秘匿通信システムにおける通信装置および通信制御方法
【課題】鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合であっても暗号化通信を継続することができる、秘匿通信システムにおける通信装置およびその通信制御方法を提供する。
【解決手段】暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置は、対向する通信装置との間で生成された暗号鍵を共有する鍵共有部（１０）と、共有された暗号鍵を蓄積する鍵蓄積部（１１）と、蓄積された暗号鍵を用いて対向する通信装置との間で暗号化通信を行う暗号化通信部（１２）と、鍵蓄積部の鍵蓄積量に応じて暗号化通信部が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する鍵消費量制御部（１３）と、を有する。
【解決手段】暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置は、対向する通信装置との間で生成された暗号鍵を共有する鍵共有部（１０）と、共有された暗号鍵を蓄積する鍵蓄積部（１１）と、蓄積された暗号鍵を用いて対向する通信装置との間で暗号化通信を行う暗号化通信部（１２）と、鍵蓄積部の鍵蓄積量に応じて暗号化通信部が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する鍵消費量制御部（１３）と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は秘匿通信システムに係り、特にノード間で共有した暗号鍵を用いて秘匿通信を行う通信装置およびその通信制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットは様々なデ−タが行き交う経済社会インフラとなっており、それゆえにネット上を流れるデータを盗聴リスクから事前に守る予防策を整えることが重要な課題となっている。予防策の一つとして、通信するデ−タを暗号化する秘匿通信システムが挙げられる。暗号化の方法としては、共通鍵暗号と公開鍵暗号の二種類がある。
【０００３】
共通鍵暗号は、ＡＥＳ(Advanced Encryption Standard)に代表されるように暗号化と復号化に共通の鍵を用いる方式で高速処理が可能である。そのため本方式はデータ本体の暗号化に用いられている。
【０００４】
一方、公開鍵暗号は、ＲＳＡ暗号方式に代表されるように一方向性関数を用いた方式で、公開鍵によって暗号化を行い、秘密鍵によって復号化を行う。高速処理には適していないため、共通鍵方式の暗号鍵配送などに用いられている。
【０００５】
データの暗号化によって秘匿性を確保するために重要なことは、たとえ盗聴者によって暗号化デ−タを盗聴されたとしても、その暗号化デ−タを解読されないことである。そのためには暗号化に同じ暗号鍵を使い続けないことが必要である。同じ暗号鍵を使い続けて暗号化していると、盗聴された多くのデ−タから暗号鍵を推測される可能性が高くなるからである。
【０００６】
そこで送信側と受信側で共有している暗号化鍵を更新することが求められる。鍵更新時には更新する鍵を盗聴・解読されないことが必須であるので、大きく分けて次の２つの方法：（１）公開鍵暗号によって暗号化して送る方法および（２）予め鍵更新用に設定した共通鍵であるマスタ鍵を用いて暗号化して送る方法、がある（たとえば特許文献１および２を参照）。これらの方法における安全性は、解読するための計算量が膨大であることに依っている。
【０００７】
しかしながら、情報の安全性を膨大な計算量を根拠にする方法では、計算機や暗号解読アルゴリズムの進化によって秘匿性が低下するという問題があった。例えば、共通鍵暗号であるＤＥＳの解読時間を競う５６ｂｉｔ ＤＥＳ解読コンテストの解読日数は１９９７年に９６日間であったものが、１９９９年には２２時間に短縮されている。公開鍵暗号についても、ＲＳＡ公開鍵暗号解読が１９９４年に鍵長４２９ｂｉｔに対して８ヶ月要していたものが、２００４年には鍵長５７６ｂｉｔに対して約３ヶ月と解読技術が進化している。
【０００８】
一方、量子鍵配送技術（ＱＫＤ）は、通常の光通信とは異なり、１ビットあたりの平均光子数を１個以下として伝送することにより送信−受信間で秘密鍵を生成・共有する技術である（非特許文献１および２参照）。ＱＫＤは、従来のように計算量による安全性ではなく、量子力学によって盗聴が不可能であることが証明されている。したがって、ＱＫＤによって共有した秘密鍵を、情報理論によって解読不可能が証明されているワンタイムパッド（One-time pad、以下、適宜「ＯＴＰ」と記す。）暗号の暗号鍵に用いることで、盗聴不可能な暗号鍵共有と解読不可能な暗号化通信を実現することができる。
【０００９】
またＱＫＤ技術により光子伝送部分の安全性を保証することができるので、一対一の鍵生成・共有だけでなく、光スイッチング技術やパッシブ光分岐技術により一対多あるいは多対多の鍵生成共有を実現することもできる（非特許文献３参照）。さらに、一対多のネットワーク構成において，センタノードと複数のリモートノード間で量子鍵を共有した後、この量子鍵を用いてリモートノード間における暗号通信用の鍵を安全に共有することも提案されている（特許文献３参照）。
【００１０】
さらに、特許文献４には、１対多あるいは多対多接続の秘匿通信システムにおいて共有乱数の量を監視しながらセンタノードと複数のリモートノードとの接続を切り替えることで暗号鍵の量を常に確保する制御方法が開示されている。
【００１１】
また特許文献５には、送信側と受信側とで送受信する情報のセキュリティランクなどに応じて、複数の暗号化方式から１つを選択し、選択した暗号化方式に対応した鍵生成を行う暗号通信システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−３４４４３８号公報
【特許文献２】特開２００２−３００１５８号公報
【特許文献３】特開２００８−３０６６３３号公報
【特許文献４】特開２００７−２８８６９４号公報
【特許文献５】特開平９−１８４６９号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】"QUANTUM CRYPTOGRAPHY: PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOSSING" C. H. Bennett and G. Brassard, IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, December １０−１２, １９８４ pp.１７５−１７９
【非特許文献２】"Automated 'plug & play' quantum key distribution" G. Ribordy, J. Gauiter, N. Gisin, O. Guinnard and H. Zbinden, Electron. Lett.,Vol.３４, No. ２２ pp.２１１６−２１１７, (１９９８)
【非特許文献３】"Quantum cryptography on multiuser optical fibre Networks" P. D. Townsend, Nature vol. ３８５, ２ January １９９７ pp. ４７−４９
【非特許文献４】“Temperature independent QKD system using alternative−shifted phase modulation method” A.Tanaka, A.Tomita, A.Tajima, T.Takeuchi, S.Takahashi, and Y.Nambu, Proc. of ECOC ２００４, Tu４.５.３.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、ＱＫＤによって共有した量子鍵をOne-time-pad暗号の暗号鍵に用いることで、盗聴不可能な暗号鍵共有と解読不可能な暗号化通信を実現することができる。
【００１５】
しかしながら、One-time-padでは、暗号化するデータと同じ容量(bit数)の暗号鍵が必要となるのに対して、量子鍵の生成(共有)速度は、図１４に示すように、たかだか１Ｍｂｐｓ程度である。そのため、ＶｏＩＰ(Voice Over IP)のような音声データに対しては量子鍵を用いてOne-time-pad暗号化することが可能であるが、動画データのようにＭｂｐｓを越える速度のデータ伝送に対しては鍵生成速度が十分とはいえない。
【００１６】
暗号化を行わない間に量子鍵を蓄積しておき、暗号化データ伝送の要求があったとき蓄積した量子鍵を用いることも可能である。しかしながら、動画データの伝送では鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きいのであるから、暗号化するデータ容量が蓄積鍵量を超えた時点で鍵が枯渇し、暗号化通信ができなくなってしまう。
【００１７】
上記特許文献４には、複数のリモートノード間での鍵量を均一化し、特定のリモートノードの鍵量が枯渇することを回避する技術が開示されているが、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合に蓄積鍵量が枯渇し暗号化通信ができなくなってしまうという問題を解決することはできない。
【００１８】
また、上記特許文献５では、暗号化方式ごとに鍵の長さが異なることを利用して、選択された暗号化方式に応じた鍵の生成について記載されているが、この方法でも同様に、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合に蓄積鍵量が枯渇し暗号化通信ができなくなってしまうという問題を解決することはできない。
【００１９】
さらに、暗号化通信装置に異常が発生した場合や伝送路において盗聴があった場合などで暗号鍵が生成できなくなると（鍵生成速度がゼロになると）、上記特許文献に記載の技術では、それに対して有効な対応策をとることができないために、暗号化通信の要求があっても通信が全く不可能になるという事態を招来する。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合であっても暗号化通信を継続することができる、秘匿通信システムにおける通信装置およびその通信制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明による通信装置は、暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置であって、対向する通信装置との間で生成された暗号鍵を共有する鍵共有手段と、共有された暗号鍵を蓄積する鍵蓄積手段と、前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行う暗号化通信手段と、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する鍵消費量制御手段と、を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明による通信制御方法は、暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信制御方法であって、対向する通信装置との間で生成され共有された暗号鍵を鍵蓄積手段に蓄積し、暗号化通信手段が前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行い、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する、を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明によるプログラムは、暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置のプログラム制御プロセッサを通信制御装置として機能させるプログラムであって、対向する通信装置との間で生成され共有された暗号鍵を鍵蓄積手段に蓄積する機能と、暗号化通信手段が前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行う機能と、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する機能と、を前記プログラム制御プロセッサに実現させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合であっても暗号化通信を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態による秘匿通信装置の機能的構成を示す概略的ブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例による秘匿通信システムの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す秘匿通信装置における暗号化／復号部のより詳細な構成を示すブロック図である。
【図４】本実施例による通信制御方法を説明するための蓄積鍵量の変化を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態による秘匿通信装置の機能的構成を示す概略的ブロック図である。
【図６】本発明の第２実施例による秘匿通信システムの秘匿通信装置における暗号化／復号部のより詳細な構成を示すブロック図である。
【図７】本実施例による通信制御方法を説明するための蓄積鍵量の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の第３実施形態による秘匿通信装置の機能的構成を示す概略的ブロック図である。
【図９】本発明の第３実施例による秘匿通信システムの秘匿通信装置における暗号化／復号部のより詳細な構成を示すブロック図である。
【図１０】本実施例による通信制御方法を説明するための蓄積鍵量の変化を示すグラフである。
【図１１】本発明の第４実施例による秘匿通信システムの機能的構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明による秘匿通信システムに用いることができるＱＫＤ送信側通信装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明による秘匿通信システムに用いることができるＱＫＤ受信側通信装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図１４】ＱＫＤシステムの伝送距離と鍵生成速度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
１．第１実施形態
図１に示すように、本発明の第１実施形態による通信装置は、鍵共有部１０、鍵蓄積部１１、暗号化通信部１２および鍵消費量制御部１３を有する。鍵蓄積部１１は鍵共有部１１で生成された鍵を蓄積し、暗号化／復号に使用される鍵を暗号化通信部１２へ供給する。鍵蓄積部１１が入力する鍵生成速度をＶＧ、鍵蓄積部１１から消費される鍵消費速度をＶＣとすれば、ＶＧ＞ＶＣの時に鍵蓄積部１１の鍵蓄積量が増大し、ＶＧ＜ＶＣの時に鍵蓄積部１１の鍵蓄積量が減少する。
【００２７】
暗号化通信部１２は、鍵蓄積部１１から入力した鍵を用いて送信メッセージの暗号化あるいは受信メッセージの復号を実行する。さらに、暗号化通信部１２は、暗号化／復号に使用される鍵の消費量を変更することができる。鍵消費量は、たとえば、暗号化方式で使用する鍵長の変更および／または鍵の更新頻度の変更により変更することができる。また、鍵消費量の異なる複数の暗号化方式を予め用意しておき鍵消費量制御部１２からの変更指令に応じて１つの暗号化方式を選択する方式を採用することも可能である。
【００２８】
鍵消費量制御部１３は、鍵蓄積部１１の鍵蓄積量Ｓと所定の下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2とを比較することで、鍵消費量変更指令を暗号化通信部１２へ出力する。具体的には、鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1まで低下すると、鍵消費量制御部１３は暗号化通信部１２の暗号化方式を鍵消費速度ＶＣが鍵生成速度ＶＧより低くなる方式へ変更する、および／または、現在の暗号化方式の鍵消費量がＶＧ＞ＶＣとなるように鍵長および／または更新頻度を変更する。特に、暗号鍵の更新を停止することで、安全性の低下と引き替えに鍵蓄積量を現状のまま維持することができる。他方、鍵蓄積量Ｓが上しきい値Ｓth2を超えると、鍵消費量制御部１３は暗号化通信部１２での鍵消費量（鍵長や更新頻度）を増大させる、および／または、安全性が高く鍵消費量が多い暗号化方式へ変更する。
【００２９】
なお、下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2は、たとえば次のように設定することができる。
Ｓth1＞（ＶＣ−ＶＧ）＊ τ＋Ｓ(rnd)
Ｓth2＞（ＶＣ−ＶＧ）＊Ｔp＋Ｓ(rnd)
ここで、τは鍵蓄積量を検出してから暗号化方式の切替までの時間、Ｓ(rnd)は安全パラメータとしての乱数、Ｔｐは通信予測時間である。
【００３０】
このように制御することにより、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合でも、鍵が枯渇して暗号化通信が不可能になる事態を回避することができ、暗号化通信を継続することが可能となる。なお、鍵消費量制御部１３は、コンピュータプログラムをプログラム制御プロセッサ上で実行することにより同等の機能を実現することも可能である。
【００３１】
以下、量子鍵配送技術（ＱＫＤ）により鍵が生成される場合を一例として取りあげ詳細に説明する。
【００３２】
１．１）第１実施例
図２は本発明の第１実施例による秘匿通信システムの概略的構成を示すブロック図である。暗号化通信ノード１００および２００は光伝送路である光ファイバ３００を介して接続されているものとする。暗号化通信ノード１００は、送信側の暗号鍵共有部（ＱＫＤ Ａｌｉｃｅ）１１０、暗号鍵ファイル１２０、暗号鍵管理部１３０、暗号化／復号部１４０を含む。同様に、暗号化通信ノード２００は、受信側の暗号鍵共有部（ＱＫＤ Ｂｏｂ）２１０、暗号鍵ファイル２２０、暗号鍵管理部２３０、暗号化／復号部２４０を含む。ここで、暗号化／復号部１４０および２４０は暗号化通信を行うために接続されているが、物理インタフェースに関しては特に問わない。
【００３３】
暗号化通信ノード１００および２００で共有する暗号鍵は鍵ファイル１２０および２２０にそれぞれ蓄積される。たとえば、同期を取った後、送信側の暗号鍵共有部１１０が受信側の暗号鍵共有部２１０へ単一光子伝送を行い、所定の鍵蒸留処理を実行することで共有鍵（量子鍵）が生成され鍵ファイル１２０および２２０にそれぞれ格納される（具体例は後述する）。
【００３４】
暗号化／復号部１４０および２４０は図１における暗号化通信部１２に対応し、それぞれの鍵ファイル１２０および２２０に蓄積されている暗号鍵を用いて送信メッセージの暗号化あるいは受信メッセージの復号を行う。鍵管理部１３０および２３０は図１における鍵消費量制御部１３に対応し、それぞれの鍵ファイル１２０および２２０の暗号鍵蓄積量を監視しており、次に述べるように、鍵蓄積量に応じて暗号化／復号部１４０および２４０で消費される鍵量を制御する。
【００３５】
本実施例における暗号化／復号部１４０および２４０は、鍵消費量が異なる２つの暗号化方式が予め用意されており、それらを切り替えることで鍵消費量を変更可能であると共に、使用する鍵ビット長を変更することで鍵消費量を変更することもできるものとする。ここでは、鍵消費量が異なる２つの暗号化方式として、ＯＴＰ（One-time pad）暗号化方式とブロック暗号化方式を例示するが、これに限定されるものではない。ブロック暗号の代わりにストリーム暗号を用いてもよいし、鍵消費量が異なる２つのブロック暗号あるいはストリーム暗号を用いてもよい。ブロック暗号としては、本実施例ではＡＥＳ暗号を例示するが、ＤＥＳ暗号やＣａｍｅｌｌｉａ暗号であってもよい。
【００３６】
なお、暗号化／復号部１４０および２４０の基本的構成は同じであるから、以下、図３を参照しながら暗号化／復号部１４０の構成について詳細に説明する。
【００３７】
１．２）暗号化／復号部（暗号化通信部）
図３に示すように、暗号化／復号部１４０は暗号化部４００と復号部５００とを有する。暗号部４００は、セレクタ４１０および４２０によってＯＴＰ暗号化部４３０あるいはブロック暗号化部４４０のいずれかが選択される構成を有する。ただし、ここではブロック暗号はＡＥＳ暗号であり、鍵長を選択可能であるとする。送信メッセージは、セレクタ４１０および４２０によって選択された一方の暗号化部により暗号化用鍵を用いて暗号化され送信される。復号部５００は、セレクタ５１０および５２０によってＯＴＰ復号部５３０あるいはブロック復号部５４０のいずれかが選択される構成を有する。受信暗号化メッセージは、セレクタ５１０および５２０によって選択された一方の復号部により復号用鍵を用いて復号される。
【００３８】
ＯＴＰ暗号化部４３０およびブロック暗号化部４４０には、鍵ファイル１２０から暗号化用鍵が供給され、ＯＴＰ復号部５３０およびブロック復号部５４０には、鍵ファイル１２０から復号用鍵が供給される。周知のように、ＯＴＰ暗号化方式では暗号化するデータと同じ容量(bit数)の暗号鍵が消費されるが、ＡＥＳ暗号化方式では鍵長が予め選択されている。したがって、ＡＥＳ暗号化部／復号部を選択することで、鍵消費量を低減することが可能である。
【００３９】
セレクタ４１０および４２０は、鍵管理部１３０の暗号化方式切替制御部１３１からの制御信号(Enc. Cont.)にしたがってＯＴＰ暗号化部４３０あるいはブロック暗号化部４４０のいずれかを選択する。セレクタ５１０および５２０は、暗号化方式切替制御部１３１からの制御信号(Dec. Cont.)にしたがってＯＴＰ復号部５３０あるいはブロック復号部５４０のいずれかを選択する。
【００４０】
暗号化方式切替制御部１３１は、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量をモニタしながら、鍵蓄積量Ｓが所定の上しきい値Ｓth2を超えたか、あるいは下しきい値Ｓth1に到達したかを判定し、その判定結果に応じて暗号化のための制御信号(Enc. Cont.)あるいは復号のための制御信号(Dec. Cont.)を出力する。以下、暗号化方式の切替制御について詳細に説明する。
【００４１】
１．３）暗号化方式の切替制御（鍵消費量制御）
上述したように、暗号化通信ノード１００および２００は、暗号鍵共有部１１０および暗号鍵共有部２１０を除いて基本的に同じ機能構成を有しているので、以下、暗号化方式の切替制御は暗号化通信ノード１００の構成に基づいて説明する。暗号化通信ノード２００の場合も同様である。
【００４２】
図４において、暗号化通信の要求がない場合には鍵は消費されないので、暗号鍵共有部１１０によって生成され共有された暗号鍵は鍵ファイル１２０に蓄積され続け、その蓄積量は期間８１０のように時間と共に増加していく。ここでは、ＯＴＰ暗号化通信が許容される上しきい値Ｓth2を超えた鍵量が鍵ファイル１２０に蓄積されているものとする。
【００４３】
この状態で暗号化通信の要求が発生すると、鍵管理部１３０の暗号化方式切替制御部１３１は、鍵ファイル１２０に蓄積された鍵量ＳがＯＴＰ暗号化通信に必要な量であることを確認すると、暗号化／復号部１４０の暗号化部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）を出力し、セレクタ４１０および４２０によりＯＴＰ暗号化部４３０を選択し、セレクタ５１０および５２０によりＯＴＰ復号部５３０を選択する。これによって、送信メッセージはＯＴＰ暗号化部４３０によりＯＴＰ暗号化され送信される。受信した暗号化メッセージはＯＴＰ復号部５３０により復号される。
【００４４】
ＯＴＰ暗号化／復号の際、ＯＴＰ暗号によって消費される鍵消費速度ＶＣが鍵生成速度ＶＧより小さければ、図４の期間８２０のように、鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は徐々に増加していく。
【００４５】
これに対して、ＯＴＰ暗号によって消費される鍵消費速度ＶＣが鍵生成速度ＶＧより大きければ、図４の期間８３０のように、鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は減少していく。暗号化方式切替制御部１３１は、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量をモニタし、蓄積量が下しきい値Ｓth1となった時点Ｔ０で暗号化方式をＯＴＰからＡＥＳに切り替えるように暗号化／復号部１４０の暗号部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）を出力する。これによって、時点Ｔth1で、セレクタ４１０および４２０によりＡＥＳ暗号化部４４０が選択され、セレクタ５１０および５２０によりＡＥＳ復号部５４０が選択され、送信メッセージはＡＥＳ暗号化部４４０により暗号化されて送信される。受信した暗号化メッセージは、送信側でＡＥＳ暗号化されているので、ＡＥＳ復号部５４０により復号される。時点Ｔ０から時点Ｔth1までのタイムラグは、鍵量をモニタしてから切り替わるまでの回路遅延であり、時点Ｔth1で暗号化方式が切り替わっている。
【００４６】
ＡＥＳ暗号鍵は定期的に更新されるが、その消費速度ＶＣは鍵生成速度ＶＧに比べてかなり小さい。したがって暗号化方式がＡＥＳへ切り替わると、図４の期間８４０のように、鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は急速に増加する。
【００４７】
鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量Ｓが上しきい値Ｓth2を超えると、暗号化方式切替制御部１３１は、暗号化方式をＡＥＳからＯＴＰへ戻すように暗号化／復号部１４０の暗号部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）を出力する。これによって、セレクタ４１０および４２０によりＯＴＰ暗号化部４３０が選択され、セレクタ５１０および５２０によりＯＴＰ復号部５３０が選択される。送信メッセージはＯＴＰ暗号化部４３０によりＯＴＰ暗号化され送信される。受信した暗号化メッセージはＯＴＰ復号部５３０により復号される。鍵量をモニタしてから暗号化方式が切り替わるまでの回路遅延により、実際に暗号化方式が切り替わるのは図４における時点Ｔth2である。
【００４８】
暗号化方式をＡＥＳからＯＴＰへ切り替わると上述した期間８３０と同様の動作となる。すなわち、図４の期間８５０に示すように、鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は減少し、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1となった時点で暗号化方式をＯＴＰからＡＥＳに切り替えるように暗号化／復号部１４０の暗号部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）を出力する。これによって、時点Ｔth3で、セレクタ４１０および４２０によりＡＥＳ暗号化部４４０が選択され、セレクタ５１０および５２０によりＡＥＳ復号部５４０が選択され、送信メッセージはＡＥＳ暗号化部４４０により暗号化されて送信される。受信した暗号化メッセージは、送信側でＡＥＳ暗号化されているので、ＡＥＳ復号部５４０により復号される。
【００４９】
図４の期間８６０に示すように暗号化方式をＡＥＳに切り替えた後でも、暗号化データ量が多く鍵蓄積速度が十分でない場合には、図４の時点Ｔth4でＡＥＳ鍵の更新頻度を下げることにより、あるいはＡＥＳ鍵長を短くする（例えば２５６ビットから１２８ビットへ変更する）ことによって鍵蓄積速度を上げることができる（期間８７０）。
【００５０】
１．４）効果
上述したように、本実施例によれば、鍵蓄積量が所定のレベルまで低下すると、暗号化方式をより鍵消費量の小さい方式に変更することで、鍵蓄積量を回復させることができ、暗号鍵の生成速度が消費速度を下回る場合でも暗号化通信を途絶えさせることなく継続させることが可能となる。
【００５１】
２．第２実施形態
図５に示すように、本発明の第２実施形態による通信装置は、鍵共有部１０、鍵蓄積部１１、暗号化通信部１２、鍵消費量制御部１４および鍵消費量推定部１５を有する。このうち、鍵蓄積部１１および暗号化通信部１２については第１実施形態と同様であるから、同じ参照番号を付して説明は省略する。以下、鍵消費量制御部１４および鍵消費量推定部１５について詳細に説明する。
【００５２】
本実施形態によれば、鍵消費量推定部１５が送信メッセージから当該送信メッセージを暗号化する際の暗号鍵の消費速度を推定し、その推定消費速度を鍵消費量制御部１４へ出力する。
【００５３】
鍵消費量制御部１４は、この推定消費速度を考慮して、鍵蓄積部１１の鍵蓄積量Ｓと所定の下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2とを比較することで、鍵消費量変更指令を暗号化通信部１２へ出力する。推定消費速度を考慮することで、鍵蓄積量Ｓが所定の下しきい値Ｓth1に達する前に予測することができ、図４に示す時点Ｔ０から時点Ｔth1までの遅延により鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1を僅かに下回る事態を有効に回避することができる。なお、鍵消費量制御部１４は、コンピュータプログラムをプログラム制御プロセッサ上で実行することにより同等の機能を実現することも可能である。
【００５４】
２．１）第２実施例
本発明の第２実施例による秘匿通信システムの全体的な構成は、図２と同様であるから説明は省略し、図６に示すように、本実施例における鍵管理部１３０の暗号化方式切替制御部１３２と暗号化／復号部１４０の暗号化部４０１について説明する。その他の構成および動作は第１実施例と同様であるから、同一参照番号を付して説明は省略する。
【００５５】
図６において、暗号化部４０１のセレクタ４１０の前段に、図５の鍵消費量推定部１５に対応するデータ量モニタ４５０が設けられ、送信メッセージのデータ量をモニタし、モニタされた送信データ量Mon.を暗号化方式切替制御部１３２へ出力する。
【００５６】
暗号化方式切替制御部１３２は、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量Ｓと所定の下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2とを比較するが、その際、データ量モニタ４５０からの送信データ量に基づいて消費されるであろう鍵量を推定し、現在の鍵蓄積量Ｓから推定消費鍵量を減少させてから下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2と比較を行う。したがって、実際の鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1に達する前に、暗号化方式の切替タイミングを予想することができ、鍵量モニタしてから暗号化方式が切り替わるまでの遅延を回避することができる。
【００５７】
２．２）効果
このようにデータ量モニタ４５０からの送信データ量に基づいて消費鍵量を推定して暗号化方式の切替タイミングを予想することで、図７に示すように、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1あるいは上しきい値Ｓth2に到達した時点Ｔth11、Ｔth21で暗号化方式を即座に切り替えることができる。
【００５８】
３．第３実施形態
図８に示すように、本発明の第３実施形態による通信装置は、鍵共有部１０、鍵蓄積部１１、暗号化通信部１２および鍵消費量制御部１６を有する。このうち、鍵蓄積部１１および暗号化通信部１２については第１実施形態と同様であるから、同じ参照番号を付して説明は省略する。以下、鍵共有部１０および鍵消費量制御部１６について詳細に説明する。
【００５９】
鍵共有部１０は、送信側の暗号鍵共有部（ＱＫＤ Ａｌｉｃｅ）１１０あるいは受信側の暗号鍵共有部（ＱＫＤ Ｂｏｂ）２１０に対応し、その動作状態あるいはパフォーマンスを監視する機能を有するものであればよい。たとえば、暗号鍵共有部１１０、１２０がハードウェア故障によって鍵生成・共有ができなくなった場合や光ファイバ３００が断となった場合などを検出すると、その旨の状態モニタ信号を鍵消費量制御部１６へ出力する。
【００６０】
鍵消費量制御部１６は、状態モニタ信号により暗号鍵の生成／共有処理ができなくなったことを知ると、暗号化通信部１２の鍵消費量を低減あるいはゼロになるように制御する。たとえば、鍵消費量が最も小さくなるように暗号化方式を切り替え、さらに暗号化鍵を更新することなく固定する。これにより、鍵消費量をゼロにすることができる。なお、鍵消費量制御部１６は、コンピュータプログラムをプログラム制御プロセッサ上で実行することにより同等の機能を実現することも可能である。
【００６１】
３．１）第３実施例
本発明の第３実施例による秘匿通信システムの全体的な構成は、図２と同様であり、暗号化／復号部１４０も図３と同様であるから同一参照番号を付して説明は省略する。
【００６２】
図９に示すように、本実施例における鍵管理部１３０の暗号化方式切替制御部１３３は、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量Ｓ、所定の下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2を入力して第１実施例と同様に切替制御を行うが、これに加えて、暗号鍵共有部１１０（１２０）の状態モニタ信号を入力する。暗号化方式切替制御部１３３は状態モニタ信号により暗号鍵の生成／共有処理ができなくなったことを知ると、暗号化／復号部１４０の暗号化方式をここではＯＴＰからＡＥＳへ切り替えるか、あるいはＡＥＳ暗号化部４４０およびＡＥＳ復号部５４０の暗号鍵を更新せずに固定する。これにより障害発生時の鍵消費量を少なくする、あるいはゼロにすることができ、暗号化通信を継続することが可能となる。
【００６３】
図１０に示すように、たとえば期間８３０でＯＴＰ暗号化通信を実行中の時点Ｔ10で、ＱＫＤパフォーマンスの劣化が発生し、あるいは暗号鍵生成／共有処理が停止して、当初の鍵生成速度を維持できなくなったとする。この事態を状態モニタ信号により知ると、暗号化方式切替制御部１３３は暗号化／復号部１４０の暗号化方式をＯＴＰからＡＥＳへ切り替えると共に、暗号鍵を更新せずに固定する。これにより、期間８４２に示すように、鍵ファイル１２０（２２０）に蓄積されている鍵の消費量はゼロになり、蓄積されている鍵を使用し続けることができる。あるいは、ＡＥＳの鍵更新だけを実行して鍵消費量を低減させることにより、蓄積している鍵をある期間使用し続けることも可能である。
【００６４】
そのうちに時点Ｔ20でＱＫＤが復旧して当初の鍵生成速度に戻ると、暗号化方式切替制御部１３３はＡＥＳ暗号鍵を定期的に更新させるが、上述したように消費速度ＶＣは鍵生成速度ＶＧに比べてかなり小さいので、ＱＫＤ復旧後は鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は急速に増加する（期間８４３）。
【００６５】
鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量Ｓが上しきい値Ｓth2を超えると、暗号化方式切替制御部１３３は、暗号化方式をＡＥＳからＯＴＰへ戻すように暗号化／復号部１４０の暗号部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）をそれぞれ出力し（時点Ｔ30）、以下、図４に示す第１実施例と同様に制御される。
【００６６】
３．２）効果
このように、暗号鍵共有部の障害などによって暗号鍵の生成ができなくなると、鍵消費量が最も小さくなるように、あるいはゼロになるように暗号化方式を切り替える。これによって、図１０の期間８４２に示すように、鍵ファイル１２０に蓄積されている鍵を用いて暗号化通信を継続させることができる。
【００６７】
４．第４実施例
上述した実施例では、暗号化通信ノード１００および２００がそれぞれ暗号鍵の蓄積状況をみて自律的に暗号化方式を切り替えるが、実際にどこから暗号化方式が変更されたかは相手側へ通知しなければ正確にはわからない。そこで、本発明の第４実施例による秘匿通信システムでは、相手側へ暗号化方式の切替を通知する。
【００６８】
図１１に示すように、暗号化方式を暗号化部４００で切り替えた際に、切り替えたことを知らせるメッセージを対向側に送信する。暗号化方式を切り替えたことが解読されないように、送信側の暗号化部４００は切替メッセージをＯＴＰ暗号化して送信する。受信側の復号部５００が切替メッセージを識別できるように、切替メッセージの先頭部分に同期用のパターンを挿入してもよい。
【００６９】
このようにして暗号化と復号の方式切替のタイミングを送信側および受信側で正確に合わせることができ、暗号化方式の切替によるデータロスをなくすことができる。
【００７０】
５．ＱＫＤ適用例
図１２は送信側の暗号鍵共有部１１０の一例であり、図１３は受信側の暗号鍵共有部２１０の一例である。この適用例はPlug & Play方式のＱＫＤシステムによって実現されている。特に、図１２に示す暗号鍵共有部１１０は交互シフト位相変調型Plug & Play方式によるものである。
【００７１】
図１２において、送信側量子ユニット３０は、偏光ビ−ムスプリッタ（ＰＢＳ）３１、位相変調部３２、乱数発生部３３、同期部３４および光多重分離部３５を有し、光ファイバ伝送路３００に接続されている。位相変調器３２および偏光ビームスプッタ（ＰＢＳ）３１はＰＢＳループを構成する。ＰＢＳループはファラデーミラーと同様の機能を有し、入射光の偏光状態が９０度回転して送出される（非特許文献４を参照）。
【００７２】
位相変調器３２は、ここでは乱数発生部３３から供給される２つの乱数ＲＮＤ０、ＲＮＤ１の４通りの組み合わせにそれぞれ対応する４通りの位相変調の深さ（０、π／２、π、３π／２）を有し、光パルスが位相変調器３２を通過するタイミングで位相変調を行う。乱数発生部３３は、同期部３４から供給されるクロック信号に従って乱数ＲＮＤ０、ＲＮＤ１を発生して、位相変調器３２へ供給すると共に鍵生成部５１で保持される。同期部３４は受信側の同期部４４との間でクロック信号をやりとりすることで同期を取る。
【００７３】
図１３において、受信側量子ユニット４０は、偏光ビ−ムスプリッタ（ＰＢＳ）４１、位相変調部４２、乱数発生部４３、同期部４４光多重分離部４５、光カプラ４６、光サーキュレータ４７、光子検出器４８、およびパルス光源４９を有し、光ファイバ伝送路３００に接続されている。
【００７４】
送信側の暗号鍵共有部１１０と受信側の暗号鍵共有部２１０との間で、暗号鍵を生成し共有する過程は、非特許文献１、２および４に記載されているが、ＱＫＤプロトコルとしてはＢＢ８４に限定されるものではなく、Ｂ９２、Ｅ９１などでも適用可能である。
【００７５】
こうして送信側量子ユニット３０からの単一光子伝送を受けて受信側量子ユニット４０の光子検出器４８により得られた検出データは鍵生成部５２に保持され、送信側の鍵生成部５１との間で鍵蒸留処理が行われ、送信側および受信側でそれぞれ暗号鍵が共有され、鍵ファイル１２０、２２０に保存される。
【００７６】
上述した第３実施例における暗号鍵共有部の障害は、たとえば同期部３４、４４における同期外れや同期不能状態、乱数発生器３３、４３の故障、光子検出器４８の検出レート異常や鍵生成部５１、５２での誤り率上昇などにより検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、量子暗号鍵配布技術に代表される共通暗号鍵配布技術を用いた暗号化通信に利用可能である。
【符号の説明】
【００７８】
10 鍵共有部
11 鍵ファイル
12 暗号化通信部
13, 14, 16 鍵消費量制御部
15 鍵消費量推定部
100、200 暗号化通信ノード
110、210 暗号鍵共有部
120、220 鍵ファイル
130、230 鍵管理部
140、240 暗号化／復号部
300 光ファイバ
400、401 暗号化部
500 復号部
410、420、510、520 セレクタ
430 ＯＴＰ暗号化部
440 ＡＥＳ暗号化部
450 データ量モニタ
530 ＯＴＰ復号部
540 ＡＥＳ復号部
【技術分野】
【０００１】
本発明は秘匿通信システムに係り、特にノード間で共有した暗号鍵を用いて秘匿通信を行う通信装置およびその通信制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットは様々なデ−タが行き交う経済社会インフラとなっており、それゆえにネット上を流れるデータを盗聴リスクから事前に守る予防策を整えることが重要な課題となっている。予防策の一つとして、通信するデ−タを暗号化する秘匿通信システムが挙げられる。暗号化の方法としては、共通鍵暗号と公開鍵暗号の二種類がある。
【０００３】
共通鍵暗号は、ＡＥＳ(Advanced Encryption Standard)に代表されるように暗号化と復号化に共通の鍵を用いる方式で高速処理が可能である。そのため本方式はデータ本体の暗号化に用いられている。
【０００４】
一方、公開鍵暗号は、ＲＳＡ暗号方式に代表されるように一方向性関数を用いた方式で、公開鍵によって暗号化を行い、秘密鍵によって復号化を行う。高速処理には適していないため、共通鍵方式の暗号鍵配送などに用いられている。
【０００５】
データの暗号化によって秘匿性を確保するために重要なことは、たとえ盗聴者によって暗号化デ−タを盗聴されたとしても、その暗号化デ−タを解読されないことである。そのためには暗号化に同じ暗号鍵を使い続けないことが必要である。同じ暗号鍵を使い続けて暗号化していると、盗聴された多くのデ−タから暗号鍵を推測される可能性が高くなるからである。
【０００６】
そこで送信側と受信側で共有している暗号化鍵を更新することが求められる。鍵更新時には更新する鍵を盗聴・解読されないことが必須であるので、大きく分けて次の２つの方法：（１）公開鍵暗号によって暗号化して送る方法および（２）予め鍵更新用に設定した共通鍵であるマスタ鍵を用いて暗号化して送る方法、がある（たとえば特許文献１および２を参照）。これらの方法における安全性は、解読するための計算量が膨大であることに依っている。
【０００７】
しかしながら、情報の安全性を膨大な計算量を根拠にする方法では、計算機や暗号解読アルゴリズムの進化によって秘匿性が低下するという問題があった。例えば、共通鍵暗号であるＤＥＳの解読時間を競う５６ｂｉｔ ＤＥＳ解読コンテストの解読日数は１９９７年に９６日間であったものが、１９９９年には２２時間に短縮されている。公開鍵暗号についても、ＲＳＡ公開鍵暗号解読が１９９４年に鍵長４２９ｂｉｔに対して８ヶ月要していたものが、２００４年には鍵長５７６ｂｉｔに対して約３ヶ月と解読技術が進化している。
【０００８】
一方、量子鍵配送技術（ＱＫＤ）は、通常の光通信とは異なり、１ビットあたりの平均光子数を１個以下として伝送することにより送信−受信間で秘密鍵を生成・共有する技術である（非特許文献１および２参照）。ＱＫＤは、従来のように計算量による安全性ではなく、量子力学によって盗聴が不可能であることが証明されている。したがって、ＱＫＤによって共有した秘密鍵を、情報理論によって解読不可能が証明されているワンタイムパッド（One-time pad、以下、適宜「ＯＴＰ」と記す。）暗号の暗号鍵に用いることで、盗聴不可能な暗号鍵共有と解読不可能な暗号化通信を実現することができる。
【０００９】
またＱＫＤ技術により光子伝送部分の安全性を保証することができるので、一対一の鍵生成・共有だけでなく、光スイッチング技術やパッシブ光分岐技術により一対多あるいは多対多の鍵生成共有を実現することもできる（非特許文献３参照）。さらに、一対多のネットワーク構成において，センタノードと複数のリモートノード間で量子鍵を共有した後、この量子鍵を用いてリモートノード間における暗号通信用の鍵を安全に共有することも提案されている（特許文献３参照）。
【００１０】
さらに、特許文献４には、１対多あるいは多対多接続の秘匿通信システムにおいて共有乱数の量を監視しながらセンタノードと複数のリモートノードとの接続を切り替えることで暗号鍵の量を常に確保する制御方法が開示されている。
【００１１】
また特許文献５には、送信側と受信側とで送受信する情報のセキュリティランクなどに応じて、複数の暗号化方式から１つを選択し、選択した暗号化方式に対応した鍵生成を行う暗号通信システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−３４４４３８号公報
【特許文献２】特開２００２−３００１５８号公報
【特許文献３】特開２００８−３０６６３３号公報
【特許文献４】特開２００７−２８８６９４号公報
【特許文献５】特開平９−１８４６９号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】"QUANTUM CRYPTOGRAPHY: PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOSSING" C. H. Bennett and G. Brassard, IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, December １０−１２, １９８４ pp.１７５−１７９
【非特許文献２】"Automated 'plug & play' quantum key distribution" G. Ribordy, J. Gauiter, N. Gisin, O. Guinnard and H. Zbinden, Electron. Lett.,Vol.３４, No. ２２ pp.２１１６−２１１７, (１９９８)
【非特許文献３】"Quantum cryptography on multiuser optical fibre Networks" P. D. Townsend, Nature vol. ３８５, ２ January １９９７ pp. ４７−４９
【非特許文献４】“Temperature independent QKD system using alternative−shifted phase modulation method” A.Tanaka, A.Tomita, A.Tajima, T.Takeuchi, S.Takahashi, and Y.Nambu, Proc. of ECOC ２００４, Tu４.５.３.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、ＱＫＤによって共有した量子鍵をOne-time-pad暗号の暗号鍵に用いることで、盗聴不可能な暗号鍵共有と解読不可能な暗号化通信を実現することができる。
【００１５】
しかしながら、One-time-padでは、暗号化するデータと同じ容量(bit数)の暗号鍵が必要となるのに対して、量子鍵の生成(共有)速度は、図１４に示すように、たかだか１Ｍｂｐｓ程度である。そのため、ＶｏＩＰ(Voice Over IP)のような音声データに対しては量子鍵を用いてOne-time-pad暗号化することが可能であるが、動画データのようにＭｂｐｓを越える速度のデータ伝送に対しては鍵生成速度が十分とはいえない。
【００１６】
暗号化を行わない間に量子鍵を蓄積しておき、暗号化データ伝送の要求があったとき蓄積した量子鍵を用いることも可能である。しかしながら、動画データの伝送では鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きいのであるから、暗号化するデータ容量が蓄積鍵量を超えた時点で鍵が枯渇し、暗号化通信ができなくなってしまう。
【００１７】
上記特許文献４には、複数のリモートノード間での鍵量を均一化し、特定のリモートノードの鍵量が枯渇することを回避する技術が開示されているが、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合に蓄積鍵量が枯渇し暗号化通信ができなくなってしまうという問題を解決することはできない。
【００１８】
また、上記特許文献５では、暗号化方式ごとに鍵の長さが異なることを利用して、選択された暗号化方式に応じた鍵の生成について記載されているが、この方法でも同様に、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合に蓄積鍵量が枯渇し暗号化通信ができなくなってしまうという問題を解決することはできない。
【００１９】
さらに、暗号化通信装置に異常が発生した場合や伝送路において盗聴があった場合などで暗号鍵が生成できなくなると（鍵生成速度がゼロになると）、上記特許文献に記載の技術では、それに対して有効な対応策をとることができないために、暗号化通信の要求があっても通信が全く不可能になるという事態を招来する。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合であっても暗号化通信を継続することができる、秘匿通信システムにおける通信装置およびその通信制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明による通信装置は、暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置であって、対向する通信装置との間で生成された暗号鍵を共有する鍵共有手段と、共有された暗号鍵を蓄積する鍵蓄積手段と、前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行う暗号化通信手段と、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する鍵消費量制御手段と、を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明による通信制御方法は、暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信制御方法であって、対向する通信装置との間で生成され共有された暗号鍵を鍵蓄積手段に蓄積し、暗号化通信手段が前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行い、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する、を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明によるプログラムは、暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置のプログラム制御プロセッサを通信制御装置として機能させるプログラムであって、対向する通信装置との間で生成され共有された暗号鍵を鍵蓄積手段に蓄積する機能と、暗号化通信手段が前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行う機能と、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する機能と、を前記プログラム制御プロセッサに実現させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合であっても暗号化通信を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態による秘匿通信装置の機能的構成を示す概略的ブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例による秘匿通信システムの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す秘匿通信装置における暗号化／復号部のより詳細な構成を示すブロック図である。
【図４】本実施例による通信制御方法を説明するための蓄積鍵量の変化を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態による秘匿通信装置の機能的構成を示す概略的ブロック図である。
【図６】本発明の第２実施例による秘匿通信システムの秘匿通信装置における暗号化／復号部のより詳細な構成を示すブロック図である。
【図７】本実施例による通信制御方法を説明するための蓄積鍵量の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の第３実施形態による秘匿通信装置の機能的構成を示す概略的ブロック図である。
【図９】本発明の第３実施例による秘匿通信システムの秘匿通信装置における暗号化／復号部のより詳細な構成を示すブロック図である。
【図１０】本実施例による通信制御方法を説明するための蓄積鍵量の変化を示すグラフである。
【図１１】本発明の第４実施例による秘匿通信システムの機能的構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明による秘匿通信システムに用いることができるＱＫＤ送信側通信装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明による秘匿通信システムに用いることができるＱＫＤ受信側通信装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図１４】ＱＫＤシステムの伝送距離と鍵生成速度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
１．第１実施形態
図１に示すように、本発明の第１実施形態による通信装置は、鍵共有部１０、鍵蓄積部１１、暗号化通信部１２および鍵消費量制御部１３を有する。鍵蓄積部１１は鍵共有部１１で生成された鍵を蓄積し、暗号化／復号に使用される鍵を暗号化通信部１２へ供給する。鍵蓄積部１１が入力する鍵生成速度をＶＧ、鍵蓄積部１１から消費される鍵消費速度をＶＣとすれば、ＶＧ＞ＶＣの時に鍵蓄積部１１の鍵蓄積量が増大し、ＶＧ＜ＶＣの時に鍵蓄積部１１の鍵蓄積量が減少する。
【００２７】
暗号化通信部１２は、鍵蓄積部１１から入力した鍵を用いて送信メッセージの暗号化あるいは受信メッセージの復号を実行する。さらに、暗号化通信部１２は、暗号化／復号に使用される鍵の消費量を変更することができる。鍵消費量は、たとえば、暗号化方式で使用する鍵長の変更および／または鍵の更新頻度の変更により変更することができる。また、鍵消費量の異なる複数の暗号化方式を予め用意しておき鍵消費量制御部１２からの変更指令に応じて１つの暗号化方式を選択する方式を採用することも可能である。
【００２８】
鍵消費量制御部１３は、鍵蓄積部１１の鍵蓄積量Ｓと所定の下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2とを比較することで、鍵消費量変更指令を暗号化通信部１２へ出力する。具体的には、鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1まで低下すると、鍵消費量制御部１３は暗号化通信部１２の暗号化方式を鍵消費速度ＶＣが鍵生成速度ＶＧより低くなる方式へ変更する、および／または、現在の暗号化方式の鍵消費量がＶＧ＞ＶＣとなるように鍵長および／または更新頻度を変更する。特に、暗号鍵の更新を停止することで、安全性の低下と引き替えに鍵蓄積量を現状のまま維持することができる。他方、鍵蓄積量Ｓが上しきい値Ｓth2を超えると、鍵消費量制御部１３は暗号化通信部１２での鍵消費量（鍵長や更新頻度）を増大させる、および／または、安全性が高く鍵消費量が多い暗号化方式へ変更する。
【００２９】
なお、下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2は、たとえば次のように設定することができる。
Ｓth1＞（ＶＣ−ＶＧ）＊ τ＋Ｓ(rnd)
Ｓth2＞（ＶＣ−ＶＧ）＊Ｔp＋Ｓ(rnd)
ここで、τは鍵蓄積量を検出してから暗号化方式の切替までの時間、Ｓ(rnd)は安全パラメータとしての乱数、Ｔｐは通信予測時間である。
【００３０】
このように制御することにより、鍵生成速度よりも鍵消費速度が大きい場合でも、鍵が枯渇して暗号化通信が不可能になる事態を回避することができ、暗号化通信を継続することが可能となる。なお、鍵消費量制御部１３は、コンピュータプログラムをプログラム制御プロセッサ上で実行することにより同等の機能を実現することも可能である。
【００３１】
以下、量子鍵配送技術（ＱＫＤ）により鍵が生成される場合を一例として取りあげ詳細に説明する。
【００３２】
１．１）第１実施例
図２は本発明の第１実施例による秘匿通信システムの概略的構成を示すブロック図である。暗号化通信ノード１００および２００は光伝送路である光ファイバ３００を介して接続されているものとする。暗号化通信ノード１００は、送信側の暗号鍵共有部（ＱＫＤ Ａｌｉｃｅ）１１０、暗号鍵ファイル１２０、暗号鍵管理部１３０、暗号化／復号部１４０を含む。同様に、暗号化通信ノード２００は、受信側の暗号鍵共有部（ＱＫＤ Ｂｏｂ）２１０、暗号鍵ファイル２２０、暗号鍵管理部２３０、暗号化／復号部２４０を含む。ここで、暗号化／復号部１４０および２４０は暗号化通信を行うために接続されているが、物理インタフェースに関しては特に問わない。
【００３３】
暗号化通信ノード１００および２００で共有する暗号鍵は鍵ファイル１２０および２２０にそれぞれ蓄積される。たとえば、同期を取った後、送信側の暗号鍵共有部１１０が受信側の暗号鍵共有部２１０へ単一光子伝送を行い、所定の鍵蒸留処理を実行することで共有鍵（量子鍵）が生成され鍵ファイル１２０および２２０にそれぞれ格納される（具体例は後述する）。
【００３４】
暗号化／復号部１４０および２４０は図１における暗号化通信部１２に対応し、それぞれの鍵ファイル１２０および２２０に蓄積されている暗号鍵を用いて送信メッセージの暗号化あるいは受信メッセージの復号を行う。鍵管理部１３０および２３０は図１における鍵消費量制御部１３に対応し、それぞれの鍵ファイル１２０および２２０の暗号鍵蓄積量を監視しており、次に述べるように、鍵蓄積量に応じて暗号化／復号部１４０および２４０で消費される鍵量を制御する。
【００３５】
本実施例における暗号化／復号部１４０および２４０は、鍵消費量が異なる２つの暗号化方式が予め用意されており、それらを切り替えることで鍵消費量を変更可能であると共に、使用する鍵ビット長を変更することで鍵消費量を変更することもできるものとする。ここでは、鍵消費量が異なる２つの暗号化方式として、ＯＴＰ（One-time pad）暗号化方式とブロック暗号化方式を例示するが、これに限定されるものではない。ブロック暗号の代わりにストリーム暗号を用いてもよいし、鍵消費量が異なる２つのブロック暗号あるいはストリーム暗号を用いてもよい。ブロック暗号としては、本実施例ではＡＥＳ暗号を例示するが、ＤＥＳ暗号やＣａｍｅｌｌｉａ暗号であってもよい。
【００３６】
なお、暗号化／復号部１４０および２４０の基本的構成は同じであるから、以下、図３を参照しながら暗号化／復号部１４０の構成について詳細に説明する。
【００３７】
１．２）暗号化／復号部（暗号化通信部）
図３に示すように、暗号化／復号部１４０は暗号化部４００と復号部５００とを有する。暗号部４００は、セレクタ４１０および４２０によってＯＴＰ暗号化部４３０あるいはブロック暗号化部４４０のいずれかが選択される構成を有する。ただし、ここではブロック暗号はＡＥＳ暗号であり、鍵長を選択可能であるとする。送信メッセージは、セレクタ４１０および４２０によって選択された一方の暗号化部により暗号化用鍵を用いて暗号化され送信される。復号部５００は、セレクタ５１０および５２０によってＯＴＰ復号部５３０あるいはブロック復号部５４０のいずれかが選択される構成を有する。受信暗号化メッセージは、セレクタ５１０および５２０によって選択された一方の復号部により復号用鍵を用いて復号される。
【００３８】
ＯＴＰ暗号化部４３０およびブロック暗号化部４４０には、鍵ファイル１２０から暗号化用鍵が供給され、ＯＴＰ復号部５３０およびブロック復号部５４０には、鍵ファイル１２０から復号用鍵が供給される。周知のように、ＯＴＰ暗号化方式では暗号化するデータと同じ容量(bit数)の暗号鍵が消費されるが、ＡＥＳ暗号化方式では鍵長が予め選択されている。したがって、ＡＥＳ暗号化部／復号部を選択することで、鍵消費量を低減することが可能である。
【００３９】
セレクタ４１０および４２０は、鍵管理部１３０の暗号化方式切替制御部１３１からの制御信号(Enc. Cont.)にしたがってＯＴＰ暗号化部４３０あるいはブロック暗号化部４４０のいずれかを選択する。セレクタ５１０および５２０は、暗号化方式切替制御部１３１からの制御信号(Dec. Cont.)にしたがってＯＴＰ復号部５３０あるいはブロック復号部５４０のいずれかを選択する。
【００４０】
暗号化方式切替制御部１３１は、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量をモニタしながら、鍵蓄積量Ｓが所定の上しきい値Ｓth2を超えたか、あるいは下しきい値Ｓth1に到達したかを判定し、その判定結果に応じて暗号化のための制御信号(Enc. Cont.)あるいは復号のための制御信号(Dec. Cont.)を出力する。以下、暗号化方式の切替制御について詳細に説明する。
【００４１】
１．３）暗号化方式の切替制御（鍵消費量制御）
上述したように、暗号化通信ノード１００および２００は、暗号鍵共有部１１０および暗号鍵共有部２１０を除いて基本的に同じ機能構成を有しているので、以下、暗号化方式の切替制御は暗号化通信ノード１００の構成に基づいて説明する。暗号化通信ノード２００の場合も同様である。
【００４２】
図４において、暗号化通信の要求がない場合には鍵は消費されないので、暗号鍵共有部１１０によって生成され共有された暗号鍵は鍵ファイル１２０に蓄積され続け、その蓄積量は期間８１０のように時間と共に増加していく。ここでは、ＯＴＰ暗号化通信が許容される上しきい値Ｓth2を超えた鍵量が鍵ファイル１２０に蓄積されているものとする。
【００４３】
この状態で暗号化通信の要求が発生すると、鍵管理部１３０の暗号化方式切替制御部１３１は、鍵ファイル１２０に蓄積された鍵量ＳがＯＴＰ暗号化通信に必要な量であることを確認すると、暗号化／復号部１４０の暗号化部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）を出力し、セレクタ４１０および４２０によりＯＴＰ暗号化部４３０を選択し、セレクタ５１０および５２０によりＯＴＰ復号部５３０を選択する。これによって、送信メッセージはＯＴＰ暗号化部４３０によりＯＴＰ暗号化され送信される。受信した暗号化メッセージはＯＴＰ復号部５３０により復号される。
【００４４】
ＯＴＰ暗号化／復号の際、ＯＴＰ暗号によって消費される鍵消費速度ＶＣが鍵生成速度ＶＧより小さければ、図４の期間８２０のように、鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は徐々に増加していく。
【００４５】
これに対して、ＯＴＰ暗号によって消費される鍵消費速度ＶＣが鍵生成速度ＶＧより大きければ、図４の期間８３０のように、鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は減少していく。暗号化方式切替制御部１３１は、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量をモニタし、蓄積量が下しきい値Ｓth1となった時点Ｔ０で暗号化方式をＯＴＰからＡＥＳに切り替えるように暗号化／復号部１４０の暗号部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）を出力する。これによって、時点Ｔth1で、セレクタ４１０および４２０によりＡＥＳ暗号化部４４０が選択され、セレクタ５１０および５２０によりＡＥＳ復号部５４０が選択され、送信メッセージはＡＥＳ暗号化部４４０により暗号化されて送信される。受信した暗号化メッセージは、送信側でＡＥＳ暗号化されているので、ＡＥＳ復号部５４０により復号される。時点Ｔ０から時点Ｔth1までのタイムラグは、鍵量をモニタしてから切り替わるまでの回路遅延であり、時点Ｔth1で暗号化方式が切り替わっている。
【００４６】
ＡＥＳ暗号鍵は定期的に更新されるが、その消費速度ＶＣは鍵生成速度ＶＧに比べてかなり小さい。したがって暗号化方式がＡＥＳへ切り替わると、図４の期間８４０のように、鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は急速に増加する。
【００４７】
鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量Ｓが上しきい値Ｓth2を超えると、暗号化方式切替制御部１３１は、暗号化方式をＡＥＳからＯＴＰへ戻すように暗号化／復号部１４０の暗号部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）を出力する。これによって、セレクタ４１０および４２０によりＯＴＰ暗号化部４３０が選択され、セレクタ５１０および５２０によりＯＴＰ復号部５３０が選択される。送信メッセージはＯＴＰ暗号化部４３０によりＯＴＰ暗号化され送信される。受信した暗号化メッセージはＯＴＰ復号部５３０により復号される。鍵量をモニタしてから暗号化方式が切り替わるまでの回路遅延により、実際に暗号化方式が切り替わるのは図４における時点Ｔth2である。
【００４８】
暗号化方式をＡＥＳからＯＴＰへ切り替わると上述した期間８３０と同様の動作となる。すなわち、図４の期間８５０に示すように、鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は減少し、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1となった時点で暗号化方式をＯＴＰからＡＥＳに切り替えるように暗号化／復号部１４０の暗号部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）を出力する。これによって、時点Ｔth3で、セレクタ４１０および４２０によりＡＥＳ暗号化部４４０が選択され、セレクタ５１０および５２０によりＡＥＳ復号部５４０が選択され、送信メッセージはＡＥＳ暗号化部４４０により暗号化されて送信される。受信した暗号化メッセージは、送信側でＡＥＳ暗号化されているので、ＡＥＳ復号部５４０により復号される。
【００４９】
図４の期間８６０に示すように暗号化方式をＡＥＳに切り替えた後でも、暗号化データ量が多く鍵蓄積速度が十分でない場合には、図４の時点Ｔth4でＡＥＳ鍵の更新頻度を下げることにより、あるいはＡＥＳ鍵長を短くする（例えば２５６ビットから１２８ビットへ変更する）ことによって鍵蓄積速度を上げることができる（期間８７０）。
【００５０】
１．４）効果
上述したように、本実施例によれば、鍵蓄積量が所定のレベルまで低下すると、暗号化方式をより鍵消費量の小さい方式に変更することで、鍵蓄積量を回復させることができ、暗号鍵の生成速度が消費速度を下回る場合でも暗号化通信を途絶えさせることなく継続させることが可能となる。
【００５１】
２．第２実施形態
図５に示すように、本発明の第２実施形態による通信装置は、鍵共有部１０、鍵蓄積部１１、暗号化通信部１２、鍵消費量制御部１４および鍵消費量推定部１５を有する。このうち、鍵蓄積部１１および暗号化通信部１２については第１実施形態と同様であるから、同じ参照番号を付して説明は省略する。以下、鍵消費量制御部１４および鍵消費量推定部１５について詳細に説明する。
【００５２】
本実施形態によれば、鍵消費量推定部１５が送信メッセージから当該送信メッセージを暗号化する際の暗号鍵の消費速度を推定し、その推定消費速度を鍵消費量制御部１４へ出力する。
【００５３】
鍵消費量制御部１４は、この推定消費速度を考慮して、鍵蓄積部１１の鍵蓄積量Ｓと所定の下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2とを比較することで、鍵消費量変更指令を暗号化通信部１２へ出力する。推定消費速度を考慮することで、鍵蓄積量Ｓが所定の下しきい値Ｓth1に達する前に予測することができ、図４に示す時点Ｔ０から時点Ｔth1までの遅延により鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1を僅かに下回る事態を有効に回避することができる。なお、鍵消費量制御部１４は、コンピュータプログラムをプログラム制御プロセッサ上で実行することにより同等の機能を実現することも可能である。
【００５４】
２．１）第２実施例
本発明の第２実施例による秘匿通信システムの全体的な構成は、図２と同様であるから説明は省略し、図６に示すように、本実施例における鍵管理部１３０の暗号化方式切替制御部１３２と暗号化／復号部１４０の暗号化部４０１について説明する。その他の構成および動作は第１実施例と同様であるから、同一参照番号を付して説明は省略する。
【００５５】
図６において、暗号化部４０１のセレクタ４１０の前段に、図５の鍵消費量推定部１５に対応するデータ量モニタ４５０が設けられ、送信メッセージのデータ量をモニタし、モニタされた送信データ量Mon.を暗号化方式切替制御部１３２へ出力する。
【００５６】
暗号化方式切替制御部１３２は、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量Ｓと所定の下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2とを比較するが、その際、データ量モニタ４５０からの送信データ量に基づいて消費されるであろう鍵量を推定し、現在の鍵蓄積量Ｓから推定消費鍵量を減少させてから下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2と比較を行う。したがって、実際の鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1に達する前に、暗号化方式の切替タイミングを予想することができ、鍵量モニタしてから暗号化方式が切り替わるまでの遅延を回避することができる。
【００５７】
２．２）効果
このようにデータ量モニタ４５０からの送信データ量に基づいて消費鍵量を推定して暗号化方式の切替タイミングを予想することで、図７に示すように、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量Ｓが下しきい値Ｓth1あるいは上しきい値Ｓth2に到達した時点Ｔth11、Ｔth21で暗号化方式を即座に切り替えることができる。
【００５８】
３．第３実施形態
図８に示すように、本発明の第３実施形態による通信装置は、鍵共有部１０、鍵蓄積部１１、暗号化通信部１２および鍵消費量制御部１６を有する。このうち、鍵蓄積部１１および暗号化通信部１２については第１実施形態と同様であるから、同じ参照番号を付して説明は省略する。以下、鍵共有部１０および鍵消費量制御部１６について詳細に説明する。
【００５９】
鍵共有部１０は、送信側の暗号鍵共有部（ＱＫＤ Ａｌｉｃｅ）１１０あるいは受信側の暗号鍵共有部（ＱＫＤ Ｂｏｂ）２１０に対応し、その動作状態あるいはパフォーマンスを監視する機能を有するものであればよい。たとえば、暗号鍵共有部１１０、１２０がハードウェア故障によって鍵生成・共有ができなくなった場合や光ファイバ３００が断となった場合などを検出すると、その旨の状態モニタ信号を鍵消費量制御部１６へ出力する。
【００６０】
鍵消費量制御部１６は、状態モニタ信号により暗号鍵の生成／共有処理ができなくなったことを知ると、暗号化通信部１２の鍵消費量を低減あるいはゼロになるように制御する。たとえば、鍵消費量が最も小さくなるように暗号化方式を切り替え、さらに暗号化鍵を更新することなく固定する。これにより、鍵消費量をゼロにすることができる。なお、鍵消費量制御部１６は、コンピュータプログラムをプログラム制御プロセッサ上で実行することにより同等の機能を実現することも可能である。
【００６１】
３．１）第３実施例
本発明の第３実施例による秘匿通信システムの全体的な構成は、図２と同様であり、暗号化／復号部１４０も図３と同様であるから同一参照番号を付して説明は省略する。
【００６２】
図９に示すように、本実施例における鍵管理部１３０の暗号化方式切替制御部１３３は、鍵ファイル１２０の鍵蓄積量Ｓ、所定の下しきい値Ｓth1および上しきい値Ｓth2を入力して第１実施例と同様に切替制御を行うが、これに加えて、暗号鍵共有部１１０（１２０）の状態モニタ信号を入力する。暗号化方式切替制御部１３３は状態モニタ信号により暗号鍵の生成／共有処理ができなくなったことを知ると、暗号化／復号部１４０の暗号化方式をここではＯＴＰからＡＥＳへ切り替えるか、あるいはＡＥＳ暗号化部４４０およびＡＥＳ復号部５４０の暗号鍵を更新せずに固定する。これにより障害発生時の鍵消費量を少なくする、あるいはゼロにすることができ、暗号化通信を継続することが可能となる。
【００６３】
図１０に示すように、たとえば期間８３０でＯＴＰ暗号化通信を実行中の時点Ｔ10で、ＱＫＤパフォーマンスの劣化が発生し、あるいは暗号鍵生成／共有処理が停止して、当初の鍵生成速度を維持できなくなったとする。この事態を状態モニタ信号により知ると、暗号化方式切替制御部１３３は暗号化／復号部１４０の暗号化方式をＯＴＰからＡＥＳへ切り替えると共に、暗号鍵を更新せずに固定する。これにより、期間８４２に示すように、鍵ファイル１２０（２２０）に蓄積されている鍵の消費量はゼロになり、蓄積されている鍵を使用し続けることができる。あるいは、ＡＥＳの鍵更新だけを実行して鍵消費量を低減させることにより、蓄積している鍵をある期間使用し続けることも可能である。
【００６４】
そのうちに時点Ｔ20でＱＫＤが復旧して当初の鍵生成速度に戻ると、暗号化方式切替制御部１３３はＡＥＳ暗号鍵を定期的に更新させるが、上述したように消費速度ＶＣは鍵生成速度ＶＧに比べてかなり小さいので、ＱＫＤ復旧後は鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量は急速に増加する（期間８４３）。
【００６５】
鍵ファイル１２０に蓄積される鍵量Ｓが上しきい値Ｓth2を超えると、暗号化方式切替制御部１３３は、暗号化方式をＡＥＳからＯＴＰへ戻すように暗号化／復号部１４０の暗号部４００へ制御信号（Enc. Cont.）を、復号部５００へ制御信号（Dec. Cont.）をそれぞれ出力し（時点Ｔ30）、以下、図４に示す第１実施例と同様に制御される。
【００６６】
３．２）効果
このように、暗号鍵共有部の障害などによって暗号鍵の生成ができなくなると、鍵消費量が最も小さくなるように、あるいはゼロになるように暗号化方式を切り替える。これによって、図１０の期間８４２に示すように、鍵ファイル１２０に蓄積されている鍵を用いて暗号化通信を継続させることができる。
【００６７】
４．第４実施例
上述した実施例では、暗号化通信ノード１００および２００がそれぞれ暗号鍵の蓄積状況をみて自律的に暗号化方式を切り替えるが、実際にどこから暗号化方式が変更されたかは相手側へ通知しなければ正確にはわからない。そこで、本発明の第４実施例による秘匿通信システムでは、相手側へ暗号化方式の切替を通知する。
【００６８】
図１１に示すように、暗号化方式を暗号化部４００で切り替えた際に、切り替えたことを知らせるメッセージを対向側に送信する。暗号化方式を切り替えたことが解読されないように、送信側の暗号化部４００は切替メッセージをＯＴＰ暗号化して送信する。受信側の復号部５００が切替メッセージを識別できるように、切替メッセージの先頭部分に同期用のパターンを挿入してもよい。
【００６９】
このようにして暗号化と復号の方式切替のタイミングを送信側および受信側で正確に合わせることができ、暗号化方式の切替によるデータロスをなくすことができる。
【００７０】
５．ＱＫＤ適用例
図１２は送信側の暗号鍵共有部１１０の一例であり、図１３は受信側の暗号鍵共有部２１０の一例である。この適用例はPlug & Play方式のＱＫＤシステムによって実現されている。特に、図１２に示す暗号鍵共有部１１０は交互シフト位相変調型Plug & Play方式によるものである。
【００７１】
図１２において、送信側量子ユニット３０は、偏光ビ−ムスプリッタ（ＰＢＳ）３１、位相変調部３２、乱数発生部３３、同期部３４および光多重分離部３５を有し、光ファイバ伝送路３００に接続されている。位相変調器３２および偏光ビームスプッタ（ＰＢＳ）３１はＰＢＳループを構成する。ＰＢＳループはファラデーミラーと同様の機能を有し、入射光の偏光状態が９０度回転して送出される（非特許文献４を参照）。
【００７２】
位相変調器３２は、ここでは乱数発生部３３から供給される２つの乱数ＲＮＤ０、ＲＮＤ１の４通りの組み合わせにそれぞれ対応する４通りの位相変調の深さ（０、π／２、π、３π／２）を有し、光パルスが位相変調器３２を通過するタイミングで位相変調を行う。乱数発生部３３は、同期部３４から供給されるクロック信号に従って乱数ＲＮＤ０、ＲＮＤ１を発生して、位相変調器３２へ供給すると共に鍵生成部５１で保持される。同期部３４は受信側の同期部４４との間でクロック信号をやりとりすることで同期を取る。
【００７３】
図１３において、受信側量子ユニット４０は、偏光ビ−ムスプリッタ（ＰＢＳ）４１、位相変調部４２、乱数発生部４３、同期部４４光多重分離部４５、光カプラ４６、光サーキュレータ４７、光子検出器４８、およびパルス光源４９を有し、光ファイバ伝送路３００に接続されている。
【００７４】
送信側の暗号鍵共有部１１０と受信側の暗号鍵共有部２１０との間で、暗号鍵を生成し共有する過程は、非特許文献１、２および４に記載されているが、ＱＫＤプロトコルとしてはＢＢ８４に限定されるものではなく、Ｂ９２、Ｅ９１などでも適用可能である。
【００７５】
こうして送信側量子ユニット３０からの単一光子伝送を受けて受信側量子ユニット４０の光子検出器４８により得られた検出データは鍵生成部５２に保持され、送信側の鍵生成部５１との間で鍵蒸留処理が行われ、送信側および受信側でそれぞれ暗号鍵が共有され、鍵ファイル１２０、２２０に保存される。
【００７６】
上述した第３実施例における暗号鍵共有部の障害は、たとえば同期部３４、４４における同期外れや同期不能状態、乱数発生器３３、４３の故障、光子検出器４８の検出レート異常や鍵生成部５１、５２での誤り率上昇などにより検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、量子暗号鍵配布技術に代表される共通暗号鍵配布技術を用いた暗号化通信に利用可能である。
【符号の説明】
【００７８】
10 鍵共有部
11 鍵ファイル
12 暗号化通信部
13, 14, 16 鍵消費量制御部
15 鍵消費量推定部
100、200 暗号化通信ノード
110、210 暗号鍵共有部
120、220 鍵ファイル
130、230 鍵管理部
140、240 暗号化／復号部
300 光ファイバ
400、401 暗号化部
500 復号部
410、420、510、520 セレクタ
430 ＯＴＰ暗号化部
440 ＡＥＳ暗号化部
450 データ量モニタ
530 ＯＴＰ復号部
540 ＡＥＳ復号部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置であって、
対向する通信装置との間で生成された暗号鍵を共有する鍵共有手段と、
共有された暗号鍵を蓄積する鍵蓄積手段と、
前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行う暗号化通信手段と、
前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する鍵消費量制御手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
【請求項２】
前記鍵消費量制御手段は、鍵蓄積量の上しきい値と下しきい値とを予め設定しておき、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記下しきい値まで低下すると、前記鍵消費量を前記鍵蓄積量以下になるように変更し、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記上しきい値を超えた場合には前記鍵消費量を増大させることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項３】
前記鍵消費量制御手段は、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新速度を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
【請求項４】
前記鍵消費量制御手段は、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵長を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の通信装置。
【請求項５】
前記鍵消費量制御手段は、前記暗号化通信手段に予め設けられた複数の異なる暗号化方式を選択することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の通信装置。
【請求項６】
前記複数の異なる暗号化方式は、ワンタイムパッド(One-time pad)暗号化方式、ブロック暗号化方式および／またはストリーム暗号化方式を含むことを特徴とする請求項５に記載の通信装置。
【請求項７】
前記暗号化通信手段は少なくともワンタイムパッド暗号化方式を有し、前記鍵消費量制御手段により暗号化方式が変更されると、変更メッセージをワンタイムパッド暗号化して前記対向する通信装置へ送信することを特徴とする請求項５または６に記載の通信装置。
【請求項８】
前記鍵消費量制御手段は、前記鍵共有手段における暗号鍵の生成が停止すると、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新を停止することを特徴とする請求項１−７のいずれか１項に記載の通信装置。
【請求項９】
前記鍵共有手段は、前記対向する通信装置との間で量子暗号鍵配布により暗号鍵を生成し共有することを特徴とする請求項１−８のいずれか１項に記載の通信装置。
【請求項１０】
暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信制御方法であって、
対向する通信装置との間で生成され共有された暗号鍵を鍵蓄積手段に蓄積し、
暗号化通信手段が前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行い、
前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する、
を有することを特徴とする通信制御方法。
【請求項１１】
鍵蓄積量の上しきい値と下しきい値とを予め設定しておき、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記下しきい値まで低下すると、前記鍵消費量を前記鍵蓄積量以下になるように変更し、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記上しきい値を超えた場合には前記鍵消費量を増大させることを特徴とする請求項１０に記載の通信制御方法。
【請求項１２】
前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新速度を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１０または１１に記載の通信制御方法。
【請求項１３】
前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵長を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１０−１２のいずれか１項に記載の通信制御方法。
【請求項１４】
前記暗号化通信手段に予め設けられた複数の異なる暗号化方式を選択することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１０−１３のいずれか１項に記載の通信制御方法。
【請求項１５】
前記複数の異なる暗号化方式は、ワンタイムパッド(One-time pad)暗号化方式、ブロック暗号化方式および／またはストリーム暗号化方式を含むことを特徴とする請求項１４に記載の通信制御方法。
【請求項１６】
前記暗号化通信手段は少なくともワンタイムパッド暗号化方式を有し、暗号化方式が変更されると、変更メッセージをワンタイムパッド暗号化して前記対向する通信装置へ送信することを特徴とする請求項１４または１５に記載の通信制御方法。
【請求項１７】
暗号鍵の生成が停止すると、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新を停止することを特徴とする請求項１０−１６のいずれか１項に記載の通信制御方法。
【請求項１８】
前記対向する通信装置との間で量子暗号鍵配布により暗号鍵を生成し共有することを特徴とする請求項１０−１７のいずれか１項に記載の通信制御方法。
【請求項１９】
暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置のプログラム制御プロセッサを通信制御装置として機能させるプログラムであって、
対向する通信装置との間で生成され共有された暗号鍵を鍵蓄積手段に蓄積する機能と、
暗号化通信手段が前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行う機能と、
前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する機能と、
を前記プログラム制御プロセッサに実現させることを特徴とするプログラム。
【請求項２０】
鍵蓄積量の上しきい値と下しきい値とを予め設定しておき、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記下しきい値まで低下すると、前記鍵消費量を前記鍵蓄積量以下になるように変更し、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記上しきい値を超えた場合には前記鍵消費量を増大させることを特徴とする請求項１９に記載のプログラム。
【請求項２１】
前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新速度を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１９または２０に記載のプログラム。
【請求項２２】
前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵長を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１９−２１のいずれか１項に記載のプログラム。
【請求項２３】
前記暗号化通信手段に予め設けられた複数の異なる暗号化方式を選択することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１９−２２のいずれか１項に記載のプログラム。
【請求項２４】
請求項１−９のいずれか１項に記載の通信装置を暗号化通信ノードとして含む秘匿通信システム。
【請求項１】
暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置であって、
対向する通信装置との間で生成された暗号鍵を共有する鍵共有手段と、
共有された暗号鍵を蓄積する鍵蓄積手段と、
前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行う暗号化通信手段と、
前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する鍵消費量制御手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
【請求項２】
前記鍵消費量制御手段は、鍵蓄積量の上しきい値と下しきい値とを予め設定しておき、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記下しきい値まで低下すると、前記鍵消費量を前記鍵蓄積量以下になるように変更し、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記上しきい値を超えた場合には前記鍵消費量を増大させることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項３】
前記鍵消費量制御手段は、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新速度を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
【請求項４】
前記鍵消費量制御手段は、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵長を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の通信装置。
【請求項５】
前記鍵消費量制御手段は、前記暗号化通信手段に予め設けられた複数の異なる暗号化方式を選択することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の通信装置。
【請求項６】
前記複数の異なる暗号化方式は、ワンタイムパッド(One-time pad)暗号化方式、ブロック暗号化方式および／またはストリーム暗号化方式を含むことを特徴とする請求項５に記載の通信装置。
【請求項７】
前記暗号化通信手段は少なくともワンタイムパッド暗号化方式を有し、前記鍵消費量制御手段により暗号化方式が変更されると、変更メッセージをワンタイムパッド暗号化して前記対向する通信装置へ送信することを特徴とする請求項５または６に記載の通信装置。
【請求項８】
前記鍵消費量制御手段は、前記鍵共有手段における暗号鍵の生成が停止すると、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新を停止することを特徴とする請求項１−７のいずれか１項に記載の通信装置。
【請求項９】
前記鍵共有手段は、前記対向する通信装置との間で量子暗号鍵配布により暗号鍵を生成し共有することを特徴とする請求項１−８のいずれか１項に記載の通信装置。
【請求項１０】
暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信制御方法であって、
対向する通信装置との間で生成され共有された暗号鍵を鍵蓄積手段に蓄積し、
暗号化通信手段が前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行い、
前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する、
を有することを特徴とする通信制御方法。
【請求項１１】
鍵蓄積量の上しきい値と下しきい値とを予め設定しておき、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記下しきい値まで低下すると、前記鍵消費量を前記鍵蓄積量以下になるように変更し、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記上しきい値を超えた場合には前記鍵消費量を増大させることを特徴とする請求項１０に記載の通信制御方法。
【請求項１２】
前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新速度を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１０または１１に記載の通信制御方法。
【請求項１３】
前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵長を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１０−１２のいずれか１項に記載の通信制御方法。
【請求項１４】
前記暗号化通信手段に予め設けられた複数の異なる暗号化方式を選択することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１０−１３のいずれか１項に記載の通信制御方法。
【請求項１５】
前記複数の異なる暗号化方式は、ワンタイムパッド(One-time pad)暗号化方式、ブロック暗号化方式および／またはストリーム暗号化方式を含むことを特徴とする請求項１４に記載の通信制御方法。
【請求項１６】
前記暗号化通信手段は少なくともワンタイムパッド暗号化方式を有し、暗号化方式が変更されると、変更メッセージをワンタイムパッド暗号化して前記対向する通信装置へ送信することを特徴とする請求項１４または１５に記載の通信制御方法。
【請求項１７】
暗号鍵の生成が停止すると、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新を停止することを特徴とする請求項１０−１６のいずれか１項に記載の通信制御方法。
【請求項１８】
前記対向する通信装置との間で量子暗号鍵配布により暗号鍵を生成し共有することを特徴とする請求項１０−１７のいずれか１項に記載の通信制御方法。
【請求項１９】
暗号鍵を用いて暗号化通信を行う秘匿通信システムにおける通信装置のプログラム制御プロセッサを通信制御装置として機能させるプログラムであって、
対向する通信装置との間で生成され共有された暗号鍵を鍵蓄積手段に蓄積する機能と、
暗号化通信手段が前記蓄積された暗号鍵を用いて前記対向する通信装置との間で暗号化通信を行う機能と、
前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量に応じて、前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵消費量を制御する機能と、
を前記プログラム制御プロセッサに実現させることを特徴とするプログラム。
【請求項２０】
鍵蓄積量の上しきい値と下しきい値とを予め設定しておき、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記下しきい値まで低下すると、前記鍵消費量を前記鍵蓄積量以下になるように変更し、前記鍵蓄積手段の鍵蓄積量が前記上しきい値を超えた場合には前記鍵消費量を増大させることを特徴とする請求項１９に記載のプログラム。
【請求項２１】
前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の更新速度を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１９または２０に記載のプログラム。
【請求項２２】
前記暗号化通信手段が消費する暗号鍵の鍵長を変更することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１９−２１のいずれか１項に記載のプログラム。
【請求項２３】
前記暗号化通信手段に予め設けられた複数の異なる暗号化方式を選択することによって前記鍵消費量を制御することを特徴とする請求項１９−２２のいずれか１項に記載のプログラム。
【請求項２４】
請求項１−９のいずれか１項に記載の通信装置を暗号化通信ノードとして含む秘匿通信システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−４４７６８（Ｐ２０１１−４４７６８Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８９８０６（Ｐ２００９−１８９８０６）
【出願日】平成２１年８月１９日（２００９．８．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度、独立行政法人情報通信研究機構「量子暗号の実用化のための研究開発（課題イ 量子暗号ネットワーク技術の研究開発）」は産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１９日（２００９．８．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度、独立行政法人情報通信研究機構「量子暗号の実用化のための研究開発（課題イ 量子暗号ネットワーク技術の研究開発）」は産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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