TWI523436B - 執行密碼功能的裝置與方法 - Google Patents

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Description

執行密碼功能的裝置與方法
本發明關係於電子傳送資訊的加密及解密領域。更明確地說，本發明關係於以金鑰加密數位資訊而給出加密數位資訊及該加密數位資訊的計劃內接收者所進一步解碼。
數位電子資訊的加密及解密現今愈來愈普遍並可以在銀行業、軟體保護、資料保護、數位權管理、電信業中迅速找到，其中敏感資訊的傳輸要被保全，及在廣播時，特別是在此等廣播涉及高價值內容的傳輸時。
多數密碼演算法使用金鑰一致性協定，其中加密資訊的發送者及接收者在金鑰上一致。金鑰可以為對稱，其中，相同金鑰係用以加密及解密。對稱金鑰技術在相關於容易可計算方式下，也可以涵蓋使用不同金鑰。另一方面，在非對稱金鑰技術中，公鑰被用以加密及與公鑰不同的私鑰係用以解密。此等演算法係被描述於例如DES、RSA、或例如Diffie-Hellman金鑰交換協定中之標準中，或任何為國家標準及技術協會(NIST)所推薦之例如先進加密標準(AES)的其他標準。用於這些類型演算法的加密強度略微取決於所用之特定演算法及所用之金鑰類型與長度並使得該等金鑰保持祕密。
如於前所述，本發明的領域係數位資訊的加密及解密，然而，因為本發明涉及類比電子處理技術，所以，其也可以包含在先前技術中說明的類比加密/解密技術。
類比加密技術係被常用於通訊的領域及語音編碼目的電話學領域中。所用之技術涉及在時域或頻域中擾頻。
不同於擾頻，也可以使用其他技術於類比加密中。例如，美國專利第7545929號描述一類比加密技術，該予以被加密的類比信號的一部份被隔開並組合上調變信號。調變信號被組合上該原始類比信號以給出加密類比信號。
存在的混合模式加密技術中，其中類比信號被首先取樣並在執行數位域加密前先轉換為數位域並選用地再將結果轉換為類比域。美國專利申請第2001/0021252號描述一廣泛接受方法，以加密電話通訊，藉以類比輸入信號被轉換為數位輸入信號，該數位輸入信號在一數位金鑰下加以加密及所得加密數位輸入信號被再轉換為代表類比輸入信號的類比輸出信號。
國際專利申請第WO2007/120006號描述用於語音信號加密/解密以確保即時語音通訊的混合模式之方法與設備。類比語音信號被轉換為數位語音信號然後使用已知手段加以加密/擾頻。被即時取樣的語音信號或其延遲版本係被加密至該加密/擾頻語音信號中。
美國專利公告US7647615B1描述一音訊輸入介面，其接收數位音訊及視訊信號並包含數位至類比轉換器，以允許它處理類比域之信號。該文件討論類比解密，但只應用於與前述相同的情況下。
美國專利公告US7545929B1描述加密類比資料的設備與方法。在數位與類比域間並未使用轉換。該電路描述採類比信號並將之組合至一調變信號。
因此，現行加密技藝允許數位資訊予以使用工業標準金鑰一致性演算法加密及解密，或者，類比資訊被轉換為數位資訊，其然後使用這些相同工業標準技術加以加密及解密。現行加密技藝也存在有類比資訊加密技術，但此等技術所如此提供之加密通常被認為較數位加密有較低之保全。
在電子密碼領域中，有可能第三者以還原工程還原已經以數位硬體實施之加密演算法，並建立該演算法的仿真，通常採軟體，這可以用以迴避硬體加密演算法，因此，允許該第三者取得已經使用加密演算法加密的資訊。本發明的一目的為提供一種以硬體實現數位加密演算法的新穎方法與設備，同時，使得硬體的還原工程足夠困難，以相較於現行技術加密硬體提供高階的保全。
因此，本發明想要最小化計劃外(unintended)接收者藉由發現加密金鑰或者藉由迴避加密演算法，而能解密依據本發明加密之資訊的資訊的可能性。此目標係使用在至少一數位第一值(XD)及至少一數位第二值(KD)執行數位密碼函數的方法加以完成，該數位密碼函數具有至少一數位結果，該方法包含以下步驟：
a)將該至少一數位第一值(XD)轉換為至少一類比第一值(XA)，
b)將該至少一數位第二值(KD)轉換為至少一類比金鑰值(KA)，
c)對該至少一類比第一值(XA)及該至少一類比金鑰值(KA)執行類比函數(F)，以給出至少一類比輸出值(RA)，及
d)將該類比輸出值(RA)轉換以給出代表該數位密碼函數之結果的數位輸出值(RD)。
本發明更提供一種用以依據上述方法執行數位密碼函數的裝置，使用至少一數位第二值(KD)對至少一數位第一值(XD)執行該方法，該數位密碼函數具有至少一數位結果，該裝置包含：將該至少一數位第一值(XD)轉換為至少一類比第一值(XA)的手段，將該至少一數位第二值(KSD)轉換為至少一類比金鑰值(KA)的手段，對該類比第一值及該類比金鑰值執行類比函數(F)，以給出類比結果(RA)的手段，及將該類比結果轉換為數位值以給出代表該數位密碼函數的結果的數位輸出值(RD)的手段。
因此，防止第三者能以數位硬體實現的密碼函數建立軟體仿真器的問題已經藉由提供混合數位及類比硬體技術完成加密及解密演算法加以解決。
本發明之實施例可以佈署於以第二值對第一值執行密碼函數的系統，以給出一加密或解密輸出。
圖1顯示加密(或解密)數位資訊的系統之一部份的示意圖，其中可以佈署有本發明之實施例。示於示意圖中之方塊採數位第一值(XD)為予以加密(或解密)的輸入及第二數位值(KD)作為加密(或解密)金鑰及給出加密(或解密)數位值(RD)為輸出。換句話說，因此，該方塊對第一數位運算元(XD)及第二數位運算元(KD)執行數位密碼函數，以輸出數位結果(RD)。
依據本發明實施例，使用第一數位至類比轉換器(DA1)將數位第一值(XD)轉換以給出類比第一值(XA)。類似地，使用第二數位至類比轉換器(DA2)，第二數位值(KD)被轉換以給出類比金鑰值(KA)。類比函數(F)係被應用至兩類比值，以給出該類比結果(RA)。使用類比至數位轉換器(AD)，類比結果(RA)被轉換為數位值，因此，於輸入給出代表該數位第一值(XD)的加密之加密數位輸出(RD)。如圖1所示，予以加密的輸入(XD)可以被儲存於輸入暫存器(X)及於此例子中代表加密金鑰值的第二數位值(KD)可以被儲存於加密金鑰暫存器(K)中。類似地，類比至數位轉換結果(RD)可以被儲存於結果暫存器(R)中。值得注意的是，在實務上，如圖1所示之方塊可以只代表完整加密系統的一部份，其可以進一步包含其他調整電路，以完成一完整加密演算法，其很多內容將如後述。
如同於數位電子中所知，n-位元數位值可以被一組n狀態所表示，各狀態具有兩二進位值之一，即零或一。這些狀態可以例如被定義為電壓狀態或電流狀態，但其他類型之狀態也有可能，例如極性的方向，頻率值等等。數位至類比轉換器(DA1，DA2)應較佳將值由數位域轉換為類比域，此轉換的形式造成例如電壓、電流、頻率或電荷之任何類比量。類似地，類比至數位轉換器(AD)應將例如電壓、電流、頻率或電荷的類比量轉換為例如電壓或電流所代表的數位域。
類比函數(F)可以為任何作用於至少兩類比輸入並給出類比輸出之預定類比函數。例如，可以使用涉及加、減、乘、或對數函數的算術函數或其任意組合。在本發明之一實施例中，可方便地使用一開關電容器電路，以在類比值被表示為電荷時實現一算術函數。確實，實現除法函數或加法函數為熟習於開關電容器電路設計者所知。在本發明之另一實施例中，數位值係為電壓狀態所表示及數位至類比轉換器由數位電壓域轉換為類比電流域。如同於熟習於本技藝者所知，加法函數係直接使用在電流域中工作的電路加以直接實現。類似地，在頻域中，頻率乘法電路及其他類型之混合電路可以迅速取得以實現不同算術函數。
使用可用以在如上所述之類比電子電路中實現基本算術或數學函數的基本建構方塊，更有可能建立類比電路，以實現涉及多項式函數之更複雜數學函數，多項式函數包含涉及上升運算元二的乘冪或三的乘冪等等。任何前述數學函數可以用以實現本發明之類比函數(F)。
依據本發明之另一實施例，如於圖2所示，數位第一值(XD)可以由整個或部份輸入值(XIN)使用第一預處理級(PREX)導出。此預處理(PREX)可以根據例如預定值的加入至輸入值(XIN)或由輸入值(XIN)減去預定值、輸入值(XIN)的截斷或旋轉之各種函數或任何可以根據整個或部份金鑰值(XIN)給出數位第一值(XD)的任意邏輯函數。
依據本發明另一實施例，示於圖3，數位第二值(KD)可以由整個或部份金鑰值(KIN)使用第二預處理級(PREK)導出。此預處理(PREK)可以根據例如預定值的加入至金鑰值(KIN)或由該金鑰值(KIN)減去預定值、該金鑰值(KIN)的截斷或旋轉的各種函數或任何可以根據整個或部份金鑰值(XIN)給出數位第二值(KD)的任意邏輯函數。再者，如於圖3所示，在輸出側之輸出(RD)可以受到後處理級(POST)以給出後處理輸出(RPD)。
依據本發明之較佳實施例，於上所述之預處理活動可以進一步包含例如截斷的一些形式，或者輸入值(XIN)或金鑰值(KIN)的細分，以使得加密程序被執行在多數疊代或多數同時並行分支中。
值得注意的是，第一預處理級(PREX)可以涉及更多複雜邏輯並甚至繼承加密(或解密金鑰)的使用。確實，金鑰可以為數位第二值(KD)或金鑰值(KIN)的任何其他導出值。圖4顯示此例子，其中應用至輸入值(XIN)的第一預處理級(PREX)使用由金鑰值(KIN)導出預處理金鑰值(KPRE)。預處理金鑰值(KPRE)可以可不具有與數位第二值(KD)相同的值。確實，其他金鑰可以如圖4所示地導出，例如，後處理金鑰值(KPOST)，其係可以被使用作為另一輸入，或許在後處理級(POST)中操作為加密金鑰(或解密金鑰)。值得注意的是，圖式顯示數位第二值、預處理金鑰值(KPRE)及由相同金鑰值(KIN)導出之後處理金鑰值(KPOST)，各個這些金鑰可以完全獨立。藉由相同符記(token)，第二數位值(KD)、預處理金鑰值(KPRE)及後處理金鑰值(KPOST)可以確實相同。
可以更一般條件了解到，可以實現於數位硬體中之完整加密演算法可以分解成多數次演算法，以使得至少一該次演算法使用類比硬體被實現為類比函數。以此方式，可以達成使得用以建立軟體仿真器或任何其他類型仿真器的目的之還原工程電路變得困難的目標。
在本發明之一實施例中，小心處理以確保加密的重覆性。在具有範圍x伏的n位元數位至類比轉換器中，在輸入的各個步階將對應為在輸出的x/n伏的差。相反地，對於具有y伏的輸入範圍的m位元類比至數位轉換器，在輸入的y/m伏的變化將造成在輸出的單位變化或步階。對於範圍2伏的16位元轉換器，這將給出約30μV的步階尺寸。可以為熟習於數位至類比及類比至數位轉換領域者所了解到，此等轉換器由於例如溫度變化、供應電壓或參考電壓的變化、電雜訊、轉換速度等之因素，而易受到某些量的誤差。如果誤差值在大小上係可相比於轉換器的步階大小，則在一系統中，數位輸入被轉換為類比值然後轉換為數位輸出，其中並不能保證某數位輸入將一直造成相同數位輸出，因為數位輸出將取決於系統內的誤差而改變。
再者，在其中包含至少一數位至類比轉換器隨後有類比至數位轉換器所跟隨的類比函數所跟隨的鏈中，及前述誤差的可能性，由於例如電雜訊、供電變動或簡單地類比函數本身具有例如對轉換器所產生之誤差的累積或倍乘作用的因素可能在類比函數中引入進一步誤差。例如，如果鏈具有兩數位至類比轉換器及類比函數為數位至類比轉換器的兩輸出的乘法，則來自兩數位至類比轉換器的誤差將在類比函數的輸出相乘。
已知在密碼的領域中，為了維持實現在數位電子硬體中之加密演算法的合理程度的保全，用以代表加密金鑰的位元數必須被保持於合理地高。另一方面，可以由上述討論了解，如果加密演算法，或至少部份演算法係被實現為類比函數，則如果所用之位元數造成步階尺寸可相比於固有於轉換器及/或類比函數中之誤差大小，則此系統的可重覆性被妥協。換句話說，使用愈多位元，則將有更少機會能建立可得可重覆結果的決定系統。
為了迴避此問題，依據本發明實施例，其中類比函數係複製一部份的加密演算法，類比函數係被細分為多數類比次函數。類比次函數係被選擇使得它們被組合以實現類比函數。各個類比次函數經由數位至類比轉換器接收至少兩輸入，即第一運算元及第二運算元，並且，來自次函數的輸出進行至類比至數位轉換器以給出次解答。轉換器的步階大小及公差，及因此，位元的最佳數量(b)係被選擇，以使得包含數位至類比轉換器、次函數及類比至數位轉換器的鏈之整個公差對於給出第一及第二運算元造成一決定次解答。多數上述鏈係以實現選擇類比函數的觀點加以實行。數位第一值係被分成多數b-位元部份數位第一值-這些為上述第一運算元，而金鑰值被細分為多數b-位元部份金鑰值-這些為前述第二運算元。透過各個鏈之各個部份數位第一值及部份數位第二值的處理如上所述得到多數部份結果或次解答。部份結果然後於數位域或於類比域被組合，以對類比函數給出解答。類比函數係用以實現整個加密演算法的選擇部份。
這是如圖5所示，其中數位第二值(KD)及數位第一值(XD)被細分為多數部份數位第一值(XD1，XD2)及部份數位第二值(KD1，KD2)。該例子顯示數位第一值及金鑰值，各個值被細分為兩部份；然而，應了解的是，兩值可以各個被分成任意想要數量的部份。各個部份數位第一值係被轉換為部份類比第一值(XA1，XA2)及各個部份數位第二值被轉換為部份類比金鑰值(KA1，KA2)。多數類比次函數方塊(SF1，SF2)對一對值執行類比函數，該對值為來自多數部份類比第一值之一值及來自多數類比金鑰值的一值，給出多數部份類比結果(RAP1，RAP2)。部份類比結果使用多數類比至數位轉換器(AD1，AD2)被轉換為多數部份數位結果(RDP1，RDP2)及多數部份數位結果係使用預定數位組合函數(CD)被組合以給出加密(或解密)數位輸出值(RD)。部份數位結果的組合得到如前所述以數位第一值(XD)及數位第二值(KD)使用類比函數(F)處理所完成之相同數位輸出值。值得注意的是，預定數位組合函數(CD)可以更包含使用後處理金鑰值(POST)或任何其他預定金鑰。或者，部份類比結果(RAP1，RAP2)可以使用類比組合函數(CA)於類比域中組合，以在施加類比至數位轉換(AD)前給出類比結果(RA)，造成加密(或解密)數位輸出值(RD)。這係如圖6所示。類比組合函數(CA)可以可不使用加密金鑰，例如類比加密金鑰(KA)。在本發明之其他實施例，部份數位第一值及部份數位第二值的處理可以以串列方式或使用管線組織加以完成，而不是以上述並行架構完成。
本發明之另一實施例中，為了進一步多向化加密的結果，加密輸出值受到進一步捨入(round)或加密的多數進一步捨入。應作出多少捨入的決定係根據所需速度或效能及所得加密演算法的複雜度間之取捨加以完成。再者，加密的各個捨入並不必然必須使用相同加密金鑰。為了實現加密的進一步捨入，加密數位輸出值(RD)(或後處理輸出值(RPD))可以回授到輸入，以變成新數位第一值(XD)(或新輸入值XIN)或進一步硬體方塊可以被級聯(cascade)至第一方塊的輸出。或者，進一步捨入可以在類比域中完成，以使得部份類比結果透過類比次函數受到進一步處理。
圖7顯示如何依據本發明實施例完成使用函數F加密值的解密。加密值(RD)被使用數位至類比轉換器(DA1)被轉換為類比值。類似地，解密金鑰(KD)係使用數位至類比轉換器(DA2)由數位域轉換為類比域。兩類比值(RA，KDA)使用解密類比函數(F-1)組合。解密類比函數(XA)的結果係使用類比至數位轉換器(AD)由類比域轉換為數位域，以給出該解密值(XD)。如同於加密的情形中，解密金鑰(KD)可以被用以導出解密次金鑰(KSD)。在本發明之一實施例中，解密金鑰為與加密金鑰相同及解密函數為加密函數的反函數。在另一實施例中，解密金鑰與加密金鑰不同，同時，加密函數與解密函數相同。如於加密部份所述，解密可以在多數處理減少位元數的方塊中完成，金鑰被細分為多數較短金鑰及加密值係被細分為多數予以為多數類比函數所處理的較短加密值，具有部份結果係於類比域或數位域被組合。
如上述對決定加密系統的完成作出貢獻的技術，即，數位值的分割為多數更小部份也可以應用至解密系統中。類似地，多數捨入的使用也可以應用至解密系統中。
DA1．．．第一數位至類比轉換器
DA2．．．第二數位至類比轉換器
F．．．類比函數
AD．．．類比至數位轉換器
PREX．．．第一預處理級
PREK．．．第二預處理級
POST．．．後處理級
SF1．．．類比次函數方塊
SF2．．．類比次函數方塊
AD1．．．類比至數位轉換器
AD2．．．類比至數位轉換器
CD．．．數位組合函數
CA．．．類比組合函數
F-1．．．解密類比函數
本發明可以藉由以下及附圖的詳細說明加以了解，這些圖係為本發明實施例之非限定例：
圖1顯示可以佈署本發明實施例之密碼系統一部份的方塊圖。
圖2至6顯示描述於圖1之密碼系統一部份的替代實施例。
圖7顯示可以佈署本發明實施例之解密系統的一部份的方塊圖。
AD．．．類比至數位轉換器
DA1．．．第一數位至類比轉換器
DA2．．．第二數位至類比轉換器
F．．．類比函數
K．．．加密金鑰暫存器
KA．．．類比金鑰值
KD．．．數位第二值
R．．．結果暫存器
RA．．．類比輸出值
RD．．．數位輸出值
X．．．輸入暫存器
XA．．．類比第一值
XD．．．數位第一值

Claims (15)

  1. 一種用以對至少一數位第一值(XD)及至少一數位第二值(KD)執行數位密碼函數的方法，該數位密碼函數具有至少一數位結果，該方法包含以下步驟：a)將該至少一數位第一值(XD)轉換為至少一類比第一值(XA)，b)將該至少一數位第二值(KD)轉換為至少一類比金鑰值(KA)，c)對該至少一類比第一值(XA)及該至少一類比金鑰值(KA)執行類比函數(F)，以給出至少一類比輸出值(RA)，及d)轉換該類比輸出值(RA)以給出代表該數位密碼函數的該結果之數位輸出值(RD)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一數位第一值(XD)由對至少全部或部份輸入值(XIN)執行第一預處理活動(PREX)造成。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中該至少一數位第二值由對至少全部或部份金鑰值(KIN)執行第二預處理活動(PREX)造成。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該第二預處理活動(PREK)更產生預處理金鑰值(KPRE)。
  5. 如申請專利範圍第2或4項所述之方法，其中該第一預處理活動(PREX)更作動於該預處理金鑰值(KPRE)上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中至少全部或部份該數位輸出值(RD)受到後處理活動(POST)以給出後處理數位輸出值(RPD)。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該第二預處理活動(PREK)更產生後處理金鑰值(KPOST)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該後處理活動(POST)更作動於該後處理金鑰值(KPOST)上。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該第一預處理活動(PREX)或第二預處理活動(PREK)之任一涉及產生多數數位第一值(XD1，XD2)或第二數位值(KD1，KD2)及其中該多數數位第一值(XD1，XD2)被轉換為多數類比第一值(XA1，XA2)及該多數數位第二值(KD1，KD2)被轉換為多數類比金鑰值(KA1，KA2)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該類比函數(F)被細分為多數類比次函數(SF1，SF2，CA)，該類比次函數(SF1，SF2，CA)的至少兩者作動於該至少一類比第一值(XA1，XA2)的至少之一及該至少一類比金鑰值(KA1，KA2)之至少之一，以給出多數部份類比結果(RAP1；RAP2)，該多數部份類比結果(RAP1，RAP2)受到組合次函數(CA)，以得到該類比輸出值(RA)。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該類比函數(F)被細分為多數類比次函數(SF1，SF2)，各個該類比次函數(SF1，SF2)作動於該至少一類比第一值(XA1，XA2)的至少之一及該至少一類比金鑰值(KA1，KA2)的至少之一，以給出多數部份類比結果(RAP1；RAP2)，該多數部份類比結果(RAP1，RAP2)被轉換為多數部份數位結果(RDP1，RDP2)，該多數部份數位結果(RDP1，RDP2)被組合(CD)以得到數位輸出值(RD)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一數位第一值或該至少一數位第二值的該轉換由電壓至電流、電壓至電荷、或電壓至頻率之選擇作轉換；及該類比輸出值的該轉換於電流至電壓、電荷至電壓或頻率至電壓的選擇間作轉換。
  13. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該輸入值(XIN)或該金鑰值(KIN)之任一分別包含n位元或m位元，及該數位第一值(XD，XD1，XD2)或該數位金鑰值(KD，KD1，KD2)之任一包含一數目的位元，該數目係分別小於n或m。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該數位輸出值(RD)或該後處理數位輸出值(RPD)為如申請專利範圍第1至13項中任一項所述之該數位密碼函數所進一步處理至少一次。
  15. 一種對至少一數位第一值(XD)及至少一數位第二值(KD)執行數位密碼函數的裝置，該數位密碼函數具有至少一數位結果，該裝置包含：至少一第一數位至類比轉換器(DA1)，以將該至少一數位第一值(XD)轉換為至少一類比第一值(XA)，至少一第二數位至類比轉換器(DA2)，以將該至少一數位第二值(KSD)轉換為至少一類比金鑰值(KA)，硬體，適用以實現作動於該類比第一值(XA)及該類比金鑰值(KA)上之類比函數(F)，以給出類比結果(RA)，及至少一類比至數位轉換器(AD)，以將該類比結果(RA)轉換為數位值，以給出代表該數位密碼函數的結果之數位輸出值(RD)。
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