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JP3748857B2 - Semiconductor integrated circuit and data carrier equipped with the same - Google Patents
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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路、当該半導体集積回路を搭載した非接触型情報媒体および当該非接触型情報媒体を含む非接触型情報システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、コイルの相互誘導現象を利用して、所定波長の電波を用いて電力の供給を行うとともにデータの送受信を行うようにした、非接触ICカードなどのデータキャリアが実用段階に入っている。この非接触ICカードは、非接触ICカードとの間で電波の送受信を行うリーダーライタと当該非接触ICカードとの間で通信が可能な距離によって大きく分けて、密着型、近接型、近傍型などに分類されており、それぞれについての標準規格も整いつつある。
【0003】
特に、リーダーライタから10cm程度までの距離で用いることが可能な近接型の非接触ICカードは、例えば定期券などの用途に用いるとすれば、駅の改札口などで定期入れから非接触ICカードを取り出すことなく、リーダーライタとの非接触状態での情報のやり取りに基づいて改札口のゲートの開閉制御を行うことも可能となるなど、きわめて広い範囲で適用する可能性を有するものである。
【0004】
以下、従来の半導体集積回路搭載の非接触型ICカードに関する技術について、図14〜図16を用いて説明する。
図14は非接触ICカードシステムの概要を示す。
【0005】
非接触型ICカード1とリーダーライタ2との通信は、非接触型ICカード1がリーダーライタ2に近づくと、電磁波を用いて電力伝送と信号のやり取りとを非接触で行い、非接触型ICカード1の情報をリーダーライタ2はホスト機3に送受信する。
【0006】
非接触型ICカード1は図15に示すように構成されている。
非接触型ICカード1は、非接触ICカード用LSI11とアンテナコイル12と同調用容量13により構成されている。非接触型ICカード用LSI11は、アナログ回路部20とロジック回路部21とメモリ回路部22、乱数発生回路23などにより構成されている。
【0007】
非接触ICカード用LSI11のパッド36,37には、リーダーライタ2のアンテナコイル4より出力する電磁波5の送受信を行うためのアンテナコイル12が接続される。アンテナコイル12には同調用容量13が接続されている。アンテナコイル12は、リーダーライタ2からの電磁波5を受け、アンテナコイル12の両端(パッド36−パッド37間)に交流電圧が発生する。
【0008】
アンテナコイル12の両端に発生した交流電圧は、アナログ回路部20に入力される。アナログ回路部20は、整流回路30,電源回路31,クロック発生回路32,復調回路33,変調回路34,リセット発生回路35などにより構成されている。整流回路30および電源回路31によって、ロジック回路部21,メモリ回路部22,乱数発生回路23を動作させるための電源電圧を発生する。
【0009】
電源回路31の発生電圧をリセット発生回路35がモニターし、非接触型ICカード用LSI11が誤動作を引き起こさない電源電圧レベルに達した場合にリセット信号を解除し、非接触型ICカード用LSI11が動作する。
【0010】
クロック発生回路32は、アンテナコイル12の両端に発生した交流信号から、ロジック回路部21およびメモリ回路部22を動作させるクロックを生成させる。
【0011】
非接触型ICカード1とリーダーライタ2の間で送受信されるデータは、交流電磁波5に重畳され、復調回路33で復調(非接触型ICカード1がリーダーライタ2からのデータを受信する場合)あるいは、変調回路34で変調(非接触型ICカード1がリーダーライタ2にデータを送信する場合)される。非接触型ICカード1とリーダーライタ2の間で送受信されるデータは、ロジック回路部21で処理され、アドレスやデータを指定してメモリ回路部22に蓄えられ、アドレスを指定して読み出し、書き込む。
【0012】
非接触型ICカード1に書き込まれているデータの不正流出や改竄を防止するために、上記ICカード1とリーダーライタ2は、データのやり取りを行う際に、お互いを認証する処理を行う。つまり、リーダーライタ2は、自己の発信するポーリング信号に対して所定のレスポンス信号を返信してきた非接触型ICカード1との間で相互認証処理を実行する。相互認証処理の方法としては、暗号化鍵を用いる方法が知られている。
【0013】
ここで、非接触型ICカード1とリーダーライタ2との間で行う暗号を用いた相互認証処理について簡単に説明する。
まず、リーダーライタ2は、非接触型ICカード1に対して、内部で発生した乱数aを送信する。非接触型ICカード1は、受信した乱数aを自己の暗号化鍵を用いて乱数Aに変換し、乱数Aをリーダーライタに返送する。リーダーライタ2では、特定の非接触型ICカード1との間で用いる共通の暗号化鍵を用いて上記生成した乱数aを処理して乱数A’を求め、求めた乱数A’と上記非接触型ICカード1から返送されてきた乱数Aとを比較する。リーダーライタ2は、乱数Aと乱数A’が一致する場合に当該非接触型ICカード1を正規のものと認証する。
【0014】
次に、非接触型ICカード1はリーダーライタ2に対して内部で生成した乱数bを送信する。この場合、リーダーライタ2は受信した乱数bを自己の暗号化鍵を用いて乱数Bに変換し、乱数Bを非接触型ICカード1に返送する。非接触型ICカード1は、特定のリーダーライタ2との間で用いる共通の暗号化鍵を用いて上記生成した乱数bを処理して乱数B’と上記リーダーライタ2から返送されてきた乱数Bとを比較する。非接触型ICカード1は、乱数Bと乱数B’が一致する場合に当該リーダーライタ2を正規のものであることを認証する。
【0015】
非接触型ICカード1およびリーダーライタ2内には上記相互認証処理で用いる乱数を生成する乱数発生回路23が内蔵されている。
通常、予測困難な乱数を発生させるためには、抵抗体の熱揺らぎに基づく熱ノイズ信号源を用いる。しかしながら、熱ノイズ信号は、非常に微小な電圧変動(約50μV程度)しか発生しないために、高感度の増幅器を必要とする。また、非接触型ICカード1の電源電圧は、電磁波を整流して発生するため、電源電圧には電磁波の搬送波成分や送信データ信号成分がノイズとして大きく重畳するため、抵抗体の熱揺らぎに基づく熱ノイズ信号源を増幅することは、非常に困難である。そのため、通常、非接触型ICカード1用の乱数発生回路23には、論理回路を用いている。
【0016】
図16は従来の乱数発生回路23の一例を示す。
乱数発生回路23は、いわゆる48ビットM系列乱数発生回路と呼ばれる回路であり、カスケード(多段直列)接続された1ビットシフトレジスタ41、2ビットシフトレジスタ42、25ビットシフトレジスタ43および20ビットシフトレジスタ44、並びに、各ビットのシフトレジスタ出力の合計を初段の20ビットシフトレジスタ44の入力端子に入力する加算回路を構成する加算器51,51,51で構成されている。
【0017】
なお、M系列乱数発生回路は(特許文献1)などに記載されている。非接触ICカードシステムにおいて乱数を使用したシステムは、(特許文献2)などに記載されている。
【0018】
1ビットシフトレジスタ41は、CLK回路32より出力されるクロック信号CLKに同期して動作するフリップフロップ55およびトランスファーゲート56により構成される。ロジック回路部21の内部に含まれるCPUによりアドレス15F2Hが選択されたアドレス信号線が”L”から”H”に切り替わったときにフリップフロップ55の出力を乱数データD10として出力する。
【0019】
2ビットシフトレジスタ42,25ビットシフトレジスタ43および20ビットシフトレジスタ44の回路は、それぞれシフトするビット数だけ上記1ビットシフトレジスタ41と同じ回路を直列に接続したものである。2ビットシフトレジスタ42は、アドレス15F2Hが選択されたときに乱数データD11,D12を出力する。25ビットシフトレジスタ43は、アドレス15F2H,15F3H、15F4Hおよび15F5Hが選択された時に乱数データD13〜D17、D18〜D115、D20〜D27およびD28〜D211を出力する。20ビットシフトレジスタ44は、アドレス15F5H,15F6Hおよび15F7Hが選択されたときに乱数をデータD212〜D215,D30〜D37,D38〜D315を出力する。
【0020】
【特許文献1】
特開平6−244684号公報
【0021】
【特許文献2】
特公平7−27460号公報
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の乱数発生回路23の生成する乱数は、一定の時間で繰り返す所定の生成パターンを有する。
【0023】
このため、リーダーライタ2と非接触型ICカード1とのやり取りされる通信データが盗聴され、乱数の生成パターンが特定される場合がある。このように乱数のパターンが特定されると、暗号化鍵や暗号化処理の内容がわからずとも、乱数aと乱数Aを対応付けたテーブルを用いることで非接触型ICカード1を偽造することができる。同様に乱数bと乱数Bを対応付けたテーブルを用いることでリーダーライタ2の偽造を行うことができる。
【0024】
上記通信データの盗聴による非接触型ICカード1やリーダーライタ2の偽造を有効に防止するためには、通信データを盗聴しても生成パターンを解読ができないほどの高度な乱数生成回路が要求される。しかしながら、乱数生成回路を複雑にすれば乱数生成パターンの不正な解読を有効に防止することができるが、回路サイズが大きくなる。特に非接触型ICカード1の場合、内蔵する乱数生成回路のサイズは小さいほうが望まれる。
【0025】
また、非接触型ICカード1は、上記相互認証処理を行う通信処理の実行前に、例えば内部で生成した乱数に基づくタイミングで、リーダーライタ2からのポーリング処理に対するレスポンス信号の応答時間を変化させるなど、他の非接触型ICカードから出力されるレスポンス信号との衝突を回避する処理を実行する必要がある。非接触型ICカード1とリーダーライタ2との間の通信速度を向上するには、高速で動作する乱数生成回路が望まれる。
【0026】
本発明は、簡単な構成で当該回路を内蔵する非接触型ICカード(非接触情報媒体)の小型化を可能とし、かつ、高速で規則性の無い、一様で予測が困難な乱数データを発生できる半導体集積回路を提供することを目的とする。
【0027】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明のデータキャリア用の半導体集積回路は、乱数発生に、論理回路により構成されるカウンタを搭載することにより、非接触型ICカードがリーダーライタ2の通信領域に入ってから、実際にリーダーライタのコマンドを受けるまでの時間を計測し、その値(測定時間)を乱数値として用いることにより、非接触型ICカード1がリーダーライタ2の通信領域に入るたびに、完全に一様で周期性の無い乱数を生成することができる。そのため悪意のある第三者による攻撃に対して非常に偽造しにくい、安全な非接触型ICカードを容易に実現することができるものである。
【0028】
本発明の半導体集積回路は、リーダーライタから送られた信号をデータキャリアの側で認識してデータキャリアが応答して信号を返信する非接触型情報システムにおいて前記データキャリアに使用される半導体集積回路であって、リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流する整流回路と、入力された受信信号を復調してデータを再生する復調回路と、前記整流回路の出力電圧が規定値を超えたタイミングから、前記リーダーライタから送られた信号に含まれる同期パターンを検出するまでのクロック信号を計数して時間間隔を計数し乱数を発生する乱数発生回路とを備えたことを特徴とする。
【0029】
また、リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流する前記整流回路の出力信号を入力としてこの入力電圧が規定値を超えたタイミングを検出するリセット発生回路設け、乱数発生回路が前記リセット発生回路の出力信号で計数を開始することを特徴とする。
【0030】
また、入力された受信信号を復調してデータを再生する前記復調回路の復調信号あるいは前記受信信号に含まれる同期信号を認識して乱数発生回路が前記計数を終了することを特徴とする。
【0031】
また、前記クロック信号がリーダーライタから送信された搬送波をクロック発生回路によって分周して得た同期型クロックであることを特徴とする。
また、前記乱数発生回路が生成する乱数を前記リーダーライタに返送するロジック回路部を更に備えたことを特徴とする。
【0032】
本発明の半導体集積回路は、リーダーライタから送られた信号をデータキャリアの側で認識してデータキャリアが応答して信号を返信する非接触型情報システムにおいて前記データキャリアに使用される半導体集積回路であって、リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流する整流回路と、入力された受信信号を復調してデータを再生する復調回路と、前記整流回路の出力電圧が第1の規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでの時間間隔を計数し乱数を発生する第1の乱数発生回路と、前記整流回路の出力電圧が第2の規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでの時間間隔を計数し乱数を発生する第2の乱数発生回路とを備え、前記第1の乱数発生回路の出力と前記第2の乱数発生回路の出力とを合わせて乱数を発生するように構成したことを特徴とする。また、前記第1の乱数発生回路の出力と前記第2の乱数発生回路の出力とを合わせて生成された乱数を前記リーダーライタに返送するロジック回路部を更に備えたことを特徴とする。
【0033】
本発明の半導体集積回路は、リーダーライタから送られた信号をデータキャリアの側で認識してデータキャリアが応答して信号を返信する非接触型情報システムにおいて前記データキャリアに使用される半導体集積回路であって、リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流する整流回路と、入力された受信信号を復調してデータを再生する復調回路と、前記整流回路の出力電圧が規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでに第1のクロック信号を計数して時間間隔を計数し乱数を発生する第1の乱数発生回路と、リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流した出力電圧が規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでに前記第1のクロック信号とは異なる第2のクロック信号を計数して時間間隔を計数し乱数を発生する第2の乱数発生回路とを備え、前記第1の乱数発生回路の出力と前記第2の乱数発生回路の出力とを合わせて乱数を発生するように構成したことを特徴とする。
【0034】
また、前記第1のクロック信号がリーダーライタから送信された搬送波をクロック発生回路によって分周して得た同期型クロックであり、前記第2のクロック信号が非同期のクロック発生回路が発生する非同期クロックであることを特徴とする。
【0035】
また、前記第1の乱数発生回路の出力と前記第2の乱数発生回路の出力とを合わせて生成された乱数を前記リーダーライタに返送するロジック回路部を更に備えたことを特徴とする
【0037】
また、本発明のデータキャリアは、上記のいずれかに記載の半導体集積回路を搭載したことを特徴とする。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について、図1〜図13を用いて説明する。
なお、従来例を示す図15と同様の作用をなすものには同一の符号を付けて説明する。
【0039】
(実施の形態1)
図1〜図6は本発明の(実施の形態1)を示す。
図1は図15に示した非接触型ICカード1における乱数発生回路23に代わって組み込まれる乱数発生回路を示す。
【0040】
乱数発生回路100は、Nビットバイナリカウンタ101とN個のトランスファーゲート56〜56N−1により構成されている。Nビットバイナリカウンタ101には、リセット信号102とクロック信号103が入力され、N本の出力Q〜QN−1を有し、受信開始信号104によりN個のトランスファーゲート56〜56N−1を介してNビットの乱数を出力する。
【0041】
前記クロック信号103はリーダーライタ2から送信された搬送波をクロック発生回路32によって分周して得た同期型クロックである。
図2に、非接触型ICカード1とリーダーライタ2との通信タイムチャートを示す。また、図3に非接触ICカード用LSI11内部で発生される電源電圧とリセット信号の非接触型ICカード1とリーダーライタ2との距離依存性を示す。また、図2の時間範囲Aを拡大した各種の信号波形を図4に示す。
【0042】
リーダーライタ2は搬送波(国際規格ISO/IEC14443では13.56MHz)を送出して、図2(a)に示すように周期TDLでダウンリンク信号を重畳し、非接触型ICカード1に呼びかける。
【0043】
非接触型ICカード1がリーダーライタ2に近づいてくると、図3(a)に示すように、内部の整流回路30で生成される電源電圧が上昇し、電源電圧が所定の電圧以上(この例では4.5ボルト以上)になったタイミングT1に、図3(b)に示すようにリセット信号が解除され、非接触型ICカード1が動作を開始する。そして、図2(b)のようにリーダーライタ2への送信データ(アップリンク信号)を非接触型ICカード1が送信する。
【0044】
非接触型ICカード1が受信し始めて、リーダーライタ2から送信するダウンリンク信号や受信信号の特定パターンにより形成される同期パターンを検知することにより受信開始信号104を発生する。正常に受信できれば、非接触型ICカード1がリーダーライタ2にアップリンク信号を送信して、1回のトランザクションが終了する。
【0045】
図5にリセット信号102が解除されてから受信開始信号104が出力されるまでの受信信号待ち時間Tの確率分布を示す。
リーダーライタ2が送信するダウンリンク信号は一定の周期TDLであるが、非接触型ICカード1がリーダーライタ2に近づくのは、手動で近づけられる。よって、非接触型ICカード1がリーダーライタ2に近づく周期は周期TDLとまったく相関の無い時間間隔となる。
【0046】
そのため、受信信号待ち時間Tは、図5に示すように、周期TDL時間以下では、一様で完全なランダムとなる。この受信信号待ち時間Tを測定すれば、完全に一様で、周期性の無い乱数として用いることができる。
【0047】
受信信号待ち時間Tを測定するためのNビットバイナリカウンタ101の構成例とタイミングチャートを図6に示す。
NビットバイナリカウンタはN個のフリップフロップ55〜55N−1により構成される。クロック信号を初段のフリップフロップ55のCLKに入力し、フリップフロップ55の出力NQを入力Dに戻すことにより、出力Qは入力されるクロック信号を2分周して、出力する。同様にフリップフロップ55〜55N−1を直列に接続することにより、Q〜Qと分周して出力し、リセット信号が解除してから、受信開始信号が入るまでのクロック数をカウントし、受信信号待ち時間Tを測定することができる。
【0048】
ここで、バイナリカウンタに必要なビット数を検討する。
リーダーライタ2は、非接触型ICカード1が通信範囲以内に入ってくるかわからないため、周期的に(ポーリング信号)をダウンリンク信号に重畳させている。このダウンリンク信号の周期TDLは、システム仕様により決まるが、ここではISO/IEC14443の場合を参考すると、約5msecとなる。また、クロック信号は、通常搬送波を用いるため、13.56MHzとなる。
【0049】
よって、ダウンリンク信号周期TDL内に発生するクロック信号の個数は67567個≒約216個となる。すなわち、上記条件では、16ビットのバイナリカウンタにより、16ビットの乱数を発生することができる。
【0050】
ロジック回路部21は、乱数発生回路100の計数出力を用いて生成した乱数、あるいはその計数出力を自己の暗号化鍵を用いて変換した乱数を、前記リーダーライタ2に返送する。
【0051】
本実施例では、カウンタに非同期のバイナリのカウントアップカウンタを用いたが、同期式カウンタでも、ダウンカウンタでも、同様に有効である。
なお、ここで、Q〜QN−1は直接並列に出力しているが、各ビットの並び替えを行う事も有効である。具体的には、QN−1〜Qのように行うことによってよりランダム性を増すことができる。
【0052】
(実施の形態2)
図7〜図9は本発明の(実施の形態2)を示す。
(実施の形態1)の乱数発生回路100は受信信号待ち時間Tは完全な乱数であるが、16ビット程度と乱数のビット数が少ないという課題がある。ビット数が少ないと、非接触型ICカード1とリーダーライタ2との相互の認証を行う際に、悪意の第三者が216回の試行を加えると1回は成功する。そのため、より一層安全な非接触型ICカード1にするためには、乱数のビット数を増やす必要がある。
【0053】
図7は図15に示した非接触型ICカード1における乱数発生回路23に代わって組み込まれる乱数発生回路110を示す。
図8に第1のリセット信号112と第2のリセット信号113の非接触型ICカード1とリーダーライタ2との距離依存性を示す。図9に受信信号待ち時間T01とT02の関係を示す。
【0054】
乱数発生回路110は、第1,第2の乱数発生回路としての2個の16ビットバイナリカウンタ111a,111bと、32個のトランスファーゲート56〜5615,5616〜5631とにより構成されている。
【0055】
16ビットバイナリカウンタ111aは、第1のリセット信号112によってクロック信号103の計数を実施し、16ビットバイナリカウンタ111bは、第2のリセット信号113によってクロック信号103の計数を実施する。
【0056】
第1のリセット信号112は、図8(a)(b)に示すように通常の非接触型ICカード用LSI11の動作下限電圧(4.5ボルト)、解除距離約10cmで設定しており、非接触型ICカード用LSI11内部のメモリ回路部22のデータが正常に書き込み動作ができるように設定してある。
【0057】
第2のリセット信号113は、図8(a)(c)に示すように4.3ボルトで、第1のリセット信号112より0.2ボルトだけ低く設定されている。
ここで、4.3ボルト程度の電圧では、非接触型ICカード用LSI11の内部の論理回路は正常動作を行うため問題とならない電圧である。第2のリセット信号113は、リセット電圧4.3ボルトで設定した場合、非接触型ICカード1とリーダーライタ2との距離約12cmで解除を行うことが出来る。第1のリセット信号112と第2のリセット信号113との解除距離の差は約2cmである。
【0058】
駅の改札などで非接触ICカードシステムを使用する場合、人の移動速度は時速6Km程度であり、リセット信号1と第2のリセット信号113との解除距離の差2cmを約12msecで移動する。一般的なダウンリンク信号の周期TDLは、5msecなので、リセット信号1と第2のリセット信号113との解除距離の差2cmでは、ダウンリンク信号の周期TDLの2.4周期分ある。
【0059】
図9に示すようにQ〜Q15によって決まる受信信号待ち時間T01およびQ16〜Q31によって決まる受信信号待ち時間T02は相関を有する。しかしながら実際の使用の場合は、人の移動速度が変化するために、受信信号待ち時間T01とT02と倍数は2.4倍の傾きから、非接触型ICカード1がリーダーライタ2の通信境域に入る毎に変化するため、相関は非常に弱くなる。そのため、Q〜Q15とQ16〜Q31とを並列なビットに配置することにより、乱数に用いることができる。
【0060】
ロジック回路部21は、乱数発生回路110の計数出力を用いて生成した乱数、あるいはその計数出力を自己の暗号化鍵を用いて変換した乱数を前記リーダーライタ2に返送する。
【0061】
ここで、Q〜Q31は直接並列に出力しているが、各ビットの並び替えを行う事も有効である。
32ビット以上の乱数を得るためには、リセット信号と16ビットバイナリカウンタを複数個準備すれば簡単に実現できることが分かる。
【0062】
(実施の形態3)
図10と図11は本発明の(実施の形態3)を示す。
(実施の形態1)の乱数発生回路は受信信号待ち時間Tは完全な乱数であるが、16ビット程度と乱数のビット数が少ないという課題がある。ビット数が少ないと、非接触型ICカード1とリーダーライタ2との相互の認証を行う際に、悪意の第三者が216回の試行を加えると1回は成功する。そのため、乱数のビット数を増やす必要がある。
【0063】
図10は図15に示した非接触型ICカード1における乱数発生回路23に代わって組み込まれる乱数発生回路を示す。
乱数発生回路120は、第1,第2の乱数発生回路としての2個の16ビットバイナリカウンタ111a,111bと、32個のトランスファーゲート56〜5631とにより構成されている。
【0064】
それぞれの16ビットバイナリカウンタ111a,111bには、互いに異なる周波数を有する第1のクロック信号103aおよび第2のクロック信号103bが入力されている。
【0065】
第2のクロック信号103bを発生するクロック発生回路124は、図11に示すように2N+1段(奇数段)のインバータを直列に接続したリングオシレータである。第1のクロック信号103aは、リーダーライタ2から送信された搬送波をクロック発生回路32によって分周して得た同期型クロックで、搬送波の周期(この場合は13.56MHz)で動作している。第2のクロック信号103bはリングオシレータの段数やインバータ125の能力で決定する周波数で動作する。
【0066】
このクロック発生回路124の定数を13.56MHzの2倍程度に設定すると、(実施の形態2)と同様に乱数のビット数を簡単に増やすことが出来る。
ロジック回路部21は、乱数発生回路120の計数出力を用いて生成した乱数、あるいはその計数出力を自己の暗号化鍵を用いて変換した乱数を、前記リーダーライタ2に返送する。
【0067】
ここで、Q〜Q31は直接並列に出力しているが、各ビットの並び替えを行う事も有効である。
32ビット以上の乱数を得るためには、クロック信号と16ビットバイナリカウンタの対を複数個準備すれば簡単に実現できることが分かる。
【0068】
(実施の形態4)
図12は本発明の(実施の形態4)を示す。
(実施の形態1)の乱数発生回路は受信信号待ち時間Tは完全な乱数であるが、16ビット程度と乱数のビット数が少ないという課題がある。ビット数が少ないと、非接触型ICカードとリーダーライタ2との相互の認証を行う際に、悪意の第三者が216回の試行を加えると1回は成功する。そのため、乱数のビット数を増やす必要がある。
【0069】
(実施の形態2)(実施の形態3)の乱数発生回路を用いた場合、各16ビット間に非常に弱いながら相関を有することになる。そこで、より一層、一様なる乱数の発生が必要となる。
【0070】
図12は図15に示した非接触型ICカード1における乱数発生回路23に代わって組み込まれる本発明の(実施の形態4)における乱数発生回路を示す。
乱数発生回路130は、16ビットバイナリカウンタ111a,111bと32個のトランスファーゲート56〜5631、16ビットの並列直列変換回路131、M系列乱数発生回路132、Mビット直列並列変換回路133により構成されている。
【0071】
M系列乱数発生回路132は、論理的に動作するため、リセット信号が解除された時に初期値を設定する必要がある。すなわち、リセット信号の解除後に初期値を設定しなければ、M系列乱数発生回路132の内部の各シフトレジスタの出力信号が全て“L”状態になった場合、永遠に”L”のみを出力するためである。
【0072】
通常、M系列乱数発生回路132のみを用いて、乱数発生回路を用いる場合、初期値設定が重要になる。そのため、一般的には、各非接触型ICカード1のメモリ回路部22の内部に設定してある認識番号を、初期値に用いて乱数生成を行う。このような構成をとることにより、非接触型ICカード1ごとに異なった擬似乱数を生成することができる。
【0073】
しかしながら、このような方法で乱数生成を行うと、初期値が一定であるため、電源投入後の乱数は繰り返えされることになる。また、乱数の元になる初期値がメモリ回路部22に内蔵されることになり、悪意のある第三者がメモリの記憶内容を解析で把握すると、乱数の発生パターンを容易に知ることが出来、セキュリティ上安全と言うことが出来ない。
【0074】
そこで、M系列乱数発生回路132に(実施の形態1)の乱数発生回路で得られた乱数を初期値として使用することにより、より安全で、M系列乱数発生回路132のビット数に対応する大きいビット数で乱数を生成することが出来る。
【0075】
この(実施の形態4)では、(実施の形態1)の乱数発生回路で得られた乱数の拡大およびビット間の拡散に16ビットの並列直列変換回路131とM系列乱数発生回路132を用いたが、(実施の形態2)または(実施の形態3)で発生した乱数を16ビットの並列直列変換回路131とM系列乱数発生回路132を用いても同様に実施できる。
【0076】
(実施の形態5)
図13は本発明の(実施の形態5)を示す。
前記の(実施の形態1)〜(実施の形態4)の乱数発生回路は、通常の使用状況においては、受信信号待ち時間Tは完全な乱数である。しかしながら、悪意の第三者が非接触型ICカード1をリーダーライタ2に毎回同じように近づけると、乱数とはならず、毎回同一の値を出力することとなる。そのため、乱数性を増やす必要がある。
【0077】
図13は図15に示した非接触型ICカード1における乱数発生回路23に代わって組み込まれる乱数発生回路を示す。
乱数発生回路140は、16ビットバイナリカウンタ111と16個のトランスファーゲート56〜5615、セレクタ141a,141bにより構成される。
【0078】
16ビットバイナリカウンタ111のクロックには、互いに異なる周波数を有する第1,第2のクロック信号103a,103bの一方をセレクタ141aにより選択して入力される。
【0079】
ここで、第1のクロック信号103aを発生するクロック発生回路は2N+1段(奇数段)はインバータを直列に接続したリングオシレータ等であり、電源電圧、温度などにより周波数が変化するクロック周波数を有する。
【0080】
また、第2のクロック信号103bは、リーダーライタ2から出力される搬送波の周期(この場合は13.56MHz)で動作している。
また、16ビットバイナリカウンタ111のリセット、すなわち16ビットバイナリカウンタ111が動作を開始する基準信号として、異なる電圧で動作を開始する第1のリセット信号112および第2のリセット信号113をセレクタ141bにより選択し入力する。
【0081】
このようにセレクタ141a,141bにより、第1,第2のクロック信号103a,103bの切り替えを行い、また、第1,2のリセット信号112,113とを切り替えることにより、外部からの動作を周期的に行っても、16ビットバイナリカウンタ111の出力は毎回変わることになり、悪意の第三者が非接触型ICカード1をリーダーライタ2に毎回同じように近づけても、毎回異なる乱数を出力することとなる。そのため、より安全な乱数を生成し使用できることになる。
【0082】
【発明の効果】
以上のように本発明の半導体集積回路は、リーダーライタから送られた信号をデータキャリアの側で認識してデータキャリアが応答して信号を返信する非接触型情報システムにおいて前記データキャリアに使用される半導体集積回路であって、リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流した出力電圧が規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでのクロック信号を計数して時間間隔を計数する乱数発生回路と、前記リーダーライタを認識したタイミングの前記乱数発生回路の計数出力を自己の暗号化鍵を用いて変換した乱数を前記リーダーライタに返送するロジック回路部とを設けたので、データキャリアがリーダーライタの通信領域に入ってから、実際にリーダーライタのコマンドを受けるまでの時間を計測し、その値(測定時間)を乱数値として用いることにより、データキャリアがリーダーライタ通信領域に入るたびに、完全に一様で周期性の無い乱数を生成することができる。そのため悪意のある第三者による攻撃に対して非常に偽造しにくい、安全なデータキャリアを容易に実現することができる。
【0083】
また、本発明はリーダーライタから送信された搬送波を受信して整流した出力電圧が第1の規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでの時間間隔を計数する第1の乱数発生回路と、リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流した出力電圧が第1の規定値を超えたタイミングから受信信号から前記リーダーライタを認識するまでの時間間隔を計数する第2の乱数発生回路と、前記リーダーライタを認識したタイミングの前記第1,第2の乱数発生回路の計数出力を自己の暗号化鍵を用いて変換した乱数を前記リーダーライタに返送するロジック回路部とを設ける、あるいは、リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流した出力電圧が規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでに第1のクロック信号を計数して時間間隔を計数する第1の乱数発生回路と、リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流した出力電圧が規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでに前記第1のクロック信号とは異なる第2のクロック信号を計数して時間間隔を計数する第2の乱数発生回路と、前記リーダーライタを認識したタイミングの前記第1,第2の乱数発生回路の計数出力を自己の暗号化鍵を用いて変換した乱数を前記リーダーライタに返送するロジック回路部とを設けたことによっても、同様に、安全なデータキャリアを容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体集積回路の(実施の形態1)の要部である乱数発生回路の構成図
【図2】同実施の形態の非接触型ICカードとリーダーライタの通信タイムチャート図
【図3】同実施の形態の電源電圧とリセット信号の非接触ICカードとリーダーライタとの距離依存性の説明図
【図4】同実施の形態の図2に示す時間範囲Aでの各信号波形図
【図5】同実施の形態の受信信号待ち時間の確率分布の説明図
【図6】同実施の形態のNビットバイナリカウンタの構成図とタイミングチャート図
【図7】本発明の半導体集積回路の(実施の形態2)における乱数発生回路の構成図
【図8】同実施の形態の第1,第2リセット信号の距離依存性の説明図
【図9】同実施の形態の受信信号待ち時間T01とT02の関係図
【図10】本発明の半導体集積回路の(実施の形態3)における乱数発生回路の構成図
【図11】同実施の形態のクロック発生回路の構成図
【図12】本発明の半導体集積回路の(実施の形態4)における乱数発生回路の構成図
【図13】本発明の半導体集積回路の(実施の形態5)における乱数発生回路の構成図
【図14】非接触型ICカードシステムの概略図
【図15】従来の非接触型ICカードのブロック図
【図16】従来の乱数発生回路(M系列乱数発生回路)の構成図
【符号の説明】
1 非接触ICカード(データキャリア)
2 リーダーライタ
3 ホスト機
5 電磁波
11 非接触型ICカード用LSI
21 ロジック回路部
22 メモリ回路部
30 整流回路
31 電源回路
32 クロック発生回路
33 復調回路
35 リセット発生回路
34 変調回路
103a,103b 第1,第2のクロック信号
100 乱数発生回路
,T01,T02 時間間隔
111a,111b 第1,第2の乱数発生回路
124 クロック発生回路
131 並列直列変換回路
132 M系列乱数発生回路
141a,141b 第1,第2のセレクタ回路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, a non-contact information medium on which the semiconductor integrated circuit is mounted, and a non-contact information system including the non-contact information medium.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a data carrier such as a non-contact IC card which uses a mutual induction phenomenon of coils to supply power and transmit / receive data using radio waves of a predetermined wavelength has entered a practical stage. This contactless IC card is roughly classified into a contact type, a proximity type, and a proximity type according to the distance at which communication can be performed between the reader / writer that transmits and receives radio waves to and from the contactless IC card. Etc., and the standards for each are being prepared.
[0003]
In particular, if the proximity type non-contact IC card that can be used at a distance of about 10 cm from the reader / writer is used for applications such as a commuter pass, for example, it can be used from a regular entry at a ticket gate of a station. Thus, the gate opening / closing control of the ticket gate can be performed based on the exchange of information in a non-contact state with the reader / writer without taking out the card.
[0004]
Hereinafter, techniques related to a conventional non-contact type IC card mounted with a semiconductor integrated circuit will be described with reference to FIGS.
FIG. 14 shows an outline of a non-contact IC card system.
[0005]
Communication between the non-contact type IC card 1 and the reader / writer 2 is performed when the non-contact type IC card 1 approaches the reader / writer 2 and performs non-contact power transmission and signal exchange using electromagnetic waves. The reader / writer 2 transmits / receives information on the card 1 to / from the host device 3.
[0006]
The non-contact type IC card 1 is configured as shown in FIG.
The non-contact type IC card 1 includes a non-contact IC card LSI 11, an antenna coil 12, and a tuning capacitor 13. The non-contact type IC card LSI 11 includes an analog circuit unit 20, a logic circuit unit 21, a memory circuit unit 22, a random number generation circuit 23, and the like.
[0007]
The antenna coil 12 for transmitting and receiving the electromagnetic wave 5 output from the antenna coil 4 of the reader / writer 2 is connected to the pads 36 and 37 of the LSI 11 for non-contact IC card. A tuning capacitor 13 is connected to the antenna coil 12. The antenna coil 12 receives the electromagnetic wave 5 from the reader / writer 2, and an AC voltage is generated at both ends (between the pad 36 and the pad 37) of the antenna coil 12.
[0008]
The AC voltage generated at both ends of the antenna coil 12 is input to the analog circuit unit 20. The analog circuit unit 20 includes a rectifier circuit 30, a power supply circuit 31, a clock generation circuit 32, a demodulation circuit 33, a modulation circuit 34, a reset generation circuit 35, and the like. A power supply voltage for operating the logic circuit unit 21, the memory circuit unit 22, and the random number generation circuit 23 is generated by the rectifier circuit 30 and the power supply circuit 31.
[0009]
The reset generation circuit 35 monitors the generated voltage of the power supply circuit 31, and when the non-contact type IC card LSI 11 reaches a power supply voltage level that does not cause a malfunction, the reset signal is canceled and the non-contact type IC card LSI 11 operates. To do.
[0010]
The clock generation circuit 32 generates a clock for operating the logic circuit unit 21 and the memory circuit unit 22 from the AC signal generated at both ends of the antenna coil 12.
[0011]
Data transmitted and received between the non-contact type IC card 1 and the reader / writer 2 is superimposed on the AC electromagnetic wave 5 and demodulated by the demodulation circuit 33 (when the non-contact type IC card 1 receives data from the reader / writer 2). Alternatively, modulation is performed by the modulation circuit 34 (when the non-contact type IC card 1 transmits data to the reader / writer 2). Data transmitted and received between the non-contact type IC card 1 and the reader / writer 2 is processed by the logic circuit unit 21 and stored in the memory circuit unit 22 by designating addresses and data, and read and written by designating addresses. .
[0012]
In order to prevent unauthorized writing or falsification of data written in the non-contact type IC card 1, the IC card 1 and the reader / writer 2 perform a process of authenticating each other when exchanging data. That is, the reader / writer 2 executes mutual authentication processing with the non-contact type IC card 1 that has returned a predetermined response signal in response to a polling signal transmitted by itself. As a method of mutual authentication processing, a method using an encryption key is known.
[0013]
Here, a mutual authentication process using encryption performed between the non-contact type IC card 1 and the reader / writer 2 will be briefly described.
First, the reader / writer 2 transmits an internally generated random number a to the non-contact type IC card 1. The non-contact type IC card 1 converts the received random number a into a random number A using its own encryption key, and returns the random number A to the reader / writer. The reader / writer 2 processes the generated random number a using a common encryption key used with a specific non-contact type IC card 1 to obtain the random number A ′, and the obtained random number A ′ and the non-contact type The random number A returned from the type IC card 1 is compared. The reader / writer 2 authenticates the non-contact type IC card 1 as a regular one when the random number A matches the random number A ′.
[0014]
Next, the non-contact type IC card 1 transmits the internally generated random number b to the reader / writer 2. In this case, the reader / writer 2 converts the received random number b into a random number B using its own encryption key, and returns the random number B to the contactless IC card 1. The non-contact type IC card 1 processes the generated random number b using a common encryption key used with a specific reader / writer 2, and generates a random number B ′ and a random number B returned from the reader / writer 2. And compare. The non-contact type IC card 1 authenticates that the reader / writer 2 is authentic when the random number B and the random number B ′ match.
[0015]
The non-contact type IC card 1 and the reader / writer 2 incorporate a random number generation circuit 23 that generates a random number used in the mutual authentication process.
Usually, in order to generate a random number that is difficult to predict, a thermal noise signal source based on the thermal fluctuation of the resistor is used. However, since the thermal noise signal generates only a very small voltage fluctuation (about 50 μV), a highly sensitive amplifier is required. Further, since the power supply voltage of the non-contact type IC card 1 is generated by rectifying electromagnetic waves, the carrier wave component and the transmission data signal component of the electromagnetic waves are largely superimposed as noise on the power supply voltage, and therefore based on the thermal fluctuation of the resistor. Amplifying a thermal noise signal source is very difficult. Therefore, normally, a logic circuit is used for the random number generation circuit 23 for the non-contact type IC card 1.
[0016]
FIG. 16 shows an example of a conventional random number generation circuit 23.
The random number generation circuit 23 is a circuit called a so-called 48-bit M-sequence random number generation circuit, and includes a 1-bit shift register 41, a 2-bit shift register 42, a 25-bit shift register 43, and a 20-bit shift register connected in cascade (multi-stage serial). 44, and adders 51, 51, 51 constituting an adder circuit for inputting the sum of the shift register outputs of each bit to the input terminal of the first-stage 20-bit shift register 44.
[0017]
The M-sequence random number generation circuit is described in (Patent Document 1) and the like. A system using random numbers in the non-contact IC card system is described in (Patent Document 2) and the like.
[0018]
The 1-bit shift register 41 includes a flip-flop 55 and a transfer gate 56 that operate in synchronization with the clock signal CLK output from the CLK circuit 32. When the address signal line in which the address 15F2H is selected by the CPU included in the logic circuit unit 21 is switched from "L" to "H", the output of the flip-flop 55 is output as random number data D10.
[0019]
The circuits of the 2-bit shift register 42, the 25-bit shift register 43, and the 20-bit shift register 44 are the same circuits as the 1-bit shift register 41 connected in series by the number of bits to be shifted. The 2-bit shift register 42 outputs random number data D11 and D12 when the address 15F2H is selected. The 25-bit shift register 43 outputs random number data D13 to D17, D18 to D115, D20 to D27, and D28 to D211 when the addresses 15F2H, 15F3H, 15F4H, and 15F5H are selected. The 20-bit shift register 44 outputs random numbers as data D212 to D215, D30 to D37, and D38 to D315 when the addresses 15F5H, 15F6H, and 15F7H are selected.
[0020]
[Patent Document 1]
JP-A-6-244684
[0021]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Publication No. 7-27460
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
The random number generated by the random number generation circuit 23 configured as described above has a predetermined generation pattern that repeats at a constant time.
[0023]
For this reason, communication data exchanged between the reader / writer 2 and the non-contact type IC card 1 may be eavesdropped and a random number generation pattern may be specified. When the random number pattern is specified in this way, the contactless IC card 1 can be forged by using a table in which the random number a and the random number A are associated with each other without knowing the encryption key and the content of the encryption process. Can do. Similarly, the reader / writer 2 can be counterfeited by using a table in which the random number b and the random number B are associated with each other.
[0024]
In order to effectively prevent forgery of the contactless IC card 1 and the reader / writer 2 due to the wiretapping of the communication data, a sophisticated random number generation circuit is required so that the generated pattern cannot be deciphered even if the communication data is wiretapped. The However, if the random number generation circuit is complicated, illegal decoding of the random number generation pattern can be effectively prevented, but the circuit size increases. Particularly in the case of the non-contact type IC card 1, it is desirable that the size of the built-in random number generation circuit is small.
[0025]
Further, the non-contact type IC card 1 changes the response time of the response signal to the polling process from the reader / writer 2 at the timing based on the internally generated random number, for example, before executing the communication process for performing the mutual authentication process. For example, it is necessary to execute a process for avoiding a collision with a response signal output from another non-contact type IC card. In order to improve the communication speed between the non-contact type IC card 1 and the reader / writer 2, a random number generation circuit that operates at high speed is desired.
[0026]
The present invention makes it possible to reduce the size of a non-contact IC card (non-contact information medium) incorporating the circuit with a simple configuration, and to generate random data that is fast, regular, and difficult to predict. An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit that can be generated.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the semiconductor integrated circuit for a data carrier according to the present invention is equipped with a counter configured by a logic circuit for random number generation, so that a non-contact type IC card is placed in the communication area of the reader / writer 2. Each time the non-contact type IC card 1 enters the communication area of the reader / writer 2 by measuring the time from when it enters to actually receiving the command of the reader / writer and using that value (measurement time) as a random number value It is possible to generate completely uniform and non-periodic random numbers. Therefore, it is possible to easily realize a safe non-contact type IC card that is very difficult to counterfeit against an attack by a malicious third party.
[0028]
  The semiconductor integrated circuit of the present invention is a semiconductor integrated circuit used for the data carrier in a non-contact type information system in which a signal sent from a reader / writer is recognized on the data carrier side and the data carrier responds and returns a signal. A rectifier circuit that receives and rectifies a carrier wave transmitted from a reader / writer, a demodulator circuit that demodulates an input received signal and reproduces data, and an output voltage of the rectifier circuit exceeds a specified value. From timingDetects the synchronization pattern included in the signal sent from the reader / writerAnd a random number generation circuit for counting the time interval and generating a random number.
[0029]
In addition, a reset generation circuit is provided for detecting the timing when the input voltage exceeds a specified value by using the output signal of the rectification circuit that receives and rectifies the carrier wave transmitted from the reader / writer, and the random number generation circuit is the reset generation circuit. The counting is started by the output signal of
[0030]
Further, the demodulating signal of the demodulating circuit for demodulating the inputted received signal and reproducing the data or the synchronization signal included in the received signal is recognized, and the random number generating circuit ends the counting.
[0031]
Further, the clock signal is a synchronous clock obtained by dividing a carrier wave transmitted from a reader / writer by a clock generation circuit.
In addition, a logic circuit unit that returns a random number generated by the random number generation circuit to the reader / writer is further provided.
[0032]
  The semiconductor integrated circuit of the present invention is a semiconductor integrated circuit used for the data carrier in a non-contact type information system in which a signal sent from a reader / writer is recognized on the data carrier side and the data carrier responds and returns a signal. A rectifier circuit that receives and rectifies a carrier wave transmitted from a reader / writer, a demodulator circuit that demodulates an input received signal and reproduces data, and an output voltage of the rectifier circuit is a first specified value. A first random number generation circuit for generating a random number by counting a time interval from when the reader / writer is recognized to when the reader / writer is recognized, and from the timing when the output voltage of the rectifier circuit exceeds a second specified value A second random number generation circuit that counts a time interval until recognition of a random number and generates a random numberThe output of the first random number generation circuit and the output of the second random number generation circuit are combined to generate a random number.It is characterized by that. The firstAnd the output of the second random number generator circuit and the output of the second random number generator circuitIt further comprises a logic circuit section for returning random numbers to the reader / writer.
[0033]
  The semiconductor integrated circuit of the present invention is a semiconductor integrated circuit used for the data carrier in a non-contact type information system in which a signal sent from a reader / writer is recognized on the data carrier side and the data carrier responds and returns a signal. A rectifier circuit that receives and rectifies a carrier wave transmitted from a reader / writer, a demodulator circuit that demodulates an input received signal and reproduces data, and an output voltage of the rectifier circuit exceeds a specified value. A first random number generation circuit that counts a first clock signal and counts a time interval to generate a random number from timing to recognition of the reader / writer, and an output obtained by receiving and rectifying a carrier wave transmitted from the reader / writer A second clock signal different from the first clock signal from when the voltage exceeds a specified value until the reader / writer is recognized. A second random number generating circuit for generating a counted random number counted by the time intervalThe output of the first random number generation circuit and the output of the second random number generation circuit are combined to generate a random number.It is characterized by that.
[0034]
The first clock signal is a synchronous clock obtained by frequency-dividing a carrier wave transmitted from a reader / writer by a clock generation circuit, and the second clock signal is generated by an asynchronous clock generation circuit. It is characterized by being.
[0035]
  The firstAnd the output of the second random number generator circuit and the output of the second random number generator circuitIt further comprises a logic circuit unit for returning random numbers to the reader / writer..
[0037]
A data carrier according to the present invention is equipped with any of the semiconductor integrated circuits described above.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to what has the effect | action similar to FIG. 15 which shows a prior art example.
[0039]
(Embodiment 1)
1 to 6 show (Embodiment 1) of the present invention.
FIG. 1 shows a random number generation circuit incorporated in place of the random number generation circuit 23 in the non-contact type IC card 1 shown in FIG.
[0040]
The random number generation circuit 100 includes an N-bit binary counter 101 and N transfer gates 56.0~ 56N-1It is comprised by. The reset signal 102 and the clock signal 103 are input to the N-bit binary counter 101, and N outputs Q0~ QN-1N transfer gates 56 according to the reception start signal 1040~ 56N-1An N-bit random number is output via.
[0041]
The clock signal 103 is a synchronous clock obtained by frequency-dividing the carrier wave transmitted from the reader / writer 2 by the clock generation circuit 32.
FIG. 2 shows a communication time chart between the non-contact type IC card 1 and the reader / writer 2. FIG. 3 shows the distance dependency of the power supply voltage and reset signal generated inside the non-contact IC card LSI 11 between the non-contact IC card 1 and the reader / writer 2. FIG. 4 shows various signal waveforms obtained by enlarging the time range A in FIG.
[0042]
The reader / writer 2 transmits a carrier wave (13.56 MHz in the international standard ISO / IEC14443), and has a period T as shown in FIG.DLThen, the downlink signal is superimposed and the non-contact type IC card 1 is called.
[0043]
When the non-contact type IC card 1 approaches the reader / writer 2, the power supply voltage generated by the internal rectifier circuit 30 rises as shown in FIG. In the example, at a timing T1 that is 4.5 volts or more), the reset signal is canceled as shown in FIG. 3B, and the non-contact type IC card 1 starts operating. Then, the non-contact type IC card 1 transmits the transmission data (uplink signal) to the reader / writer 2 as shown in FIG.
[0044]
When the non-contact type IC card 1 starts receiving, a reception start signal 104 is generated by detecting a synchronization pattern formed by a downlink signal transmitted from the reader / writer 2 or a specific pattern of the received signal. If it can be normally received, the non-contact type IC card 1 transmits an uplink signal to the reader / writer 2 and one transaction is completed.
[0045]
FIG. 5 shows a reception signal waiting time T from when the reset signal 102 is released until the reception start signal 104 is output.0The probability distribution of
The downlink signal transmitted by the reader / writer 2 has a fixed period T.DLHowever, the contactless IC card 1 approaches the reader / writer 2 manually. Therefore, the period when the non-contact type IC card 1 approaches the reader / writer 2 is the period TDLAnd the time interval has no correlation.
[0046]
Therefore, the reception signal waiting time T0, As shown in FIG.DLBelow time, it is uniform and completely random. This received signal waiting time T0Can be used as random numbers that are completely uniform and have no periodicity.
[0047]
Receive signal waiting time T0FIG. 6 shows a configuration example and timing chart of the N-bit binary counter 101 for measuring.
The N-bit binary counter has N flip-flops 550~ 55N-1Consists of. Flip-flop 55 of the first stage for the clock signal0And the output NQ of the flip-flop 55 is returned to the input D, whereby the output Q0Divides the input clock signal by two and outputs it. Similarly flip-flop 551~ 55N-1Are connected in series, Q1~ QNThe number of clocks from when the reset signal is released until the reception start signal is input is counted, and the reception signal waiting time T0Can be measured.
[0048]
Here, the number of bits necessary for the binary counter is considered.
Since the reader / writer 2 does not know whether the non-contact type IC card 1 falls within the communication range, the reader / writer 2 periodically superimposes (polling signal) on the downlink signal. The period T of this downlink signalDLIs determined by the system specifications, but here it is about 5 msec when referring to the case of ISO / IEC14443. The clock signal is 13.56 MHz because a normal carrier wave is used.
[0049]
Hence, the downlink signal period TDLThe number of generated clock signals is 67567 ≈ approximately 216It becomes a piece. That is, under the above conditions, a 16-bit random number can be generated by a 16-bit binary counter.
[0050]
The logic circuit unit 21 returns a random number generated using the count output of the random number generation circuit 100 or a random number obtained by converting the count output using its own encryption key to the reader / writer 2.
[0051]
In this embodiment, an asynchronous binary count-up counter is used as the counter. However, a synchronous counter and a down counter are equally effective.
Here, Q0~ QN-1Output directly in parallel, but it is also effective to rearrange each bit. Specifically, QN-1~ Q0The randomness can be further increased by performing as described above.
[0052]
(Embodiment 2)
7 to 9 show (Embodiment 2) of the present invention.
The random number generation circuit 100 of (Embodiment 1) has a received signal waiting time T.0Is a complete random number, but there is a problem that the number of random number bits is as small as about 16 bits. If the number of bits is small, when a non-contact IC card 1 and reader / writer 2 perform mutual authentication, a malicious third party 216Adding one trial succeeds once. Therefore, in order to make the contactless IC card 1 more secure, it is necessary to increase the number of bits of the random number.
[0053]
FIG. 7 shows a random number generation circuit 110 incorporated in place of the random number generation circuit 23 in the non-contact type IC card 1 shown in FIG.
FIG. 8 shows the distance dependency of the first reset signal 112 and the second reset signal 113 between the non-contact type IC card 1 and the reader / writer 2. FIG. 9 shows the reception signal waiting time T.01And T02The relationship is shown.
[0054]
The random number generation circuit 110 includes two 16-bit binary counters 111a and 111b as first and second random number generation circuits, and 32 transfer gates 56.0~ 5615, 5616~ 5631It is comprised by.
[0055]
The 16-bit binary counter 111a performs counting of the clock signal 103 by the first reset signal 112, and the 16-bit binary counter 111b performs counting of the clock signal 103 by the second reset signal 113.
[0056]
As shown in FIGS. 8A and 8B, the first reset signal 112 is set at an operation lower limit voltage (4.5 volts) of a normal non-contact type IC card LSI 11 and a release distance of about 10 cm. The data is set so that the data in the memory circuit 22 in the non-contact type IC card LSI 11 can be normally written.
[0057]
As shown in FIGS. 8A and 8C, the second reset signal 113 is 4.3 volts, and is set lower by 0.2 volts than the first reset signal 112.
Here, at a voltage of about 4.3 volts, the logic circuit inside the non-contact type IC card LSI 11 operates normally and does not cause a problem. The second reset signal 113 can be released at a distance of about 12 cm between the non-contact type IC card 1 and the reader / writer 2 when set at a reset voltage of 4.3 volts. The difference in release distance between the first reset signal 112 and the second reset signal 113 is about 2 cm.
[0058]
When a non-contact IC card system is used at a ticket gate at a station or the like, the movement speed of a person is about 6 km / h, and the difference of 2 cm between the reset signal 1 and the second reset signal 113 is moved in about 12 msec. General downlink signal period TDLIs 5 msec. Therefore, when the difference between the release distances of the reset signal 1 and the second reset signal 113 is 2 cm, the period T of the downlink signalDLThere are 2.4 cycles.
[0059]
As shown in FIG.0~ Q15Received signal waiting time T determined by01And Q16~ Q31Received signal waiting time T determined by02Have a correlation. However, in actual use, since the movement speed of the person changes, the reception signal waiting time T01And T02Since the multiple changes every time the non-contact type IC card 1 enters the communication area of the reader / writer 2 from the inclination of 2.4 times, the correlation becomes very weak. Therefore, Q0~ Q15And Q16~ Q31Can be used for random numbers.
[0060]
The logic circuit unit 21 returns a random number generated using the count output of the random number generation circuit 110 or a random number obtained by converting the count output using its own encryption key to the reader / writer 2.
[0061]
Where Q1~ Q31Output directly in parallel, but it is also effective to rearrange each bit.
In order to obtain a random number of 32 bits or more, it can be easily realized by preparing a plurality of reset signals and 16-bit binary counters.
[0062]
(Embodiment 3)
10 and 11 show (Embodiment 3) of the present invention.
The random number generation circuit of (Embodiment 1) is a reception signal waiting time T.0Is a complete random number, but there is a problem that the number of random number bits is as small as about 16 bits. If the number of bits is small, when a non-contact IC card 1 and reader / writer 2 perform mutual authentication, a malicious third party 216Adding one trial succeeds once. Therefore, it is necessary to increase the number of bits of the random number.
[0063]
FIG. 10 shows a random number generation circuit incorporated in place of the random number generation circuit 23 in the non-contact type IC card 1 shown in FIG.
The random number generation circuit 120 includes two 16-bit binary counters 111a and 111b as first and second random number generation circuits, and 32 transfer gates 56.0~ 5631It is comprised by.
[0064]
A first clock signal 103a and a second clock signal 103b having different frequencies are input to the 16-bit binary counters 111a and 111b, respectively.
[0065]
The clock generation circuit 124 that generates the second clock signal 103b is a ring oscillator in which 2N + 1 stage (odd number) inverters are connected in series as shown in FIG. The first clock signal 103a is a synchronous clock obtained by dividing the carrier wave transmitted from the reader / writer 2 by the clock generation circuit 32, and operates at the carrier wave period (in this case, 13.56 MHz). The second clock signal 103b operates at a frequency determined by the number of stages of the ring oscillator and the capacity of the inverter 125.
[0066]
When the constant of the clock generation circuit 124 is set to about twice that of 13.56 MHz, the number of random bits can be easily increased as in the second embodiment.
The logic circuit unit 21 returns a random number generated using the count output of the random number generation circuit 120 or a random number obtained by converting the count output using its own encryption key to the reader / writer 2.
[0067]
Where Q1~ Q31Output directly in parallel, but it is also effective to rearrange each bit.
In order to obtain a random number of 32 bits or more, it can be easily realized by preparing a plurality of pairs of clock signals and 16-bit binary counters.
[0068]
(Embodiment 4)
FIG. 12 shows (Embodiment 4) of the present invention.
The random number generation circuit of (Embodiment 1) is a reception signal waiting time T.0Is a complete random number, but there is a problem that the number of random number bits is as small as about 16 bits. If the number of bits is small, a malicious third party will not be able to use 2 when performing mutual authentication between the contactless IC card and the reader / writer 2.16Adding one trial succeeds once. Therefore, it is necessary to increase the number of bits of the random number.
[0069]
(Embodiment 2) When the random number generation circuit of (Embodiment 3) is used, there is a correlation between each 16 bits although it is very weak. Therefore, it is necessary to generate a more uniform random number.
[0070]
FIG. 12 shows a random number generation circuit according to (Embodiment 4) of the present invention incorporated in place of the random number generation circuit 23 in the non-contact type IC card 1 shown in FIG.
The random number generation circuit 130 includes 16-bit binary counters 111a and 111b and 32 transfer gates 56.0~ 5631, A 16-bit parallel / serial conversion circuit 131, an M-sequence random number generation circuit 132, and an M-bit serial / parallel conversion circuit 133.
[0071]
Since the M-sequence random number generation circuit 132 operates logically, it is necessary to set an initial value when the reset signal is released. That is, if the initial value is not set after the reset signal is released, when all the output signals of the shift registers in the M-sequence random number generation circuit 132 are in the “L” state, only “L” is output forever Because.
[0072]
Normally, when only a M-sequence random number generation circuit 132 is used and a random number generation circuit is used, initial value setting is important. Therefore, generally, random numbers are generated by using the identification number set in the memory circuit unit 22 of each contactless IC card 1 as an initial value. By adopting such a configuration, it is possible to generate a different pseudorandom number for each contactless IC card 1.
[0073]
However, when random number generation is performed by such a method, since the initial value is constant, the random number after power-on is repeated. In addition, the initial value from which the random number is generated is built in the memory circuit unit 22, and if a malicious third party grasps the memory content by analysis, the generation pattern of the random number can be easily known. It cannot be said that it is safe for security.
[0074]
Therefore, by using the random number obtained by the random number generation circuit of (Embodiment 1) as the initial value for the M-sequence random number generation circuit 132, it is safer and has a large value corresponding to the number of bits of the M-sequence random number generation circuit 132. A random number can be generated with the number of bits.
[0075]
In this (Embodiment 4), a 16-bit parallel-serial conversion circuit 131 and an M-sequence random number generation circuit 132 are used for expansion of random numbers obtained by the random number generation circuit of (Embodiment 1) and diffusion between bits. However, the random number generated in (Embodiment 2) or (Embodiment 3) can be similarly implemented using the 16-bit parallel-serial conversion circuit 131 and the M-sequence random number generation circuit 132.
[0076]
(Embodiment 5)
FIG. 13 shows (Embodiment 5) of the present invention.
The random number generation circuit of the above (Embodiment 1) to (Embodiment 4) has a reception signal waiting time T in a normal use situation.0Is a complete random number. However, if a malicious third party brings the non-contact type IC card 1 close to the reader / writer 2 in the same way, it will not be a random number but will output the same value every time. Therefore, it is necessary to increase randomness.
[0077]
FIG. 13 shows a random number generation circuit incorporated in place of the random number generation circuit 23 in the non-contact type IC card 1 shown in FIG.
The random number generation circuit 140 includes a 16-bit binary counter 111 and 16 transfer gates 56.0~ 5615, Selectors 141a and 141b.
[0078]
One of the first and second clock signals 103a and 103b having different frequencies is selected and input to the clock of the 16-bit binary counter 111 by the selector 141a.
[0079]
Here, the 2N + 1 stage (odd number stage) of the clock generation circuit for generating the first clock signal 103a is a ring oscillator or the like in which inverters are connected in series, and has a clock frequency whose frequency changes depending on the power supply voltage, temperature, and the like.
[0080]
The second clock signal 103b operates at the period of the carrier wave output from the reader / writer 2 (in this case, 13.56 MHz).
In addition, the selector 141b selects the first reset signal 112 and the second reset signal 113 that start the operation at different voltages as the reference signal for resetting the 16-bit binary counter 111, that is, the operation of the 16-bit binary counter 111. Then enter.
[0081]
In this way, the selectors 141a and 141b are used to switch the first and second clock signals 103a and 103b, and the first and second reset signals 112 and 113 are switched to periodically operate from the outside. In this case, the output of the 16-bit binary counter 111 changes every time. Even if a malicious third party brings the non-contact type IC card 1 close to the reader / writer 2 every time, a different random number is output every time. It will be. Therefore, a safer random number can be generated and used.
[0082]
【The invention's effect】
As described above, the semiconductor integrated circuit of the present invention is used for the data carrier in a non-contact type information system in which a signal transmitted from a reader / writer is recognized on the data carrier side and the data carrier responds and returns a signal. A semiconductor integrated circuit that receives a carrier wave transmitted from a reader / writer and counts a time interval by counting a clock signal from when the rectified output voltage exceeds a specified value until the reader / writer is recognized. Since there is provided a random number generation circuit and a logic circuit unit that returns a random number obtained by converting the count output of the random number generation circuit at the timing when the reader / writer is recognized using its own encryption key to the reader / writer, the data carrier Measure the time from when the reader / writer enters the communication area to when the reader / writer command is actually received. And, by using the value (measurement time) as a random number value, each time the data carrier enters the reader writer communication area, it can produce a perfectly uniform and periodic no random numbers. Therefore, a safe data carrier that is very difficult to counterfeit against attacks by malicious third parties can be easily realized.
[0083]
In addition, the present invention provides a first random number generation circuit for counting a time interval from when the output voltage obtained by receiving and rectifying a carrier wave transmitted from a reader / writer exceeds a first specified value until the reader / writer is recognized. And a second random number generation circuit for counting a time interval from when the output voltage obtained by receiving and rectifying the carrier wave transmitted from the reader / writer exceeds the first specified value until the reader / writer is recognized from the received signal. And a logic circuit unit that returns a random number obtained by converting the count output of the first and second random number generation circuits at the timing when the reader / writer is recognized using its own encryption key to the reader / writer, or The reader / writer is recognized when the output voltage rectified by receiving the carrier wave transmitted from the reader / writer exceeds the specified value. A first random number generating circuit that counts the first clock signal and counts the time interval; and the reader / writer is detected from the timing when the output voltage rectified by receiving the carrier wave transmitted from the reader / writer exceeds a specified value. A second random number generation circuit that counts a second clock signal different from the first clock signal to recognize a time interval before recognition, and the first and second timings at which the reader / writer is recognized Similarly, a safe data carrier can be easily realized by providing a logic circuit unit that returns a random number obtained by converting the count output of the random number generation circuit using its own encryption key to the reader / writer. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a random number generation circuit which is a main part of (Embodiment 1) of a semiconductor integrated circuit according to the present invention.
FIG. 2 is a communication time chart of the contactless IC card and the reader / writer according to the embodiment;
FIG. 3 is an explanatory diagram of the distance dependency between the contactless IC card and the reader / writer of the power supply voltage and the reset signal according to the embodiment;
4 is a waveform diagram of each signal in the time range A shown in FIG. 2 according to the embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a probability distribution of a received signal waiting time according to the embodiment;
FIG. 6 is a configuration diagram and timing chart of an N-bit binary counter according to the embodiment;
FIG. 7 is a configuration diagram of a random number generation circuit in (Embodiment 2) of a semiconductor integrated circuit according to the present invention;
FIG. 8 is an explanatory diagram of distance dependency of the first and second reset signals according to the embodiment;
FIG. 9 shows a reception signal waiting time T according to the embodiment;01And T02Relationship diagram
FIG. 10 is a configuration diagram of a random number generation circuit in (Embodiment 3) of a semiconductor integrated circuit according to the present invention;
FIG. 11 is a configuration diagram of a clock generation circuit according to the embodiment;
FIG. 12 is a configuration diagram of a random number generation circuit in (Embodiment 4) of a semiconductor integrated circuit according to the present invention;
FIG. 13 is a configuration diagram of a random number generation circuit in the semiconductor integrated circuit according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic view of a non-contact type IC card system.
FIG. 15 is a block diagram of a conventional non-contact type IC card.
FIG. 16 is a configuration diagram of a conventional random number generation circuit (M-sequence random number generation circuit).
[Explanation of symbols]
1 Non-contact IC card (data carrier)
2 leader writer
3 Host machine
5 Electromagnetic waves
11 LSI for non-contact type IC card
21 Logic circuit
22 Memory circuit
30 Rectifier circuit
31 Power supply circuit
32 Clock generation circuit
33 Demodulator circuit
35 Reset generation circuit
34 Modulation circuit
103a, 103b first and second clock signals
100 Random number generator
T0, T01, T02    Time interval
111a, 111b first and second random number generation circuits
124 Clock generation circuit
131 Parallel to serial converter
132 M-sequence random number generator
141a, 141b first and second selector circuits

Claims (11)

リーダーライタから送られた信号をデータキャリアの側で認識してデータキャリアが応答して信号を返信する非接触型情報システムにおいて前記データキャリアに使用される半導体集積回路であって、
リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流する整流回路と、
入力された受信信号を復調してデータを再生する復調回路と、
前記整流回路の出力電圧が規定値を超えたタイミングから、前記リーダーライタから送られた信号に含まれる同期パターンを検出するまでのクロック信号を計数して時間間隔を計数し乱数を発生する乱数発生回路と
を備えた半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit used for the data carrier in a non-contact information system in which a signal sent from a reader / writer is recognized on the data carrier side and the data carrier responds and returns a signal,
A rectifier circuit that receives and rectifies the carrier wave transmitted from the reader / writer, and
A demodulator that demodulates the received signal and reproduces the data;
Random number generation that generates a random number by counting the time interval by counting the clock signal from the timing when the output voltage of the rectifier circuit exceeds a specified value until the synchronization pattern included in the signal sent from the reader / writer is detected And a semiconductor integrated circuit.
リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流する前記整流回路の出力信号を入力としてこの入力電圧が規定値を超えたタイミングを検出するリセット発生回路を設け、乱数発生回路が前記リセット発生回路の出力信号で計数を開始する
請求項1記載の半導体集積回路。
A reset generation circuit is provided for detecting a timing when the input voltage exceeds a specified value by receiving an output signal of the rectification circuit that receives and rectifies a carrier wave transmitted from a reader / writer, and a random number generation circuit is provided for the reset generation circuit. 2. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein counting is started by an output signal.
入力された受信信号を復調してデータを再生する前記復調回路の復調信号あるいは前記受信信号に含まれる同期信号を認識して乱数発生回路が前記計数を終了する
請求項1記載の半導体集積回路。
2. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the random number generating circuit terminates the counting upon recognizing a demodulated signal of the demodulating circuit for demodulating an inputted received signal and reproducing data or a synchronization signal included in the received signal.
前記クロック信号がリーダーライタから送信された搬送波をクロック発生回路によって分周して得た同期型クロックである
請求項1記載の半導体集積回路。
2. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the clock signal is a synchronous clock obtained by dividing a carrier wave transmitted from a reader / writer by a clock generation circuit.
前記乱数発生回路が生成する乱数を前記リーダーライタに返送するロジック回路部を更に備えた
請求項1記載の半導体集積回路。
2. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, further comprising a logic circuit unit that returns a random number generated by the random number generation circuit to the reader / writer.
リーダーライタから送られた信号をデータキャリアの側で認識してデータキャリアが応答して信号を返信する非接触型情報システムにおいて前記データキャリアに使用される半導体集積回路であって、
リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流する整流回路と、
入力された受信信号を復調してデータを再生する復調回路と、
前記整流回路の出力電圧が第1の規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでの時間間隔を計数し乱数を発生する第1の乱数発生回路と、
前記整流回路の出力電圧が第2の規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでの時間間隔を計数し乱数を発生する第2の乱数発生回路と
を備え、前記第1の乱数発生回路の出力と前記第2の乱数発生回路の出力とを合わせて乱数を発生するように構成した半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit used for the data carrier in a non-contact information system in which a signal sent from a reader / writer is recognized on the data carrier side and the data carrier responds and returns a signal,
A rectifier circuit that receives and rectifies the carrier wave transmitted from the reader / writer, and
A demodulator that demodulates the received signal and reproduces the data;
A first random number generation circuit for generating a random number by counting a time interval from when the output voltage of the rectifier circuit exceeds a first specified value until the reader / writer is recognized;
A second random number generating circuit for generating a random number by counting a time interval from when the output voltage of the rectifier circuit exceeds a second specified value to when the reader / writer is recognized, and generating the first random number A semiconductor integrated circuit configured to generate a random number by combining the output of the circuit and the output of the second random number generation circuit.
前記第1の乱数発生回路の出力と前記第2の乱数発生回路の出力とを合わせて生成された乱数を前記リーダーライタに返送するロジック回路部を更に備えた
請求項6記載の半導体集積回路。
7. The semiconductor integrated circuit according to claim 6, further comprising a logic circuit unit that returns a random number generated by combining the output of the first random number generation circuit and the output of the second random number generation circuit to the reader / writer.
リーダーライタから送られた信号をデータキャリアの側で認識してデータキャリアが応答して信号を返信する非接触型情報システムにおいて前記データキャリアに使用される半導体集積回路であって、
リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流する整流回路と、
入力された受信信号を復調してデータを再生する復調回路と、
前記整流回路の出力電圧が規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでに第1のクロック信号を計数して時間間隔を計数し乱数を発生する第1の乱数発生回路と、
リーダーライタから送信された搬送波を受信して整流した出力電圧が規定値を超えたタイミングから前記リーダーライタを認識するまでに前記第1のクロック信号とは異なる第2のクロック信号を計数して時間間隔を計数し乱数を発生する第2の乱数発生回路と
を備え、前記第1の乱数発生回路の出力と前記第2の乱数発生回路の出力とを合わせて乱数を発生するように構成した半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit used for the data carrier in a non-contact information system in which a signal sent from a reader / writer is recognized on the data carrier side and the data carrier responds and returns a signal,
A rectifier circuit that receives and rectifies the carrier wave transmitted from the reader / writer, and
A demodulator that demodulates the received signal and reproduces the data;
A first random number generation circuit that counts a first clock signal and counts a time interval to generate a random number from the timing when the output voltage of the rectifier circuit exceeds a specified value until the reader / writer is recognized;
The second clock signal that is different from the first clock signal is counted until the reader / writer is recognized from the timing when the output voltage rectified by receiving the carrier wave transmitted from the reader / writer exceeds a specified value. A second random number generation circuit that counts the interval and generates a random number, and is configured to generate a random number by combining the output of the first random number generation circuit and the output of the second random number generation circuit Semiconductor integrated circuit.
前記第1のクロック信号がリーダーライタから送信された搬送波をクロック発生回路によって分周して得た同期型クロックであり、前記第2のクロック信号が非同期のクロック発生回路が発生する非同期クロックである
請求項8記載の半導体集積回路。
The first clock signal is a synchronous clock obtained by frequency-dividing a carrier wave transmitted from a reader / writer by a clock generation circuit, and the second clock signal is an asynchronous clock generated by an asynchronous clock generation circuit. The semiconductor integrated circuit according to claim 8.
前記第1の乱数発生回路の出力と前記第2の乱数発生回路の出力とを合わせて生成された乱数を前記リーダーライタに返送するロジック回路部を更に備えた
請求項8記載の半導体集積回路。
9. The semiconductor integrated circuit according to claim 8, further comprising a logic circuit unit that returns a random number generated by combining the output of the first random number generation circuit and the output of the second random number generation circuit to the reader / writer.
請求項1〜請求項10のいずれかに記載の半導体集積回路を搭載したデータキャリア。A data carrier on which the semiconductor integrated circuit according to claim 1 is mounted.
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