JP4237131B2 - 暗号化データ通信装置 - Google Patents
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通常、ネットワークを使った伝送では帯域が制限されるため、撮影した映像データをMPEG−4やJPEG等の圧縮アルゴリズムを使用して圧縮し、この圧縮ストリームをRFC規格に準拠したIPパケットに分割して伝送している。セキュリティを確保する既存技術にはネットワークレイヤでIPパケットを暗号化/認証するIPsecやアプリケーションレイヤで認証及びセッションを暗号化するSSLなどがあるが、IPsecはクライアント側の負荷が重いこと、SSLはアプリケーションに依存するなどいくつかの課題がある。
本従来例及び後述する実施例では、一例として、電子政府が推奨しているストリーミング暗号化方式の1つであるMUGIを例に説明する。
MUGIの暗号化処理部は、128ビットの秘密鍵と128ビットの初期ベクタを入力すると一意に決まる乱数列を生成する擬似乱数発生器51と、擬似乱数発生器51により生成された乱数列と入力である平文ストリームとを排他的に論理和した暗号化ストリームを出力する演算部52から構成されている。
秘密鍵と初期ベクタを入力すると擬似乱数発生器51は内部状態を初期化した後に状態遷移を繰り返しながら乱数列を生成し、この乱数列と入力した平文ストリームとをビット毎に排他的論理和した結果である暗号化ストリームが演算部52から出力される。
復号化処理部も、暗号化処理部と同様に、128ビットの秘密鍵と128ビットの初期ベクタを入力すると一意に決まる乱数列を生成する擬似乱数発生器61と、擬似乱数生成器61により生成された乱数列と入力である暗号化ストリームとを排他的に論理和して暗号化前の平文ストリームを出力する演算部62から構成されている。
つまり、暗号化時と復号時で2回の排他的論理和を実行することで、必ず元の平文ストリームに戻る仕組みになっている。従って、運用にあたっては、送受信端末装置の擬似乱数発生器51、61から生成する乱数列が一致(同期)していることが前提となる。
例えば、復号するための鍵を所定の送信間隔で送信するといった従来例がある(例えば、特許文献1参照。)。
特に、MPEG−4等のデータストリームを暗号化する場合には、規格上、ストリームシンタックスとして予めユーザが割り当てられているuser_dataを使って、鍵や初期ベクタを記述して定期的に更新させながら、擬似乱数発生器51、61により生成する乱数列を一致させるような方法がとられている。
MPEG−4ストリームのシンタックスはISO/IEC14496により規定されている。概略的には、Stream_Header部と、Application_Data部に分類することができる。
Stream_Header部はコーデックに依存したヘッダ部分であり、主にストリーム構成に関する情報が記述されており、Application_Data部の中に出現することが禁止されたビットパターンで構成された4つのユニークヘッダ、すなわち、VS(visual_object_sequence_start_code)ヘッダ、VO(visual_object_start_code)ヘッダ、VOH(video_object_start_code)ヘッダ、VOL(video_object_layer_start_code)ヘッダと、スタートコードやマーカビットといったストリームの情報(Steam info)が含まれる。
なお、前記したユニークなVOPヘッダについては、MPEGの規格により、当該ヘッダとして決められている値が、マクロブロック(MB)等のデータ部分に出現しないように保証されている。但し、マクロブロック(MB)等を暗号化すると、偶然に、ユニークなヘッダ値と同じ値が生成されてしまう可能性はある。
このため、受信側の復号化処理部では、暗号化ストリームのいずれのビット列が鍵或いは初期ベクタに相当するのかを識別することが非常に困難である。そこで、従来の暗号化技術では、コーデックに依存したStream_Header部を暗号化ストリーム上で同期マーカとして使うために暗号化せず、MPEG−4ストリームのApplication_Data部のMBだけに暗号をかけている。
このように、従来では、受信側で受信した暗号化ストリームの同期検出の問題から、MPEG−4等の圧縮ストリームに暗号をかける場合には、ストリームの情報を記述したStream_Header部は暗号化していない。
また、暗号化したMBの部分に、同期マーカとして使用するStream_Header部のユニークコードが偶然に出現してしまう可能性があり、Stream_Header部のユニークコードを同期マーカとする従来の方法では、誤認識を回避するための処理が必要となり回路規模が大きくなっていた。
なお、暗号化する前のマクロブロック(MB)には、ユニークコードと同じ値は出現しないように規格により保証されているが、そのマクロブロック(MB)を暗号化した場合には、暗号化した結果、規格外の値、すなわち、ユニークコードが出現する可能性がある。
このように、従来の暗号化の方法では、主に、3つの課題があった。
具体的には、本発明では、例えば、秘匿性を向上させることや、回路規模を小さくすることや、装置のパフォーマンスを向上させることが可能な、暗号化データを送信する送信端末装置や、暗号化データを受信する受信端末装置を提供することを目的とする。
すなわち、データ処理手段が、通信対象となるデータの圧縮ストリームに含まれるヘッダ(Header)及びユーザデータ(user_data)の部分に相当する固定長ビットストリームの全部又は一部を暗号化する暗号化方式に対応した処理を実行する。データ通信手段が、前記データ処理手段により処理される暗号化データを通信する。
また、受信端末装置では、暗号化データを受信する受信手段(データ通信手段)と、当該受信された暗号化データにおける暗号化部分を復号する復号処理手段(データ処理手段)と、当該復号により取得された圧縮ストリームを伸張する伸張処理手段を備える。
ここで、通信対象となるデータとしては、例えば、テキストデータや、映像(画像)データや、音声データなど、種々なものが用いられてもよい。
また、圧縮方式としては、種々な方式が用いられてもよい。
また、暗号化の手法としては、種々な手法が用いられてもよい。
また、圧縮ストリームに含まれるヘッダ及びユーザデータの部分に相当する固定長ビットストリームの全部が暗号化されてもよく、或いは、一部が暗号化されてもよい。なお、他の部分については、暗号化されない。
すなわち、前記データ処理手段は、前記圧縮ストリームに含まれるアプリケーションデータ(Application_Data)部における非暗号化部分に所定のコードを挿入して当該コードを同期コード(同期マーカ)の全部又は一部として使用する方式に対応した処理を実行する。
また、受信端末装置では、前記復号処理手段(前記データ処理手段)が、当該コードのみ或いは当該コードと他のデータ部分との組を同期コードとして使用して、暗号化データにおける暗号化部分を復号し、また、当該コードを削除する。
ここで、所定のコードとしては、種々なコードが用いられてもよい。
また、所定のコードから同期コードの全部が構成されてもよく、或いは、所定のコードから同期コードの一部が構成されてもよい。
また、所定のコードが挿入される位置としては、種々な位置が用いられてもよい。
すなわち、前記圧縮ストリームは、MPEG方式によりデータが圧縮されたものである。
また、前記データ処理手段は、所定のフレームのMBに前記所定のコードを挿入する方式に対応した処理を実行する。
例えば、送信端末装置では、前記暗号化処理手段(前記データ処理手段)が、MPEG方式による圧縮ストリームを暗号化するに際して、所定のフレームのMBに前記所定のコードを挿入する。
従って、MPEG方式による圧縮ストリームを通信するに際して、効果的な暗号化データを通信することができる。
ここで、所定のフレームとしては、種々なものが用いられてもよい。
例えば、本発明に係る装置を構成するコンピュータに実行させるプログラムであって、以上のような各種の処理を行う機能を当該コンピュータにより実現することを特徴とするプログラムを提供することが可能である。
また、本発明に係る装置を構成するコンピュータに実行させるプログラムを当該コンピュータの入力手段により読み取り可能に記憶した記録媒体であって、当該プログラムは以上のような各種の処理を当該コンピュータに実行させることを特徴とする記録媒体を提供することが可能である。
また、本発明に係る暗号化データ通信装置によると、前記圧縮ストリームに含まれるアプリケーションデータ(Application_Data)部における非暗号化部分に所定のコードを挿入して、当該コードを同期コード(同期マーカ)の全部又は一部として使用するようにしたため、効果的な暗号化データ通信を実現することができる。
図1には、本発明の一実施例に係る暗号化データ通信システムの構成例を示してある。
本例の暗号化データ通信システムは、送信端末装置1と受信端末装置2とをネットワーク3を介して接続して構成されている。
送信端末装置1は、その内部機能ブロックとして、入力部11と、圧縮部12と、暗号化処理部13と、LAN(Local Area Network)インターフェイス部14を備えている。
受信端末装置2は、その内部機能ブロックとして、LANインターフェイス部21と、復号化処理部22と、伸張部23と、出力部24を備えている。
入力部1は、例えばカメラなど(図示せず)から入力されるアナログ映像の信号をデジタル映像の信号へ変換して圧縮部12へ出力する。
圧縮部12は、JPEG或いはMPEG等の圧縮アルゴリズムを使用して、入力部11から入力されるデジタル映像信号の映像を圧縮し、当該圧縮により得られる圧縮ストリームを暗号化処理部13へ出力する。
暗号化処理部13は、圧縮部12から入力される圧縮ストリームに対して所定の暗号化処理を行って、当該圧縮ストリームを暗号化ストリームへ変換してLANインターフェイス部14へ出力する。
LANインターフェイス部14は、暗号化処理部13から入力される暗号化ストリームをパケットに分割して、例えばRFC規格に準拠したパケットヘッダを付加した後に、IPパケットとしてネットワーク3へ送出する。
ネットワーク3は、送信端末装置1から出力されるIPパケットを受信端末装置2へ伝送する。
LANインターフェイス部21は、ネットワーク3を経由して受け取ったIPパケットについて、当該IPパケットのヘッダ部とペイロード部を分離し、分離したペイロード部を連結した暗号化ストリームに戻して復号化処理部22へ出力する。
復号化処理部22は、LANインターフェイス部21から入力される暗号化ストリームに対して復号処理を行って、当該暗号化ストリームを平文の圧縮ストリームへ変換して伸張部23へ出力する。
伸張部23は、復号化処理部22から入力される圧縮ストリームに対して伸張処理を行って、当該圧縮ストリームを非圧縮デジタル信号へ伸張して出力部24へ出力する。
出力部24は、伸張部23から入力される非圧縮デジタル信号を再生機(図示せず)に合わせたフォーマットに変換して再生機へ出力する。
なお、送信側の圧縮部12で行われる圧縮処理の方式と受信側の伸張部23で行われる伸張処理の方式とは対応しており、送信側の暗号化処理部13で行われる暗号化処理の方式と受信側の復号化処理部22で行われる復号処理の方式とは対応している。
本例では、送信側の圧縮部12で用いる圧縮アルゴリズムはMPEG−4であるとし、送信側の暗号化処理部13及び受信側の復号化処理部22で用いる暗号化アルゴリズムはMUGIであるとして、説明する。
なお、本例では、映像を扱う場合を示すが、処理対象としては映像に限定されず、例えば、ユニークなストリームヘッダを有する種々なアプリケーションの全てに対応することが可能である。
本例の暗号化処理部13は、擬似乱数発生器31と、演算部32と、ヘッダ検出部33と、冗長コード挿入部34を備えている。
図3には、本例の受信側の復号化処理部22の内部機能ブロックの一例を示してある。
本例の復号化処理部22は、擬似乱数発生器41と、演算部42と、冗長コード検出部43と、冗長コード削除部44を備えている。
本例では、固定長であるストリームヘッダ部(Stream_Header部)の全て、及び可変長であるアプリケーションデータ部(Aplication_Data部)のGOVからユーザデータ(user_data)までのビット列を暗号化し、当該user_dataの直後のVOPヘッダから次にVSヘッダが現れるリフレッシュタイミングまでのApplication_Data部については暗号化処理を施さない。
なお、再生に圧縮アルゴリズムに対応した伸張処理が必要になるとは、単にMPEG−4のデコーダがあっても伸張はできず、Stream_Header部の情報が伸張には必要であるということである。本例では、マクロブロック(MB)を非暗号化データとする代わりに、その伸張に必要なStream_Header部を暗号化しているため、暗号化強度の劣化には繋がらない。
例えば、VSヘッダ、VOヘッダ、VOHヘッダ、VOLヘッダは4バイトのユニークコードであり、伸張時にストリームの先頭を識別するための同期マーカとして必要となる。また、例えば、vop_time_increment_resolutionの情報は、16ビットの情報で、1モジュロ・タイムベースを等間隔に分割するサブインターバルの数を示しており、この情報がないと正常にフレームを再生表示することができない。
本例では、Application_Data部のuser_dataに続くVOPヘッダの直後に、VSヘッダのビット列と一致するユニークな4バイトのビット列(以下で、VSヘッダと言う)を挿入する。この場合、4バイトのVOPヘッダと4バイトのVSヘッダとが連続するため、8バイトが同期マーカに割り当てられる。
更に、規格上、user_dataに続くVOPヘッダの直後にはイントラ符号化されたMB(I−VOP)がくることになっているため、ユニークな冗長コードをI−VOPに挿入することで、それ以降に続くMBは冗長コードを含んだI−VOPを参照することなる。つまり、仮に、VOPヘッダからストリーム構造が推測できたとしても、参照フレームに冗長コードを挿入するため、このままではフレーム相関をとっている以降のフレームは正しく再生できない。ここで、イントラ符号化では、一般に、他のピクチャの情報を使用せずに、それ自身のピクチャの情報のみで符号化が行われる。
また、本例では、ユニークな情報としてVSヘッダに一致する情報を用いるが、他の構成例として、VOヘッダや、VOHヘッダや、VOLヘッダや、GOVヘッダや、VOPヘッダなどのように、他のユニークコードに一致する情報を用いることも可能である。
なお、一般に、I−VOPのVOPヘッダとP−VOPのVOPヘッダとは互いに異なる値であり、P−VOPのVOPヘッダは共通である。このため、一連のApplication_Data部に1個のI−VOPのみが含まれる場合には当該I−VOPのVOPヘッダを同期マーカとして使用することが可能であるが、一般には、2個以上のI−VOPがApplication_Data部に含まれ得る。P−VOPは、一般に、過去のピクチャを参照して予測符号化されたものである。また、過去と将来のピクチャを参照して双方向予測符号化されるB−VOPも考えられる。
暗号化処理部13への入力は、図4に示されるような圧縮ストリームであり暗号化前のものである。
ヘッダ検出部33は、圧縮ストリームを入力して、当該圧縮ストリームに含まれるユニークコードを検出し、これに基づいて、暗号化するビット列として、Stream_Header部及びApplication_Data部におけるUser_Data部分までを抽出する。
ヘッダ検出部33は、例えば、MPEG−4規格上、4バイトのユニークコードであるVSヘッダ(00 00 01 B0h)を見つけたら、このVSヘッダからApplication_Data部のUser_Data部の末尾までの102バイト(Bytes)に相当する期間は信号レベルをハイ(High)にする一方でそれ以外の期間は信号レベルをロウ(Low)にする識別情報を出力する。なお、この102バイトというビット数(バイト数)は、一例であり、他の値が用いられてもよい。一般に、VSヘッダからGOVヘッダまでは規格で定まっているが、user_data領域のビット数(バイト数)は種々である。
また、他の例として、VOHヘッダ(00 00 01 01h)を見つけた場合には、このVOHヘッダからApplication_Data部のUser_Data部の末尾までの92バイト(Bytes)に相当する期間の信号レベルをハイにする一方でそれ以外の期間は信号レベルをロウにする識別情報を出力するようにしてもよい。
演算部32は、ヘッダ検出部33から出力される識別情報に従って信号レベルがハイ(High)である期間に、擬似乱数発生器31により生成された乱数列と入力される圧縮ストリームとの排他的論理和を実行するように制御を行って、当該圧縮ストリームに対して部分的に暗号化処理を施し、これにより得られた暗号化ストリームを冗長コード挿入部34へ出力する。
冗長コード挿入部34は、ヘッダ検出部33から出力される識別情報の信号レベルがハイ(High)からロウ(Low)へ切り替わって、予め設定した所定時間(本例では、VOPヘッダに相当する時間)が経過したら、演算部32から入力される暗号化ストリームにユニークな冗長コード(本例では、VSヘッダに一致するもの)を強制的に数バイト挿入し、これにより得られる図5に示されるような暗号化ストリームを後段のLANインターフェイス部14へ送る。
復号化処理部22への入力は、前段のLANインターフェイス部21においてIPパケットからペイロード部のみを抽出して連結しなおした暗号化ストリームである。
冗長コード検出部43は、入力される暗号化ストリームをスキャンして、送信端末装置1で強制的に挿入されたユニークな冗長コード(本例では、VSヘッダに一致するもの)を検出し、当該検出結果の情報(検出情報)を出力する。本例では、送信端末装置1で本来禁止されているユニークな冗長コードをApplication_Data部に挿入しているため、受信端末装置2では誤検出することなく挿入された冗長コードを検出することができ、冗長コードから所定バイト離れた位置の暗号化ビット列を特定することが可能である。なお、本例では、このユニークな4バイトの冗長コードを検出するに際して、その直前に配置されたVOPヘッダも合わせて8バイト分のビット列を検査する。
演算部42は、冗長コード検出部43から出力される検出情報に基づいて、擬似乱数発生器41により生成された乱数列と暗号化ストリームに含まれる暗号化ビット列との排他的論理和を行って、これにより平文に戻した圧縮ストリームを冗長コード削除部44へ出力する。
冗長コード削除部44は、冗長コード検出部43から出力される検出情報に基づいて、演算部42から入力される圧縮ストリームから、送信端末装置1で挿入された冗長コードを削除し、これにより得られた圧縮ストリームを伸張部23へ出力する。
また、本例の暗号化データ通信システムでは、ネットワーク3を使ってコンテンツデータを暗号化して伝送する際に、コンテンツデータの圧縮ストリームに含まれるアプリケーションデータにユニークな冗長コードを埋め込むことが行われる。また、特に、コンテンツデータがMPEGデータである場合には、ユニークな冗長コードをI−VOPのMBに挿入して、秘匿性を高めることが行われる。
すなわち、送信側の暗号化処理部13では、Stream_Header部とそれに続くuser_dataまでの固定長のデータビット列のみを暗号化し、Application_Data部におけるそれ以降の部分は暗号化せずにそのまま伝送する。また、Application_Data部における暗号化しない部分の所定の位置に、暗号化したデータビット列の領域を識別するためのユニークな冗長コードを埋め込み、これを同期マーカ(本例では、同期マーカの一部)として使用する。
また、受信側の復号化処理部22では、暗号化処理部13で埋め込まれた同期マーカをもとに、受信した暗号化ストリームのStream_Header部とそれに続くuser_dataまでの固定長データビット列の位置を検知して、復号処理を行う。また、同時に、暗号化処理部13で挿入された冗長コードを削除する。
なお、暗号化したStream_Header部に同期マーカとして使うユニークな冗長コードに一致するビット列が出現する可能性はあるが、この条件としてはStream_Header部のユニークコード(4バイト)と“0”が32ビット(ユニークコード4バイト相当)連続する乱数列との排他的論理和をとるときであり、確率としては{1/(2の32乗)}である。また、同期コード全体の8バイトだと、更に確率は小さくなる。
また、通常、MB(従来における暗号化部分)のデータ長と比べて、ヘッダ及び所定のユーザデータ(本例における暗号化部分)のデータ長の方が短いため、ユニークコードに一致するビット列が偶然に出現する確率は低くなる。
なお、本例では、VOPヘッダと挿入したコード(本例では、VSヘッダに一致するコード)とを合わせたものを同期マーカとしたが、例えば、挿入したコードのみを同期マーカとして使用することも可能である。
また、固定長のストリーム(本例では、Stream_Header部やuser_data領域)を暗号化するため、例えば、メガピクセルに対応した撮像装置であっても、暗号化処理及び復号処理の処理量を従来と同等程度に抑えることが可能である。つまり、メガピクセルの画像ではMBのデータ量が大きくなるが、MBの暗号化をする場合には処理負荷が大きくなる一方、本例では、MBを暗号化せず、その代わりにStream_Header部やuser_data領域を暗号化する構成であるため、暗号化の処理量を抑えることができる。
また、本例では、MPEG−4に適用した場合を示したが、これに限らず、MPEG−2やJPEG等のように、他の画像圧縮方式に適用することも可能であり、また、映像(画像)に限らず、音声等に適用することも可能である。
また、MPEG−4ではVOPという表現を用いるが、例えば、MPEG−2で用いられるIピクチャやPピクチャなどのように、他の表現が用いられる場合についても、適用することが可能である。
また、本例の受信端末装置2では、LANインターフェイス部21の機能により受信手段(データ通信手段)が構成されており、復号化処理部22の機能により復号処理手段(データ処理手段)が構成されており、伸張部23の機能により伸張処理手段が構成されている。
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は、種々な分野に適用することが可能なものである。
また、本発明に係る送信端末装置や受信端末装置や通信システムなどにおいて行われる各種の処理としては、例えばプロセッサやメモリ等を備えたハードウエア資源においてプロセッサがROM(Read Only Memory)に格納された制御プログラムを実行することにより制御される構成が用いられてもよく、また、例えば当該処理を実行するための各機能手段が独立したハードウエア回路として構成されてもよい。
また、本発明は上記の制御プログラムを格納したフロッピー(登録商標)ディスクやCD(Compact Disc)−ROM等のコンピュータにより読み取り可能な記録媒体や当該プログラム(自体)として把握することもでき、当該制御プログラムを当該記録媒体からコンピュータに入力してプロセッサに実行させることにより、本発明に係る処理を遂行させることができる。
Claims (3)
- 暗号化データを通信する暗号化データ通信装置において、
通信対象となるデータの圧縮ストリームに含まれるヘッダ及びユーザデータの部分に相当する固定長ビットストリームの全部又は一部を暗号化する暗号化方式に対応した処理、及び前記圧縮ストリームに含まれるアプリケーションデータ部における非暗号化部分に所定のコードを挿入して当該コードを同期コードの全部又は一部として使用する方式に対応した処理を実行するデータ処理手段と、
前記データ処理手段により処理される暗号化データを通信するデータ通信手段と、
を備えたことを特徴とする暗号化データ通信装置。 - 請求項1に記載の暗号化データ通信装置において、
前記圧縮ストリームは、MPEG方式によりデータが圧縮されたものであり、
前記データ処理手段は、所定のフレームのMBに前記所定のコードを挿入する方式に対応した処理を実行する、
ことを特徴とする暗号化データ通信装置。 - 請求項2に記載の暗号化データ通信装置において、
前記データ処理手段は、前記アプリケーションデータ部に含まれる前記ユーザデータに続くVOPヘッダの直後に前記所定のコードを挿入し、
前記同期コードとして、前記VOPヘッダと前記所定のコードを合わせたものを用いる、
ことを特徴とする暗号化データ通信装置。
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