(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送地点において複数のサービスを一意的に暗号化し、複数の暗号化サービスを遠隔受信地点へ伝送する暗号化装置であって、
伝送される該複数のサービスの各々に対して広がり関数を生成する広がり関数発生器手段であって、各広がり関数は、一意的なＮビット量を具備し、かつ、該複数のサービスのうち対応する１つに関連付けられている、広がり関数発生器手段と、
ランダム量を生成するランダム信号発生器と、
該ランダム信号発生器と該広がり関数発生器手段とに電気的に結合されたシード発生器手段であって、該ランダム量を該広がり関数発生器手段によって生成された該広がり関数の各々に独立に重畳することにより、各サービスに対して一意的暗号化シードを生成するシード発生器手段と、
それぞれがシード発生器手段に電気的に結合されており、かつ、それぞれが該複数のサービスのうち対応する１つをを受信するように電気的に結合された複数のサービス暗号器であって、そのサービスに対して生成された該一意的暗号化シードによりキーイングされた暗号化アルゴリズムに従って、各サービスを暗号化する複数のサービス暗号器と、
該複数のサービス暗号器と該ランダム信号発生器とに電気的に結合された送信器であって、該ランダム量と該複数の暗号化サービスの各々とを遠隔受信地点へ伝送するが、該シード発生器手段によって生成された該一意的暗号化シードを伝送しない送信器と
を備えた、暗号化装置。
【請求項２】
該ランダム信号発生器と該送信器とに電気的に結合されたシード暗号器であって、該ランダム量を伝送する前に、システムキー（SK）を用いてキーイングされた別の暗号化アルゴリズムに従って該ランダム量を暗号化するシード暗号器をさらに備えた、請求項１に記載の暗号化装置。
【請求項３】
該ランダム量の第１成分が大域シードを規定し、該ランダム量の第２成分がランダムシードを規定し、
該シード発生器手段が、それぞれが該複数のサービスのうち対応する１つに対して一意的暗号化シードを生成するように動作する複数のシード発生器を備え、
各シード発生器が、
該ランダムシードと該複数のサービスのうち対応する１つに対する該広がり関数とを受信するように電気的に結合された第１データ組合せ器であって、データ組合せ関数F0に従って該ランダムシードと各広がり関数とを組合せることにより、一意的データ量を生成するように動作する第１データ組合せ器と、
該ランダムシードと該大域シードと少なくとも１つの他の量とを受信するように電気的に結合された第２データ組合せ器であって、別のデータ組合せ関数F1に従って該ランダムシードと該大域シードと該少なくとも１つの他の量とを組合せることにより、中間量を生成するように動作する第２データ組合せ器と、
該第１および該第２データ組合せ器に電気的に結合された一方向関数手段であって、該データ量および該中間量を受信し、一方向関数に従って該データ量および該中間量を処理し、該処理されたデータ量および中間量の少なくとも部分が該各サービスに対する一意的暗号化シードを規定する、一方向関数手段と
を備えた、請求項１に記載の暗号化装置。
【請求項４】
該一方向関数が、電子コード表（ECB）モードにおいてデータ暗号化標準アルゴリズム（DES）を備えている、請求項３に記載の暗号化装置。
【請求項５】
該複数のサービスが、異なるタイプのサービスを含み、各サービスが、サービス番号とサービスタイプとによって識別され、該広がり関数発生器手段が、特定サービスのサービス番号とサービスタイプとに基づいて、その特定サービスに対する一意的広がり関数を生成するように動作する、請求項１に記載の暗号化装置。
【請求項６】
複数の暗号化サービスが伝送地点から受信地点に伝送される通信システムにおいて受信地点において使用される復号化装置であって、
該複数のサービスの各々は、（ｉ）各一意的広がり関数が一意的なＮビット量を備えるように、各サービスに対して一意的広がり関数を生成し、（ii）ランダム量を生成し、（iii）該ランダム量を各サービスに対して生成された該広がり関数に独立に重畳することにより、各サービスに対して一意的暗号化シードを生成し、（iv）そのサービスに対して生成された各一意的暗号化シードによりキーイングされた暗号化アルゴリズムに従って各サービスを暗号化することにより、伝送地点において暗号化装置によって一意的に暗号化されており、
該一意的暗号化シードの各々ではなく、該ランダム量のみが、該複数の暗号化サービスとともに、該受信地点へ伝送され、
該復号化装置は、
該伝送地点から該ランダム量と該複数の暗号化サービスを受信する受信器と、
復号化のために、該受信された複数の暗号化サービスのうちの１つを選択する選択スイッチと、
該暗号化装置によって該伝送地点において行われたものと同一の態様で、該選択されたサービスに対して該暗号化装置によって生成された該一意的広がり関数を再生成する広がり関数発生器と、
該受信器と該広がり関数発生器とに電気的に結合されたシード発生器であって、該暗号化装置によって該伝送地点において行われたものと同一の態様で、該再生成された広がり関数を該受信されたランダム量に重畳することにより、該受信され選択された暗号化サービスを復号化することを目的として、該暗号化装置によって生成され、かつ、該暗号化アルゴリズムをキーイングするために使用された該一意的暗号化シードを再現するシード発生器と、
該受信器と該シード発生器とに電気的に結合されたサービス復号器であって、該再現された暗号化シードを使用して、該受信され選択された暗号化サービスを復号化するサービス復号器と
を備えている、復号化装置。
【請求項７】
該受信されたランダム量の第１成分が大域シードを規定し、該受信されたランダム量の第２成分がランダムシードを規定し、
該シード発生器が、
該ランダムシードと該再生成された広がり関数とを受信するように電気的に結合された第１データ組合せ器であって、
データ組合せ関数F0に従って該ランダムシードと該再生成された広がり関数とを組合せることにより、一意的データ量を生成するように動作する第１データ組合せ器と、
該ランダムシードと該大域シードと少なくとも１つの他の量とを受信するように電気的に結合された第２データ組合せ器であって、別のデータ組合せ関数F1に従って該ランダムシードと該大域シードと該少なくとも１つの他の量とを組合せることにより、中間量を生成するように動作する第２データ組合せ器と、
該第１および該第２データ組合せ器に電気的に結合された一方向関数手段であって、該データ量および該中間量を受信し、一方向関数に従って該データ量および該中間量を処理し、該処理されたデータ量および中間量の少なくとも部分が該再現された暗号化シードを規定する一方向関数手段と
を備え、
該データ組合せ関数F0とF1が、該暗号化装置における少なくとも１つのシード発生器によって実現された対応する関数と同一であり、該一方向関数が、該暗号化装置において該少なくとも１つのシード発生器によって実現された対応する一方向関数に同一である、請求項６に記載の復号化装置。
【請求項８】
該一方向関数が、電子コード表（ECB）モードにおいてデータ暗号化標準アルゴリズム（DES）を備えている、請求項７に記載の復号化装置。
【請求項９】
該ランダム量を該受信地点へ伝送する前に、該ランダム量が、システムキーを用いてキーイングされた別の暗号化アルゴリズムに従って該暗号化装置によって暗号化されており、
該復号化装置が、
該システムキーを含むメモリと、
該受信器に電気的に結合されたシード復号器であって、該システムキーを使用して該受信された暗号化ランダム量を復号化するシード復号器をさらに備えている、請求項６に記載の復号化装置。
【請求項１０】
該ランダム量と該複数の暗号化サービスの各々とを遠隔受信地点へ伝送する前に、システムキーを用いてキーイングされた別の暗号化アルゴリズムに従って該ランダム量を暗号化する暗号器をさらに備え、
該ランダム量と該複数の暗号化サービスの各々とを遠隔受信地点へ伝送することは、該暗号化されたランダム量を伝送することを含み、
該少なくとも１つの他の量は、該システムキーを含む、請求項３に記載の暗号化装置。
【請求項１１】
伝送地点において複数のサービスを一意的に暗号化することと該複数の暗号化サービスを遠隔受信地点へ伝送することとは、周期的に繰り返され、連続する時間の各々が実行されるにつれて、各サービスの次の連続部分は、該シード生成器手段によってその時間に生成された各暗号化シードを用いて該サービス暗号器を用いて暗号化される、請求項１に記載の暗号化装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は、信号暗号化及び復号化に関し、さらに詳細には、多重サービス通信システムにおける伝送地点において複数のサービスを一意的に暗号化し、遠隔受信地点においてサービスを復号化するための方法及び装置に関する。本発明は、復号化プロセスのために受信地点に伝送されなければならない暗号化関連情報量を低減する。
発明の背景
発明の背景は、加入テレビジョンシステムの文脈においてここで記載されるが、本発明は、それに限定されるものではない。むしろ、本発明は、複数の個別サービスを一意的に暗号化することが望ましい多重サービス通信システムにおいて使用される。
伝送されたテレビジョン信号への非認可アクセスの防止は、加入テレビジョン産業にとって主要な関心である。加入テレビジョン産業において、「プログラマー」は、いろいろな受信地点への分配のための「サービス」を設ける。「サービス」は、ビデオ、音声、クローズドキャプション又はテレテキスト情報の如く、ある形式の情報を含む信号である。単一プログラマーは、多数のサービスを供給することを望む。一般に、プログラマーは、いろいろなサービスを衛星を介してケーブルテレビジョン操作者に供給し、ケーブルテレビジョン操作者は、サービスをケーブル加入者に設ける。代替的に、プログラマーは、サービスを直接放送衛星（DBS）加入者に直接に供給する。これらのサービスへの非認可アクセスを防止するための技術は、ますます重要になった。
コンピュータ機密分野において広範に使用される暗号技術は、加入テレビジョンシステムにおいてサービスへの非認可アクセスを防止するために理想的である。「私用キー」暗号として公知の暗号の一形式は、そのような目的のために特に良く適する。私用キー暗号により、送信器と受信器は、暗号化と復号化のために使用される共通暗号化キー（時々、「シード」とも呼ばれる）を共有する。私用キー暗号を使用する例示の暗号システム10が、第１図において描かれる。図示された如く、伝送されるサービスは、暗号器12に設けられる。シード発生器14は、暗号器12に送られる一意的暗号化シードを発生する。暗号器12は、暗号化シードによって「キーイング」される暗号化アルゴリズムに従い、サービスを暗号化する。暗号化キーは、一般に、８〜56ビットの範囲を取る長さを有する２進値である。暗号化シードと暗号化サービスデータは、暗号化シードと暗号化サービスデータを多重化するマルチプレクサー11に設けられ、多重化データ信号を送信器16に供給する。送信器16は、多重化データ信号を遠隔受信地点に伝送する。受信地点における受信器18は、多重化データ信号を受信し、そしてデマルチプレクサー19は、暗号化サービスデータから暗号化シードを分離する。暗号化サービスデータと暗号化シードは、それから、復号器20に設けられる。復号器20は、暗号器12によって使用されや暗号化アルゴリズムの逆を使用し、このため、受信された暗号化シードにより暗号化アルゴリズムを「キーイング」することにより、復号器20は、受信サービスデータを復号化することができる。
加入テレビジョンシステムにおける各プログラマーは、一般に、多数の種々のサービスを設ける。いろいろな理由のために、プログラマーは、各サービスを一意的に暗号化することを選好する。従って、一意的な暗号化シードは、各サービスに対して発生されなければならず、そして各一意的暗号化シードは、受信地点に設けられなければならない。米国特許第5,029,207号（Gammie）、第4,613,901号（Gilhousen他）、第4,736,422号（Mason）と第4,802,215号（Mason）は、各サービスを暗号化するために使用された暗号化シードが、暗号化サービスデータとともに、受信地点に伝送されるシステムを記載する。機密理由のために、暗号化シード自体は、しばしば、伝送の前に暗号化される。上記で相互参照された同時係属出願07/984,461は、複数のプログラマー地点の各々におけるシードの暗号化への特定応用性を有する方法及び装置を記載する。
付加的な機密は、一般に、伝送地点において各サービスの暗号化シードを周期的に変更することにより設けられる。暗号化シードの頻繁な変更は、侵害の作用を阻害する。しかし、各新暗号化シードが受信地点に伝送されなければならないために、サービスデータのために利用される帯域幅が、消費される。さらに、暗号化シードは、しばしば、厳重に誤り保護され、帯域幅消費はずっと増大する。
加入者に設けられるサービス数が少ない時、暗号化シードの伝送によって消費される帯域幅は、問題ではない。しかし、多様な圧縮技術の出現により、加入テレビジョン産業は、加入者に設けられる個別サービス数の大きな増加を経験している。利用可能なサービス数が増加する時、暗号化シードの伝送のために必要な付加的な帯域幅は、禁制になる。結果的に、暗号強度を犠牲にすることなく、受信地点に伝送されなければならない暗号化関連情報量を低減する暗号化方法及び装置の必要性がある。本発明は、この必要性を満足させた。
発明の要約
本発明は、受信地点に伝送される複数のサービスを一意的に暗号化する（encrypting）ための方法及び装置に向けられる。本発明は、復号目的のために遠隔受信地点に伝送されなければならない暗号化関連オーバーヘッド量を低減することにより、先行技術の制限を克服する。
本発明の方法により、限定的ではないが、ビデオ、音声、テレテキスト及びクローズドキャプションサービスを含む複数の各サービスは、（ａ）伝送される各サービスに対して一意的広がり関数を発生させることと、（ｂ）ランダム量を発生させることと、（ｃ）各サービスに対して、（ｉ）サービスのための一意的暗号化シードを設けるために、段階（ａ）においてサービスに対して発生された広がり関数とランダム量を重畳させること（convoluing）と、（ii）一意的暗号化シードによりそのサービスの少なくとも部分を暗号化することと、（ｄ）各サービスの暗号化関数とともに、受信地点にランダム量を伝送するが、各サービスに対して生成された一意的暗号化シードを伝送しないこととにより、伝送地点において一意的に暗号化される。各サービスに対する一意的暗号化シードは、受信地点に伝送されないために、受信地点に伝送された暗号化関連情報量は、非常に低減される。
本発明の方法の一つの実施態様により、ランダム量の第１成分は、大域シードを規定し、そしてランダム量の第２成分は、ランダムシードを規定し、そして各サービスに対して、段階（ｃ）（ｉ）は、（a'）一意的データ量を生成するために、データ組合せ関数F0により、段階（ａ）においてそのサービスに対して発生された広がり関数とランダムシードを組合せることと、（b'）中間量を生成するために、別のデータ組合せ関数F1により、大域シード及び少なくとも一つの他の量とランダムシードを組合せることと、（c'）暗号化関数を中間量によってキーイングすることにより、その暗号化関数に従い、一意的データ量を処理することとを具備する。それから、処理データ量の少なくとも部分が、そのサービスのための一意的暗号化シードを規定するために使用される。好ましくは、ランダム量は、段階（ｄ）においてランダム量を伝送する前に、システムキーで暗号化される。また、段階（ｂ）ないし（ｄ）は、好ましくは、暗号攻撃を防ぐために、周期的に反復される。
受信地点において、ランダム量と各サービスの暗号化部分が受信される。それから、サービスの少なくとも一つが、復号化のために選択される。本発明の方法により、伝送地点において選択サービスのために発生された一意的広がり関数は、段階（ａ）において伝送地点において行われたものと同一の方法において、受信地点において再生される。次に、選択サービスに対する受信ランダム量と再生広がり関数は、段階（ｃ）（ｉ）において伝送地点において行われたものと同一の方法において重畳され、段階（ｃ）（ii）において伝送地点において使用された一意的暗号化シードを再現し、選択サービスの受信暗号化部分を暗号化する。再現された暗号化シードを使用して、選択サービスの暗号化部分は、受信地点における使用のために復号される。
本発明による暗号化装置は、伝送されるサービスの各々に対する一意的広がり関数を発生するための広がり関数発生器手段と、ランダム量を発生するためのランダム信号発生器とを具備する。シード発生器手段は、ランダム信号発生器と広がり関数発生器信号とに結合され、広がり関数の各々とランダム量を独立に重畳させ、それぞれの各サービスに対して一意的暗号化シードを生成する。複数のサービス暗号器がまた、設けられる。各サービス暗号器は、シード発生手段に結合され、かつ、サービスのそれぞれを受信するように結合され、暗号化アルゴリズムをそれぞれのサービスに対して生成された一意的暗号化シードによってキーイングすることにより、その暗号化アルゴリズムに従い、それぞれのサービスを暗号化する。送信器は、暗号器の各々と、ランダム信号発生器とに結合され、ランダム量と各暗号化サービスを遠隔受信地点に伝送する。送信器は、暗号化シード発生器手段によって生成された一意的暗号化シードを伝送しない。結果的に、受信地点に伝送された暗号化関連情報量は、非常に低減される。
本発明による復号装置は、暗号化装置からランダム量と暗号化サービスを受信するための受信器と、復号のために受信された暗号化サービスの一つを選択するための選択スイッチとを具備する。広がり関数発生器は、暗号化装置の広がり関数発生器手段によって行われたものと同一の方法で、選択サービスに対して伝送地点において発生された一意的広がり関数を再生するために設けられる。シード発生器は、受信器と、広がり関数発生器とに結合され、暗号化装置のシード発生器手段によって行われたものと同一の方法で、受信ランダム量と再生広がり関数を重畳させ、伝送地点において生成され選択サービスを暗号化するために使用された一意的暗号化シードを再現させる。サービス復号器は、受信器と、シード発生器とに結合され、再現された暗号化シードを使用して、選択された受信暗号化サービスを復号する。
本発明の一層の特徴及び詳細は、以後明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
好ましい実施態様の前述の要約と次の詳細な説明は、添付の図面に関連して精読した時、より良く理解される。発明を例示する目的のために、図面において、現在好ましい実施態様が示されるが、発明は、開示された特定の方法及び装置に限定されるものではない。
第１図は、先行技術の私用キー暗号システムのブロック図である。
第２図は、本発明の好ましい実施態様による複数のサービスの各々を一意的に暗号化するための暗号化装置の機能ブロック図である。
第３図は、第２図の暗号化装置の一層の詳細を示す。
第４図は、第２図の装置の動作と本発明の方法の好ましい実施態様を示す流れ図である。
第５図は、第２図の暗号化装置に関連して使用される復号化装置の機能ブロック図である。
第６図は、第５図の装置の動作と本発明の方法の好ましい実施態様の一層の詳細を示す流れ図である。
好ましい実施態様の詳細な説明
図面の説明に進む前に、本発明は、加入テレビジョンシステムへ特別の応用を有するが、本発明は、それに限定されるものではないことが理解されるべきである。むしろ、本発明は、複数の独立サービスの一意的暗号化を必要とする多重サービス通信システムにおいて使用される。さらに、本発明は、デジタルサービス信号を暗号化するために使用されるとしてここで記載されるが、ここで開示された方法及び装置は、アナログサービス信号を暗号化又はスクランブルするために等しく使用される。
図面を参照すると、図面を通じて同様の番号は同様の要素を指示するが、第２図において、本発明により複数のサービスの各々を一意的に暗号化するための暗号化装置の一つの実施態様の機能ブロック図が示される。図示された如く、装置22は、好ましい実施態様において２つの構成要素、大域シード（GS）とランダムシード（RS）とから成る、ランダム量を発生するためのランダム信号発生器24を具備する。好ましくは、ランダム信号発生器24は、ランダムなビット列から成るデジタル信号を発生する熱ダイオードを具備する。本実施態様において、ランダム量は、88ビットから成り、最初の56ビットは、大域シードを規定し、そして残りの32ビットは、ランダムシードを規定する。しかし、他の実施態様において、ランダム量におけるビット数と大域及びランダムシードを規定するビット数は、異なることもある。
装置22は、さらに、アルゴリズムをレジスター52から暗号器に設けられたシステムキーSKによって「キーイング」することにより、その暗号化アルゴリズムに従い、ランダム量（GS＋RS）を暗号化するためにランダム信号発生器24に結合されたシード暗号器50を具備する。本発明により、システムキーは、56ビット擬似ランダムデータ語を具備するが、他の実施態様において、システムキーは、異なるビット数を具備する。暗号化アルゴリズムは、シード暗号器50によって使用される。例えば、公知の"Data  Encryption  Standard"アルゴリズム（DES）が使用される。
暗号化されるサービス、例えば、サービスS1、S2...SNは、それぞれのサービス暗号器26、28、..30に設けられる。各サービスは、幾つかの種々の形式の情報の一つを含む連続デジタル信号を具備する。例えば、一つのサービスは、デジタルビデオ信号を具備するビデオサービスであり、そして別のサービスでは、デジタル音声信号を具備する音声サービスである。他のサービス形式としては、限定されないが、テレテキスト、クローズドキャプショニングとコンピュータデータサービスがある。各サービスは、一意的サービス番号を割り当てられる。サービス形式識別子とサービス番号識別子は、各サービスに対して設けられる。最大64個の異なるサービスを伝送することができるサービスを仮定すると、各サービス番号識別子は、一意的な６ビット量を具備する。同様に、32個の異なるサービス形式を有するシステムを仮定すると、各サービス形式識別子は、特定形式のサービスを指示する一意的な５ビット量を具備する。６ビットサービス番号と５ビットサービス形式識別子の組合せ効果は、最大2048個の一意的な広がり関数を発生することができる。
第２図に示された如く、各サービスに対するサービス形式及びサービス番号識別子は、それぞれの広がり関数発生器32、34、..36に設けられる。各広がり関数発生器32、34、..36は、それぞれのサービスに対するサービス形式及びサービス番号識別子を受信し、そしてそのサービスに対する一意的な広がり関数（例えば、SF1、SF2、..SFN）を発生させる。本実施態様により、各広がり関数発生器32、34、..36は、一方向関数を実現し、この場合、サービス形式及びサービス番号識別子は、関数への入力を規定する。２つの異なるサービスに対して同一の広がり関数を発生しない限り、任意の一方向関数が実現される。本実施態様により、各広がり関数（SF1、SF2、..SFN）は、一意的な12ビット量を具備するが、他の実施態様において、広がり関数は異なるビット数を具備することが理解される。
代替案として、各広がり関数発生器32、34、..36は、同一の索引テーブルメモリを具備し、この場合、各広がり関数は、テーブルにおける記述項として予格納され、そして特定サービスに対するサービス形式及びサービス番号識別子は、格納されたテーブルから一意的な広がり関数を取り出すためのアドレスを形成するために組み合わされる。
本発明により、一意的な暗号化シードは、そのサービスに対して発生された一意的な広がり関数（即ち、SF1、SF2又はSFN）とランダム量（GS＋RS）を重畳させることにより、各サービスに対して発生される。このために、第２図の暗号化装置22は、さらに、複数のシード発生器38、40、..42を具備する。図示された如く、各シード発生器38、40、..42は、ライン43を介して、ライン信号発生器24に結合され、ライン信号発生器24からランダム量（GS＋RS）を受信する。各シード発生器38、40、..42はまた、広がり関数発生器32、34、..36のそれぞれに結合され、それぞれの広がり関数発生器から広がり関数を受信する。以下にさらに詳細に記載される如く、各シード発生器38、40、..42は、それぞれの広がり関数（即ち、SF1、SF2、..SFN）とランダム量（GS＋RS）を重畳させ、サービスのそれぞれに対して一意的な暗号化シードを生成する。例えば、シード発生器38は、ライン43を介してランダム量を受信し、広がり関数発生器32によって発生された広がり関数SF1とランダム量を重畳させ、サービスS1に対して一意的な暗号化シードES1を生成する。同様に、シード発生器40は、ランダム量を受信し、広がり関数発生器34によって発生された広がり関数SF2とそれを重畳させ、サービスS2に対して一意的な暗号化シードES2を生成する等である。以下にさらに詳細に説明される如く、好ましい実施態様において、各シード発生器38、40、..42は、一意的な64ビット量を発生させ、その一部は、それぞれのサービスに対する暗号化シードESを規定するために使用される。しかし、他の実施態様において、異なるビット数が、各シード発生器38,40、..42によって発生される。
図示された如く、それぞれのシード発生器38、40、..42によって生成された一意的な暗号化シード（即ち、ES1、ES2、..ESN）は、それぞれのシードレジスター44、46、..48において一時的に記憶される。続いて、各暗号化シードは、それぞれのシードレジスター44、46、..48からそれぞれのサービス暗号器26、28、..30に設けられる。各暗号器26、28、..30は、それぞれのサービスのデータを暗号化することを請け負う。例えば、暗号器26は、サービスS1のデータを暗号化することを請け負い、暗号器28は、サービスS2のデータを暗号化することを請け負う等である。各暗号器26、28、..30は、暗号化アルゴリズムをそれぞれのシードレジスター44、46、..48から設けられた一意的な暗号化シードにより「キーイング」することにより、その暗号化アルゴリズムに従い、それぞれのサービスのデータを暗号化する。例えば、暗号器26は、アルゴリズムをシードレジスター44から設けられた暗号化シードES1によりキーイングすることにより、その暗号化アルゴリズムに従い、サービスS1のデータを暗号化する。本実施態様により、各暗号器26、28、..30は、同一暗号化アルゴリズムを使用するが、他の実施態様において、暗号器26、28、..30の異なるものは、異なる暗号化アルゴリズムを使用する。さらに、任意の暗号化アルゴリズムが使用される。例えば、各暗号器26、28、..30が、公知の"Data  Encryption  Standard"アルゴリズム（DES）を使用する。
最も好ましい実施態様により、各シード発生器38、40、..42は、ランダム量（GS＋RS）とシステムキー（SK）を、広がり関数SF1、SF2、..SFNのそれぞれと重畳させ、それぞれの暗号化シードES1、ES2、..ESNを発生する。このため、第２図に示された如く、各シード発生器38、40、...42は、ライン53を介して、レジスター52からシステムキーSKを受信する。ランダム量とシステムキーを各広がり関数と重畳させることは、装置の暗号強度を高める。
図示された如く、各サービスS1、S2、..S3の暗号化データは、マルチプレクサー54に設けられる。マルチプレクサー54はまた、暗号化ランダム量（GS＋RS）’を受信する。マルチプレクサー54は、暗号化ランダム量と暗号化サービスデータを多重化させ、多重化データ信号を生成し、遠隔受信地点への伝送のために送信器56に設けられる。こうして、本発明により、各サービスS1、S2、..SNの暗号化ランダム量（GS＋RS）’と暗号化データのみが、遠隔受信地点へ伝送される。一意的な暗号化シードES1、ES2、..ESNはいずれも、伝送されない。結果的に、受信地点へ伝送される暗号化関連情報量は、非常に低減される。
所与のランダム量（RS＋GS）から発生された暗号化シードは、不定の時間期間に対してそれぞれのサービスを暗号化するために使用されるが、暗号攻撃を妨げるために、頻繁に暗号化シードを変更することが、好ましい。本発明により、暗号化シード、即ち、ES1、ES2、..ESNは、新ランダム量を単に発生させ、その量を各シード発生器38、40、..42に供給することにより変更される。新ランダム量を受信することにより、各シード発生器38、40、..42は、上記の方法において新暗号化シードを発生させ、いったん発生されたならば、新暗号化シードは、それぞれのサービス暗号器26、28、..30によって使用される。このため、所与のサービスに対して、各新暗号化シードは、そのサービスのデータストリームの異なるが連続する部分を暗号化するために使用される。初期ランダム量と同様に、各新ランダム量は、シード暗号器50によって暗号化され、受信地点への伝送のためにマルチプレクサー54に設けられる。常に、ランダム量のみが、暗号化サービスデータとともに、受信地点に伝送される。暗号化シードは伝送されない。
第３図は、各シード発生器38、40、..42の一層の詳細を示す機能ブロック図である。図示された如く、各シード発生器38、40、..42は、第１及び第２データ組合せ器60、62を具備する。第１データ組合せ器60は、それぞれの入力において、ランダム量（RS＋GS）のランダムシード成分（RS）と、広がり関数発生器32、34、..36のそれぞれから広がり関数SFnを受信する（第２図）。第１データ組合せ器60は、データ組合せ関数F0に従い、広がり関数をランダムシードと組合せ、一意的なデータ量（即ち、データ量＝F0（SFn、RS））を生成し、データレジスター62において一時的に記憶される。第１データ組合せ器60によって実現されたデータ組合せ関数F0は、広がり関数をランダムシードと組合せることができる任意の関数を具備し、そして本発明は、一つの関数に限定されない。例えば、データ組合せ関数F0は、データ量を生成するために、ランダムシードの選択部分を広がり関数に付加する連結関数を具備する。代替的に、データ組合せ関数F0は、より複雑な一方向関数を具備する。好ましい実施態様により、データ組合せ器60によって発生された一意的なデータ量は、64ビットを具備するが、他の実施態様において、データ量は、異なるビット数を具備する。
第２データ組合せ器64は、ランダム量の大域シード（GS）及びランダムシード（RS）成分を受信し、別のデータ組合せ関数F1に従い、これらをシステムキー（SK）と組合せ、中間量（即ち、中間量＝F1（GS、RS、SK））を生成し、キーレジスター66において一時的に記憶される。データ組合せ関数F0と同様に、第２データ組合せ器64によって実現されたデータ組合せ関数F1は、いずれかのデータ組合せ関数を具備するが、本発明は、一つの関数に限定されない。例えば、データ組合せ関数F1は、中間量を生成するために、ランダムシード、大域シードとシステムキーの選択部分を連結する単純な連結関数を具備する。代替的に、データ組合せ関数F1は、より複雑な一方向関数を具備する。好ましい実施態様により、第２データ組合せ器64によって生成された中間量は、56ビットを具備するが、他の実施態様において、中間量は、異なるビット数を具備する。
データレジスター62とキーレジスター66は、暗号化関数がキーレジスター66における中間量によりキーイングされることにより、その暗号化関数に従い、データレジスター62におけるデータ量を処理する（即ち、暗号化する）一方向関数手段68に結合される。処理データ量の少なくとも部分は、シードレジスター44、46、..48のそれぞれに出力70を介して設けられる一意的な暗号化シードESnを規定する（第２図）。一方向関数手段68は、任意の暗号化関数を実現するが、好ましい実施態様において、一方向関数手段68は、電子コード表（ECD）モードにおいて"Data  Encryption  Standard"アルゴリズム（DES）を実現する。電子コード表モードにおけるDESアルゴリズムは、暗号的に強力な一方向関数を設け、キーレジスター66において記憶された56ビット中間量によってキーイングされることにより、データレジスター62において記憶された64ビットデータ量から一意的な64ビット出力を発生する。従って、最大64ビットが、暗号化シードを規定するために利用される。もちろん、他の実施態様において、暗号化関数は、異なる出力ビット数を生成し、そして本発明は、64ビットの出力に限定されるものではない。
再び、第２図を参照すると、上記の如く、各シード発生器によって発生された暗号化シードは、それぞれのシードレジスター44、46、..48に設けられる。それから、各暗号化シードは、サービスS1、S2、..SNのそれぞれを暗号化するために使用される。所与のシード発生器38、40、..42によって設けられた全64ビット量は、暗号化シードを規定するために利用されるが、幾つかの応用においては、全64ビットよりも少ないビットを使用することが望ましい。例えば、幾つかの応用において、サービス暗号器26、28、..30は、より短い暗号器シードを受信するために実現される。そのような場合において、各暗号化シードは、それぞれの64ビットシード発生器出力の小部分として規定される。また、幾つかの応用において、あるサービスは、他のものほど強力には暗号化される必要はなく、このため、暗号器26、28、..30の幾つかは、異なるサイズの暗号化シードを要求する異なる暗号化アルゴリズムを実現する。例えば、デジタルケーブルテレビジョン操作者は、音声サービス信号よりも強力にビデオサービス信号を暗号化することを望む。結果的に、ビデオサービスを暗号化するために使用されたサービス暗号器は、音声サービスを暗号化するために使用されたサービス暗号器とは異なる暗号化アルゴリズムを実現し、そして暗号化アルゴリズムの各々は、異なるサイズの暗号化シードを必要とする。従って、異なるビット数が、異なるサービス形式を暗号化するための暗号化シードを規定するために使用される。
認められる如く、本発明の暗号化装置22は、ある程度の機能的冗長性を含む。例えば、第２図の装置22は、各サービスに対して、分離広がり関数発生器32、34、..36、シード発生器38、40、..42、シードレジスター44、46、..48、及びサービス暗号器26、28、..30を使用するが、これらの要素の機能性の多くは、サービス毎に同一であり、単一機能要素へ組み合わされる。例えば、単一広がり関数発生器、シード発生器、シードレジスター及びサービス暗号器が、第２図に示された多重要素の代わりに、使用される。もちろん、そのような実施態様において、単一の要素セットが、サービス間で共有されなければならず、唯一のサービスが、任意の所与の時点において暗号化される。
本発明の暗号化装置22の一つの実施態様により、広がり関数発生器32、34、..36、シード発生器38、40、..42、シードレジスター44、46、..48、及びサービス暗号器26、28、..30の機能性は、安全マイクロプロセッサー（不図示）において実現される。任意の適切な安全マイクロプロセッサーが使用される。例えば、MotorolaのMC68HC05SC21安全マイクロプロセッサーが使用される。
第４図は、第２図の装置の動作と、本発明による伝送地点において複数のサービスを一意的に暗号化する方法の好ましい実施態様を示す流れ図である。図示された如く、本発明の方法は、段階80において開始し、ここで、一意的な広がり関数は、そのサービスに対するサービス番号識別子とサービス形式識別子に基づいて、各サービスに対して発生される。次に、段階82において、２つの成分、大域シードとランダムシード、を具備するランダム量が、発生される。段階84において、一意的な広がり関数の各々が、段階82において発生されたランダム量と独立に重畳され、伝送されるサービスの各々に対して一意的な暗号化シードを生成する。
段階86において、各サービスに対して発生された一意的な暗号化シードは、それぞれのサービス暗号器（例えば、第２図のサービス暗号器26、28、..30）に送られ、暗号化アルゴリズムが段階84において発生されたそれぞれの一意的な暗号化シードによりキーイングされることにより、その暗号化アルゴリズムに従い、それぞれのサービスを暗号化することを始める。段階88において、段階82において発生されたランダム量は、システムキーにより暗号化される。段階90において示された如く、各サービスに対するデータが暗号化される時、暗号化データは、暗号化ランダム量とともに、遠隔受信地点へ伝送される。段階92において示された如く、各サービスの暗号化は、所定の時間期間が満了するまで、現暗号化シードを使用して継続する。
所定の時間期間が満了した時、制御は、段階82に戻り、ここで、新ランダム量が発生される。段階84において、各一意的広がり関数は、各サービスに対する新一意的暗号化シードを発生するために、新ランダム量と重畳される。段階86において、一意的暗号化シードの前セットは、新しく発生された暗号化シードと置換され、そして各サービスの独立な暗号化が、新暗号化シードを使用して継続する、即ち、新暗号化シードは、それぞれのサービス暗号器26、28、..30の各々によって実現された暗号化アルゴリズムのための開始値として、前暗号化に置き換わる。
以後明らかになる理由のために、各新ランダム量は、受信地点に伝送されなければならない。従って、前ランダム量と同様に、新ランダム量は、段階88において暗号化され、そして段階90において示された如く、暗号化された新ランダム量は、各サービスに対する暗号化データとともに、受信地点に伝送される。上記の如く、各サービスは、連続データストリームを具備し、このため、各サービスの暗号化データは、段階90において連続的に伝送される。しかし、各新ランダム量は、ただ一度（即ち、発生時）に伝送される必要がある。もちろん、各新ランダム量は、所望ならば、複数回、伝送することができる。
暗号化シードの前セット（前ランダム量で生成）と同様に、各サービスの暗号化は、所定の時間期間が再び満了するまで、それぞれの暗号化シードの現セットで継続する。所定の時間期間が満了した後、制御は、再び、段階80に戻され、ここで、さらに別のランダム量が発生される。プロセスは、このようにして無期限に継続する。認められる如く、各新ランダム量は、伝送される各サービスに対して一つの、それぞれの暗号化シードの新セットを発生するために使用される。各サービスに対して、各新暗号化シードは、サービスの異なるが連続部分を暗号化するために使用される。最も重要なことに、本発明により、各新ランダム量のみが、暗号化サービスデータとともに受信地点に伝送される。一意的な暗号化シードは伝送されない。以後説明される如く、受信地点において、各サービスを暗号化するために使用された一意的暗号化シードは、伝送されたランダム量を使用して再現される。ランダム量のみが受信地点に伝送される必要があるために、受信地点へ伝送された暗号化関連情報の量は、暗号強度を犠牲にすることなく非常に低減される。
第５図は、第２図の暗号化装置22と関連して遠隔受信地点において使用される復号装置100の機能ブロック図である。特に、復号装置100は、第２図の暗号化装置22によって受信地点へ伝送された暗号化サービスの選択されたものを復号するための手段を設ける。図示の如く、復号装置100は、複数のサービスの各々に対する暗号化データと、２つの成分、大域シード（GS）とランダムシード（RS）を含む少なくとも一つの暗号化ランダム量（GS＋RS）とを含む多重化データ信号を受信するための受信器102を具備する。いったん受信されたならば、多重化データ信号は、データ抽出器106とサービスデマルチプレクサー110に供給される。
データ抽出器106は、入りデータ信号を監視し、信号から暗号化ランダム量を抽出する。いったん抽出されたならば、暗号化ランダム量は、第２図の暗号化装置22のシード暗号器50によって実現された暗号化アルゴリズムの逆を実現するシード復号器108に設けられる。復号装置100におけるレジスター52'は、暗号化装置22においてランダム量を暗号化するために使用されたシステムキーSKの複製を記憶する。復号装置100をシステムキーSKの複製を設けるために、任意の手段が使用される。例えば、システムキーは、特使を介して受信地点に配布され、その語、復号装置100において手動で記憶される。代替的に、システムキーは、受信地点へ伝送されるが、システムキーが伝送されるならば、それはまた、伝送の前に暗号化されなければならない。システムキーの暗号化は、復号装置100へ割り当てられ、製造時に装置100の安全メモリ（不図示）において永久的に記憶された一意的秘密通し番号を使用して達成される。そのような技術は、同一譲受人に発行された米国特許第5,029,207号において記載され、参照としてここに採り入れられる（そこで記載された如く、システムキーは、「月のキー」として呼ばれる。）
暗号化アルゴリズムの初期値としてシステムキーを使用して、シード復号器108は、暗号化されたランダム量を復号し、ライン115を介して、復号されたランダム量をシード発生器112に設ける。シード発生器112は、その詳細が上述され第３図に示された暗号化装置22（第２図）のシード発生器38、40、..42と同一である。図示の如く、シード発生器112はまた、ライン53'を介して、システムキーを受信する。
サービスデマルチプレクサー110は、ライン104を介して多重化されたデータ信号と、ライン111を介してサービス選択信号を受信する。受信地点における使用者は、ハンドヘルド遠隔制御装置又は他の入力装置の形態を取る選択スイッチ（不図示）を使用して、サービス選択信号を設ける。使用者の選択に基づいて、サービスデマルチプレクサー110は、入り多重化データ信号から選択サービスの暗号化データを抽出し、選択サービスの暗号化データをサービス復号器124に設ける。サービス復号器124は、選択サービスのデータを暗号化するために、暗号化装置22において使用された特定サービス暗号器26、28、..又は30によって実現された暗号化アルゴリズムの逆を実現しなければならない。
使用者のサービス選択に基づいて、サービスデマルチプレクサー110はまた、選択サービスに対するサービス番号識別子とサービス形式識別子を、第２図の暗号化装置22の広がり関数発生器32、34、..36の各々と同一の広がり関数発生器120に設ける。各サービスに対するサービス番号及びサービス形式識別子は、サービスデマルチプレクサーに記憶されるか、又は多重化データ信号の一部として復号装置に伝送される。広がり関数発生器120は、サービスデマルチプレクサー110からサービス番号及びサービス形式識別子を受信し、第２図の暗号化装置22におけるそれぞれの広がり関数発生器32、34、..又は36によって、選択サービスに対して発生された一意的な広がり関数を再生する。それから、選択サービスに対する再生された広がり関数は、シード発生器112に設けられる。
本発明により、シード発生器112は、暗号化装置22において各シード発生器38、40、..42によって行われたものと同一の方法で、受信されたランダム量とシステムキーと再生された広がり関数を重畳させ、選択サービスのデータを暗号化するために、暗号化装置22において使用された一意的な暗号化シードを再現する。いったん再現されたならば、選択サービスに対する一意的な暗号化シードが、サービス復号器124へ「キー」として設けられる。初期値として再現された暗号化シードを使用して、サービス復号器124は、選択サービスに対する暗号化データを復号し、装置100の出力126において復号されたサービスデータを設ける。
上記の如く、好ましい実施態様において、新ランダム量は、暗号攻撃を防ぐために、第２図の暗号化装置22によって周期的に発生され、特定サービスに対して、各新ランダム量は、新一意的暗号化シードを生成し、そして各新暗号化シードは、サービスのデータストリームの異なるが連続する部分を暗号化するために使用される。初期ランダム量と同様に、各新ランダム量は、暗号化形式において受信地点へ伝送される。従って、受信地点において、各新ランダム量は、復号装置100の受信器102によって受信され、データ抽出器106によって入りデータストリームから抽出され、シード復号器108によって復号され、そしてシード発生器112に設けられ、その結果、選択サービスに対して、シード発生器112は、そのランダム量からそのサービスに対して発生された一意的暗号化シードを再現する。さらに、認められる如く、各再現暗号化シードが選択サービスのデータストリームのそれぞれの部分を復号するために適時にサービス復号器124に設けられる如く、選択サービスの入り暗号化データと各逐次暗号化シードの再現を同期化するための手段（不図示）が設けられなければならない。
第５図の復号装置100は、入り多重化データ信号からただ一つのサービスを選択することができるとして示されるが、本発明の復号装置100は、このような動作に限定されるものではない。例えば、１つを超えるサービスが、所与の時点において選択でき、そして復号装置は、選択サービスの各々に対して、付加的な広がり関数発生器、シード発生器、シードレジスター及びサービス復号器（不図示）を含む。そのような実施態様は、加入者が一般に、ビデオサービス、付随した音声及びクローズドキャプションサービスの如く、関連サービスの組合せを具備する「プログラム」を選択する加入テレビジョンシステムにおいて特定の応用がある。さらに、そのような実施態様において、種々の形式のサービスの各々を復号するために使用されたサービス復号器は、種々の暗号化アルゴリズムを使用し、上記の如く、異なるビット数が、異なるサービス形式の各々に対する一意的暗号化シードを規定するために使用される。
第６図は、第５図の装置の動作と本発明の方法の好ましい実施態様の一層の詳細を示す流れ図である。段階130において、暗号化装置（例えば、第２図の装置22）から伝送された暗号化ランダム量（GS＋RS）’と各サービスの暗号化データが、受信地点において受信される。段階132において、サービスの一つが、復号のために選択され、そして段階134において、暗号化装置においてそのサービスに対して発生された一意的な広がり関数が、受信地点において再生される。段階136において、受信された暗号化ランダム量は、復号され、そして段階138において、復号されたランダム量が、暗号化装置において行われたものと同一の方法で、再生された広がり関数と重畳され、選択サービスのデータを暗号化するために、暗号化装置において使用された一意的な暗号化シードを再現する。次に、段階140において、選択サービスに対するデータは、再現された暗号化シードを使用して復号される。使用者が異なるサービスを選択しない限り（段階142）、現在選択されたサービスの入りデータの復号は、次のランダム量が受信されるまで継続する。段階144において示された如く、新ランダム量が受信される時、制御は段階136に渡り、ここで、新しく受信されたランダム量が復号される。次に、段階138において、新ランダム量は、再生された広がり関数と重畳され、暗号化装置において使用された暗号化シードを再現し、選択サービスのデータストリームの次の後続部分を暗号化する。段階140において、選択サービスのデータストリームの次の部分の復号は、新再現暗号化シードを使用して開始される。認められる如く、プロセスは、このようにして継続し、選択サービスのデータストリームの各逐次部分が、それぞれの再現された暗号化シードにより復号される。段階142において、新サービスが選択されることが判定されるならば、制御は段階134に渡り、ここで、新しく選択されたサービスに対する一意的な広がり関数が再生される。それから、段階136〜144が、新サービスに対して上記された如く行われる。
本発明の復号装置100の一つの実施態様により、広がり関数発生器120、シード発生器112、シードレジスター122、及びサービス復号器124の機能性が、安全マイクロプロセッサー（不図示）において実現される。任意の適切な安全マイクロプロセッサーが使用される。例えば、MotorolaのMC68HC05SC21安全マイクロプロセッサーが使用される。
ここで記載された如く、暗号化サービスデータと暗号化ランダム量が、多重化形式において伝送される。本発明が使用される例示の多重化通信システムは、1992年10月30日に提出され、"System  and  Method  for  Transmitting  ａ  Plurality  of  Digital  Services"と題する、同時係属米国特許出願07/968,846において記載される。この特許は、参照としてここに採り入れられる。上記の出願は、例示の多重化データストリームフォーマットと、その多重化フォーマットを実現するためのマルチプレクサーとデマルチプレクサーの構造及び動作を記載する。しかし、理解される如く、本発明は、多重化通信システムにおける応用に限定されるものではない。例えば、各サービスに対するデータと暗号化ランダム量は、別個の周波数において遠隔受信地点に伝送され、分離受信器が、各信号に対して受信地点において使用される。
記載された如く、本発明は、受信地点への伝送のために複数のサービスを一意的に暗号化するための方法及び装置に向けられる。本発明は、遠隔受信地点に伝送されなければならない暗号化関連オーバーヘッドの量を低減させることにより、先行技術の制限を克服する。広い発明の概念に反することなく、上記の実施態様に変更が行われることが理解される。従って、この発明は、開示された特定の実施態様に限定されず、添付のクレイムによって規定された発明の範囲と精神の中にあるすべての修正を包含することが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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