ＲＦＩＤシステムおよび通信暗号化方法
【課題】Ｒ／Ｗから乱数生成の初期値を暗号フレームに包含／送付し、乱数種を暗号フレーム毎に変化させることで、ＲＦＩＤの利便性を確保しつつ、暗号解読を困難にする。
【解決手段】リーダ／ライタ２００は、下り暗号フレームの送信の前に、前回送信した下り暗号フレームに包含した付与データを格納する第１の付与データ格納手段の格納値を元に乱数種を生成し、乱数種を初期値として第１の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に暗号化／復号化を行う。タグ３００は、下り暗号フレームの受信の前に、前回受信した下り暗号フレームに包含する付与データを格納する第２の付与データ格納手段の格納値を元に乱数種を生成し、乱数種を初期値として第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に復号化／暗号化を行う。
【解決手段】リーダ／ライタ２００は、下り暗号フレームの送信の前に、前回送信した下り暗号フレームに包含した付与データを格納する第１の付与データ格納手段の格納値を元に乱数種を生成し、乱数種を初期値として第１の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に暗号化／復号化を行う。タグ３００は、下り暗号フレームの受信の前に、前回受信した下り暗号フレームに包含する付与データを格納する第２の付与データ格納手段の格納値を元に乱数種を生成し、乱数種を初期値として第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に復号化／暗号化を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＦＩＤシステムにおける通信技術に関し、特に、リーダ／ライタと１以上のタグとの間での通信プロトコルに適用する暗号化に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、無線通信を使用した個体識別のことであり、非接触で半導体メモリを有するタグのメモリデータを読み書きするシステムの総称である。
【０００３】
図５に一般的なＲＦＩＤシステムの構成を示す。
【０００４】
ＲＦＩＤシステムは、リーダ／ライタ（Ｒ／Ｗ）５００と複数のタグ５０１とで構成される。Ｒ／Ｗは、タグに対し無変調波およびタグに対するコマンドを下りフレームとして変調波で送り、タグはＲ／Ｗからの放射電波から内部動作電源を生成、変調波を受信、および復調し、コマンドに応じたメモリデータの読み出し／書き込みを行う。
【０００５】
さらに、タグ５０１はコマンドに応じたレスポンスを上りフレームとして再発射し、Ｒ／Ｗ５００は、タグからの変調波を受信、および復調する。以上のシステム構成により、タグに括り付ける物や人を管理することで、物流や入退室管理のアプリケーションへ適用することができる。
【０００６】
なお、ＲＦＩＤシステムでは、ＲＦＩＤシステムを統括するホストに近く位置するＲ／Ｗを上位、タグを下位とみなし、Ｒ／Ｗからタグへのデータ伝達系を下り系、タグからＲ／Ｗへのデータ伝達系を上り系と総称する。
【０００７】
ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯を用いたＲＦＩＤシステムは、ＥＰＣ Ｇｌｏｂａｌ Ｃ１Ｇ２（Ｃｌａｓｓ１ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ２）やＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００−６として規格化されている（たとえば、非特許文献１，２参照）。
【０００８】
しかし、通信プロトコルに暗号化機能が盛り込まれていないため、盗聴やタグのメモリデータの改ざんなどが行われる恐れがある。この対策として、通信プロトコルに暗号化を適用する研究が様々行われている。
【０００９】
しかし、暗号化方式の適用は、暗号化処理の処理速度に伴いタグの消費電力が増加し、タグは増加分の消費電力を補うため、Ｒ／Ｗからの放射電波の受信量が多くなる位置へと移動せざるを負えない。
【００１０】
つまり、Ｒ／Ｗからタグまでの読み取り距離が暗号化方式未実装のケースに比べ、短くなることを意味し、アプリケーションの利便性を低下させる要因となる。
【００１１】
また、ＤＥＳ（Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）を代表とするブロック暗号化方式の適用は、暗号化をブロック単位で行うため、フレーム蓄積、フレームから暗号化単位への分割、暗号化、以上の一連の処理手順を踏むこととなり、タグの処理時間が増え、タグからＲ／Ｗへの応答時間が増加する。
【００１２】
さらに、Ｒ／Ｗとタグによる相互認証手順を追加した場合、Ｒ／Ｗとタグ間で少なくとも２回以上のフレームの受け渡しが必要となり、Ｒ／Ｗが一つ一つのタグを認識する所要時間が増大する。このことは、Ｒ／Ｗの一定時間内に読み取り可能なタグの個数が減少することを示し、アプリケーションの利便性を著しく低下させることとなる。
【００１３】
そこで、現状のＲＦＩＤシステムの利便性を確保しつつ暗号化方式の適用を前提とすると、暗号化方式は乱数発生器が生成する乱数データと平文データを１ビット単位で排他的論理和することで暗号化するストリーム暗号化が望ましい。
【００１４】
この際、Ｒ／Ｗとタグとの間では乱数発生器の初期値として、共通鍵から共通鍵の内容が把握できないように乱数種を生成する必要がある。
【００１５】
通信フレームをストリーム暗号化する手法として、図６に示すように、フレーム中に格納する付与データからフレームの送信および受信のたびに乱数種を生成し、暗号化する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２００５２３号公報
【非特許文献１】ＥＰＣ Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｔｙ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ Ｃｌａｓｓ−１ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ−２ ＵＨＦ ＲＦＩＤ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｔ ８６０ＭＨｚ−９６０ＭＨｚ Ｖｅｒｓｉｏｎ １．０．９
【非特許文献２】国際標準規格 ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００−６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述した従来技術は、１つのＲ／Ｗと１つのタグ、すなわち、１対１通信に特化したものであり、１つのＲ／Ｗと複数のタグから構成する１対Ｎ通信を行うＲＦＩＤにこの技術を適用した場合、タグは乱数種の共有化のため、他方のタグから送信される変調波を受信および復調し、暗号文を復号化し、フレーム中の付与データを取り出す必要性が生じる。
【００１７】
しかし、タグから送出される変調波は微弱であるため、タグが他方のタグの変調波を受信、復調することは困難であり、タグ間で乱数種を共有することができないという問題が生じてしまう。
【００１８】
また、Ｃ１Ｇ２規格では、タグからＲ／Ｗへの転送速度が６４０ｋｂｐｓのとき、タグからＲ／Ｗへの応答規定時間は約１５．６μＳに定められている。従来の技術の通りに、タグがＲ／Ｗへのレスポンスまでに乱数種を生成すると、図７に示すように、規定時間を超過して応答することが考えられ、規定時間を超過した場合、前述の前提条件である利便性が確保できなくなってしまうという問題がある。
【００１９】
さらに、タグが規定時間内にレスポンスできるよう乱数種生成処理を高速化したとしても、乱数種生成高速化は、タグ内のシステムクロック周波数の高速化となり、タグの消費電力が増加することで通信距離が劣化し、こちらも前提条件である利便性が確保できなくってしまうことになる。
【００２０】
本発明の目的は、１対Ｎ通信時の暗号化通信をＲＦＩＤシステムの利便性を損なうことなく実現することのできる技術を提供することにある。
【００２１】
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２３】
本発明は、１以上のタグとリーダ／ライタとを有し、該リーダ／ライタから受けた電波を電力に変換し、タグとリーダ／ライタとが無線通信を行うＲＦＩＤシステムであって、該リーダ／ライタは、下り平文データを生成する下りデータ生成手段と、乱数種の生成パラメータとなり下り暗号フレームに包含される付与データを生成する付与データ生成手段と、下り平文データと付与データから下り平文フレームを生成する下りデータ結合手段と、付与データ生成手段が生成した付与データを格納する第１の付与データ格納手段と、該第１の付与データ格納手段に格納する付与データから乱数種を生成する第１の乱数種生成手段と、該乱数種を初期値として、周期性のある乱数データを生成する第１の乱数生成手段と、乱数データと下り平文フレームから、タグへ送信する下り暗号フレームを生成する第１の暗号演算手段と、乱数データとタグから受信した上り暗号フレームとから、上り平文フレームを生成する第１の復号演算手段とを備え、第１の乱数種生成手段は、下り暗号フレームの送信の前に、第１の付与データ格納手段に格納された前回送信した下り暗号フレームに包含した付与データの格納値を元に乱数種を生成し、第１の暗号演算手段は、乱数種を初期値として第１の乱数生成手段が生成する乱数データを元に暗号化を行い、第１の復号演算手段は、乱数種を初期値として第１の乱数生成手段が生成する乱数データを元に復号化するものである。
【００２４】
また、本発明は、前記タグが、乱数種を初期値として、周期性のある乱数データを生成する第２の乱数生成手段と、乱数データとリーダ／ライタから受信した下り暗号フレームとから下り平文フレームを生成する第２の復号演算手段と、下り平文フレームから下り平文データと付与データとに分離する下りデータ分離手段と、付与データを格納する第２の付与データ格納手段と、該第２の付与データ格納手段に格納された付与データから乱数種を生成する第２の乱数種生成手段と、乱数データと上り平文フレームとからリーダ／ライタへ送信する上り暗号フレームを生成する第２の暗号演算手段とを備え、第２の乱数種生成手段は、下り暗号フレームの受信の前に、第２の付与データ格納手段に格納された前回受信した下り暗号フレームに包含する付与データの格納値を元に乱数種を生成し、第２の暗号演算手段は、乱数種を初期値として第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に暗号化を行い、第２の復号演算手段は、乱数種を初期値として第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に復号化を行うものである。
【００２５】
さらに、本発明は、前記第１の乱数種生成手段が、上り暗号フレームの受信の前では乱数種を初期設定として出力せず、下り暗号フレームの送信の前に生成した乱数種を初期設定として第１の乱数生成手段に出力し、第１の暗号演算手段は、第１の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの暗号化に用い、第１の復号演算手段は、第１の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の後半部分を上り暗号フレームの復号化に用いるものである。
【００２６】
また、本発明は、前記第２の乱数種生成手段が、上り暗号フレームの送信の前では第２の乱数生成手段に乱数種の初期設定は行わず、下り暗号フレームの受信の前で第２の乱数生成手段に乱数種の初期設定を行い、第２の暗号演算手段は、第２の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの暗号化に用い、第２の復号演算手段は、第２の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の後半部分を上り暗号フレームの復号化に用いるものである。
【００２７】
さらに、本発明は、前記リーダ／ライタが、複数のタグと通信を行う１対Ｎ通信を行うものである。
【００２８】
また、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。
【００２９】
本発明は、リーダ／ライタとタグとを備え、該リーダ／ライタから受けた電波を電力に変換し、タグとリーダ／ライタとが無線通信を行うＲＦＩＤシステムにおける通信暗号化方法であって、リーダ／ライタは、下り暗号フレームの送信の前に、前回送信した下り暗号フレームに包含する付与データを元に乱数種を生成し、その乱数種を初期値として生成した乱数データを元に暗号化／復号化を行うものである。
【発明の効果】
【００３０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００３１】
（１）タグが他方のタグの送出フレームを受信する必要がなくなるので、１対Ｎ通信を行うＲＦＩＤシステムへの利便性を損なうことなく暗号化通信の適用を可能とすることができる。
【００３２】
（２）また、タグの消費電力の増加を防ぐことができるので、通信距離の劣化を防止することができる。
【００３３】
（３）上記（１）、（２）により、信頼性が高く、セキュリティが向上した高性能なＲＦＩＤシステムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３５】
図１は、本発明の一実施の形態によるＲＦＩＤシステムの一例を示す構成図、図２は、図１のＲＦＩＤシステムにおける本発明の暗号化／復号化の手順を示す説明図、図３は、図１のＲＦＩＤシステムにおける暗号フレームと乱数種の生成タイミングの関係を示すタイミング図、図４は、図１のＲＦＩＤシステムにおけるタグに設けられた乱数生成手段、復号演算手段および暗号演算手段のイメージ構成を示す説明図である。
【００３６】
本実施の形態において、ＲＦＩＤシステムは、図１に示すように、リーダ／ライタ（Ｒ／Ｗ）２００、および少なくとも１つ以上のタグ３００から構成されている。
【００３７】
Ｒ／Ｗ２００とタグ３００は、Ｒ／Ｗ２００が変調下り暗号フレーム１１１を送信する前に、第１の付与データ格納手段となる付与データ格納手段２１２、第２の付与データ格納手段となる付与データ格納手段３１２に格納される付与データを乱数種生成手段２１３，３１３に入力し、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間で同じ値の乱数種を生成する。
【００３８】
なお、最初の暗号フレームの送受信の場合、付与データ格納手段２１２，３１２に付与データが存在しないため、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間で取り決めた初期値を用いて乱数種を生成する。
【００３９】
生成された乱数種は、乱数生成手段２１４，３１４に設定され、乱数生成手段２１４，３１４は、設定された乱数種を基準に、暗号化／復号化単位で乱数データ１２５，１３５を生成する。
【００４０】
Ｒ／Ｗ２００は、下りデータ生成手段２０２にて下り平文データを生成する。合わせて、第１の付与データ手段である付与データ生成手段２１１にて次回の暗号化に用いる乱数種のパラメータとなる付与データを生成する。
【００４１】
下りデータ結合手段２１５は、下り平文データと付与データとから下り平文フレーム１２２を生成する。なお、下りデータ結合手段２１５が生成する下り平文フレーム１２２に割り当てられる付与データの位置は、必ずしも下り平文フレーム１２２の最後にまとめて位置する必要はなく、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間で付与データの位置が既知で、かつ、付与データの抽出が可能な手段があるのならば、下り平文フレーム中に付与データを分散配置してもかまわない。
【００４２】
第１の暗号演算手段である暗号演算手段２１６は、下り平文フレーム１２２と第１の乱数生成手段である乱数生成手段２１４から生成される乱数データ１２５とから下り暗号フレーム１２１を生成し、ＲＦ部２０３にて無線変調することでタグに変調下り暗号フレーム１１１を電波伝播する。
【００４３】
タグ３００は、電波伝播する変調下り暗号フレーム１１１をＲＦ部３０２にて無線復調し、下り暗号フレーム１３１を生成する。下り暗号フレーム１３１と第２の乱数生成手段となる乱数生成手段３１４が出力する乱数データ１３５を第２の復号演算手段となる復号演算手段３１６に入力することで、復号化し、下り平文フレーム１３２を生成する。
【００４４】
下り平文フレーム１３２は、下りデータ分離手段３１５に入力し、下り平文データと付与データに分離する。下り平文データは、下りデータ格納手段３０３に格納し、付与データは付与データ格納手段３１２に格納する。なお、下りデータ格納手段３０３および付与データ格納手段３１２の例として、フリップフロップで構成されたレジスタを使用してもよい。
【００４５】
Ｒ／Ｗ２００とタグ３００の乱数生成手段２１４，３１４は、上りフレームの暗号化、および復号化の場合、乱数種を設定せず、下りフレームの暗号化および復号化にて生成した乱数データ系列に継続する乱数データを暗号化／復号化単位で生成する。
【００４６】
タグ３００の内部状態を管理する状態制御手段３０１は、メモリ手段３０５に格納されるデータと下り平文データに応じた上りデータの生成を上りデータ生成手段３０４に指示し、上りデータ生成手段３０４にて上り平文データを生成し、合わせて、付与データ生成手段３１１にて付与データを生成する。なお、メモリ手段３０５の例として、ＥＥＰＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やフラッシュメモリに例示される不揮発性半導体メモリ、あるいは相変化メモリなどを使用してもよい。
【００４７】
生成された上り平文データと付与データは、上りデータ結合手段３１８にて結合し、上り平文フレーム１３３を生成する。第２の暗号演算手段となる暗号演算手段３１７にて、上り平文フレーム１３３と乱数生成手段３１４にて生成される乱数データ１３５から暗号化し、上り暗号フレーム１３４を生成する。ＲＦ部３０２にて上り暗号フレーム１３４を無線変調することで、Ｒ／Ｗへ変調上り暗号フレーム１１２を電波伝搬する。
【００４８】
Ｒ／Ｗ２００は、電波伝播する変調上り暗号フレーム１１２をＲＦ部２０３にて無線復調し、上り暗号フレーム１２４を生成する。乱数生成手段２１４にて生成される乱数データ１２５と上り暗号フレーム１２４を第１の復号演算手段となる復号演算手段２１７に入力することで、復号化し、上り平文フレーム１２３を生成する。
【００４９】
上り平文フレーム１２３を上りデータ抽出手段２１８に入力し、上り平文データと付与データに分離する。上り平文データは、上りデータ格納手段２０４に格納し、付与データは破棄される。
【００５０】
図２は、本発明の暗号化／復号化の手順の一例を示す説明図である。
【００５１】
Ｒ／Ｗ２００は、下り暗号フレームの送信前に、初期値’Ｘ０’から、第１の乱数種生成手段となる乱数種生成手段２１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４に設定（初期設定）する。乱数生成手段２１４は、乱数種を初期値とし乱数データ１２５を暗号化単位で出力する。
【００５２】
一方、タグも同様に、下り暗号フレームの受信前に、初期値’Ｘ０’から乱数種生成手段３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段３１４に設定する。乱数生成手段３１４は、乱数種を初期値とし乱数データ１３５を暗号化単位で出力する。
【００５３】
なお、最初のフレーム暗号化および復号化の場合、付与データ格納手段２１２，３１２に付与データを格納しておらず、付与データからの乱数種の生成が出来ないため、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間で定めた既知の値として初期値’Ｘ０’を定め、その値から乱数種を生成する。
【００５４】
Ｒ／Ｗ２００は、下りデータ生成手段２０２にて’下りデータＡ’、付与データ生成手段２１１にて’付与データＸ１’を生成し、下りデータ結合手段２１５にて下り平文フレームを生成する。
【００５５】
暗号演算手段２１６にて、下り平文フレームと乱数生成手段２１４から出力する乱数データ１２５を元に暗号化し、’下り暗号フレームＡ’としてタグ３００へ送出する。
【００５６】
タグ３００は、’下り暗号フレームＡ’を受信し、復号演算手段３１６にて、乱数生成手段３１４から出力する乱数データ１３５を元に、復号化を行い、下り平文フレームを生成する。
【００５７】
下りデータ分離手段３１５にて、下り平文フレームから’下りデータＡ’と’付与データＸ１’とに分離する。’下りデータＡ’は、下りデータ格納手段３０３に格納し、’付与データＸ１’は、付与データ格納手段３１２に格納する。
【００５８】
タグ３００は、’下りデータＡ’に応答するために、上りデータ生成手段３０４にて’上りデータＢ’、付与データ生成手段３１１にて’付与データＹ１’を生成し、上りデータ結合手段３１８にて上り平文フレームを生成する。
【００５９】
暗号演算手段３１７にて、上り平文フレームと、乱数生成手段３１４が出力する下り暗号フレームの復号に用いた乱数データ系列に継続する乱数データ１３５を元に暗号化し、’上り暗号フレームＢ’を生成する。
【００６０】
Ｒ／Ｗ２００は、’上り暗号フレームＢ’を受信し、復号演算手段２１７にて、’上り暗号フレームＢ’と、乱数生成手段２１４が出力する下り暗号フレームの暗号に用いた乱数データ系列に継続する乱数データ１２５とを元に復号化し、上り平文フレームを生成する。
【００６１】
上りデータ抽出手段２１８にて、上り平文フレームから’上りデータＢ’と’付与データＹ１’とを抽出し、’上りデータＢ’を上りデータ格納手段２０４に格納する。
【００６２】
その後、Ｒ／Ｗ２００、ならびにタグ３００は、’付与データＸ１’を元に、乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、生成した乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に格納することで、生成される乱数データの分散を図る。
【００６３】
以上の一連の動作により、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間の暗号化通信を実現する。Ｒ／Ｗ２００からの付与データで乱数種を生成することで、乱数種の更新経路がＲ／Ｗ２００からタグ３００への一方向となり、タグ３００が他方のタグ３００の送出フレームを受信する必要がなくなる。これにより、１対Ｎ通信を特徴するＲＦＩＤシステムへの暗号化通信の適用が可能となる。
【００６４】
図３は、本発明の暗号フレームと乱数種の生成タイミングの関係を示すものである。この図３は、ひとつのＲ／Ｗ２００と３つのタグ３００ａ〜３００ｃから構成される場合を示す。
【００６５】
１回目の暗号フレームの送受信において、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃは、初期値’Ｘ０’から乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に設定する。
【００６６】
暗号フレームの暗号化／復号化は、初期値’Ｘ０’から生成される乱数種を用いた乱数データによって行われる。なお、最初のフレーム暗号化および復号化の場合、付与データ格納手段２１２，３１２に付与データを格納しておらず、付与データからの乱数種の生成ができないため、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃとの間で定めた既知の値として初期値’Ｘ０’を定め、その値から乱数種を生成する。
【００６７】
２回目の暗号フレームの送受信において、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃは、１回目の暗号フレームの送受信においてＲ／Ｗ２００から送出された’下り暗号フレームＡ’に包含する’付与データＸ１’から乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に設定する。暗号フレームの暗号化／復号化は、初期値’Ｘ１’から生成される乱数種を用いた乱数データによって行われる。
【００６８】
３回目の暗号フレームの送受信において、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃは、２回目の暗号フレームの送受信においてＲ／Ｗ２００から送出された’下り暗号フレームＣ’に包含する’付与データＸ２’から乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に設定する。暗号フレームの暗号化／復号化は、初期値’Ｘ２’から生成される乱数種を用いた乱数データによって行われる。
【００６９】
４回目の暗号フレームの送受信において、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃは、３回目の暗号フレームの送受信においてＲ／Ｗ２００から送出された’下り暗号フレームＥ’に包含する’付与データＸ３’から乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に設定する。
【００７０】
以上の一連の動作を繰り返すことで、乱数種を更新し、乱数生成手段２１４，３１４が生成する乱数データの分散を図る。また、Ｒ／Ｗ２００からの付与データで乱数種を生成することで、乱数種の更新経路がＲ／Ｗ２００からタグ３００ａ〜３００ｃへの一方向となり、タグが他方のタグの送出フレームを受信する必要がなくなる。これにより、１対Ｎ通信を行うＲＦＩＤシステムへ暗号化通信の適用が可能となる。
【００７１】
図４は、本発明の乱数生成手段、復号演算手段および暗号演算手段の構成を示すものであり、タグ側の構成をイメージする。乱数生成手段３１４に３次Ｍ系列符号生成器、復号演算手段３１６および暗号演算手段３１７に排他的論理和を用いた例である。また、暗号化単位は１ビット単位で行うものとする。
【００７２】
３次Ｍ系列符号生成器は、３段のシフトレジスタで構成され、特定ビットの排他的論理和の結果をフィードバックすることで、周期７の擬似乱数データを生成する。乱数生成手段３１４の乱数種（初期値）が｛１，１，１｝のとき、出力される乱数データ１３５は、｛１，１，０，０，１，０，１｝の周期性をもつ系列データなる。
【００７３】
たとえば、下り暗号フレーム１３１が｛１，０，１，０｝の４ビットのデータ列、乱数種が｛１，１，１｝の乱数データ１３５の４ビット列は｛１，１，０，０｝となり、下り暗号フレーム１３１と乱数データ１３５をビット毎に排他的論理和することで、下り平文フレーム１３２として｛０，１，１，０｝を生成し、復号化となる。
【００７４】
受信復号化後の送信暗号化において、乱数生成手段３１４は再設定しないため、乱数生成手段３１４の保持値は、｛０，１，０｝となり、生成される乱数データ１３５は｛１，０，１，１，１，０，０｝の周期性をもつ系列データとなる。
【００７５】
上り平文フレーム１３３が｛０，１，１，０｝の４ビットのデータ列合、乱数データ１３５は｛１，０，１，１｝となる。上り平文フレーム１３３と乱数データ１３５をビット毎に排他的論理和することで、上り暗号フレーム１３４として｛１，１，０，１｝が生成され、暗号化となる。
【００７６】
以上により、乱数生成手段３１４から生成される乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレーム１３１の復号化に用い、後半部分を上り暗号フレーム１３４の暗号化に用いることで、上り暗号フレームの暗号工程前の乱数種生成工程を省くことが可能となる。
【００７７】
これにより、タグ３００からＲ／Ｗ２００への応答時間を規定時間内に収めながら、タグ３００の消費電力の増加を防ぐことが可能となり、ＲＦＩＤシステムにおける通信距離の劣化を防止することができる。
【００７８】
それにより、本実施の形態によれば、リーダ／ライタ２００からの付与データで乱数種を生成するので、乱数種の更新経路がリーダ／ライタ２００からタグ３００への一方向となり、ＲＦＩＤシステムの利便性を確保しながら、１対Ｎ通信におけるＲＦＩＤシステムの暗号通信を実現することができる。
【００７９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００８０】
たとえば、前記実施の形態１では、乱数生成手段３１４に３次Ｍ系列符号生成器を用いた場合について記載したが、３次以外の高次のＭ系列符号生成器を用いることでより強度な暗号を提供することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、１対Ｎ通信を行うＲＦＩＤシステムにおける暗号化通信技術に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施の形態によるＲＦＩＤシステムの一例を示す構成図である。
【図２】図１のＲＦＩＤシステムにおける本発明の暗号化／復号化の手順を示す説明図である。
【図３】図１のＲＦＩＤシステムにおける暗号フレームと乱数種の生成タイミングの関係を示すタイミング図である。
【図４】図１のＲＦＩＤシステムにおけるタグに設けられた乱数生成手段、復号演算手段および暗号演算手段のイメージ構成を示す説明図である。
【図５】本発明者が検討したＲＦＩＤシステム構成図である。
【図６】図５のＲＦＩＤシステムによる暗号化／復号化の手順例を示す説明図である。
【図７】Ｃ１Ｇ２規格で定められたタグからリーダ／ライタへの応答時間を超過した際の通信例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００８３】
２００ リーダ／ライタ
２０１ ＣＰＵ
２０２ 下りデータ生成手段
２０３ ＲＦ部
２０４ 上りデータ格納手段
２１１ 付与データ生成手段
２１２ 付与データ格納手段
２１３ 乱数種生成手段
２１４ 乱数生成手段
２１５ 下りデータ結合手段
２１６ 暗号演算手段
２１７ 復号演算手段
２１８ 上りデータ抽出手段
３００ タグ
３００ａ〜３００ｃ タグ
３０１ 状態制御手段
３０２ ＲＦ部
３０３ 下りデータ格納手段
３０４ 上りデータ生成手段
３０５ メモリ手段
３１１ 付与データ生成手段
３１２ 付与データ格納手段
３１３ 乱数種生成手段
３１４ 乱数生成手段
３１５ 下りデータ分離手段
３１６ 復号演算手段
３１７ 暗号演算手段
３１８ 上りデータ結合手段
５００ リーダ／ライタ
５０１ タグ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＦＩＤシステムにおける通信技術に関し、特に、リーダ／ライタと１以上のタグとの間での通信プロトコルに適用する暗号化に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、無線通信を使用した個体識別のことであり、非接触で半導体メモリを有するタグのメモリデータを読み書きするシステムの総称である。
【０００３】
図５に一般的なＲＦＩＤシステムの構成を示す。
【０００４】
ＲＦＩＤシステムは、リーダ／ライタ（Ｒ／Ｗ）５００と複数のタグ５０１とで構成される。Ｒ／Ｗは、タグに対し無変調波およびタグに対するコマンドを下りフレームとして変調波で送り、タグはＲ／Ｗからの放射電波から内部動作電源を生成、変調波を受信、および復調し、コマンドに応じたメモリデータの読み出し／書き込みを行う。
【０００５】
さらに、タグ５０１はコマンドに応じたレスポンスを上りフレームとして再発射し、Ｒ／Ｗ５００は、タグからの変調波を受信、および復調する。以上のシステム構成により、タグに括り付ける物や人を管理することで、物流や入退室管理のアプリケーションへ適用することができる。
【０００６】
なお、ＲＦＩＤシステムでは、ＲＦＩＤシステムを統括するホストに近く位置するＲ／Ｗを上位、タグを下位とみなし、Ｒ／Ｗからタグへのデータ伝達系を下り系、タグからＲ／Ｗへのデータ伝達系を上り系と総称する。
【０００７】
ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯を用いたＲＦＩＤシステムは、ＥＰＣ Ｇｌｏｂａｌ Ｃ１Ｇ２（Ｃｌａｓｓ１ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ２）やＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００−６として規格化されている（たとえば、非特許文献１，２参照）。
【０００８】
しかし、通信プロトコルに暗号化機能が盛り込まれていないため、盗聴やタグのメモリデータの改ざんなどが行われる恐れがある。この対策として、通信プロトコルに暗号化を適用する研究が様々行われている。
【０００９】
しかし、暗号化方式の適用は、暗号化処理の処理速度に伴いタグの消費電力が増加し、タグは増加分の消費電力を補うため、Ｒ／Ｗからの放射電波の受信量が多くなる位置へと移動せざるを負えない。
【００１０】
つまり、Ｒ／Ｗからタグまでの読み取り距離が暗号化方式未実装のケースに比べ、短くなることを意味し、アプリケーションの利便性を低下させる要因となる。
【００１１】
また、ＤＥＳ（Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）を代表とするブロック暗号化方式の適用は、暗号化をブロック単位で行うため、フレーム蓄積、フレームから暗号化単位への分割、暗号化、以上の一連の処理手順を踏むこととなり、タグの処理時間が増え、タグからＲ／Ｗへの応答時間が増加する。
【００１２】
さらに、Ｒ／Ｗとタグによる相互認証手順を追加した場合、Ｒ／Ｗとタグ間で少なくとも２回以上のフレームの受け渡しが必要となり、Ｒ／Ｗが一つ一つのタグを認識する所要時間が増大する。このことは、Ｒ／Ｗの一定時間内に読み取り可能なタグの個数が減少することを示し、アプリケーションの利便性を著しく低下させることとなる。
【００１３】
そこで、現状のＲＦＩＤシステムの利便性を確保しつつ暗号化方式の適用を前提とすると、暗号化方式は乱数発生器が生成する乱数データと平文データを１ビット単位で排他的論理和することで暗号化するストリーム暗号化が望ましい。
【００１４】
この際、Ｒ／Ｗとタグとの間では乱数発生器の初期値として、共通鍵から共通鍵の内容が把握できないように乱数種を生成する必要がある。
【００１５】
通信フレームをストリーム暗号化する手法として、図６に示すように、フレーム中に格納する付与データからフレームの送信および受信のたびに乱数種を生成し、暗号化する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２００５２３号公報
【非特許文献１】ＥＰＣ Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｔｙ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ Ｃｌａｓｓ−１ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ−２ ＵＨＦ ＲＦＩＤ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｔ ８６０ＭＨｚ−９６０ＭＨｚ Ｖｅｒｓｉｏｎ １．０．９
【非特許文献２】国際標準規格 ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００−６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述した従来技術は、１つのＲ／Ｗと１つのタグ、すなわち、１対１通信に特化したものであり、１つのＲ／Ｗと複数のタグから構成する１対Ｎ通信を行うＲＦＩＤにこの技術を適用した場合、タグは乱数種の共有化のため、他方のタグから送信される変調波を受信および復調し、暗号文を復号化し、フレーム中の付与データを取り出す必要性が生じる。
【００１７】
しかし、タグから送出される変調波は微弱であるため、タグが他方のタグの変調波を受信、復調することは困難であり、タグ間で乱数種を共有することができないという問題が生じてしまう。
【００１８】
また、Ｃ１Ｇ２規格では、タグからＲ／Ｗへの転送速度が６４０ｋｂｐｓのとき、タグからＲ／Ｗへの応答規定時間は約１５．６μＳに定められている。従来の技術の通りに、タグがＲ／Ｗへのレスポンスまでに乱数種を生成すると、図７に示すように、規定時間を超過して応答することが考えられ、規定時間を超過した場合、前述の前提条件である利便性が確保できなくなってしまうという問題がある。
【００１９】
さらに、タグが規定時間内にレスポンスできるよう乱数種生成処理を高速化したとしても、乱数種生成高速化は、タグ内のシステムクロック周波数の高速化となり、タグの消費電力が増加することで通信距離が劣化し、こちらも前提条件である利便性が確保できなくってしまうことになる。
【００２０】
本発明の目的は、１対Ｎ通信時の暗号化通信をＲＦＩＤシステムの利便性を損なうことなく実現することのできる技術を提供することにある。
【００２１】
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２３】
本発明は、１以上のタグとリーダ／ライタとを有し、該リーダ／ライタから受けた電波を電力に変換し、タグとリーダ／ライタとが無線通信を行うＲＦＩＤシステムであって、該リーダ／ライタは、下り平文データを生成する下りデータ生成手段と、乱数種の生成パラメータとなり下り暗号フレームに包含される付与データを生成する付与データ生成手段と、下り平文データと付与データから下り平文フレームを生成する下りデータ結合手段と、付与データ生成手段が生成した付与データを格納する第１の付与データ格納手段と、該第１の付与データ格納手段に格納する付与データから乱数種を生成する第１の乱数種生成手段と、該乱数種を初期値として、周期性のある乱数データを生成する第１の乱数生成手段と、乱数データと下り平文フレームから、タグへ送信する下り暗号フレームを生成する第１の暗号演算手段と、乱数データとタグから受信した上り暗号フレームとから、上り平文フレームを生成する第１の復号演算手段とを備え、第１の乱数種生成手段は、下り暗号フレームの送信の前に、第１の付与データ格納手段に格納された前回送信した下り暗号フレームに包含した付与データの格納値を元に乱数種を生成し、第１の暗号演算手段は、乱数種を初期値として第１の乱数生成手段が生成する乱数データを元に暗号化を行い、第１の復号演算手段は、乱数種を初期値として第１の乱数生成手段が生成する乱数データを元に復号化するものである。
【００２４】
また、本発明は、前記タグが、乱数種を初期値として、周期性のある乱数データを生成する第２の乱数生成手段と、乱数データとリーダ／ライタから受信した下り暗号フレームとから下り平文フレームを生成する第２の復号演算手段と、下り平文フレームから下り平文データと付与データとに分離する下りデータ分離手段と、付与データを格納する第２の付与データ格納手段と、該第２の付与データ格納手段に格納された付与データから乱数種を生成する第２の乱数種生成手段と、乱数データと上り平文フレームとからリーダ／ライタへ送信する上り暗号フレームを生成する第２の暗号演算手段とを備え、第２の乱数種生成手段は、下り暗号フレームの受信の前に、第２の付与データ格納手段に格納された前回受信した下り暗号フレームに包含する付与データの格納値を元に乱数種を生成し、第２の暗号演算手段は、乱数種を初期値として第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に暗号化を行い、第２の復号演算手段は、乱数種を初期値として第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に復号化を行うものである。
【００２５】
さらに、本発明は、前記第１の乱数種生成手段が、上り暗号フレームの受信の前では乱数種を初期設定として出力せず、下り暗号フレームの送信の前に生成した乱数種を初期設定として第１の乱数生成手段に出力し、第１の暗号演算手段は、第１の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの暗号化に用い、第１の復号演算手段は、第１の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の後半部分を上り暗号フレームの復号化に用いるものである。
【００２６】
また、本発明は、前記第２の乱数種生成手段が、上り暗号フレームの送信の前では第２の乱数生成手段に乱数種の初期設定は行わず、下り暗号フレームの受信の前で第２の乱数生成手段に乱数種の初期設定を行い、第２の暗号演算手段は、第２の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの暗号化に用い、第２の復号演算手段は、第２の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の後半部分を上り暗号フレームの復号化に用いるものである。
【００２７】
さらに、本発明は、前記リーダ／ライタが、複数のタグと通信を行う１対Ｎ通信を行うものである。
【００２８】
また、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。
【００２９】
本発明は、リーダ／ライタとタグとを備え、該リーダ／ライタから受けた電波を電力に変換し、タグとリーダ／ライタとが無線通信を行うＲＦＩＤシステムにおける通信暗号化方法であって、リーダ／ライタは、下り暗号フレームの送信の前に、前回送信した下り暗号フレームに包含する付与データを元に乱数種を生成し、その乱数種を初期値として生成した乱数データを元に暗号化／復号化を行うものである。
【発明の効果】
【００３０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００３１】
（１）タグが他方のタグの送出フレームを受信する必要がなくなるので、１対Ｎ通信を行うＲＦＩＤシステムへの利便性を損なうことなく暗号化通信の適用を可能とすることができる。
【００３２】
（２）また、タグの消費電力の増加を防ぐことができるので、通信距離の劣化を防止することができる。
【００３３】
（３）上記（１）、（２）により、信頼性が高く、セキュリティが向上した高性能なＲＦＩＤシステムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３５】
図１は、本発明の一実施の形態によるＲＦＩＤシステムの一例を示す構成図、図２は、図１のＲＦＩＤシステムにおける本発明の暗号化／復号化の手順を示す説明図、図３は、図１のＲＦＩＤシステムにおける暗号フレームと乱数種の生成タイミングの関係を示すタイミング図、図４は、図１のＲＦＩＤシステムにおけるタグに設けられた乱数生成手段、復号演算手段および暗号演算手段のイメージ構成を示す説明図である。
【００３６】
本実施の形態において、ＲＦＩＤシステムは、図１に示すように、リーダ／ライタ（Ｒ／Ｗ）２００、および少なくとも１つ以上のタグ３００から構成されている。
【００３７】
Ｒ／Ｗ２００とタグ３００は、Ｒ／Ｗ２００が変調下り暗号フレーム１１１を送信する前に、第１の付与データ格納手段となる付与データ格納手段２１２、第２の付与データ格納手段となる付与データ格納手段３１２に格納される付与データを乱数種生成手段２１３，３１３に入力し、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間で同じ値の乱数種を生成する。
【００３８】
なお、最初の暗号フレームの送受信の場合、付与データ格納手段２１２，３１２に付与データが存在しないため、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間で取り決めた初期値を用いて乱数種を生成する。
【００３９】
生成された乱数種は、乱数生成手段２１４，３１４に設定され、乱数生成手段２１４，３１４は、設定された乱数種を基準に、暗号化／復号化単位で乱数データ１２５，１３５を生成する。
【００４０】
Ｒ／Ｗ２００は、下りデータ生成手段２０２にて下り平文データを生成する。合わせて、第１の付与データ手段である付与データ生成手段２１１にて次回の暗号化に用いる乱数種のパラメータとなる付与データを生成する。
【００４１】
下りデータ結合手段２１５は、下り平文データと付与データとから下り平文フレーム１２２を生成する。なお、下りデータ結合手段２１５が生成する下り平文フレーム１２２に割り当てられる付与データの位置は、必ずしも下り平文フレーム１２２の最後にまとめて位置する必要はなく、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間で付与データの位置が既知で、かつ、付与データの抽出が可能な手段があるのならば、下り平文フレーム中に付与データを分散配置してもかまわない。
【００４２】
第１の暗号演算手段である暗号演算手段２１６は、下り平文フレーム１２２と第１の乱数生成手段である乱数生成手段２１４から生成される乱数データ１２５とから下り暗号フレーム１２１を生成し、ＲＦ部２０３にて無線変調することでタグに変調下り暗号フレーム１１１を電波伝播する。
【００４３】
タグ３００は、電波伝播する変調下り暗号フレーム１１１をＲＦ部３０２にて無線復調し、下り暗号フレーム１３１を生成する。下り暗号フレーム１３１と第２の乱数生成手段となる乱数生成手段３１４が出力する乱数データ１３５を第２の復号演算手段となる復号演算手段３１６に入力することで、復号化し、下り平文フレーム１３２を生成する。
【００４４】
下り平文フレーム１３２は、下りデータ分離手段３１５に入力し、下り平文データと付与データに分離する。下り平文データは、下りデータ格納手段３０３に格納し、付与データは付与データ格納手段３１２に格納する。なお、下りデータ格納手段３０３および付与データ格納手段３１２の例として、フリップフロップで構成されたレジスタを使用してもよい。
【００４５】
Ｒ／Ｗ２００とタグ３００の乱数生成手段２１４，３１４は、上りフレームの暗号化、および復号化の場合、乱数種を設定せず、下りフレームの暗号化および復号化にて生成した乱数データ系列に継続する乱数データを暗号化／復号化単位で生成する。
【００４６】
タグ３００の内部状態を管理する状態制御手段３０１は、メモリ手段３０５に格納されるデータと下り平文データに応じた上りデータの生成を上りデータ生成手段３０４に指示し、上りデータ生成手段３０４にて上り平文データを生成し、合わせて、付与データ生成手段３１１にて付与データを生成する。なお、メモリ手段３０５の例として、ＥＥＰＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やフラッシュメモリに例示される不揮発性半導体メモリ、あるいは相変化メモリなどを使用してもよい。
【００４７】
生成された上り平文データと付与データは、上りデータ結合手段３１８にて結合し、上り平文フレーム１３３を生成する。第２の暗号演算手段となる暗号演算手段３１７にて、上り平文フレーム１３３と乱数生成手段３１４にて生成される乱数データ１３５から暗号化し、上り暗号フレーム１３４を生成する。ＲＦ部３０２にて上り暗号フレーム１３４を無線変調することで、Ｒ／Ｗへ変調上り暗号フレーム１１２を電波伝搬する。
【００４８】
Ｒ／Ｗ２００は、電波伝播する変調上り暗号フレーム１１２をＲＦ部２０３にて無線復調し、上り暗号フレーム１２４を生成する。乱数生成手段２１４にて生成される乱数データ１２５と上り暗号フレーム１２４を第１の復号演算手段となる復号演算手段２１７に入力することで、復号化し、上り平文フレーム１２３を生成する。
【００４９】
上り平文フレーム１２３を上りデータ抽出手段２１８に入力し、上り平文データと付与データに分離する。上り平文データは、上りデータ格納手段２０４に格納し、付与データは破棄される。
【００５０】
図２は、本発明の暗号化／復号化の手順の一例を示す説明図である。
【００５１】
Ｒ／Ｗ２００は、下り暗号フレームの送信前に、初期値’Ｘ０’から、第１の乱数種生成手段となる乱数種生成手段２１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４に設定（初期設定）する。乱数生成手段２１４は、乱数種を初期値とし乱数データ１２５を暗号化単位で出力する。
【００５２】
一方、タグも同様に、下り暗号フレームの受信前に、初期値’Ｘ０’から乱数種生成手段３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段３１４に設定する。乱数生成手段３１４は、乱数種を初期値とし乱数データ１３５を暗号化単位で出力する。
【００５３】
なお、最初のフレーム暗号化および復号化の場合、付与データ格納手段２１２，３１２に付与データを格納しておらず、付与データからの乱数種の生成が出来ないため、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間で定めた既知の値として初期値’Ｘ０’を定め、その値から乱数種を生成する。
【００５４】
Ｒ／Ｗ２００は、下りデータ生成手段２０２にて’下りデータＡ’、付与データ生成手段２１１にて’付与データＸ１’を生成し、下りデータ結合手段２１５にて下り平文フレームを生成する。
【００５５】
暗号演算手段２１６にて、下り平文フレームと乱数生成手段２１４から出力する乱数データ１２５を元に暗号化し、’下り暗号フレームＡ’としてタグ３００へ送出する。
【００５６】
タグ３００は、’下り暗号フレームＡ’を受信し、復号演算手段３１６にて、乱数生成手段３１４から出力する乱数データ１３５を元に、復号化を行い、下り平文フレームを生成する。
【００５７】
下りデータ分離手段３１５にて、下り平文フレームから’下りデータＡ’と’付与データＸ１’とに分離する。’下りデータＡ’は、下りデータ格納手段３０３に格納し、’付与データＸ１’は、付与データ格納手段３１２に格納する。
【００５８】
タグ３００は、’下りデータＡ’に応答するために、上りデータ生成手段３０４にて’上りデータＢ’、付与データ生成手段３１１にて’付与データＹ１’を生成し、上りデータ結合手段３１８にて上り平文フレームを生成する。
【００５９】
暗号演算手段３１７にて、上り平文フレームと、乱数生成手段３１４が出力する下り暗号フレームの復号に用いた乱数データ系列に継続する乱数データ１３５を元に暗号化し、’上り暗号フレームＢ’を生成する。
【００６０】
Ｒ／Ｗ２００は、’上り暗号フレームＢ’を受信し、復号演算手段２１７にて、’上り暗号フレームＢ’と、乱数生成手段２１４が出力する下り暗号フレームの暗号に用いた乱数データ系列に継続する乱数データ１２５とを元に復号化し、上り平文フレームを生成する。
【００６１】
上りデータ抽出手段２１８にて、上り平文フレームから’上りデータＢ’と’付与データＹ１’とを抽出し、’上りデータＢ’を上りデータ格納手段２０４に格納する。
【００６２】
その後、Ｒ／Ｗ２００、ならびにタグ３００は、’付与データＸ１’を元に、乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、生成した乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に格納することで、生成される乱数データの分散を図る。
【００６３】
以上の一連の動作により、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００間の暗号化通信を実現する。Ｒ／Ｗ２００からの付与データで乱数種を生成することで、乱数種の更新経路がＲ／Ｗ２００からタグ３００への一方向となり、タグ３００が他方のタグ３００の送出フレームを受信する必要がなくなる。これにより、１対Ｎ通信を特徴するＲＦＩＤシステムへの暗号化通信の適用が可能となる。
【００６４】
図３は、本発明の暗号フレームと乱数種の生成タイミングの関係を示すものである。この図３は、ひとつのＲ／Ｗ２００と３つのタグ３００ａ〜３００ｃから構成される場合を示す。
【００６５】
１回目の暗号フレームの送受信において、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃは、初期値’Ｘ０’から乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に設定する。
【００６６】
暗号フレームの暗号化／復号化は、初期値’Ｘ０’から生成される乱数種を用いた乱数データによって行われる。なお、最初のフレーム暗号化および復号化の場合、付与データ格納手段２１２，３１２に付与データを格納しておらず、付与データからの乱数種の生成ができないため、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃとの間で定めた既知の値として初期値’Ｘ０’を定め、その値から乱数種を生成する。
【００６７】
２回目の暗号フレームの送受信において、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃは、１回目の暗号フレームの送受信においてＲ／Ｗ２００から送出された’下り暗号フレームＡ’に包含する’付与データＸ１’から乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に設定する。暗号フレームの暗号化／復号化は、初期値’Ｘ１’から生成される乱数種を用いた乱数データによって行われる。
【００６８】
３回目の暗号フレームの送受信において、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃは、２回目の暗号フレームの送受信においてＲ／Ｗ２００から送出された’下り暗号フレームＣ’に包含する’付与データＸ２’から乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に設定する。暗号フレームの暗号化／復号化は、初期値’Ｘ２’から生成される乱数種を用いた乱数データによって行われる。
【００６９】
４回目の暗号フレームの送受信において、Ｒ／Ｗ２００とタグ３００ａ〜３００ｃは、３回目の暗号フレームの送受信においてＲ／Ｗ２００から送出された’下り暗号フレームＥ’に包含する’付与データＸ３’から乱数種生成手段２１３，３１３にて乱数種を生成し、乱数種を乱数生成手段２１４，３１４に設定する。
【００７０】
以上の一連の動作を繰り返すことで、乱数種を更新し、乱数生成手段２１４，３１４が生成する乱数データの分散を図る。また、Ｒ／Ｗ２００からの付与データで乱数種を生成することで、乱数種の更新経路がＲ／Ｗ２００からタグ３００ａ〜３００ｃへの一方向となり、タグが他方のタグの送出フレームを受信する必要がなくなる。これにより、１対Ｎ通信を行うＲＦＩＤシステムへ暗号化通信の適用が可能となる。
【００７１】
図４は、本発明の乱数生成手段、復号演算手段および暗号演算手段の構成を示すものであり、タグ側の構成をイメージする。乱数生成手段３１４に３次Ｍ系列符号生成器、復号演算手段３１６および暗号演算手段３１７に排他的論理和を用いた例である。また、暗号化単位は１ビット単位で行うものとする。
【００７２】
３次Ｍ系列符号生成器は、３段のシフトレジスタで構成され、特定ビットの排他的論理和の結果をフィードバックすることで、周期７の擬似乱数データを生成する。乱数生成手段３１４の乱数種（初期値）が｛１，１，１｝のとき、出力される乱数データ１３５は、｛１，１，０，０，１，０，１｝の周期性をもつ系列データなる。
【００７３】
たとえば、下り暗号フレーム１３１が｛１，０，１，０｝の４ビットのデータ列、乱数種が｛１，１，１｝の乱数データ１３５の４ビット列は｛１，１，０，０｝となり、下り暗号フレーム１３１と乱数データ１３５をビット毎に排他的論理和することで、下り平文フレーム１３２として｛０，１，１，０｝を生成し、復号化となる。
【００７４】
受信復号化後の送信暗号化において、乱数生成手段３１４は再設定しないため、乱数生成手段３１４の保持値は、｛０，１，０｝となり、生成される乱数データ１３５は｛１，０，１，１，１，０，０｝の周期性をもつ系列データとなる。
【００７５】
上り平文フレーム１３３が｛０，１，１，０｝の４ビットのデータ列合、乱数データ１３５は｛１，０，１，１｝となる。上り平文フレーム１３３と乱数データ１３５をビット毎に排他的論理和することで、上り暗号フレーム１３４として｛１，１，０，１｝が生成され、暗号化となる。
【００７６】
以上により、乱数生成手段３１４から生成される乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレーム１３１の復号化に用い、後半部分を上り暗号フレーム１３４の暗号化に用いることで、上り暗号フレームの暗号工程前の乱数種生成工程を省くことが可能となる。
【００７７】
これにより、タグ３００からＲ／Ｗ２００への応答時間を規定時間内に収めながら、タグ３００の消費電力の増加を防ぐことが可能となり、ＲＦＩＤシステムにおける通信距離の劣化を防止することができる。
【００７８】
それにより、本実施の形態によれば、リーダ／ライタ２００からの付与データで乱数種を生成するので、乱数種の更新経路がリーダ／ライタ２００からタグ３００への一方向となり、ＲＦＩＤシステムの利便性を確保しながら、１対Ｎ通信におけるＲＦＩＤシステムの暗号通信を実現することができる。
【００７９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００８０】
たとえば、前記実施の形態１では、乱数生成手段３１４に３次Ｍ系列符号生成器を用いた場合について記載したが、３次以外の高次のＭ系列符号生成器を用いることでより強度な暗号を提供することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、１対Ｎ通信を行うＲＦＩＤシステムにおける暗号化通信技術に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施の形態によるＲＦＩＤシステムの一例を示す構成図である。
【図２】図１のＲＦＩＤシステムにおける本発明の暗号化／復号化の手順を示す説明図である。
【図３】図１のＲＦＩＤシステムにおける暗号フレームと乱数種の生成タイミングの関係を示すタイミング図である。
【図４】図１のＲＦＩＤシステムにおけるタグに設けられた乱数生成手段、復号演算手段および暗号演算手段のイメージ構成を示す説明図である。
【図５】本発明者が検討したＲＦＩＤシステム構成図である。
【図６】図５のＲＦＩＤシステムによる暗号化／復号化の手順例を示す説明図である。
【図７】Ｃ１Ｇ２規格で定められたタグからリーダ／ライタへの応答時間を超過した際の通信例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００８３】
２００ リーダ／ライタ
２０１ ＣＰＵ
２０２ 下りデータ生成手段
２０３ ＲＦ部
２０４ 上りデータ格納手段
２１１ 付与データ生成手段
２１２ 付与データ格納手段
２１３ 乱数種生成手段
２１４ 乱数生成手段
２１５ 下りデータ結合手段
２１６ 暗号演算手段
２１７ 復号演算手段
２１８ 上りデータ抽出手段
３００ タグ
３００ａ〜３００ｃ タグ
３０１ 状態制御手段
３０２ ＲＦ部
３０３ 下りデータ格納手段
３０４ 上りデータ生成手段
３０５ メモリ手段
３１１ 付与データ生成手段
３１２ 付与データ格納手段
３１３ 乱数種生成手段
３１４ 乱数生成手段
３１５ 下りデータ分離手段
３１６ 復号演算手段
３１７ 暗号演算手段
３１８ 上りデータ結合手段
５００ リーダ／ライタ
５０１ タグ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上のタグとリーダ／ライタとを有し、前記リーダ／ライタから受けた電波を電力に変換し、前記タグと前記リーダ／ライタとが無線通信を行うＲＦＩＤシステムであって、
前記リーダ／ライタは、
下り平文データを生成する下りデータ生成手段と、
乱数種の生成パラメータとなり下り暗号フレームに包含される付与データを生成する付与データ生成手段と、
前記下り平文データと前記付与データから下り平文フレームを生成する下りデータ結合手段と、
前記付与データ生成手段が生成した付与データを格納する第１の付与データ格納手段と、
前記第１の付与データ格納手段に格納する付与データから前記乱数種を生成する第１の乱数種生成手段と、
前記乱数種を初期値として、周期性のある乱数データを生成する第１の乱数生成手段と、
前記乱数データと前記下り平文フレームから、前記タグへ送信する下り暗号フレームを生成する第１の暗号演算手段と、
前記乱数データとタグから受信した上り暗号フレームとから、上り平文フレームを生成する第１の復号演算手段とを備え、
前記第１の乱数種生成手段は、
下り暗号フレームの送信の前に、前記第１の付与データ格納手段に格納された前回送信した下り暗号フレームに包含した付与データの格納値を元に乱数種を生成し、
前記第１の暗号演算手段は、
乱数種を初期値として前記第１の乱数生成手段が生成する乱数データを元に暗号化を行い、
前記第１の復号演算手段は、
乱数種を初期値として前記第１の乱数生成手段が生成する乱数データを元に復号化を行うことを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項２】
請求項１記載のＲＦＩＤシステムにおいて、
前記タグは、
乱数種を初期値として、周期性のある乱数データを生成する第２の乱数生成手段と、
前記乱数データと前記リーダ／ライタから受信した下り暗号フレームとから下り平文フレームを生成する第２の復号演算手段と、
前記下り平文フレームから下り平文データと付与データとに分離する下りデータ分離手段と、
前記付与データを格納する第２の付与データ格納手段と、
前記第２の付与データ格納手段に格納された付与データから前記乱数種を生成する第２の乱数種生成手段と、
前記乱数データと上り平文フレームとから前記リーダ／ライタへ送信する上り暗号フレームを生成する第２の暗号演算手段とを備え、
前記第２の乱数種生成手段は、
下り暗号フレームの受信の前に、前記第２の付与データ格納手段に格納された前回受信した下り暗号フレームに包含する付与データの格納値を元に乱数種を生成し、
前記第２の暗号演算手段は、
乱数種を初期値として前記第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に暗号化を行い、
前記第２の復号演算手段は、
乱数種を初期値として前記第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に復号化を行うことを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項３】
請求項１または２記載のＲＦＩＤシステムにおいて、
前記第１の乱数種生成手段は、
上り暗号フレームの受信の前では乱数種を初期設定として出力せず、下り暗号フレームの送信の前に生成した乱数種を初期設定として前記第１の乱数生成手段に出力し、
前記第１の暗号演算手段は、
前記第１の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの暗号化に用い、
前記第１の復号演算手段は、
前記第１の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の後半部分を上り暗号フレームの復号化に用いることを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項４】
請求項２記載のＲＦＩＤシステムにおいて、
前記第２の乱数種生成手段は、
上り暗号フレームの送信の前では前記第２の乱数生成手段に乱数種の初期設定は行わず、下り暗号フレームの受信の前で前記第２の乱数生成手段に乱数種の初期設定を行い、
前記第２の暗号演算手段は、
前記第２の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの復号化に用い、
前記第２の復号演算手段は、
前記第２の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の後半部分を上り暗号フレームの暗号化に用いることを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のＲＦＩＤシステムにおいて、
前記リーダ／ライタは、複数の前記タグと通信を行う１対Ｎ通信を行うことを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項６】
リーダ／ライタとタグとを備え、前記リーダ／ライタから受けた電波を電力に変換し、前記タグと前記リーダ／ライタとが無線通信を行うＲＦＩＤシステムにおける通信暗号化方法であって、
前記リーダ／ライタは、
下り暗号フレームの送信の前に、前回送信した下り暗号フレームに包含する付与データを元に乱数種を生成し、その乱数種を初期値として生成した乱数データを元に暗号化／復号化を行うことを特徴とする通信暗号化方法。
【請求項７】
請求項６記載の通信暗号化方法において、
前記タグは、
下り暗号フレームの受信の前に、前回受信した下り暗号フレームに包含する付与データを元に乱数種を生成し、その乱数種を初期値として生成した乱数データを元に復号化／暗号化を行うことを特徴とする通信暗号化方法。
【請求項８】
請求項６記載の通信暗号化方法において、
前記乱数種の初期設定を下り暗号フレームの送信の前に行い、上り暗号フレームの受信の前では乱数種の初期設定は行わないことで、生成される乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの暗号化に用い、後半部分を上り暗号フレームの復号化に用いることを特徴とする通信暗号化方法。
【請求項９】
請求項７記載の通信暗号化方法において、
前記乱数種の初期設定を下り暗号フレームの受信の前に行い、上り暗号フレームの送信の前では乱数種の初期設定は行わないことで、生成される乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの復号化に用い、後半部分を上り暗号フレームの暗号化に用いることを特徴とする通信暗号化方法。
【請求項１】
１以上のタグとリーダ／ライタとを有し、前記リーダ／ライタから受けた電波を電力に変換し、前記タグと前記リーダ／ライタとが無線通信を行うＲＦＩＤシステムであって、
前記リーダ／ライタは、
下り平文データを生成する下りデータ生成手段と、
乱数種の生成パラメータとなり下り暗号フレームに包含される付与データを生成する付与データ生成手段と、
前記下り平文データと前記付与データから下り平文フレームを生成する下りデータ結合手段と、
前記付与データ生成手段が生成した付与データを格納する第１の付与データ格納手段と、
前記第１の付与データ格納手段に格納する付与データから前記乱数種を生成する第１の乱数種生成手段と、
前記乱数種を初期値として、周期性のある乱数データを生成する第１の乱数生成手段と、
前記乱数データと前記下り平文フレームから、前記タグへ送信する下り暗号フレームを生成する第１の暗号演算手段と、
前記乱数データとタグから受信した上り暗号フレームとから、上り平文フレームを生成する第１の復号演算手段とを備え、
前記第１の乱数種生成手段は、
下り暗号フレームの送信の前に、前記第１の付与データ格納手段に格納された前回送信した下り暗号フレームに包含した付与データの格納値を元に乱数種を生成し、
前記第１の暗号演算手段は、
乱数種を初期値として前記第１の乱数生成手段が生成する乱数データを元に暗号化を行い、
前記第１の復号演算手段は、
乱数種を初期値として前記第１の乱数生成手段が生成する乱数データを元に復号化を行うことを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項２】
請求項１記載のＲＦＩＤシステムにおいて、
前記タグは、
乱数種を初期値として、周期性のある乱数データを生成する第２の乱数生成手段と、
前記乱数データと前記リーダ／ライタから受信した下り暗号フレームとから下り平文フレームを生成する第２の復号演算手段と、
前記下り平文フレームから下り平文データと付与データとに分離する下りデータ分離手段と、
前記付与データを格納する第２の付与データ格納手段と、
前記第２の付与データ格納手段に格納された付与データから前記乱数種を生成する第２の乱数種生成手段と、
前記乱数データと上り平文フレームとから前記リーダ／ライタへ送信する上り暗号フレームを生成する第２の暗号演算手段とを備え、
前記第２の乱数種生成手段は、
下り暗号フレームの受信の前に、前記第２の付与データ格納手段に格納された前回受信した下り暗号フレームに包含する付与データの格納値を元に乱数種を生成し、
前記第２の暗号演算手段は、
乱数種を初期値として前記第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に暗号化を行い、
前記第２の復号演算手段は、
乱数種を初期値として前記第２の乱数生成手段にて生成する乱数データを元に復号化を行うことを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項３】
請求項１または２記載のＲＦＩＤシステムにおいて、
前記第１の乱数種生成手段は、
上り暗号フレームの受信の前では乱数種を初期設定として出力せず、下り暗号フレームの送信の前に生成した乱数種を初期設定として前記第１の乱数生成手段に出力し、
前記第１の暗号演算手段は、
前記第１の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの暗号化に用い、
前記第１の復号演算手段は、
前記第１の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の後半部分を上り暗号フレームの復号化に用いることを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項４】
請求項２記載のＲＦＩＤシステムにおいて、
前記第２の乱数種生成手段は、
上り暗号フレームの送信の前では前記第２の乱数生成手段に乱数種の初期設定は行わず、下り暗号フレームの受信の前で前記第２の乱数生成手段に乱数種の初期設定を行い、
前記第２の暗号演算手段は、
前記第２の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの復号化に用い、
前記第２の復号演算手段は、
前記第２の乱数生成手段が生成した乱数データ系列の後半部分を上り暗号フレームの暗号化に用いることを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のＲＦＩＤシステムにおいて、
前記リーダ／ライタは、複数の前記タグと通信を行う１対Ｎ通信を行うことを特徴とするＲＦＩＤシステム。
【請求項６】
リーダ／ライタとタグとを備え、前記リーダ／ライタから受けた電波を電力に変換し、前記タグと前記リーダ／ライタとが無線通信を行うＲＦＩＤシステムにおける通信暗号化方法であって、
前記リーダ／ライタは、
下り暗号フレームの送信の前に、前回送信した下り暗号フレームに包含する付与データを元に乱数種を生成し、その乱数種を初期値として生成した乱数データを元に暗号化／復号化を行うことを特徴とする通信暗号化方法。
【請求項７】
請求項６記載の通信暗号化方法において、
前記タグは、
下り暗号フレームの受信の前に、前回受信した下り暗号フレームに包含する付与データを元に乱数種を生成し、その乱数種を初期値として生成した乱数データを元に復号化／暗号化を行うことを特徴とする通信暗号化方法。
【請求項８】
請求項６記載の通信暗号化方法において、
前記乱数種の初期設定を下り暗号フレームの送信の前に行い、上り暗号フレームの受信の前では乱数種の初期設定は行わないことで、生成される乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの暗号化に用い、後半部分を上り暗号フレームの復号化に用いることを特徴とする通信暗号化方法。
【請求項９】
請求項７記載の通信暗号化方法において、
前記乱数種の初期設定を下り暗号フレームの受信の前に行い、上り暗号フレームの送信の前では乱数種の初期設定は行わないことで、生成される乱数データ系列の前半部分を下り暗号フレームの復号化に用い、後半部分を上り暗号フレームの暗号化に用いることを特徴とする通信暗号化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１０５９７（Ｐ２００９−１０５９７Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６９１０７（Ｐ２００７−１６９１０７）
【出願日】平成１９年６月２７日（２００７．６．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２７日（２００７．６．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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