3 4中的加密資料進行解密，並由揚聲器等再生獲得的影像及聲音資料。並且，在圖1 8 B的情形中，如影像，音樂的生資料在使用者處在使用者處以預定的共同鑰匙藉由加密/解密單元3 0進行加密，並將獲得的加密資料儲存在DVD -R A Μ 3 5 中。利用使用者所設定的共同鑰匙將加密的資料解密，但除非共同鑰匙外洩，否則無法由他人加以解密。因此，可儲存個人的影像資料及音樂資料而不被第三人非法取得儲存的資料。 (其他實施例）可用以儲存本發明之擴充鑰匙產生器及加密/解密單元等程序的儲存媒體包括磁碟，軟碟，硬碟，光碟（C D -ROM，CD — R，DVD等），磁光碟（Μ〇等）及半導體記憶體。實用上，只要能儲存程式並由電腦加以讀取，儲存的格式並無任何限制。依據電腦中的程式指令，電腦或M W (中介體，如資料庫管理軟體，網路軟體）上的作業系統便可執行上述實施例的程序。進一步的，本發明的儲存媒體並不限於獨立於電腦外請先閲讀背面之注意事項再填Λ頁) 裝訂： i線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） •24- 556111 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製五、發明說明（22) 的媒體，而包括了可暫時儲存自L A N及網際網路下載之程式的儲存媒體。儲存媒體的數量不限於單個，且本發明的儲存媒體可儲存在多個媒體中，並使用任一種配置。本發明的電腦依據儲存在媒體中的程式執行前述實施例的程序，且包括單一裝置或經網路連接之多個電腦所構成的系統。本發明的電腦不限於個人電腦，亦包括資訊處理裝置中的演算處理裝置，微電腦，亦即所有能透過程式實施本發明之功能的裝置。本發明並不限於D E S密碼系統，而能利用循環式應用至任一種其他的密碼系統。例如，L u c i f e r， L〇KI ，MISTRY1 ，MISTRY2 及 S A F E R等密碼系統。在上述的實施例中，S盒利用替換表作非線性轉換。變化的，S盒可利用寫入圖樣作非線性轉換。在圖1 0的實施例中，將包括常數暫存器1 2 i ， X〇R元件13i，S盒（S boxes ) 1 4 i及擴充轉換器 1 5 i的兩組轉換元件作並聯的配置。變換的，可並聯第配置三或多組轉換元件。在本發明的範圍內，可做出多種不同的改良。熟悉相關技術之人將可明瞭本發明的優點。因此，本發明的範圍不限於前述的詳細說明及特定的實施例。因此，在不偏離所附申請專利範圍及其等效物之觀念及範圍的 (請先閲讀背面之注意事項再填βϋ頁) 裝訂： •線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） _ 25 ~ 556111 A7 _B7 五、發明說明（23 ) 前提下，可做出多種不同的改良。 (請先閲讀背面之注意事項再填一^頁) 裝訂： i線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -26-

Claims

556111 雜pf^si^pfals‘ 經1財產局員工消費合作社印製第89116363號專利申請案部中文申請專利範圍修正本只8 民國91年7月18日修正六、申請專利範圍 1 · 一種擴充鑰匙產生器，包括：多個串聯鑰匙轉換功能區，用以以循環同鑰匙’並依據輸入的鑰匙產生擴充鑰匙，每一該鑰匙轉換功能區包括·· 第一鑰匙轉換機構，依據由輸入鑰匙所獲得的第一鑰匙’利用預定的代換表，執行轉換程序；及擴充鑰匙計算機構，依據該第一鑰匙轉換機構的轉換結果及由輸入鑰匙獲得的第二鑰匙，計算出擴充鑰匙。 2 .如申請專利範圍第1項之產生器，其中每一該鑰匙轉換功能區包括：用以將輸入鑰匙向左或向右旋轉平移，並將旋轉平移後的鑰匙輸入至下一循環之鑰匙轉換功能區的旋轉平移機構。 3 .如申請專利範圍第2項之產生器，其中該旋轉平移機構的平移量與第一鑰匙轉換機構之輸出位元數互質。 4 .如申請專利範圍第1項之產生器，其中每一該鑰匙轉換功能區包括：輸入鑰匙轉換機構，利用代換表轉換輸入鑰匙，並將轉換的鑰匙輸入至下一循環之鑰匙轉換功能區。 5 .如申請專利範圍第1項之產生器，其中每一該鑰匙轉換功能區包括：擴充轉換機構，用以擴充並轉換第一鑰匙轉換機構的轉換結果，並將擴充轉換之結果輸入至該擴充鑰匙計算機構0 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210><297公釐） i修正補充本軻· 爲單位接收不 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 556111 A8 B8 C8 D8 々、申請專利範圍 6 .如申請專利範圍第5項之產生器，其中藉由平移預定的位元數進行該擴充轉換機構的擴充轉換。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 7 _如申請專利範圍第6項之產生器，其中平移預定的位元數係藉由將轉換結果向左平移一定的位元數來進行，平移的位元數爲該第一鑰匙轉換機構之結果位元數的一半，或者藉由向左平移轉換結果之位元數的整數倍加上其一半位元數所獲得的位元數加以執行。 8 如申目靑專利範圍弟1項之產生器，其中該擴充繪匙計算機構的計算爲具有carry-up的加法。 9 . 一種加密/解密單元，包括如申請專利範圍第1 項的擴充鑰匙產生器，其包括：資料隨機化部位，用以依據鑰匙轉換功能區所產生的擴充鑰匙，將輸入的文本加密，並出密文，以及將輸入的密文解密並輸出文本。 1 〇 .如申請專利範圍第9項之單元，其中該資料隨機化部位具有多個用以加密及解密的代換表，且經濟部智慧財產局員工消費合作社印製該資料隨機化部位的一些代換表相同於該第一鑰匙轉換機構之代換表。 1 1 · 一種擴充鑰匙產生方法，包括步驟：以循環爲單元輸入不同的鑰匙；從輸入的鑰匙產生第一鑰匙；利用預定的代換表，轉換產生的第一鑰匙；及依據轉換的結果以及由輸入鑰匙所獲得的第二鑰匙，本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 556111 芊 A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍計算一擴充鑰匙。 1 2 · —種計算機可讀取的儲存媒體，其儲存的程式可使電腦：從輸入至循環單元中的不同鑰匙產生第一鑰匙；利用預定的代換表，轉換產生的第一鑰匙；及依據轉換的結果以及由輸入鑰匙所獲得的第二鑰匙，計算一擴充鑰匙。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項的媒體，其中儲存一程式以使電腦將輸入鑰匙向左或向右旋轉平移，並將旋轉平移後的鑰匙輸入至下一循環。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項的媒體，其中旋轉平移功能的平移量與第一鑰匙轉換機構之輸出位元數互質。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項的媒體，其中儲存一程式以使電腦利用代換表轉換輸入的鑰匙，並將轉換的鑰匙輸入至下一循環。 1 6 .如申請專利範圍第1 2項的媒體，其中儲存一程式，以使電腦基於第一鑰匙擴充並轉換被轉換的結果。 1 7 ·如申請專利範圍第1 2項的媒體，其中藉由平移預定的位元數，來實施擴充轉換功能。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項的媒體，其中將轉換結果向左平移一定的位元數來進行預定位元數的平移，平移的位元數爲該第一鑰匙轉換機構之結果位元數的一半，或向左平移轉換結果之位元數的整數倍加上其一半位元數所獲得的位元數。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -3- 556111 5;讀委_明示f年7片丨日所翟之經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 9 .如申請專利範圍第1 2項的媒體，其中該擴充鑰匙的計算爲具有 carry-up 之力口法。 2 0 · —種電腦可讀取儲存媒體，用以儲存一程式以使電腦：從以循環爲單位輸入的不同鑰匙產生第一鑰匙；利用預定的代換表，轉換所產生的第一鑰匙；依據轉換的結果以及由輸入鑰匙所獲得的第二鑰匙，計算擴充鑰匙；及將資料隨機化，以依據產生的擴充鑰匙，將輸入的文本加密，並輸出密文，以及將輸入的密文解密並輸出文本〇 2 1 ·如申請專利範圍第2 0項之媒體，其中該資料的隨機化具有多個用以加密及解密的代換表，且將資料隨機化的一些代換表相同於轉換該第一鑰匙之代換表。 22 _ —種擴充鑰匙產生器，包括：多個串聯的鑰匙轉換功能區，用以以循環爲單位接收不同鑰匙，並依據輸入的鑰匙產生擴充鑰匙，每一該鑰匙轉換功能區包括：形成平行電路的多個擴充轉換元件，每一該擴充轉換元件包括：用以保持常數的常數暫存器， X〇R計算機構，用以計算常數暫存器之常數與從輸入鑰匙獲得之第一鑰匙的XOR値，本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -4 - 556111 see日所提之經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 i、申請專利範圍依據X ◦ R計算機構的輸出値，利用預定的代換表，來執行轉換程序的S盒，及將自該S盒輸出之轉換結果進行擴充及轉換的擴充轉換器；及擴充鑰匙計算機構，依據該多個擴充轉換元件的輸出轉換結果及由輸入鑰匙獲得的第二鑰匙，計算出擴充論匙〇 2 3 . —種電腦可讀取儲存媒體，用於擴充鑰匙產生器中，擴充鑰匙產生器具有多個串聯的鑰匙轉換功能區，以循環爲單位接收不同鑰匙，並依據輸入的鑰匙產生擴充鑰匙，該媒體儲存一程式，以使該擴充產生器中的電腦成爲，每一鑰匙轉換功能區，形成平行電路的多個擴充轉換元件，每一該擴充轉換元件包括：用以保有一常數的常數暫存器， X OR計算機構，用以計算常數暫存器之常數與從輸入鑰匙獲得之第一鑰匙的X〇R値，依據X ◦ R計算機構的輸出値，利用預定的代換表來執行轉換程序的S盒，及將該S盒輸出之轉換結果進行擴充及轉換的擴充轉換器；及擴充鑰匙計算機構，依據該多個擴充轉換元件的輸出轉換結果及由輸入鑰匙獲得的第二鑰匙，計算出擴充鑰匙本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公嫠） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· -5- 556111 f^明示巧芊7月^^日所提走經濟部智慧財產局員工消費合作社印製轉fL^.uc^^vrf、rr.^r:r/;>,/々uf^,L· A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍〇 24 . —種擴充鑰匙產生器，包括：多數串聯鑰匙轉換功能區，用以以循環爲單位接收不同鑰匙，並基於所輸入之鑰匙產生擴充鑰匙，每一鑰匙轉換功能區包含：代換部位，用以非線性地代換輸入鑰匙，並輸出代換結果，第一鑰匙轉換機構，依據由該代換表所輸出的第一鑛匙，利用預定的代換表，執行轉換程序；及擴充鑰匙計算機構，依據該第一鑰匙轉換機構的轉換結果及由該代換表所輸出的第二鑰匙，計算出擴充鑰匙。 25 . —種擴充鑰匙產生方法，包括步驟：以循環爲單位，輸入不同的鑰匙；非線性地代換輸入鑰題；利用預定的代換表，轉換經由代換所獲得的第一鑰匙 ;及依據轉換結果及經由代換所獲得的第二鑰匙，計算一擴充鑰匙。 2 6 . —種電腦可讀取儲存媒體，儲存一程式可使電腦：由以循環爲單位輸入的不同鑰匙，產生第一鑰匙；非線性地代換輸入鑰匙；用以非線性代換輸入鑰匙之代換部位，並輸出代換的結果；利用預定的代換表，轉換經由代換所獲得的第一鑰匙；本紙張尺度適用中關家標準（CNS ) A视^ ( 210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 、1Τ- 556111 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍及依據轉換結果及經由代換所獲得的第二鑰匙，計算出擴充鑛匙。、舍、^:霉句:··' 月^ 01所提之 V、ct-隹{-,多L·-* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）