JP2007116659A - 暗号化方法，暗号復号化方法，暗号化装置，暗号復号化装置，送受信システムおよび通信システム - Google Patents

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Abstract

【課題】量子揺らぎの代わりに古典物理乱数を用いて実施する古典Ｙ−００方式を電気通信で利用可能かつ記録媒体にデータ保存可能にする暗号化技術を提供する。
【解決手段】入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調ステップと、前記第１の変調ステップの出力を物理乱数により他の信号に不規則に対応させて出力する第２の変調ステップと、前記第２の変調ステップの出力を所望の符号語に通信路符号化し、暗号化データとして出力する通信路符号化ステップとを含み、該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号である。
【選択図】図１

Description

本発明は、情報を暗号化して送受信するシステムにおいて用いられる暗号化／暗号復号化技術に関し、特に、Yuen量子暗号方式を量子揺らぎの代わりに古典の物理乱数を用いることにより従来の数理的な暗号よりはるかに強い暗号強度を持ち、多様なメデイアに応用可能な古典Yuen暗号を実現する技術に関するものである。
現代のネットワークでは、暗号化手法として、共通鍵暗号などの数理的暗号が用いられている。代表例としてストリーム暗号（古典暗号）がある。図１７はストリーム暗号を適用された一般的な送受信システムの構成を示すブロック図であり、この図１７に示す送受信システム１００は、平文の暗号化を行なう正規送信者側の暗号化装置１１０と、この暗号化装置１１０からネットワーク等を介して送信されてきた暗号文を暗号復号化する正規受信者側の暗号復号化装置１２０とをそなえて構成されている。
ここで、暗号化装置１１０は、擬似乱数発生器１１１および変調部（排他的論理和演算器）１１２をそなえて構成されている。擬似乱数発生器１１１は、予め設定された暗号鍵Ｋに基づいて擬似乱数ｒiを生成して出力するものであり、例えば暗号鍵Ｋが１００ビットの２進数であれば、擬似乱数ｒiとしては、（２100−１）ビットの２進数、つまり（２100−１）ビット周期の擬似乱数が生成される。変調部１１２は、暗号化すべき平文ｘiと擬似乱数発生器１１１によって生成された擬似乱数ｒiとの排他的論理和（ＸＯＲ:eXclusive ＯＲ）を算出し暗号文ｃiとして出力するものである。つまり、平文ｘiは、擬似乱数ｒiに基づき変調部１１２によって暗号化され、暗号文ｃiとして出力される。
また、暗号復号化装置１２０は、擬似乱数発生器１２１および復調部（排他的論理和演算器）１２２をそなえて構成されている。擬似乱数発生器１２１は、暗号化装置１１０の擬似乱数発生器１１１と同じ暗号鍵Ｋに基づいて、この擬似乱数発生器１１１と同期して擬似乱数ｒiを生成して出力するものである。復調部１２２は、暗号化装置１１０から送信されてきた暗号文ｃiと擬似乱数発生器１１１によって生成された擬似乱数ｒiとの排他的論理和（ＸＯＲ）を算出し平文ｘiとして出力するものである。つまり、暗号文ｃiは、暗号化装置１１０側の擬似乱数ｒiと同期する擬似乱数ｒi（暗号化装置１１０側で擬似乱数ｒiを生成するために用いられた暗号鍵Ｋと同一の暗号鍵に基づいて生成された擬似乱数）に基づき、復調部１２２によって暗号復号化され、平文ｘiとして出力される。
このようなストリーム暗号を適用された送受信システム１００において、暗号文ｃiは、既知平文攻撃と呼ばれる攻撃手法によって解読される可能性がある。既知平文攻撃は、盗聴者が、暗号文ｃiを盗聴するだけでなく、その暗号文ｃiを暗号化する前の平文ｘiも入手し、これらの暗号文ｃiと平文ｘiとをつき合わせることにより擬似乱数を得て、その擬似乱数により、平文を入手した部分以外の暗号文を解読する攻撃手法である。
擬似乱数発生器１１１は、暗号鍵Ｋに基づいて擬似的に乱数に見える数列を算出して出力しているため、擬似乱数発生器１１１から出力された擬似乱数列が暗号鍵Ｋの桁数以上の長さ入手されてしまうと、その擬似乱数列から暗号鍵Ｋは逆算され、擬似乱数が全て再現されることになる。例えば、暗号文１００ビットとその暗号文に対応する平文１００ビットとが入手されると、暗号鍵１００ビットが逆算され、他の暗号文についても解読されてしまう。
そこで、近年、上述のような既知平文攻撃も含め、いかなる攻撃手法によっても解読不可能（無条件安全）であると言われる量子暗号の技術が提案されている。例えば、下記非特許文献１，２においては、Yuen暗号（Ｙ−００方式量子暗号）あるいは量子ストリーム暗号と呼ばれる技術が提案されている。このＹ−００方式量子暗号は、量子力学的な非直交状態にある多数の量子状態を多値信号として用いた量子暗号通信である。
以下、量子状態としてコヒーレント状態にある光の位相を用いて多値位相変調方式によりＹ−００方式量子暗号を実現する場合について、図１８を参照しながら説明する。
隣接する位相角に配置されたコヒーレント光には、１ビットの平文「０」と１ビットの平文「１」とが交互に割り当てられている。図１８に示す例では、位相角φi-1，φi，φi+1，φi+2，…に配置されたコヒーレント光に、それぞれ平文「０」，「１」，「０」，「１」，…が割り当てられている。
光強度が光子数による表示で１万個程度の場合は２００値程度の多値位相変調を行なうことにより、位相角の近接するコヒーレント光どうしを量子揺らぎ（コヒーレントノイズ）によって判別できないように、位相多値信号の配置間隔が設計されている。図１８に示す例では、位相角φiのコヒーレント光について多値位相変調を行なうことにより、隣接する位相角φi-1，φi+1にそれぞれ配置された２つのコヒーレント光が量子揺らぎの中に入るように、位相多値信号の配置間隔が設計されている。
一方、互いに１８０度位相角の異なるコヒーレント光には、反転ビットとなる平文が割り当てられている。例えば、位相角０度のコヒーレント光に１ビットの平文「０」が割り当てられている場合、位相角１８０度のコヒーレント光には１ビットの平文「１」が割り当てられている。これら互いに１８０度位相角の異なるコヒーレント光を一組とし、どの組を用いて平文１ビットを表現するかは、送信側と受信側とで同期の取れている擬似乱数を用いて決定し、平文１ビットの通信ごとに切り替える。
図１８に示す例では、上述した通り位相角φi-1，φi，φi+1，φi+2，…のコヒーレント光にそれぞれ平文「０」，「１」，「０」，「１」，…が割り当てられ、１８０度位相角の異なるコヒーレント光、つまり位相角φi-1+180°，φi+180°，φi+1+180°，φi+2+180°，…のコヒーレント光にそれぞれ平文「１」，「０」，「１」，「０」，…が割り当てられている。このとき、異なる位相角のコヒーレント光がＮ（Ｎは偶数）個設定されている場合、互いに１８０度位相角の異なるコヒーレント光の組はＮ／２組設定されていることになり、擬似乱数として、例えば０〜(Ｎ／２−１)の、Ｎ／２個の整数値の中の値を生成する。そして、例えば１ビットの平文「１」を送信する際に擬似乱数として“ｉ”が生成されると、位相角φi，φi+180°のコヒーレント光の組が選択され、位相角φiのコヒーレント光とこれに隣接する位相角φi-1，φi+1のコヒーレント光とが量子揺らぎの中に入るように位相角φiのコヒーレント光の多値位相変調が行なわれ、多値位相変調後の光信号が送信されることになる。
受信側では、送信側と同期した擬似乱数を用い、どの組のコヒーレント光が用いられたのかが分かるため、１８０度位相角の異なる二つの状態を判別して、平文が「１」なのか「０」なのかを判定することができる。
このとき、量子揺らぎは、小さいため、位相角の近い（判別距離の小さい）コヒーレント光の判別を妨げることになるが、１８０度位相角の離れた（判別距離の大きい）二つのコヒーレント光のどちらを受信したかを判別する場合の妨げにはならない。しかし、盗聴者は正規の送受信者が用いている擬似乱数を知らないため、どの組のコヒーレント光を用いて通信が行われているのかを知ることができない。
このため、盗聴した暗号文を暗号復号化するには送信者が送ったコヒーレント光の位相を正確に知って多値位相変調された光信号を復調する必要があるが、伝送路を流れるコヒーレント光を盗聴しても量子揺らぎの中に埋もれてしまい、盗聴者は、平文の状態（「１」または「０」）を示すコヒーレント光と、このコヒーレント光の位相角に近いコヒーレント光とを区別することができず、復調することができない。
例えば、受信側において、上述のごとく位相角φiのコヒーレント光とこれに隣接する
位相角φi-1，φi+1のコヒーレント光とが量子揺らぎの中に入るように多値位相変調を施された光信号を受信すると、盗聴者は、位相角φi-1，φi，φi+1のコヒーレント光（判別距離の小さいコヒーレント光）の判別を行なわなければならず、解読困難である。これに対し、正規の受信者は、送信側と同期した擬似乱数に基づいて、位相角φi，φi+180°のコヒーレント光の組が用いられていることを判別できるため、あとは１８０度位相角の異なる二つの状態を判別し、平文が「１」であると復調でき、暗号復号化することができる。
このように、Ｙ−００方式量子暗号によれば、量子揺らぎによって情報を判別できない工夫がなされているため、量子揺らぎのない古典暗号に比べ、極めて高い安全性を保証することができるのである。さらに安全性を高める技術として送信される多値信号を不規則に変動させる信号拡散ランダム化（Deliberate Signal Randomization : DSR）理論が開発されている。非特許文献１，３を参照。
一方、上記方式は量子力学的な通信媒体を用いるため、電気信号や電波で使用することができない。しかし安全性は量子系より劣るが、このような暗号を古典の物理系で実施する古典Ｙ−００方式と呼ばれる方法が玉川大学らによって研究されている。
H. P. Yuen, "A New Approach to Quantum Cryptography"， quant-ph/0311061 v6 (2004) O.Hirota, K.Kato, M.Sohma, T.Usuda, K.Harasawa, "Quantum stream cipher based on optical communications", Proc. on Quantum communication and quantum imaging, SPIE, vol-5551, 2004 土本敏之, 泊知枝, 宇佐見庄五, 臼田毅, 内匠逸, "DSRによる混合状態に対する量子最適検出特性"第27回情報理論とその応用シンポジウム,vol-1, pp.359-362, 12月、2004
上述の量子系でのＹ−００方式の実施は量子力学的性質をもつ通信媒体を使用しなければならず、応用範囲が限られる。このため、本出願人は古典物理系で擬似乱数と物理系の雑音とを用いてＹ−００方式を実施する古典Ｙ−００方式を提案している（例えば、特願２００４−２６０５１２号等）。ところがこれまでの古典Ｙ−００方式の実施例はアナログ的DSRを応用するものであり、必然的に出力が多値信号となるため、電気的なメモリや、フレキシブルディスク，ＣＤ（Compact Disc），ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体の暗号技術への応用ができない。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、電気的なメモリや、フレキシブルディスク，ＣＤ（Compact Disc），ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体への応用が可能であり、従来の数理的な暗号よりはるかに強い暗号強度を持つ古典Ｙ−００方式暗号技術を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の暗号化方法は、入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調ステップと、前記第１の変調ステップの出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する離散DSR技術を実施する第２の変調ステップと、その出力を所望の符号語に通信路符号化する通信路符号化ステップとにより暗号化データが作られ、該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうるデータであることを特徴としている。
さらに、離散DSR技術の実施において、前記物理乱数で選定される状態数が、４以上であって前記状態対の組数を超えないように設定され、離散DSR用の前記第２の変調ステップにおいて、該物理乱数を前記第１の変調ステップの出力に対し加減算することにより変調を行ない、前記物理乱数で選定される状態数を所望の暗号強度に応じて決定し、その状態数に応じて前記状態対の数を決定し、その数に応じて前記擬似乱数の状態数を決定することが好ましい。
本発明の暗号復号化方法は、入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調を行ない、さらに前記第１の変調の出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する離散DSR技術を実施する第２の変調の出力を所望の符号語に通信路符号化して得られる暗号化データであって、該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように暗号化された暗号化データを、通信路符号復号化して復号信号にするステップを含み、その復号信号を前記第１の変調に用いられた該擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく擬似乱数により、該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調することを特徴としている。
本発明の暗号化装置は、暗号鍵に基づく擬似乱数を生成する擬似乱数生成部と、入力データを、前記擬似乱数生成部によって生成された擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調部と、物理現象に基づく物理乱数を生成する物理乱数生成部と、前記第１の変調部の出力を、該物理乱数生成部によって生成された物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調部と、前記第２の変調部の出力を所望の符号語に通信路符号化し暗号化データとして出力する通信路符号化部をそなえ、該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように、前記第１の変調部および前記第２の変調部による変調を行なうことを特徴としている。
このような暗号化装置において、前記擬似乱数生成部、前記第１の変調部、前記物理乱数生成部、および前記第２の変調部を、前記暗号鍵および前記擬似乱数の漏洩を抑止するとともに、前記物理乱数生成部によって生成される物理乱数の、物理的擾乱による確率分布変動を抑止する、耐タンパ領域に配置してもよいし、前記擬似乱数生成部を、前記擬似乱数の生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成してもよい。また、前記擬似乱数生成部に前記擬似乱数の生成動作を実行させるクロック信号の入力回数を前記擬似乱数の出力回数として保持し、前記耐タンパ領域外からの命令に応じて前記出力回数を前記耐タンパ領域外へ出力する、不揮発性の擬似乱数出力回数保持部と、前記擬似乱数生成部による擬似乱数生成動作と、前記暗号化データの送信先通信装置における暗号復号化装置の復調用擬似乱数生成部による復調用擬似乱数生成動作とを同期させるために、前記擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記出力回数に基づいて、前記擬似乱数生成部からの前記擬似乱数の出力回数を調整する同期調整部とをそなえてもよい。さらに、前記送信先通信装置と同一の乱数表を保持する、不揮発性の乱数表保持部と、前記擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記擬似乱数の出力回数を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて暗号化し暗号化同期情報として前記送信先通信装置に送信する暗号送信部と、前記送信先通信装置から受信した暗号化同期情報を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて復調用擬似乱数の出力回数に復号化する復号受信部とをそなえ、前記同期調整部は、前記復号受信部によって復号化された、前記送信先通信装置側の前記復調用擬似乱数の出力回数が、前記擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記擬似乱数の出力回数よりも大きい場合、前記擬似乱数生成部からの前記擬似乱数の出力回数を前記送信先通信装置側の前記復調用擬似乱数の出力回数に合わせるように調整してもよい。
本発明の暗号復号化装置は、入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調を行ない、さらに前記第１の変調の出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する離散DSR技術を実施する第２の変調の出力を所望の符号語に通信路符号化して得られる暗号化データであって、該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように暗号化された暗号化データを、暗号復号化するものであって、該暗号化データを通信路符号復号化し、復号信号にする通信路符号復号化部と、前記第１の変調に用いられた該擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく擬似乱数を生成する復調用擬似乱数生成部と、前記擬似乱数生成部によって生成された擬似乱数により、復号信号を該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調する復調部とをそなえて構成されていることを特徴としている。
このような暗号復号化装置において、前記復調用擬似乱数生成部および前記復調部を、前記暗号鍵および前記復調用擬似乱数の漏洩を抑止する耐タンパ領域に配置してもよいし、前記復調用擬似乱数生成部を、前記復調用擬似乱数の生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成してもよい。また、前記復調用擬似乱数生成部に前記復調用擬似乱数の生成動作を実行させるクロック信号の入力回数を前記復調用擬似乱数の出力回数として保持し、前記耐タンパ領域外からの命令に応じて前記出力回数を前記耐タンパ領域外へ出力する、不揮発性の復調用擬似乱数出力回数保持部と、前記復調用擬似乱数生成部による復調用擬似乱数生成動作と、前記暗号化データの送信元通信装置における暗号化装置の擬似乱数生成部による擬似乱数生成動作とを同期させるために、前記復調用擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記出力回数に基づいて、前記復調用擬似乱数生成部からの前記復調用擬似乱数の出力回数を調整する同期調整部とをそなえてもよい。さらに、前記送信元通信装置と同一の乱数表を保持する、不揮発性の乱数表保持部と、前記復調用擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記復調用擬似乱数の出力回数を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて暗号化し暗号化同期情報として前記送信元通信装置に送信する暗号送信部と、前記送信元通信装置から受信した暗号化同期情報を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて擬似乱数の出力回数に復号化する復号受信部とをそなえ、前記同期調整部は、前記復号受信部によって復号化された、前記送信元通信装置側の前記擬似乱数の出力回数が、前記復調用擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記復調用擬似乱数の出力回数よりも大きい場合、前記復調用擬似乱数生成部からの前記復調用擬似乱数の出力回数を前記送信元通信装置側の前記擬似乱数の出力回数に合わせるように調整してもよい。
本発明の送受信システムは、相互に通信可能に接続された第１送受信装置および第２送受信装置をそなえ、前記第１送受信装置が、前記第２送受信装置へ送信すべき入力データを暗号化する第１暗号化装置と、前記第２送受信装置から受信した暗号化データを暗号復号化する第１暗号復号化装置とをそなえて構成され、前記第２送受信装置が、前記第１送受信装置へ送信すべき入力データを暗号化する第２暗号化装置と、前記第１送受信装置から受信した暗号化データを暗号復号化する第２暗号復号化装置とをそなえて構成され、前記第１暗号化装置および前記第２暗号化装置のそれぞれが、暗号鍵に基づく変調用擬似乱数を生成する変調用擬似乱数生成部と、入力データを、前記変調用擬似乱数生成部によって生成された変調用擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調部と、物理現象に基づく物理乱数を生成する物理乱数生成部と、前記第１の変調部の出力を、該物理乱数生成部によって生成された物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調部と、前記第２の変調部の出力を通信路に適した所望の符号語に通信路符号化し暗号化データとして出力する通信路符号化部とをそなえ、該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように、前記第１の変調部および前記第２の変調部が構成されるとともに、前記第１暗号復号化装置および前記第２暗号復号化装置のそれぞれが、該暗号化データを通信路符号復号化し、復号信号にする通信路符号復号化部と、該変調用擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく復調用擬似乱数を生成する復調用擬似乱数生成部と、前記復調用擬似乱数生成部によって生成された復調用擬似乱数により、復号信号を該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調する復調部とをそなえて構成されていることを特徴としている。
本発明の通信システムは、上述した暗号化装置であって、前記暗号化データの送信元通信装置にそなえられ、前記暗号化データを送信先通信装置に複数のパケットとして送信する暗号化装置と、上述した暗号復号化装置であって、前記暗号化データの送信先通信装置にそなえられ、前記送信元通信装置の前記暗号化装置から受信した各パケットにおける前記暗号化データを前記入力データに暗号復号化する暗号復号化装置とをそなえ、前記暗号化装置から前記暗号復号化装置に送信される各パケットのヘッダ部に、前記複数のパケットについての通し番号、または、各パケットのコンテナ部における前記暗号化データについて前記第１の変調部で用いられた前記擬似乱数の出力回数が記述され、前記暗号復号化装置は、前記暗号化装置からの前記複数のパケットを保持するパケット保持部と、前記パケット保持部に保持された前記複数のパケットを、各パケットのヘッダ部に記述された前記通し番号または前記出力回数に従う順序に並べ替えて前記復調部に入力する並べ替え部とをそなえている、ことを特徴としている。
このような通信システムにおいて、前記暗号化装置から前記暗号復号化装置に送信される各パケットのコンテナ部における前記暗号化データに、前記通し番号または前記出力回数が含まれ、前記暗号復号化装置は、各パケットのヘッダ部に記述された前記通し番号または前記出力回数と、前記復調部による前記暗号化データの復調結果に含まれる前記通し番号または前記出力回数とを比較する第１比較部と、前記第１比較部による比較の結果、これらの通し番号または出力回数が不一致であった場合、当該パケットを破棄するパケット破棄部とをそなえていてもよい。
上述した本発明によれば、擬似乱数による多値変調の出力に対しさらに物理乱数による離散DSR技術を実施する第２の変調を行なうことで、離散的な信号出力が得られることから、所望の通信路符号化を行なうことが可能になり、そのため、従来の数理暗号よりはるかに強い暗号強度を持ち、さらに、電波通信や電気通信において使用可能で且つ電気的なメモリや各種記録媒体にデータ保存可能であり、雑音の影響を受けることがなく、さらには通信速度への影響を最小にすることのできる古典Ｙ−００方式暗号を提供できる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
〔１〕本実施形態の暗号化装置の構成
図１は本発明の一実施形態としての暗号化装置の構成を示すブロック図で、この図１に示すように、本実施形態の暗号化装置１０は、擬似乱数発生器１１，第１の変調部１２，物理乱数発生器１３，第２の変調部１４および通信路符号化部１５をそなえて構成されている。
擬似乱数発生器（擬似乱数生成部，変調用擬似乱数生成部）１１は、予め設定された暗号鍵Ｋに基づいて変調用の擬似乱数ｒiを生成して出力するものである。例えば暗号鍵Ｋが１００ビットの２進数であれば、擬似乱数発生器１１からは（２100−１）ビットの２進数つまり（２100−１）ビット周期の擬似乱数が生成されることになる。この擬似乱数発生器１１からの出力が擬似乱数ｒiとして取り扱われる。本実施形態において、擬似乱数ｒiは、Ｍ／２個の整数値０，１，…，(Ｍ／２−１)を状態として持つものである。つまり、ｒi∈｛０，１，…，(Ｍ／２−１)｝である。なお、Ｍは、偶数（奇数×２）の定数値であり、擬似乱数ｒiの状態数はＭ／２（奇数）である。
第１の変調部１２は、入力データとしての平文ｘiを、擬似乱数発生器１１によって生成された変調用擬似乱数ｒiにより定まる特定の状態対に対応させて変調し、第１の変調出力ｓi’として出力するものである。本実施形態では、第１の変調部１２において平文ｘiの１ビット毎に特定の状態対として選択されうる、Ｍ／２組の状態対（状態「０」と状態「１」との対）が予め設定されている。これらのＭ／２組の状態対は、それぞれ、擬似乱数ｒiの状態０，１，…，(Ｍ／２−１)に対応付けられ、さらに、Ｍ／２組の状態対の全ての状態０，１には、それぞれ異なる多値信号０，１，２，…，(Ｍ−１)が予め対応付けされている。そして、第１の変調部１２は、平文ｘiの１ビット毎に、Ｍ／２組の状態対の中の一つを、特定の状態対として擬似乱数ｒiにより選択して割り当て、割り当てられた特定の状態対における当該１ビットの状態（０または１）に対して設定された信号を、当該１ビットの変調出力ｓi’として出力している。
このように第１の変調部１２によって行なわれる変調は、図１のテーブル１２ａに示すごとく一般化して示すことができる。このテーブル１２ａに示すように、第１の変調部１２は、平文ｘiの状態が「０」のとき擬似乱数ｒiが偶数であれば擬似乱数ｒiをそのまま変調出力ｓi’として出力し、平文ｘiの状態が「０」のとき擬似乱数ｒiが奇数であれば擬似乱数ｒi＋Ｍ／２を変調出力ｓi’として出力し、平文ｘiの状態が「１」のとき擬似乱数ｒiが偶数であれば擬似乱数ｒi＋Ｍ／２を変調出力ｓi’として出力し、平文ｘiの状態が「１」のとき擬似乱数ｒiが奇数であれば擬似乱数ｒiをそのまま変調出力ｓi’として出力する。なお、第１の変調部１２の具体的な動作（第１の変調ステップ）については図４〜図６を参照しながら後述する。
物理乱数発生器（物理乱数生成部）１３は、物理現象に基づく物理乱数ｆiを生成するものである。物理現象としては、本質的にランダムな現象、例えば自然界の雑音，宇宙線，熱揺らぎ（熱雑音），放射性同位元素の崩壊などが用いられ、このような物理現象を用いることにより、物理乱数発生器１３は、暗号鍵が不要で再現性や周期性の無い予測不能な乱数列を生成することができる。この物理乱数発生器１３からの出力が物理乱数ｆiとして取り扱われる。本実施形態において、物理乱数ｆiは、４個の整数値−２，−１，１，２を状態として持つものである。つまり、ｆi∈｛−２，−１，１，２｝である。
第２の変調部１４は、第１の変調部１２の出力ｓi’を、物理乱数発生器１３によって生成された物理乱数ｆiにより変調し、第２の変調の出力ｓiとして出力するものである。本実施形態において、第２の変調部１４は、図１に示すように、下記(1)式で表される離散DSRにより、第１の変調の出力ｓi’を物理乱数ｆiにより不規則に他の信号に対応付ける演算を行ない、第２の変調部の出力ｓiとして出力する。
ｓi ＝ （ｓi’ ＋ ｆi ）mod Ｍ (1)
つまり、第１の変調部１２の出力ｓi’に、物理乱数発生器１３によって生成された物理乱数ｆiを加算し、その加算値を定数Ｍで割った時の剰余を求め、その剰余を第２の変調部１４の出力ｓiとしている。なお、第２の変調部１４の具体的な動作（第２の変調ステップ）については図７を参照しながら後述する。
なお、第１の変調部１２および第２の変調部１４による変調は変調出力がＭ値の離散的な多値信号になれば良いため、強度変調、位相変調、ＰＣＭ（Pulse Code Modulation）のようなデジタル変調等、変調方式を問わず利用可能である。変調の入力信号、および変調の出力信号もまた、強度信号、位相信号、デジタル信号、複数の信号線を用いたパラレル信号や時系列データとなるシリアル信号等、離散的な値の表現が可能な信号であれば信号の種類を問わず利用可能である。
通信路符号化部１５は、第２の変調部１４の出力ｓiに通信路に適した所望の通信路符号化を行ない、その出力を暗号文ｃiとして出力するものである。たとえば、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の２状態で情報を表現する通信路に対して第２の変調部の出力ｓiを適合させるために、第２の変調部の出力ｓiを２進数に変換する。さらに通信路のエラーに対する耐性を付加するため誤り訂正符号による符号化を行ない、また、必要に応じて符号の利用効率を上げる処理を行なうなどの一連の符号化処理を行なう。
誤り訂正符号の例としてはハミング符号、リードソロモン符号、ＬＤＰＣ（Low Density Parity Check）符号、ターボ符号などがある。
また、符号の利用効率を上げる処理とは、以下に述べる処理である。
例えばＭ＝１０のとき、平文１ビットに対して第２の変調部１４の出力ｓiは多値信号０〜９となり、これをＢＣＤ（Binary Coded Decimal）を用いて２進数で表現してしまうと００００〜１００１となり、平文１ビット当たり４ビット必要となる。つまり平文３ビット分の第２の変調部１４の出力ｓiをＢＣＤで表現すると１２ビット必要となってしまう。一方、平文３ビット分の第２の変調部１４の出力ｓiを並べ、０００〜９９９とし、この１０進数を２進数に変換すると００００００００００〜１１１１１００１１１となり、１０ビットで表現可能となるため、ＢＣＤを用いた場合に比べて２ビット分、符号の利用効率が上がる。さらに符号の利用効率を上げるには平文複数ビット分の第２の変調部１４の出力ｓiをまとめて、ＬＺＷアルゴリズムやハフマン符号化などの可逆圧縮アルゴリズムを用いることが有効である。
なお、第２の変調部の出力ｓiとして既に通信路に最適な信号が出力されるような第１の変調部１２および第２の変調部１４を用いた場合は通信路符号化部１５の動作は恒等写像で表され、このとき通信路符号化部１５を省略することが可能である。
上述のごとく第１の変調部１２および第２の変調部１４による変調を行ない、さらに通信路符号化部１５により通信路符号化して得られる暗号文ｃiを通信路符号復号化した復号信号ｄiは、擬似乱数ｒiにより特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され入力データ（平文ｘi）に復調可能であり、かつ、その特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および実際に第２の変調に用いた物理乱数ｆiとは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となる。
特に、第２の変調部１４において物理乱数ｆiを第１の変調部１２の出力ｓi’に対し加減算することにより第２の変調を行なうことで、第１の変調部１２の出力ｓi’には第２の変調部１４の出力ｓiに対する不規則な対応付けが付与されることになる。本実施形態では、各状態対の一方の状態に対し設定された信号（例えば図３の第１の変調の出力「４」）に付与されうる不規則な対応付けの対応先となる第１範囲（図２，図９，図１０のＡi参照）と、各状態対の他方の状態に対し設定された信号（例えば図３の第１の変調の出力「９」）に付与されうる不規則な対応付けの対応先となる第２範囲（図２，図９，図１０のＢi参照）とが重なり合わず互いに排他的になるよう、物理乱数ｆiの状態や状態数が設定されている。これにより、第１の変調部１２の出力ｓi’に対し、物理乱数ｆiを用いて、正規受信者側で平文ｘiの状態（「１」または「０」）を判別可能な状況を保ちつつ第２の変調部１４の出力ｓiに対する不規則な対応付けが付与されることになる。
なお、第２の変調部１４において物理乱数ｆiにより第１の変調部１２の出力ｓi’を変調して第２の変調部１４の出力ｓiに対して不規則な対応付けを付与する場合、上述のごとく、桁（ビット）の繰り上がりが生じる加減算を用いる。この加減算に代え、例えば、物理乱数ｆiと第１の変調部１２の出力ｓi’との排他的論理和（ＸＯＲ）演算等のビット演算を用いた場合、物理乱数ｆiの下位２ビット４状態の中で群を形成してしまい対応付けに偏りが生じ、盗聴者による暗号文ｃiの解読が可能になるおそれがある。このため、第２の変調として、排他的論理和（ＸＯＲ）演算等のビット演算を用いることは好ましくない。
また、本実施形態では、第２の変調部１４の出力ｓiに対応する、平文ｘiが「１」である場合の数と平文ｘiが「０」である場合の数とが等しくなるように、つまり、物理乱数ｆiおよび擬似乱数ｒiがランダムであれば第２の変調の出力ｓiの状態もランダムに分布するように、上述した状態対や物理乱数ｆiが設定されている。
さらに、本実施形態において、物理乱数ｆiの状態数は、４以上の偶数であって状態対の組数Ｍ／２を超えないように設定されている。
物理乱数ｆiの状態数が２であると既知平文攻撃に対する安全性を保証できなくなる。また、物理乱数ｆiの状態数が奇数であると、第２の変調出力ｓiの状態と平文ｘiの状態との対応関係に偏りが生じ、盗聴者に余計な情報を与えてしまうおそれがある。例えば物理乱数ｆiの状態数が５である場合、第２の変調出力ｓiの状態が「０」のとき平文ｘiの状態が「１」である確率が２／５で「０」である確率が３／５になるといった、偏りが生じてしまう。このため、物理乱数ｆiの状態数は４もしくは４よりも大きい偶数に設定する。なお、物理乱数ｆiの状態数が４である場合の、暗号文ｃiの既知平文攻撃に対する暗号強度について、図１２を参照しながら後述する。
また、物理乱数ｆiの状態数が状態対の組数Ｍ／２を超えると、状態対の状態「１」に対する不規則な対応付けの対応先と、同じ状態対の状態「０」に対する不規則な対応付けの対応先が重複してしまい（つまり、上述した第１範囲Ａiと第２範囲Ｂiとに重なりが生じ）、図２により後述する暗号復号化装置２０側において、暗号文ｃiを通信路符号復号化した復号信号ｄiについて、復調用擬似乱数ｒiにより特定の状態対を判別することができても、状態０，１の判別を行なうことができなくなる。このため、物理乱数ｆiの状態数は状態対の組数Ｍ／２を超えないように設定される。
さらに、本実施形態では、物理乱数ｆiの状態数は、目的の暗号強度に応じて決定される。暗号強度を上げるためには物理乱数ｆiの状態数を増加させる。そして、目的の暗号強度に合わせて決定された物理乱数ｆiの状態数に応じて、状態対の組数Ｍ／２が決定され、その組数Ｍ／２に応じて擬似乱数ｒiの状態数が決定される。例えば、図３〜図１４を参照しながら後述する具体例では、物理乱数ｆiの状態数として「４」が決定され、この状態数４に応じた状態対の最小の組数Ｍ／２として「５」が決定されている（つまりＭ＝１０）。このようにして、目的の暗号強度に応じた状態対の最小の組数Ｍ／２、つまりは擬似乱数ｒiの状態数の最小値Ｍ／２が決定される。一般に、多値信号の状態数が多いほど擬似乱数発生器１１の動作速度（暗号化処理速度）が遅くなり通信速度全体を律速してしまうことになるが、上述のようにして擬似乱数ｒiの状態数の最小値Ｍ／２を決定することにより、擬似乱数発生器１１において、目的の暗号強度に応じた最大の動作速度を得ることができる。
〔２〕本実施形態の暗号復号化装置の構成
図２は本発明の一実施形態としての暗号復号化装置の構成を示すブロック図で、この図１に示すように、本実施形態の暗号復号化装置２０は、上述した暗号化装置１０によって得られた暗号文ｃiを暗号復号化するものであって、擬似乱数発生器２１，復調部２２，および通信路符号復号化部２３をそなえて構成されている。
通信路符号復号化部２３は、暗号化装置１０によって得られた暗号文ｃiを通信路符号復号化し、復号信号ｄiを得るものである。
同一の平文ｘiに対応する復号信号ｄiと暗号化装置１０の第２の変調部１４の出力ｓiは等しい。
また、暗号文ｃiを直接復調可能な復調部２２を用いる場合の通信路符号復号化部２３の動作は恒等写像で表され、このとき通信路符号復号化部２３を省略することが可能である。
擬似乱数発生器（擬似乱数生成部，復調用擬似乱数生成部）２１は、暗号化装置１０において第１の変調部１２による変調に用いられた擬似乱数ｒiを生成した暗号鍵Ｋと同一の暗号鍵Ｋに基づいて、その変調用擬似乱数ｒiに同期する復調用擬似乱数ｒiを生成して出力するもので、暗号化装置１０における擬似乱数発生器１１と同一構成を有するものである。
復調部２２は、通信路符号復号化部２３により得られた復号信号ｄiを、擬似乱数発生器２１によって生成された擬似乱数ｒiにより、特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して平文ｘiに復調するもので、具体的には、擬似乱数ｒiにより、復号信号ｄiに割り当てられた特定の状態対を判別し、さらに、上述した第１範囲Ａiと第２範囲Ｂiとの排他的関係に基づいて、平文ｘiが特定の状態対のいずれの状態（０または１）に対応するかを判別して、復号信号ｄiを平文ｘiに復調するようになっている。
ここで、物理乱数ｆiの状態が上述のごとく−２，−１，１，２である場合、図２に示すように、擬似乱数ｒiに基づき、第１範囲Ａiは、(ｒi−２)mod Ｍ，(ｒi−１)mod Ｍ，(ｒi＋１)mod Ｍ，(ｒi＋２)mod Ｍとして算出され、第２範囲Ｂiは、(ｒi＋Ｍ/２−２)mod Ｍ，(ｒi＋Ｍ/２−１)mod Ｍ，(ｒi＋Ｍ/２＋１)mod Ｍ，(ｒi＋Ｍ/２＋２)mod Ｍとして算出される。
このように復調部２２によって行なわれる復調は、図２のテーブル２２ａに示すごとく一般化して示すことができる。このテーブル２２ａに示すように、復調部２２は、復号信号ｄiが第１範囲Ａiに属し且つ擬似乱数ｒiが偶数であれば復調結果の平文ｘiとして状態「０」を出力し、復号信号ｄiが第１範囲Ａiに属し且つ擬似乱数ｒiが奇数であれば復調結果の平文ｘiとして状態「１」を出力する一方、復号信号ｄiが第２範囲Ｂiに属し且つ擬似乱数ｒiが偶数であれば復調結果の平文ｘiとして状態「１」を出力し、復号信号ｄiが第２範囲Ｂiに属し且つ擬似乱数ｒiが奇数であれば復調結果の平文ｘiとして状態「０」を出力する。なお、復調部２２による具体的な動作（復調ステップ）については図８〜図１０を参照しながら後述する。
〔３〕本実施形態の暗号化手順
次に、図３〜図７を参照しながら本実施形態の暗号化手順（暗号化装置１０の動作）について具体的に説明する。
まず、第１の変調部１２による第１の変調での各変数間の対応関係、つまり、擬似乱数ｒi，平文ｘiおよび第１の変調部１２の出力ｓiの対応関係について、図３により説明する。ここでは、前述した通り、物理乱数ｆiが整数値−２，−１，１，２の４状態で、状態対の組数Ｍ／２が「５」つまりＭ＝１０である場合について説明する。
図３に示すように、図中同心円の中心に対して互いに点対称の位置関係にある一対の状態（平文ｘi）０，１が状態対として扱われ、５組の状態対はそれぞれ擬似乱数ｒiの状態０，１，２，３，４に対応付けられ、さらに、５組の状態対の全ての状態０，１（１０の状態）には、それぞれ異なる多値信号０，１，２，…，９が対応付けられている。つまり、擬似乱数ｒiの状態０に対応付けられた状態対の状態（平文ｘi）０，１にはそれぞれ多値信号０，５が対応付けられ、擬似乱数ｒiの状態１に対応付けられた状態対の状態（平文ｘi）１，０にはそれぞれ多値信号１，６が対応付けられ、擬似乱数ｒiの状態２に対応付けられた状態対の状態（平文ｘi）０，１にはそれぞれ多値信号２，７が対応付けられ、擬似乱数ｒiの状態３に対応付けられた状態対の状態（平文ｘi）１，０にはそれぞれ多値信号３，８が対応付けられ、擬似乱数ｒiの状態４に対応付けられた状態対の状態（平文ｘi）０，１にはそれぞれ多値信号４，９が対応付けられている。
以下、図４〜図７により、平文ｘiを１ビット送信する場合の暗号化手順について説明する。
平文ｘiを１ビット送信する際に、擬似乱数発生器１１によって生成された擬似乱数ｒiが「４」であった場合、図４に示すように、状態０，１のそれぞれに多値信号４，９を設定された状態対が選択され、特定の状態対として、送信対象の平文ｘiの１ビットに割り当てられる。
このとき、送信対象の平文ｘiの状態が「１」である場合、図５に示すように、図４で割り当てられた特定の状態対の状態「１」側が選択され、図６に示すように、この状態「１」に対応付けられた多値信号「９」が、第１の変調部１２の出力ｓi’として得られる。
さらに、この第１の変調部１２の出力ｓi’（多値信号「９」）に対し物理乱数発生器１３によって生成された物理乱数ｆiが「＋１」である場合、上記(1)式により、ｓi＝（９＋１）mod１０＝０となり、状態対について「＋１」だけ状態をずらした信号を出力する対応付けを付与されることになって、図７に示すように、反時計回りに１だけ状態のずれた状態対の状態「０」に対して設定された多値信号「０」が、第２の変調部１４の出力ｓiとして出力される。
上述のごとく得られた第２の変調部１４の出力ｓiは、物理乱数ｆiを用いて、正規受信者側で平文ｘiの状態を判別可能な状況を保ちつつ不規則な対応付けが付与されており、この第２の変調部１４の出力ｓiを通信路符号化部１５によって通信路符号化した出力が暗号文ｃiである。後述するごとく正規受信側（暗号復号化装置２０側）において、暗号文ｃiを通信路符号復号化した復号信号ｄiは物理乱数ｆiを用いることなく、擬似乱数ｒiにより特定の状態対のいずれの状態（０または１）に対応するかが判別され平文ｘiに復調可能であり、かつ、特定の状態対以外の状態対による第１の変調および実際に第２の変調に用いた物理乱数ｆiとは異なる物理乱数による第２の変調により出力されうるデータとなっている。
なお、図４〜図６を参照しながら上述した手順が、第１の変調部１２によって行なわれる変調動作（第１の変調ステップ）であり、図１のテーブル１２ａに一般化して示した演算に対応するものである。また、図７により上述した手順が、第２の変調部１４によって行なわれる変調動作（第２の変調ステップ）であり、上記(1)式に基づく演算に対応するものである。
また、図７に示す例では、物理乱数ｆiが「＋１」である場合について説明したが、この物理乱数ｆiは「＋１」のほかにも−２，−１，＋２となる可能性がある。つまり、第２の変調部１４の出力ｓiとして出力される信号は、第１の変調部１２の出力si’である「９」から７，８，０，１のいずれかに不規則に対応付けされるようになっている。ただし、その不規則な対応付けの対応先となる範囲（図９，図１０の第２範囲Ｂi参照）は、多値信号「９」と対になる多値信号「４」（図９，図１０の図中同心円の中心に対して点対称の位置にある状態に設定された多値信号）に対し、物理乱数ｆiが−２，−１，＋１，＋２であるときに付与されうる不規則な対応付けの対応先となる範囲（図９，図１０の第１範囲Ａi参照）とは重なり合わない。
〔４〕本実施形態の暗号復号化手順
次に、図８〜図１０を参照しながら本実施形態の暗号復号化手順（暗号復号化装置２０の動作）について具体的に説明する。ここでは、図４〜図７にて説明した手順によって得られた、平文１ビットの暗号文ｃiを暗号復号化する手順について説明する。
暗号文ｃiの正規受信者側の暗号復号化装置２０においては、前述した通り、擬似乱数発生器２１により、暗号化装置１０で変調用擬似乱数ｒiを生成した暗号鍵Ｋと同一の暗号鍵Ｋに基づいて、その変調用擬似乱数ｒiに同期した復調用擬似乱数ｒiが出力されている。従って、正規受信者側で平文１ビットに対応する暗号文ｃiを受信すると、暗号文ｃiを通信路符号復号化部２３により通信路符号復号化して復号信号ｄi（ここではｄi＝０）を得るとともに、受信タイミングに合わせ、その暗号文ｃiを暗号化する際に用いられた変調用擬似乱数ｒiと同じ状態の復調用擬似乱数ｒi（ここではｒi＝４）が、擬似乱数発生器２１によって生成され出力され、図８に示すように、その擬似乱数ｒi＝４によって、平文１ビット（復号信号ｄi）に割り当てられた特定の状態対が判別される。
このとき、擬似乱数ｒi＝４であるので、図９に示すように、この擬似乱数ｒi＝４に対応する状態対についての２つの不規則な対応付けの対応先となる範囲ＡiおよびＢiはそれぞれ｛２，３，５，６｝および｛１，０，７，８｝となる。そして、復号信号ｄiの状態が「０」であり、擬似乱数ｒiは「４」つまり偶数であるので、図１０に示すように、状態「１」が平文ｘiとして復調される。
上述のようにして、復号信号ｄiは、物理乱数ｆiを用いることなく、２つの不規則な対応付けの対応先となるＡiとＢiとの排他的関係に基づいて、擬似乱数ｒiにより特定の状態対のいずれの状態（０または１）に対応するかが判別され平文ｘiに復調される。
なお、図８〜図１０を参照しながら上述した手順が、復調部２２の動作（復調ステップ）であり、図２のテーブル２２ａに一般化して示した演算に対応するものである。
〔５〕本実施形態の暗号強度
次に、図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）を参照しながら、本実施形態の暗号技術（図４〜図７にて説明した暗号化手順）によって得られた暗号文ｃiの、暗号文単独攻撃に対する暗号強度について説明する。ここでは、盗聴者が暗号文ｃiを盗聴して通信路符号復号化し、復号信号ｄi＝０を得ている状態で行なう暗号文単独攻撃について説明する。
暗号文ｃiの盗聴により復号信号ｄi＝０を得た盗聴者は、その暗号文ｃiを得るために用いられた擬似乱数ｒiを知らないため、図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）に示す４つのケースのいずれを見ているかを区別することができない。ここで、図１１（Ａ）に示すケース１は、平文ｘi＝１，擬似乱数ｒi＝４および物理乱数ｆi＝＋１で復号信号ｄi＝０となった場合、図１１（Ｂ）に示すケース２は、平文ｘi＝１，擬似乱数ｒi＝１および物理乱数ｆi＝−１で復号信号ｄi＝０となった場合、図１１（Ｃ）に示すケース３は、平文ｘi＝０，擬似乱数ｒi＝３および物理乱数ｆi＝＋２で復号信号ｄi＝０となった場合、図１１（Ｄ）に示すケース４は、平文ｘi＝０，擬似乱数ｒi＝２および物理乱数ｆi＝−２で復号信号ｄi＝０となった場合である。
このため、盗聴者は、正規送信者によって送信された暗号文ｃi（復号信号ｄi＝０）に対応する平文ｘiの状態が「０」であるか「１」であるかを解読することは不可能になる。従って、本実施形態の暗号技術を用いることにより、暗号文単独攻撃に対し十分な暗号強度を確保することができる。
また、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）を参照しながら、本実施形態の暗号技術（図４〜図７にて説明した暗号化手順）によって得られた暗号文ｃiの、既知平文攻撃に対する暗号強度について説明する。ここでは、盗聴者が、暗号文ｃiを盗聴して復号信号ｄi＝０を得た上で、且つ、何らかの手段で、この暗号文ｃiに対応する平文ｘi＝１を入手して、対応する擬似乱数ｒiを推定し、さらに暗号鍵Ｋの推定を行なう既知平文攻撃について説明する。
暗号文ｃiを盗聴し、この暗号文ｃiを通信路符号復号化して復号信号ｄi＝０を得た盗聴者が、暗号文ｃiに対応する平文ｘi＝１を入手している場合、その暗号文ｃiを得るために用いられた擬似乱数ｒiを知らないため、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示す２つのケースのいずれを見ているかを区別することができない。なお、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示す２つのケースは、それぞれ図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すケースに対応している。
つまり盗聴者は、たとえ暗号文ｃiを通信路符号復号化した復号信号ｄi＝０に対応する平文ｘiが「１」であることを知ったとしても、正規送受信者が使用した擬似乱数ｒiが「４」と「１」のいずれであるか知ることができない。つまり、盗聴者の側で推定される平文１ビット毎の擬似乱数の状態は２種類存在するため、盗聴者が例えば１００ビットの平文を手に入れて既知平文攻撃を行なっても、平文１００ビット分から推定される擬似乱数列には２100通りのパターンの任意性があり、さらに、そのパターン一つ一つについて擬似乱数から暗号鍵を推定する演算を行なわなければならず、既知平文攻撃によって暗号鍵Ｋを推定する事により既に入手した平文ｘi以外に対応する暗号文ｃiを解読することは実質的に不可能であると言える。特に、２100通りのパターンの任意性の起源は、物理乱数発生器１３によって生成される物理乱数ｆiにあるため、数学的な近道が発見されて暗号文ｃiが解読されてしまう可能性もない。
このように図１１および図１２に示した事例からも明らかなように、物理乱数ｆiの状態数を４とすることにより、復号信号ｄiが、平文「０」で且つ異なる２種類の擬似乱数ｒiの状態対に対応するケース、および、平文「１」で且つ異なる２種類の擬似乱数ｒiの状態対に対応するケースのいずれに対応するものであるかを、盗聴者が判別することができないように構成することができる。そして、このとき、既知平文攻撃を行なう盗聴者が判別しなければならない場合の数は２となるため、既知平文攻撃に対する暗号強度は従来の暗号に比べ飛躍的に高くなる。従って、本実施形態の暗号技術を用いることにより、既知平文攻撃に対しても十分な暗号強度を確保でき、高い安全性を保証することができる。なお、ここでは、物理乱数ｆiの状態数を４としているが、４よりも大きい偶数とすることにより、既知平文攻撃を行なう盗聴者が判別しなければならない場合の数が増大するので、暗号強度をより高めることができる。
〔６〕本実施形態の効果
このように本発明の一実施形態としての暗号化／暗号復号化技術によれば、平文ｘiを、暗号鍵Ｋに基づいて生成された擬似乱数ｒiを用いて第１の変調を行なった後、さらに、物理現象に基づいて生成された物理乱数ｆiを用いて第２の変調を行なった信号を通信路符号化して得られた暗号文ｃiを送信し、正規送信者側の暗号鍵Ｋと同一の暗号鍵Ｋを保有する正規受信者側では、その暗号鍵Ｋに基づいて生成された擬似乱数ｒiのみを用い、物理乱数ｆiを用いることなく、暗号文ｃiから平文ｘiが暗号復号化データとして得られる。
このようにして第１の変調部１２の出力ｓiに物理乱数ｆiによる不規則な対応付けを付与することにより、前述した通り、暗号文単独攻撃のみならず既知平文攻撃に対しても極めて高い暗号強度を確保することができる高い安全性を保証しながら、正規受信者側では物理乱数ｆiを用いることなく擬似乱数ｒiのみで復号信号ｄiを復調することが可能になる。
このとき、本実施形態の暗号技術は、Ｙ−００方式量子暗号とは異なり、符号（単なる数値）により実現されるので、既存の古典暗号の場合と同様、電波や電線での暗号文伝送が可能であり電波通信や電気通信においても使用可能になるほか、暗号文ｃiを電気的なメモリや各種記録媒体（フレキシブルディスク，ＣＤ，ＤＶＤ等）に保存することも可能になる。また、暗号文ｃiは、電気的なメモリに貯められるため、ルーターを通過することも可能になる。
また、前述したように、本実施形態の暗号技術は符号（単なる数値）により実現されるので、Ｙ−００方式量子暗号のように不安定で多くの物理状態を送受信する必要がないため、雑音の影響を受けることがなく、本暗号技術を光通信において使用する場合、低雑音の光増幅器が不要になりその光増幅器の雑音レベルによって中継段数が制限を受けることがなくなるほか、線形性の良い光源および受光デバイスの開発も不要である。
さらに、本実施形態の暗号技術によれば、第１の変調に用いられる多値信号の状態数Ｍは１０程度でも十分高い安全性を保証できるので、多値信号の状態数を２００値程度必要とするＹ−００方式量子暗号に比べて状態数を極めて少なくでき、擬似乱数ｒiのビット数を抑えて擬似乱数発生器１１，２１の動作速度が通信速度へ及ぼす影響を最小にすることができる。
ところで、ストリーム暗号では、既知平文攻撃に対して脆弱であるため、暗号化側（正規送信者側）と暗号復号化側（正規受信者側）との暗号鍵を、公開鍵暗号を使って頻繁に配布して変更する必要があった。ただし、素因数分解を用いた公開鍵暗号による暗号化で暗号鍵を配布する場合は、その公開鍵暗号の安全性はあくまで現在までのところは素因数分解を高速に行なうアルゴリズムが発見されていないことに依拠する安全性に過ぎず、一旦、素因数分解を高速に行なう計算方法が発見されてしまえば、極めて容易に暗号鍵を解読されてしまう。このため、公開鍵暗号を使用した暗号鍵の配布を行なう必要を無くすことが望まれていた。
これに対し、本実施形態の暗号技術によれば、擬似乱数発生器１１，２１で用いられる暗号鍵Ｋを変更することなく、つまりは擬似乱数発生器１１，２１を暗号化装置１０や暗号復号化装置２０に組み込み（埋め込み）利用者に暗号鍵Ｋを一切知らせることなく、前述のごとく既知平文攻撃に対し極めて高い暗号強度を確保することができるので、上述のような公開鍵暗号を使用した暗号鍵の配布を行なう必要がなくなり、公開鍵暗号による脆弱性を解消することもできる。
なお、上述のように暗号鍵Ｋを含む擬似乱数発生器を埋め込む場合には、暗号鍵Ｋが利用者のみならず不正アクセス者（盗聴者）等から読み出されるのを防止して暗号文の安全性を確実なものにすべく、少なくとも暗号鍵Ｋを保存するメモリを含むチップを、外部から暗号鍵Ｋを読み出し不可能な状態に構成し、耐タンパ性を有する構造とすることが望ましい。耐タンパ性を有する構造としては、例えば、チップ表面が空気に触れると記録内容が消滅するメモリチップや、信号を読み出すプローブを取り付けると動作できなくなる回路などが用いられる。
〔７〕本実施形態の暗号化／暗号復号化方法の変形例
上述した実施形態では、物理乱数発生器１３によって生成される物理乱数ｆiの状態が
、４個の整数値−２，−１，１，２であり、特定の状態対について対称に不規則な対応付けが付与される場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば図１３や図１４を参照しながら説明するごとく、特定の状態対について非対称に不規則な対応付けが付与されるように第２の変調を行なってもよい。
なお、このとき上述の４個の整数値は、図１１に示した例のように、盗聴者の得た復号信号ｄiが、平文「０」で且つ異なる２種類の擬似乱数ｒiの状態対に対応するケース、および、平文「１」で且つ異なる２種類の擬似乱数ｒiの状態対に対応するケースのいずれに対応するものであるかを、盗聴者には判別することができないように選ばれる。
図１３は本実施形態の暗号化／暗号復号化手順の第１変形例について説明するための図で、この図１３に示す第１変形例では、物理乱数ｆiの状態が４個の整数値０，１，２，３であり、Ｍ＝１０で且つ擬似乱数ｒi＝４の場合について、この擬似乱数ｒi＝４に対応する状態対についての２つの不規則な対応付けの対応先となる範囲ＡiおよびＢiが示されている。このときの範囲ＡiおよびＢiは、それぞれ｛４，５，６，７｝および｛０，１，２，９｝となり、互いに重なり合わないように設定される。この場合も、復調部２２によって行なわれる復調は、図２のテーブル２２ａに示す規則に従って実行され、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、物理乱数ｆiに負の整数が含まれる場合、２の補数表現を行なう必要があり、物理乱数発生器１３の構造や処理が複雑化し処理速度の低下を招くことになるが、上述のごとく０または正の整数を含み負の整数を含まない物理乱数ｆi∈｛０，１，２，３｝を用いた場合には、物理乱数発生器１３からの２進数出力を単に２ビットずつ物理乱数ｆiとして切り出して第２の変調部１４へ出力するだけでよく、２の補数表現を行なう必要がなく、暗号化処理速度の上でも通信速度の上でも有利になる。
図１４は本実施形態の暗号化／暗号復号化手順の第２変形例について説明するための図で、この図１４に示す第２変形例では、物理乱数ｆiの状態が４個の整数値−３，０，１，４であり、Ｍ＝１０で且つ擬似乱数ｒi＝４の場合について、この擬似乱数ｒi＝４に対応する状態対についての２つの不規則な対応付けの対応先となる範囲ＡiおよびＢiが示されている。このときの範囲ＡiおよびＢiは、それぞれ｛１，４，５，８｝および｛０，３，６，９｝となり、互いに重なり合わないように且つ互い違いに設定される。この場合も、復調部２２によって行なわれる復調は、図２のテーブル２２ａに示す規則に従って実行され、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
〔８〕本実施形態の送受信システム
図１５は本発明の暗号化／暗号復号化技術を適用された送受信システムの構成例を示すブロック図であり、この図１５に示す送受信システム１は、通信ネットワーク等を介して相互に通信可能に接続された第１送受信装置３０Ａおよび第２送受信装置３０Ｂをそなえて構成されている。
第１送受信装置３０Ａは、第２送受信装置３０Ｂへ送信すべき入力データ（平文ｘ1i）を暗号化する第１暗号化装置１０ａと、第２送受信装置３０Ｂから受信した暗号化データ（暗号文ｃ2j）を暗号復号化する第１暗号復号化装置２０ａとをそなえて構成されるとともに、第２送受信装置３０Ｂは、第１送受信装置３０Ａへ送信すべき入力データ（平文ｘ2j）を暗号化する第２暗号化装置１０ｂと、第１送受信装置３０Ａから受信した暗号化データ（暗号文ｃ1i）を暗号復号化する第２暗号復号化装置２０ｂとをそなえて構成されている。
ここで、第１暗号化装置１０ａおよび第２暗号化装置１０ｂはいずれも図１に示した暗号化装置１０と同様に構成され、第１暗号復号化装置２０ａおよび第２暗号復号化装置２０ｂはいずれも図２に示した暗号復号化装置２０と同様に構成されている。そして、図１５に示す送受信システム１では、第１暗号化装置１０ａと第２暗号復号化装置２０ｂとが対になっており、これらの装置１０ａ，２０ｂにおける擬似乱数発生器１１，２１は、同一の暗号鍵Ｋ1に基づいて擬似乱数ｒ1iを同期させて生成するように構成され、第２暗号
化装置１０ｂと第１暗号復号化装置２０ａとが対になっており、これらの装置１０ｂ，２０ａにおける擬似乱数発生器１１，２１は、同一の暗号鍵Ｋ2に基づいて擬似乱数ｒ2jを同期させて生成するように構成されている。なお、装置１０ａ，２０ｂにおける擬似乱数発生器１１，２１の暗号鍵Ｋ1と、装置１０ｂ，２０ａにおける擬似乱数発生器１１，２１の暗号鍵Ｋ2とは、異なるものが設定されている。
このような構成により、第１送受信装置３０Ａから第２送受信装置３０Ｂへの送信データは、第１暗号化装置１０ａによって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として第２送受信装置３０Ｂへ送信され、第２送受信装置３０Ｂ側では、第１送受信装置３０Ａから受信した暗号文が、第２暗号復号化装置２０ｂによって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。同様に、第２送受信装置３０Ｂから第１送受信装置３０Ａへの送信データは、第２暗号化装置１０ｂによって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として第１送受信装置３０Ａへ送信され、第１送受信装置３０Ａ側では、第２送受信装置３０Ｂから受信した暗号文が、第１暗号復号化装置２０ａによって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。
これにより、第１送受信装置３０Ａと第２送受信装置３０Ｂとの相互間で、本実施形態の暗号技術を適用した暗号通信が実現され、上述と同様の作用効果を得ることができる。
また、図１５に示す送受信システム１では、本実施形態の暗号技術を適用することにより、上述のごとく既知平文攻撃に対し極めて高い暗号強度を確保することができるため、公開鍵暗号を使用した頻繁な暗号鍵の再配布を行なう必要が無くなり、固定の暗号鍵Ｋ1,Ｋ2を送受信装置に埋め込んで使用することができる。さらに送受信装置に暗号鍵を埋め込むことにより、利用者自身に対してすらも暗号鍵Ｋ1，Ｋ2を秘匿した高い秘匿性を保持した状態で、装置寿命が尽きるまで送受信システムを運用することができる。
しかし、このような場合、利用者自身も暗号鍵Ｋ1，Ｋ2を知ることができなくなるため、第１送受信装置３０Ａと第２送受信装置３０Ｂとが相互に正規の送受信者（通信相手）であるか否かの認証や、第１暗号化装置１０ａの変調用擬似乱数ｒ1iと第２暗号復号化装置２０ｂの復調用擬似乱数ｒ1iとが同期し且つ第２暗号化装置１０ｂの変調用擬似乱数ｒ2jと第１暗号復号化装置２０ａの復調用擬似乱数ｒ2jとが同期しているか否かの確認を、暗号鍵Ｋそのものや暗号鍵Ｋに関する情報に基づいて行なうことができなくなる。
そこで、図１９に示すように、送受信システム１では、上述した正規の送受信者の認証や擬似乱数ｒ1i ，ｒ2jの同期確認を同時に行なうための、下記のような手段がそなえられている。
この手段では、第１送受信装置３０Ａにおいて、第１暗号化装置１０ａの入力データ（平文）として、変調用擬似乱数ｒ1i ，ｒ2jおよび復調用擬似乱数ｒ1i ，ｒ2jを生成するための暗号鍵Ｋ1，Ｋ2のうち鍵長の長い方の長さ以上の長さを有する認証数列（ランダム列）Ｙ1が入力され、この認証数列Ｙ1の暗号化データ（暗号文）Ｃ1を第１暗号化装置１０ａから第２送受信装置２０Ｂに送信した後、第２送受信装置２０Ｂにおいて、第２暗号化装置１０ｂの入力データとして、第２暗号復号化装置２０ｂにより認証数列Ｙ1の暗号文Ｃ1を暗号復号化して得られた復号数列Ｙ1’が入力され、この復号数列Ｙ1’の暗号化データ（暗号文）Ｃ2を第２暗号化装置１０ｂから第１送受信装置３０Ａに送信し、さらに、第１送受信装置３０Ａにおいて、第１暗号復号化装置２０ａによって復号数列Ｙ1’の暗号文Ｃ2を復号化して得られた応答数列Ｙ2と、当初の認証数列Ｙ1とが一致しているか否かが判定される。
応答数列Ｙ2と当初の認証数列Ｙ1とが一致している場合、つまりＹ1＝Ｙ1’＝Ｙ2である場合、送受信の対となるべき第１暗号化装置１０ａおよび第２暗号復号化装置２０ｂにおける擬似乱数ｒ1iが同一の暗号鍵Ｋ1に基づいて同期して生成され、且つ、送受信の対となるべき第２暗号化装置１０ｂおよび第１暗号復号化装置２０ａにおける擬似乱数ｒ2jも同一の暗号鍵Ｋ2に基づいて同期して生成されているものと判断することができる。
これにより、応答数列Ｙ2と当初の認証数列Ｙ1とが一致している場合、利用者が暗号鍵Ｋ1，Ｋ2を知ることができなくても、第１送受信装置３０Ａと第２送受信装置３０Ｂとが相互に正規の送受信者（通信相手）であることを認証すると同時に、第１暗号化装置１０ａの変調用擬似乱数ｒ1iと第２暗号復号化装置２０ｂの復調用擬似乱数ｒ1iとが同期し且つ第２暗号化装置１０ｂの変調用擬似乱数ｒ2jと第１暗号復号化装置２０ｂの復調用擬似乱数ｒ2jとが同期していることを確認することができる。
〔９〕本実施形態の公衆回線システム
図１５に示した送受信システム１は、第１送受信装置３０Ａと第２送受信装置３０Ｂとが相互に通信可能に接続され一対一で通信を行なうものであるが、上述した本実施形態の暗号技術を単純に公衆回線を用いて通信する場合に適用すると、通信を行なう２台の端末装置（例えば携帯電話）は、必ず同じ暗号鍵を有しその暗号鍵に基づいて擬似乱数を同期生成する必要がある。しかし、任意の２台の端末装置が、公衆回線（交換局）を介して通信を行なう際に、公開鍵暗号を用いて暗号鍵を２台の端末装置に配布するのであれば、前述した公開鍵暗号による脆弱性を解消できず好ましくない。
そこで、所定の暗号鍵を含む擬似乱数発生器を、暗号鍵の耐タンパ性を確保した状態で各端末装置に組み込んでおき、交換局の機能を用いて、各端末装置側で暗号鍵を変更することなく、任意の２台の端末装置相互間で本実施形態の暗号技術を適用した通信を行なえるようにした公衆回線システムを、図１６に示す。
図１６は本発明の暗号化／暗号復号化技術を適用された公衆回線システムの構成例を示すブロック図であり、この図１６に示す公衆回線システム２は、交換機４１を有する交換局４０と、この交換局４０を介して相互に通信可能な複数（図１６では４台）の端末装置５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄとをそなえて構成されている。なお、以下の説明において、端末装置の個々を特定する必要がある場合には符号５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄを用い、特定する必要が無い場合には符号５０を用いる。
各端末装置５０は、例えば携帯電話であり、交換局４０を介して特定端末装置へ送信すべき入力データ（平文）を暗号化する第１暗号化装置１０ａと、交換局４０を介して前記特定端末装置から受信した暗号化データ（暗号文）を暗号復号化する第１暗号復号化装置２０ａとをそなえて構成されている。
また、交換局４０は、各端末装置５０と前記特定端末装置とを接続するための交換動作を行なう交換機４１と、端末装置５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄと交換機４１との間にそれぞれ介在する送受信部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄと、擬似乱数を生成するための暗号鍵の管理を行なう暗号鍵管理部４３とをそなえて構成されている。なお、以下の説明において、送受信部の個々を特定する必要がある場合には符号４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄを用い、特定する必要が無い場合には符号４２を用いる。
各送受信部４２は、前記特定端末装置から各端末装置５０へ送信すべき入力データ（平文）を交換機４１経由で受信して暗号化する第２暗号化装置１０ｂと、各端末装置５０から前記特定端末装置へ送信すべき暗号データ（暗号文）を一旦暗号復号化して交換機４１に入力する第２暗号復号化装置２０ｂとをそなえて構成されている。
ここで、第１暗号化装置１０ａおよび第２暗号化装置１０ｂはいずれも図１に示した暗号化装置１０と同様に構成され、第１暗号復号化装置２０ａおよび第２暗号復号化装置２０ｂはいずれも図２に示した暗号復号化装置２０と同様に構成されている。そして、図１６に示す公衆回線システム２においても、第１暗号化装置１０ａと第２暗号復号化装置２０ｂとが対になっており、これらの装置１０ａ，２０ｂにおける擬似乱数発生器１１，２１は、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数を同期させて生成するように構成され、第２暗号化装置１０ｂと第１暗号復号化装置２０ａとが対になっており、これらの装置１０ｂ，２０ａにおける擬似乱数発生器１１，２１は、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数を同期させて生成するように構成されている。
ただし、各端末装置５０においては、前述した通り、変調用擬似乱数や復調用擬似乱数を生成するための暗号鍵を含む擬似乱数発生器１１，２１（図１，図２参照）が、暗号鍵の耐タンパ性を確保した状態で組み込まれている。また、各送受信部４２においては、第２暗号化装置１０ｂや第２暗号復号化装置２０ｂの擬似乱数発生器１１，２１（図１，図２参照）で用いられる擬似乱数生成用の暗号鍵が、接続相手の端末装置５０に応じ、暗号鍵管理部４３によって配布・設定可能に構成されている。
なお、図１６に示す例では、端末装置５０Ａと５０Ｂとが交換局４０を介して相互に通信を行ない、同様に、端末装置５０Ｃと５０Ｄとが交換局４０を介して相互に通信を行なっている。また、端末装置５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄは、それぞれ、交換局４０における送受信部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄと相互に通信可能に接続されている。つまり、端末装置５０Ａと５０Ｂとは、交換局４０における送受信部４２Ａ，交換機４１および送受信部４２Ｂを介して相互に通信可能に接続され、端末装置５０Ｃと５０Ｄとは、交換局４０における送受信部４２Ｃ，交換機４１および送受信部４２Ｄを介して相互に通信可能に接続されている。
そして、交換局４０における暗号鍵管理部４３は、各端末装置５０と各送受信部４２とにおいて用いられる暗号鍵を管理するもので、例えば各端末装置（携帯電話）５０の電話番号と各端末装置５０が有している暗号鍵とを対応付けて保存するデータベースにより、暗号鍵の管理を行なう。例えば端末装置５０Ａが端末装置５０Ｂに対して発信する場合、暗号鍵管理部４３は、発信側の端末装置５０Ａの電話番号、および、この端末装置５０Ａによって指定された受信側の端末装置５０Ｂの電話番号を受け、発信側の端末装置５０Ａの電話番号に対応する暗号鍵を、前記データベースから読み出し、端末装置５０Ａと接続される送受信部４２Ａの暗号化装置１０ｂ（擬似乱数発生器１１）および暗号復号化装置２０ｂ（擬似乱数発生器２１）に配布・設定するとともに、受信側の端末装置５０Ｂの電話番号に対応する暗号鍵を、前記データベースから読み出し、端末装置５０Ｂと接続される送受信部４２Ｂの暗号化装置１０ｂ（擬似乱数発生器１１）および暗号復号化装置２０ｂ（擬似乱数発生器２１）に配布・設定するようになっている。端末装置５０Ｃが端末装置５０Ｄに対して発信する場合も同様である。
このとき、公衆回線システム２では、交換局４０内において送受信部４２に対する暗号鍵の配布・設定を行なっているので、暗号鍵が不正アクセス者（盗聴者）等から読み出されるのを防止して暗号文の安全性を確実なものにすべく、交換局４０自体を、耐タンパ性を有する構造とする。耐タンパ性を高める手法としては、例えば、外部から読み取りにくいよう機密性を高める手法や、外部から読み取ろうとするとプログラムやデータが破壊されてしまう機構を設ける手法などが用いられる。
このように構成された公衆回線システム２では、端末装置５０Ａと端末装置５０Ｂとの間で通信を行なう際、まず、交換局４０において、暗号鍵管理部４３により、端末装置５０Ａに接続される送受信部４２Ａに、端末装置５０Ａで用いられる暗号鍵と同一の暗号鍵が配布・設定されるとともに、端末装置５０Ｂに接続される送受信部４２Ｂに、端末装置５０Ｂで用いられる暗号鍵と同一の暗号鍵が配布・設定される。
そして、端末装置５０Ａから端末装置５０Ｂへの送信データ（平文）は、端末装置５０Ａの第１暗号化装置１０ａによって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として交換局４０の送受信部４２Ａへ送信される。送受信部４２Ａでは、端末装置５０Ａから受信した暗号文は、第２暗号復号化装置２０ｂによって上述した復号化手順で、一旦、平文に暗号復号化される。暗号復号化された平文は、交換機４１に入力され、この交換機４１経由で、送信先の端末装置５０Ｂに接続された送受信部４２Ｂへ送られる。送受信部４２Ｂでは、交換機４１から端末装置５０Ｂへ送信すべき平文を受信すると、その平文は、第２暗号化装置１０ｂによって上述した暗号化手順で、再度、暗号化され、暗号文として端末装置５０Ｂに送信される。端末装置５０Ｂでは、送受信部４２Ｂから受信した暗号文が、第１暗号復号化装置２０ａによって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。端末装置５０Ｂから端末装置５０Ａへのデータ送信も、上述と同様にして行なわれる。
このように、図１６に示す公衆回線システム２によれば、各端末装置５０に、所定の暗号鍵を含む擬似乱数発生器１１，１２を暗号鍵の耐タンパ性を確保した状態で組み込んでおき、交換局４０の送受信部４２および暗号鍵管理部４３の機能を用いて、各端末装置５０側で暗号鍵を変更することなく、任意の２台の端末装置５０，５０の相互間で上述した本実施形態の暗号技術を適用した暗号通信が実現され、上述と同様の作用効果を得ることができる。
また、図１６に示す公衆回線システム２においては、本実施形態の暗号技術を適用するとともに、交換局４０自体を、耐タンパ性を有する構造とすることにより、擬似乱数発生器１１，２１で用いられる暗号鍵を利用者に一切知らせることなく既知平文攻撃に対し極めて高い暗号強度を確保することができ、公開鍵暗号を使用した暗号鍵の配布を行なう必要を無くすことができる。
〔１０〕本実施形態の通信システムの第１例
図２０は、本発明の暗号化／復号化技術を適用された通信システムの第１例（符号３参照）および第２例（符号３Ａ参照）の全体構成を示すブロック図であり、この図２０に示す第１例の通信システム３は、通信ネットワーク等を介して相互に通信可能に接続された２つの通信装置３ａ，３ｂをそなえて構成されている。この第１例の通信システム３および後述する第２例の通信システム３Ａでは、２つの通信装置３ａ，３ｂの相互間が、改竄の無い通信路（信号線路）を介して通信可能に接続され、その通信路を介して２つの通信装置３ａ，３ｂが公開通信によって同期処理を行なう場合について説明する。
これらの通信装置３ａ，３ｂはいずれも同一の構成を有しており、通信装置３ａは、上述した手法で通信装置３ｂへ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｃと、上述した手法で通信装置３ｂから受信した暗号化データ（ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｃと、後述する送受信部１５２および同期調整部１５３とをそなえて構成されるとともに、通信装置３ｂは、上述した手法で通信装置３ａへ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｃと、上述した手法で通信装置３ａから受信した暗号化データ（暗号文ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｃと、後述する送受信部１５２および同期調整部１５３とをそなえて構成されている。なお、暗号化装置１０ｃの構成については図２１を参照しながら後述し、暗号復号化装置２０ｃの構成については図２２を参照しながら後述する。
また、図２０に示す通信システム３では、通信装置３ａにおける暗号化装置１０ｃと通信装置３ｂにおける暗号復号化装置２０ｃとが対になっており、これらの装置１０ｃ，２０ｃにおける擬似乱数発生器１１，２１（図２１，図２２参照）は、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。同様に、通信装置３ｂにおける暗号化装置１０ｃと通信装置３ａにおける暗号復号化装置２０ｃとが対になっており、これらの装置１０ｃ，２０ｃにおける擬似乱数発生器１１，２１も、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。ただし、上述した各装置対で用いられる暗号鍵としては、異なるものが設定されている。
このような構成により、通信装置３ａから通信装置３ｂへの送信データは、暗号化装置１０ｃによって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ｂへ送信され、通信装置３ｂ側では、通信装置３ａから受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｃによって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。同様に、通信装置３ｂから通信装置３ａへの送信データは、暗号化装置１０ｃによって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ａへ送信され、通信装置３ａ側では、通信装置３ｂから受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｃによって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。
ここで、送受信部１５２および同期調整部１５３は、何らかの要因により擬似乱数発生器１１，２１での擬似乱数生成動作に同期ズレが生じて暗号化装置１０ｃと暗号復号化装置２０ｃとの間の暗号通信が行なえなくなった場合に用いられるものである。
送受信部１５２は、後述する不揮発性メモリ１３４（図２１参照）または不揮発性メモリ１４４（図２２参照）から読み出された変調用擬似乱数または復調用擬似乱数の出力回数を、同期情報として通信相手の通信装置３ａもしくは３ｂに送信するとともに、通信相手の通信装置３ａもしくは３ｂから同期情報を受信するものである。この送受信部１５２としては、公開通信を行なう一般的なトランシーバ等が用いられる。
何らかの要因により擬似乱数発生器１１，２１での擬似乱数生成動作に同期ズレが生じて暗号化装置１０ｃと暗号復号化装置２０ｃとの間の暗号通信が行なえなくなった場合には、通信装置３ａ，３ｂにそれぞれそなえられた送受信部１５２，１５２を用いて、通信装置３ａ，３ｂ間（送受信部１５２，１５２の相互間）で通信ネットワーク等（ここでは改竄の無い通信路）を介し上記出力回数が同期情報としてやり取りされるようになっている。
同期調整部１５３は、上記同期ズレが生じている場合に、通信装置３ａの変調用擬似乱数発生器１１（図２１参照）による擬似乱数生成動作と通信装置３ｂの復調用擬似乱数発生器２１（図２２参照）による擬似乱数生成動作とを同期させるために、もしくは、通信装置３ｂの変調用擬似乱数発生器１１（図２１参照）による擬似乱数生成動作と通信装置３ａの復調用擬似乱数発生器２１（図２２参照）による擬似乱数生成動作とを同期させるために、不揮発性メモリ１３４もしくは１４４から読み出された前記出力回数に基づいて、擬似乱数発生器１１，２１からの擬似乱数の出力回数を調整するものである。
特に、通信システム３の同期調整部１５３は、送受信部１５２によって復号化された、通信相手の通信装置３ａもしくは３ｂ側の復調用擬似乱数（または変調用擬似乱数）の出力回数が、不揮発性メモリ１３４（または１４４）から読み出された変調用擬似乱数（または復調用擬似乱数）の出力回数よりも大きい場合、暗号化装置１０ｃの擬似乱数発生器１１からの変調用擬似乱数（または暗号復号化装置２０ｃの擬似乱数発生器２１からの復調用擬似乱数）の出力回数を通信相手の通信装置３ａもしくは３ｂ側の復調用擬似乱数（または変調用擬似乱数）の出力回数に合わせるように調整するものである。
その際、通信システム３の同期調整部１５３は、図２１や図２２を参照しながら後述するように、暗号化装置１０ｃの不揮発性メモリ１３４または暗号復号化装置２０ｃの不揮発性メモリ１４４に対する出力回数の設定、あるいは、擬似乱数発生器１１または２１に対するクロック信号の空（カラ）打ちを行なうことにより、擬似乱数発生器１１または２１からの出力回数の調整を行なうようになっている。なお、クロック信号の空打ちとは、平文の暗号化を行なうことなく擬似乱数の出力回数を調整するためだけに擬似乱数発生器１１または２１に擬似乱数生成動作を実行させるクロック信号を入力する動作のことを言う。
次に、図２１を参照しながら暗号化装置１０ｃの構成について説明する。図２１は図２０に示す通信システム３における暗号化装置１０ｃの構成を示すブロック図であり、この図２１に示す暗号化装置１０ｃは、上述した暗号化装置１０と同様の変調用擬似乱数発生器１１，第１の変調部１２，物理乱数発生器１３および第２の変調部１４のほか、識別番号用ＲＯＭ（Read Only Memory）１３１，暗号鍵用ＲＯＭ（Read Only Memory）１３２，カウンタ１３３および不揮発性メモリ１３４をそなえて構成されている。
そして、本実施形態の暗号化装置１０ｃは、擬似乱数生成用の暗号鍵や擬似乱数発生器１１からの擬似乱数ｒiの漏洩を抑止するとともに、物理乱数発生器１３によって生成される物理乱数ｆiの、物理的擾乱による確率分布変動を抑止する耐タンパ領域６０内に配置されている。ここで、暗号化装置１０ｃが配置される耐タンパ領域６０は、下記項目(11)〜(17)のごとき構造を提供するものである。なお、図２１に示す暗号化装置１０ｃ（耐タンパ領域６０）は、例えば一つのチップ（図示略）上に構成される。
(11)チップを分解しても暗号鍵用ＲＯＭ１３２の暗号鍵（即ち、擬似乱数ｒiの「種」）を読めない構造。例えば、ＲＯＭ１３２における暗号鍵を読もうとしてチップを分解すると、ＲＯＭ１３２が壊れる配線構造。
(12)チップを分解しても擬似乱数ｒiの信号線（擬似乱数発生器１１と第１の変調部１２との間の信号線）をタップすることができない構造。例えば、擬似乱数ｒiの信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
(13)チップの外部からの物理的擾乱を加えても、物理乱数発生器１３からの物理乱数ｆiに確率分布の変動が生じない構造。例えば、チップ全体が冷却されたり異常な入力電圧が印加されたりしても、物理乱数ｆiの確率分布が変化しない物理乱数発生器の構造。あるいは、温度や入力電圧を検知して物理乱数ｆiの分布が偏る前にチップの動作を停止させる仕組み。
(14)識別番号用ＲＯＭ１３１の識別番号を読み出すことは可能であるが改竄することができない構造。
(15)チップを分解しても物理乱数ｆiの信号線（物理乱数発生器１３と第２の変調部１４との間の信号線）をタップすることができない構造。例えば、物理乱数ｆiの信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
(16)不揮発性メモリ１３４に保持される情報（例えば、後述するごとくカウンタ１３３によって計数される出力回数）を改竄することができない構造。
(17)カウンタ１３３を回避して擬似乱数発生器１１に直接アクセスして擬似乱数発生器１１に任意回数目の擬似乱数ｒiを発生させない構造。例えば、チップを分解してもカウンタ１３３と擬似乱数発生器１１との間の信号線をタップすることができない構造で、その信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
なお、図２１に示す暗号化装置１０ｃでは、通信路符号化部１５（図１参照）が図示されていないが、通信路符号化部１５は、図１に示す暗号化装置１０と同様にそなえられていてもよいし、そなえられていなくてもよい。通信路符号化部１５をそなえる場合、その通信路符号化部１５は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。
また、通信システム３の変調用擬似乱数発生器１１は、変調用擬似乱数ｒiの生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成されている。つまり、本実施形態において、擬似乱数発生器１１は、「擬似乱数出力のリセット（巻き戻し）は如何なる場合も不可能」に構成されている。その代わり、本実施形態では、外部から要求があると、「現在何番目の擬似乱数まで出力したか」を、後述するカウンタ１３３および不揮発性メモリ１３４の機能によって出力することができるようになっている。
さらに、通信システム３の変調用擬似乱数発生器１１では、クロック信号の空打ちを行なうことにより、変調用擬似乱数ｒi（つまりはその出力回数）を１つずつ進めることができるほか、後述する不揮発性メモリ１３４に所望の出力回数（例えばＮ）を設定することにより、変調用擬似乱数ｒiを、現在の出力回数よりも先の所望の出力回数（Ｎ番目）から生成・出力することができる。ただし、現在の出力回数（例えばＭ）よりも前の出力回数（Ｎ＜Ｍ）を設定して変調用擬似乱数発生器１１にその出力回数から変調用擬似乱数ｒiを生成させることはできないようになっている。いずれにしても、通信システム３の変調用擬似乱数発生器１１は、「生成される変調用擬似乱数ｒiを先に進めることはできても、決して後戻りすることはできない仕様」になっている。
識別番号用ＲＯＭ１３１は、本暗号化装置１０ｃ固有の識別番号（ＩＤ番号）を保持するもので、外部から識別番号出力要請を行なうことにより、その識別番号がＲＯＭ１３１から外部へ出力されるようになっている。この識別番号は、暗号鍵用ＲＯＭ１３２に保持される暗号鍵（種）と数値的な関係は全くないものであるが、暗号鍵（種）と一対一で対応し、この識別番号により、本暗号化装置１０ｃと同期すべき暗号復号化装置２０ｃ、つまり本暗号化装置１０ｃの暗号鍵用ＲＯＭ１３２に保持される暗号鍵（種）と同一の暗号鍵（種）を保持している暗号復号化装置２０ｃを特定することができるようになっている。
暗号鍵用ＲＯＭ１３２は、変調用擬似乱数発生器１１で用いられる暗号鍵（種）を保持するもので、通信システム３の変調用擬似乱数発生器１１は、ＲＯＭ１３２に保持された暗号鍵（種）に基づいて変調用擬似乱数ｒiを生成するようになっている。
カウンタ１３３は、変調用擬似乱数発生器１１に擬似乱数生成動作を実行させるべく外部から入力されるクロック信号の入力回数、つまり変調用擬似乱数発生器１１からの変調用擬似乱数ｒiの出力回数を計数するものである。
不揮発性メモリ（変調用擬似乱数出力回数保持部）１３４は、カウンタ１３３によって計数された出力回数（クロック信号の入力回数）を保持するもので、外部（暗号化装置１０ｃ外／耐タンパ領域６０外）からの出力命令に応じて、保持している出力回数を外部（暗号化装置１０ｃ外／耐タンパ領域６０外）へ出力する機能も有している。また、不揮発性メモリ１３４には、外部（暗号化装置１０ｃ外／耐タンパ領域６０外）から所望の出力回数（例えばＮ）が設定されるように構成されており、不揮発性メモリ１３４に出力回数が設定されると、その出力回数は、さらに、この不揮発性メモリ１３４からカウンタ１３３に設定されるように構成されている。そして、変調用擬似乱数発生器１１は、暗号鍵用ＲＯＭ１３２に保持された暗号鍵（種）に基づいて、カウンタ１３３に設定された出力回数に対応するＮ番目から、変調用擬似乱数ｒiを生成するように構成されている。
ここで、上述のごとく、暗号鍵用ＲＯＭ１３２に保持された暗号鍵（種）に基づいて、カウンタ１３３に設定された出力回数に対応するＮ番目から、変調用擬似乱数ｒiを生成する変調用擬似乱数発生器１１としては、例えば、ＢＢＳ（Blum, Blum, and Shub）生成器が用いられる（例えば、L. Blum, M. Blum, and M. Shub, "A Simple Unpredictable Pseudo-Random Number Generator", SIAM Journal on Computing, v. 15, n.2, 1986, pp.364-383参照）。このＢＢＳ生成器では、「種」（暗号鍵）から直接Ｎ番目の変調用擬似乱数ｒiを計算することができる。
従って、通信システム３において、変調用擬似乱数発生器１１は、クロック信号を入力される都度、順次、変調用擬似乱数ｒiを生成することができるほか、カウンタ１３３（不揮発性メモリ１３４）に出力回数Nを設定するだけで、そのＮ番目の変調用擬似乱数ｒiを、暗号鍵用ＲＯＭ１３２に保持されている暗号鍵（種）から直接生成することができるようになっている。
また、通信システム３において、変調用擬似乱数発生器１１からの変調用擬似乱数ｒiの出力回数（クロック信号の入力回数）は、常時、カウンタ１３３によって計数されて不揮発性メモリ１３４に記録されるので、本暗号化装置１０ｃの電源が遮断されても、次回の通電時には、変調用擬似乱数発生器１１は、電源遮断時において最後に出力した擬似乱数の次の擬似乱数から出力を開始することになる。
なお、変調用擬似乱数発生器１１に対するクロック信号の空打ちや、不揮発性メモリ１３４への出力回数の設定は、初期設定時等に利用者の要望によって行なわれるほか、前述したように暗号化装置１０ｃと暗号復号化装置２０ｃとの同期調整（擬似乱数発生器１１と２１との擬似乱数生成動作に生じた同期ズレの解消）を行なうために同期調整部１５３（図２０参照）によって実行される。
上述のごとく構成された暗号化装置１０ｃにおいて、耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとしては、以下の項目(21)〜(28)に対応するものが必要となる。
(21)平文入力（第１の変調部１２への入力ｘi）
(22)暗号文出力（第２の変調部１４からの出力ｓi）
(23)装置識別番号の出力命令入力（識別番号用ＲＯＭ１３１への出力命令）
(24)装置識別番号出力（(23)の出力命令に応じた識別番号用ＲＯＭ１３１からの出力）
(25)クロック信号入力（カウンタ１３３／変調用擬似乱数発生器１１への入力）
(26)擬似乱数の出力回数の出力命令入力（不揮発性メモリ１３４への出力命令）
(27)擬似乱数の出力回数の出力（(26)の出力命令に応じた不揮発性メモリ１３４からの出力）
(28)擬似乱数の出力回数の設定入力（不揮発性メモリ１３４への入力）
このとき、前述した通り、項目(28)の入力インタフェースによって不揮発性メモリ１３４（カウンタ１３３）に設定される出力回数は、常に増加する方向にしか設定できないようになっているが、項目(28)の入力インタフェースを省略して、カウンタ１３３／変調用擬似乱数発生器１１に対するクロック信号のカラ打ちを行なうことで、出力回数の設定を行なうように構成してもよい。
次に、図２２を参照しながら暗号復号化装置２０ｃの構成について説明する。図２２は図２０に示す通信システム３における暗号復号化装置２０ｃの構成を示すブロック図であり、この図２２に示す暗号復号化装置２０ｃは、上述した暗号復号化装置２０と同様の復調用擬似乱数発生器２１および復調部２２のほか、識別番号用ＲＯＭ（Read Only Memory）１４１，暗号鍵用ＲＯＭ（Read Only Memory）１４２，カウンタ１４３および不揮発性メモリ１４４をそなえて構成されている。
そして、通信システム３の暗号復号化装置２０ｃは、擬似乱数生成用の暗号鍵や擬似乱数発生器１１からの擬似乱数ｒiの漏洩を抑止する耐タンパ領域６０内に配置されている。ここで、通信システム３の暗号復号化装置２０ｃが配置される耐タンパ領域６０は、下記項目(31)〜(35)のごとき構造を提供するものである。なお、図２２に示す暗号復号化装置２０ｃ（耐タンパ領域６０）は、例えば一つのチップ（図示略）上に構成される。
(31)チップを分解しても暗号鍵用ＲＯＭ１４２の暗号鍵（即ち、擬似乱数ｒiの「種」）を読めない構造。例えば、ＲＯＭ１４２における暗号鍵を読もうとしてチップを分解すると、ＲＯＭ１４２が壊れる配線構造。
(32)チップを分解しても擬似乱数ｒiの信号線（擬似乱数発生器２１と復調部２２との間の信号線）をタップすることができない構造。例えば、擬似乱数ｒiの信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
(33)識別番号用ＲＯＭ１４１の識別番号を読み出すことは可能であるが改竄することができない構造。
(34)不揮発性メモリ１４４に保持される情報（例えば、後述するごとくカウンタ１４３によって計数される出力回数）を改竄することができない構造。
(35)カウンタ１４３を回避して擬似乱数発生器２１に直接アクセスして擬似乱数発生器２１に任意回数目の擬似乱数ｒiを発生させない構造。例えば、チップを分解してもカウンタ１４３と擬似乱数発生器２１との間の信号線をタップすることができない構造で、その信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
なお、図２２に示す暗号復号化装置２０ｃでは、通信路符号復号化部２３（図２参照）が図示されていないが、通信路符号復号化部２３は、暗号化装置１０ｃ側に通信路符号化部１５がそなえられている場合、図２に示す暗号復号化装置２０と同様にそなえられる。通信路符号復号化部２３をそなえる場合、その通信路符号復号化部２３は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。
また、通信システム３の復調用擬似乱数発生器２１も、上述した通信システム３の変調用擬似乱数発生器１１と同様、復調用擬似乱数ｒiの生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成されている。つまり、本実施形態において、擬似乱数発生器２１は、「擬似乱数出力のリセット（巻き戻し）は如何なる場合も不可能」に構成されている。その代わり、本実施形態では、外部から要求があると、「現在何番目の擬似乱数まで出力したか」を、後述するカウンタ１４３および不揮発性メモリ１４４の機能によって出力することができるようになっている。
さらに、通信システム３の復調用擬似乱数発生器２１でも、クロック信号の空打ちを行なうことにより、復調用擬似乱数ｒi（つまりはその出力回数）を１つずつ進めることができるほか、後述する不揮発性メモリ１４４に所望の出力回数（例えばＮ）を設定することにより、復調用擬似乱数ｒiを、現在の出力回数よりも先の所望の出力回数（Ｎ番目）から生成・出力することができる。ただし、現在の出力回数（例えばＭ）よりも前の出力回数（Ｎ＜Ｍ）を設定して復調用擬似乱数発生器２１にその出力回数から復調用擬似乱数ｒiを生成させることはできないようになっている。いずれにしても、通信システム３の復調用擬似乱数発生器２１は、「生成される復調用擬似乱数ｒiを先に進めることはできても、決して後戻りすることはできない仕様」になっている。
識別番号用ＲＯＭ１４１は、本暗号復号化装置２０ｃ固有の識別番号（ＩＤ番号）を保持するもので、外部から識別番号出力要請を行なうことにより、その識別番号がＲＯＭ１４１から外部へ出力されるようになっている。この識別番号は、暗号鍵用ＲＯＭ１４２に保持される暗号鍵（種）と数値的な関係は全くないものであるが、この識別番号により、本暗号復号化装置２０ｃと同期すべき暗号化装置１０ｃ、つまり本暗号復号化装置２０ｃの暗号鍵用ＲＯＭ１４２に保持される暗号鍵（種）と同一の暗号鍵（種）を保持している暗号化装置１０ｃを特定することができるようになっている。
暗号鍵用ＲＯＭ１４２は、復調用擬似乱数発生器２１で用いられる暗号鍵（種）を保持するもので、通信システム３の復調用擬似乱数発生器２１は、ＲＯＭ１４２に保持された暗号鍵（種）に基づいて復調用擬似乱数ｒiを生成するようになっている。
カウンタ１４３は、復調用擬似乱数発生器２１に擬似乱数生成動作を実行させるべく外部から入力されるクロック信号の入力回数、つまり復調用擬似乱数発生器２１からの復調用擬似乱数ｒiの出力回数を計数するものである。
不揮発性メモリ（復調用擬似乱数出力回数保持部）１４４は、カウンタ１４３によって計数された出力回数（クロック信号の入力回数）を保持するもので、外部（暗号復号化装置２０ｃ外／耐タンパ領域６０外）からの出力命令に応じて、保持している出力回数を外部（暗号復号化装置２０ｃ外／耐タンパ領域６０外）へ出力する機能も有している。また、不揮発性メモリ１４４には、外部（暗号復号化装置２０ｃ外／耐タンパ領域６０外）から所望の出力回数（例えばＮ）が設定されるように構成されており、不揮発性メモリ１４４に出力回数が設定されると、その出力回数は、さらに、この不揮発性メモリ１４４からカウンタ１４３に設定されるように構成されている。そして、復調用擬似乱数発生器２１は、暗号鍵用ＲＯＭ１４２に保持された暗号鍵（種）に基づいて、カウンタ１４３に設定された出力回数に対応するＮ番目から、復調用擬似乱数ｒiを生成するように構成されている。ここで、復調用擬似乱数発生器２１としては、上述した通信システム３の変調用擬似乱数発生器１１と同様、例えば、ＢＢＳ生成器を用いることができる。
従って、通信システム３において、復調用擬似乱数発生器２１は、クロック信号を入力される都度、順次、復調用擬似乱数ｒiを生成することができるほか、カウンタ１４３（不揮発性メモリ１４４）に出力回数Nを設定するだけで、そのＮ番目の復調用擬似乱数ｒiを、暗号鍵用ＲＯＭ１４２に保持されている暗号鍵（種）から直接生成することができるようになっている。
また、通信システム３において、復調用擬似乱数発生器２１からの復調用擬似乱数ｒiの出力回数（クロック信号の入力回数）は、常時、カウンタ１４３によって計数されて不揮発性メモリ１４４に記録されるので、本暗号復号化装置２０ｃの電源が遮断されても、次回の通電時には、復調用擬似乱数発生器２１は、電源遮断時において最後に出力した擬似乱数の次の擬似乱数から出力を開始することになる。
なお、復調用擬似乱数発生器２１に対するクロック信号の空打ちや、不揮発性メモリ１４４への出力回数の設定は、初期設定時等に利用者の要望によって行なわれるほか、前述したように暗号化装置１０ｃと暗号復号化装置２０ｃとの同期調整（擬似乱数発生器１１と２１との擬似乱数生成動作に生じた同期ズレの解消）を行なうために同期調整部１５３（図２０参照）によって実行される。
上述のごとく構成された暗号復号化装置２０ｃにおいて、耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとしては、以下の項目(41)〜(48)に対応するものが必要となる。
(41)暗号文入力（復調部２２への入力ｄi；通信路符号復号化部２３が耐タンパ領域６０内に配置されている場合には通信路符号復号化部２３への入力ｃi）
(42)平文出力（復調部２２からの出力ｘi）
(43)装置識別番号の出力命令入力（識別番号用ＲＯＭ１４１への出力命令）
(44)装置識別番号出力（(43)の出力命令に応じた識別番号用ＲＯＭ１４１からの出力）
(45)クロック信号入力（カウンタ１４３／復調用擬似乱数発生器２１への入力）
(46)擬似乱数の出力回数の出力命令入力（不揮発性メモリ１４４への出力命令）
(47)擬似乱数の出力回数の出力（(46)の出力命令に応じた不揮発性メモリ１４４からの出力）
(48)擬似乱数の出力回数の設定入力（不揮発性メモリ１４４への入力）
このとき、前述した通り、項目(48)の入力インタフェースによって不揮発性メモリ１４４（カウンタ１４３）に設定される出力回数は、常に増加する方向にしか設定できないようになっているが、項目(48)の入力インタフェースを省略して、カウンタ１４３／復調用擬似乱数発生器２１に対するクロック信号のカラ打ちを行なうことで、出力回数の設定を行なうように構成してもよい。
このように構成された通信システム３（暗号化装置１０ｃおよび暗号復号化装置２０ｃ）によれば、通信装置３ａと通信装置３ｂとの相互間で本実施形態の暗号技術を適用した暗号通信が実現され、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、通信システム３では、本実施形態の暗号技術を適用することにより、上述のごとく既知平文攻撃に対し極めて高い暗号強度を確保することができるため、公開鍵暗号を使用した頻繁な暗号鍵の再配布を行なう必要が無くなり、固定の暗号鍵を通信装置３ａ，３ｂにおける暗号化装置１０ｃおよび暗号復号化装置２０ｃのそれぞれに埋め込んで使用することができる。さらに通信装置３ａ，３ｂにおける暗号化装置１０ｃおよび暗号復号化装置２０ｃのそれぞれに暗号鍵を埋め込むことにより、利用者自身に対してすらも暗号鍵を秘匿した高い秘匿性を保持した状態で、装置寿命が尽きるまで通信システム３を運用することができる。
さらに、通信システム３では、暗号化装置１０ｃおよび暗号復号化装置２０ｃが、それぞれ、チップ上における耐タンパ領域６０に配置されて耐タンパ性が確保され、耐タンパ領域６０とその外部との入出力は上記項目(21)〜(28)および(41)〜(48)に示したものに限定されている。
これにより、上記項目(21)〜(28)および(41)〜(48)のインタフェースを通じて、擬似乱数発生器１１，２１によって生成される擬似乱数ｒiや、ＲＯＭ１３２，１４２に保持される暗号鍵を、耐タンパ領域６０外に一切読み出すことはできない。また、上記項目(11)〜(17)および上記項目(31)〜(35)の構造を提供する耐タンパ領域６０を採用することにより、チップを分解しても、ＲＯＭ１３２，１４２に保持される暗号鍵を読み出したり、擬似乱数ｒiの信号線をタップしたり、物理乱数ｆiの信号線をタップしたりすることが一切できず、さらに、チップの外部からの物理的擾乱（熱や電圧）を加えても、物理乱数発生器１３からの物理乱数ｆiの確率分布が変化しなくなる。
従って、盗聴者等が、擬似乱数ｒiや暗号鍵や乱数表を盗み出して暗号解読に利用することを確実に防止できる。さらには、盗聴者等が、暗号化装置１０ｃそのものを盗み出し物理的擾乱を加えることにより物理乱数発生器１３の出力を偏らせた状態で選択平文攻撃を行なおうとしても、物理乱数発生器１３からの物理乱数ｆiの確率分布が変化しないため（もしくは物理的擾乱が加わると動作が停止するため）、選択平文攻撃を行なっても、物理乱数ｆiの揺らぎによって暗号化装置１０ｃからの出力の解読が不可能になり（もしくは動作停止によって暗号化装置１０ｃからの出力を得られなくなり）、暗号鍵（種）を逆算することは不可能であり、選択平文攻撃に対しても極めて高い暗号強度を確保することができる。
さらに、擬似乱数発生器１１，２１が、擬似乱数ｒiの生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成され、「擬似乱数出力のリセット（巻き戻し）は如何なる場合も不可能」になっているので、盗聴者等は、暗号化装置１０ｃや暗号復号化装置２０ｃを盗み出しても、擬似乱数ｒiをリセット（巻き戻）して同じ擬似乱数列を繰り返し生成・出力させて再使用することができない。従って、暗号鍵（種）の解読に用いられうる余計な情報を盗聴者等に与えられることがなく、盗聴者による解読、暗号鍵の逆算を確実に抑止して、暗号化装置１０ｃへの選択平文攻撃や、暗号復号化装置２０ｃへの選択暗号文攻撃に対しても極めて高い暗号強度を確保することができる。
なお、ここで、選択平文攻撃とは、盗聴者等が、暗号化装置１０ｃを奪取し、その暗号化装置１０ｃに対し、全て「０」もしくは「１」の平文を入力して得られた暗号文から暗号鍵（種）を逆算する攻撃のこと（ブラックボックステスト）である。また、選択暗号文攻撃とは、盗聴者等が、暗号復号化装置２０ｃを奪取し、その暗号復号化装置２０ｃに対しブラックボックステストを行なって暗号鍵（種）を逆算する攻撃のことである。
もし擬似乱数発生器１１，２１による擬似乱数ｒiの生成動作のリセットおよび繰り返しを許した場合には、奪取された暗号化装置１０ｃもしくは暗号復号化装置２０ｃを用いて、例えば以下のような手法により擬似乱数列を推定することができてしまう。
暗号化装置１０ｃにおいて、擬似乱数発生器１１のリセット後に最初（１番目）に擬似乱数発生器１１から出力される擬似乱数の値を推定する場合、「平文『０』を暗号化装置１０ｃに入力して暗号化装置１０ｃからの暗号文出力を記録した後、擬似乱数発生器１１をリセットする」という処理を繰り返し、暗号化装置１０ｃからの暗号文出力の度数分布を採る。本実施形態における物理乱数による撹乱は±２であるので、±２の揺らぎの中心を、対応する擬似乱数値（１番目の擬似乱数値）として推定することができる。同様の操作を行なうことにより、ｎ番目の擬似乱数の値を推定することができる。例えば図１〜図１２を参照しながら説明した本実施形態の暗号化装置１０では、平文「0」の入力に対し暗号文出力は「０」，「１」，「３」，「４」のうちの一つが出力されるので、対応する擬似乱数値（１番目の擬似乱数値）として「２」が推定されることになる。
また、暗号復号装置２０ｃにおいて、擬似乱数発生器２１のリセット後に最初（１番目）に擬似乱数発生器２１から出力される擬似乱数の値を推定する場合、「(1)暗号文『０』を暗号復号化装置２０ｃに入力して暗号復号化装置２０ｃからの平文出力を記録した後、擬似乱数発生器２１をリセットし、(2)暗号文『１』を暗号復号化装置２０ｃに入力して暗号復号化装置２０ｃからの平文出力を記録した後、擬似乱数発生器２１をリセットし、…（中略）…、(9)暗号文『９』を暗号復号化装置２０ｃに入力して暗号復号化装置２０ｃからの平文出力を記録した後、擬似乱数発生器２１をリセットする」という処理を行なうと、暗号文入力０〜９と平文出力０，１との対応関係に基づいて、１番目の擬似乱数の値を推定することができる。同様の操作を行なうことにより、ｎ番目の擬似乱数の値を推定することができる。
例えば図１〜図１２を参照しながら説明した本実施形態の暗号復号化装置２０では、暗号文入力「0」に対する平文出力が「０」となり、暗号文入力「１」に対する平文出力が「０」となり、暗号文入力「２」に対する平文出力が「エラー」となり、暗号文入力「３」に対する平文出力が「０」となり、暗号文入力「４」に対する平文出力が「０」となり、暗号文入力「５」に対する平文出力が「１」となり、暗号文入力「６」に対する平文出力が「１」となり、暗号文入力「７」に対する平文出力が「エラー」となり、暗号文入力「８」に対する平文出力が「１」となり、暗号文入力「９」に対する平文出力が「１」なる。このような対応関係から、対応する擬似乱数値（１番目の擬似乱数値）として「２」が推定されることになる。
これに対し、通信システム３では、上述したように、暗号化装置１０ｃおよび暗号復号化装置２０ｃにおける擬似乱数発生器１１，２１による擬似乱数ｒiの生成動作のリセットおよび繰り返しは禁止されているので、盗聴者等は、暗号化装置１０ｃや暗号復号化装置２０ｃを盗み出しても、擬似乱数ｒiをリセットして同じ擬似乱数列を繰り返し生成・出力させて再使用することが一切できない。
一方、通信システム３では、例えば、停電などで発生した異常停止の後の復旧時などに、通信装置３ａにおける擬似乱数生成動作と通信装置３ｂにおける擬似乱数生成動作との同期をとる必要が生じると、通信装置３ａにおける送受信部１５２と通信装置３ｂにおける送受信部１５２とが、公開通信を相互に行ない、変調用擬似乱数ｒiおよび復調用擬似乱数ｒiの出力回数（それぞれ不揮発性メモリ１３４，１４４から読み出されたもの）を同期情報として交換する。
そして、通信装置３ａ，３ｂにおける擬似乱数ｒiの同期処理を行なう場合、各通信装置３ａ，３ｂにおける同期調整部１５３が、暗号化装置１０ｃの不揮発性メモリ１３４または暗号復号化装置２０ｃの不揮発性メモリ１４４に対する出力回数の設定、あるいは、擬似乱数発生器１１または２１に対するクロック信号の空打ちを行なうことにより、出力回数値の小さい方の出力回数を増加させ、暗号化装置１０ｃにおける擬似乱数発生器１１の出力回数と暗号復号化装置２０ｃにおける擬似乱数発生器２１の出力回数とを一致させ、暗号化装置１０ｃにおける擬似乱数発生器１１の擬似乱数生成動作と暗号復号化装置２０ｃにおける擬似乱数発生器２１の擬似乱数生成動作とを同期させる。
〔１１〕本実施形態の通信システムの第２例
第２例の通信システム３Ａも、第１例の通信システム３と同様、図２０に示すごとく、通信ネットワーク等を介して相互に通信可能に接続された２つの通信装置３ａ，３ｂをそなえて構成されている。前述した通り、第２例の通信システム３Ａでは、２つの通信装置３ａ，３ｂの相互間が、改竄の無い通信路（信号線路）を介して通信可能に接続され、その通信路を介して２つの通信装置３ａ，３ｂが公開通信によって同期処理を行なう場合について説明する。
通信システム３Ａにおける通信装置３ａ，３ｂはいずれも同一の構成を有しており、この通信システム３Ａにおいて、通信装置３ａは、上述した手法で通信装置３ｂへ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｄと、上述した手法で通信装置３ｂから受信した暗号化データ（ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｄと、前述した送受信部１５２および同期調整部１５３とをそなえて構成されるとともに、通信装置３ｂは、上述した手法で通信装置３ａへ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｄと、上述した手法で通信装置３ａから受信した暗号化データ（暗号文ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｄと、前述した送受信部１５２および同期調整部１５３とをそなえて構成されている。なお、暗号化装置１０ｄの構成については図２３を参照しながら後述し、暗号復号化装置２０ｄの構成については図２４を参照しながら後述する。
ただし、図２３および図２４を参照しながら後述するごとく、通信システム３Ａの暗号化装置１０ｄは、第２の変調部１４によって得られた暗号化データ（ｓi）を送信先通信装置３ａまたは３ｂに複数のパケットとして送信するように構成されるとともに、通信システム３Ａの暗号復号化装置２０ｄは、送信元通信装置３ａまたは３ｂの暗号化装置１０ｄから受信した各パケットにおける暗号化データ（ｓi）を入力データ（平文ｘi）に復調するように構成されている。
特に、通信システム３Ａ（暗号化装置１０ｄおよび暗号復号化装置２０ｄ）は、ＩＰ（Internet Protocol）網のように、パケットの到着順序が入れ替わったり消失したりし得る通信路を用いた通信を対象とし、個々のパケットが正規送信者からの送信されたものであるか否かを認識する必要があるシステム（具体的にはＩＰ電話の通信システム）を対象としている。
また、通信システム３Ａにおいても、通信装置３ａにおける暗号化装置１０ｄと通信装置３ｂにおける暗号復号化装置２０ｄとが対になっており、これらの装置１０ｄ，２０ｄにおける擬似乱数発生器１１，２１（図２３，図２４参照）は、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。同様に、通信装置３ｂにおける暗号化装置１０ｄと通信装置３ａにおける暗号復号化装置２０ｄとが対になっており、これらの装置１０ｄ，２０ｄにおける擬似乱数発生器１１，２１も、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。ただし、上述した各装置対で用いられる暗号鍵としては、異なるものが設定されている。
このような構成により、通信装置３ａから通信装置３ｂへの送信データは、暗号化装置１０ｄによって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ｂへ送信され、通信装置３ｂ側では、通信装置３ａから受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｄによって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。同様に、通信装置３ｂから通信装置３ａへの送信データは、暗号化装置１０ｄによって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ａへ送信され、通信装置３ａ側では、通信装置３ｂから受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｄによって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。なお、通信システム３Ａにおいて、送受信部１５２および同期調整部１５３は、通信システム３において説明したものと同様のものであるので、その説明は省略する。
次に、図２３を参照しながら暗号化装置１０ｄの構成について説明する。図２３は図２０に示す通信システム３Ａにおける暗号化装置１０ｄの構成を示すブロック図であり、この図２３に示す暗号化装置１０ｄは、上述した暗号化装置１０ｃと同様の変調用擬似乱数発生器１１，第１の変調部１２，物理乱数発生器１３，第２の変調部１４，識別番号用ＲＯＭ１３１，暗号鍵用ＲＯＭ１３２，カウンタ１３３および不揮発性メモリ１３４のほか、組込み部１３５およびパケット化部１３６をそなえて構成されている。
そして、本実施形態の暗号化装置１０ｄも、通信システム３の暗号化装置１０ｃと同様、チップ（図示略）において、耐タンパ領域６０（上記項目(11)〜(17)のごとき構造を提供するもの）内に配置されている。ただし、パケット化部１３６は、耐タンパ領域６０外に配置されていてもよい。なお、図２３中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示しているので、その説明は省略する。
また、図２３に示す暗号化装置１０ｄでは、通信システム３の暗号化装置１０ｃと同様、通信路符号化部１５（図１参照）が図示されていないが、通信路符号化部１５は、図１に示す暗号化装置１０と同様にそなえられていてもよいし、そなえられていなくてもよい。通信路符号化部１５をそなえる場合、その通信路符号化部１５は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。
組込み部１３５は、入力データｘiを、後述するパケット化部１３６によってパケットのコンテナ部として取り扱われるパケット単位〔図２５（Ｂ）に示すごとくパケットのコンテナ部に格納される、一定量のデータ単位〕に分割し、そのパケット単位毎に、そのパケット単位の最初のデータｘiを第１の変調部１２で変調する際に用いられる変調用擬似乱数ｒiの、擬似乱数発生器１１からの出力回数（何番目の擬似乱数であるかを示す数値）を、カウンタ１３３（不揮発性メモリ１３４）によって計数された現在の計数値に基づいて求め、求められた出力回数を、当該パケット単位（一定量の入力データ内）に組み込むとともに、擬似乱数発生器１１からの所定擬似乱数列を、当該パケット単位について固有の認証コードとして当該パケット単位（一定量の入力データ内）に組み込むものである。これにより、暗号化装置１０ｄから暗号復号化装置２０ｄに送信される各パケットのコンテナ部における暗号化データには、出力回数および認証コードが含まれることになる。
その際、組込み部１３５は、出力回数や認証コードのパケット単位における格納位置（組込み／埋め込み位置；つまり各パケットのコンテナ部における格納位置）を、擬似乱数発生器１１からの擬似乱数に基づいて決定し、図２５（Ａ）に示すごとく、決定された位置に出力回数や認証コードが配置されるように、出力回数や認証コードを組み込むようになっている。つまり、本実施形態では、出力回数や認証コードの組込み位置／埋め込み位置は、擬似乱数発生器１１からの擬似乱数によってスクランブルされる。
パケット化部１３６は、図２５（Ｂ）に示すごとく、組込み部１３５で分割され変調部１３で変調されたパケット単位を、コンテナ部に格納するとともに、変調・暗号化されていないヘッダ部を作成してコンテナ部に付与することにより、パケットを作成し（変調結果のパケット化を行ない）、通信相手（送信先）の通信装置３ａまたは３ｂに送信するものである。その際、パケット化部１３６は、図２５（Ｂ）に示すごとく、各パケット単位に組み込んだ出力回数と同じものを、変調することなく生のまま上記ヘッダ部に記述するようになっている。なお、パケット化部１３６は、必要に応じて、暗号化装置１０ｄで用いられる暗号鍵の識別番号（ＩＤ番号；ＲＯＭ１３１に保持されている装置識別番号）を、変調することなく生のまま上記ヘッダ部に記述してもよい。
なお、図２５（Ａ）は、通信システム３Ａにおいて、組込み部１３５によって行なわれる、認証コードおよび出力回数の入力データ（平文）への組込み例を示す図、図２５（Ｂ）は、図２５（Ａ）に示す入力データ（平文）を、後述するパケット化部１３６によりパケット化した例を示す図である。また、出力回数に代えて、パケットの送信順序を示す通し番号をパケット単位に組み込むようにしてもよい。さらに、暗号化装置１０ｄにおいても、耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとしては、上記項目(21)〜(28)に対応するものがそなえられている。
次に、図２４を参照しながら暗号復号化装置２０ｄの構成について説明する。図２４は図２０に示す通信システム３Ａにおける暗号復号化装置２０ｄの構成を示すブロック図であり、この図２４に示す暗号復号化装置２０ｄは、上述した暗号復号化装置２０ｃと同様の復調用擬似乱数発生器２１，復調部２２，識別番号用ＲＯＭ１４１，暗号鍵用ＲＯＭ１４２，カウンタ１４３および不揮発性メモリ１４４のほか、ＦＩＦＯメモリ１４５，並べ替え部１４６，取出し部１４７，比較部（第１比較部，第２比較部）１４８，パケット消失判断部１４９，パケット破棄部１５０および出力回数調整部１５４をそなえて構成されている。
そして、通信システム３Ａの暗号復号化装置２０ｄも、通信システム３の暗号復号化装置２０ｃと同様、チップ（図示略）において、耐タンパ領域６０（上記項目(31)〜(35)のごとき構造を提供するもの）内に配置されている。なお、図２４中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示しているので、その説明は省略する。
また、図２４に示す暗号復号化装置２０ｄでは、通信システム３の暗号復号化装置２０ｃと同様、通信路符号復号化部２３（図２参照）が図示されていないが、通信路符号復号化部２３は、暗号化装置１０ｄ側に通信路符号化部１５がそなえられている場合、図２に示す暗号復号化装置２０と同様にそなえられる。通信路符号復号化部２３をそなえる場合、その通信路符号復号化部２３は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。
ＦＩＦＯ（First In First Out）メモリ１４５は、十分長い受信メモリであって、通信相手（送信元）の通信装置３ａまたは３ｂの暗号化装置１０ｄから受信した複数のパケットを保持するパケット保持部として機能するものである。
並べ替え部１４６は、ＦＩＦＯメモリ１４５に保持された前記複数のパケットを、ＦＩＦＯメモリ１４５において、各パケットのヘッダ部に記述された出力回数（または通し番号）に従う順序に並べ替え、その出力回数に応じた順序でパケットのコンテナ部における暗号化データをＦＩＦＯメモリ１４５から復調部２２に入力させるものである。
取出し部１４７は、復調用擬似乱数発生器２１によって生成された復調用擬似乱数（組込み部１３５による組込み時に用いられた変調用擬似乱数と同じもの）に基づいて、復調部２２による復調結果から、組込み部１３５によって組み込まれた出力回数および認証コードを取り出し、これらの出力回数および認証コードを取り出した後の復調結果を正式な復調結果として暗号復号化装置２０ｄの外部へ出力するものである。
比較部（第１比較部，第２比較部）１４８は、各パケットのヘッダ部に記述された出力回数と復調部２２による復調結果から取出し部１４７によって取り出された出力回数とを比較するとともに、復調部２２による復調結果から取出し部１４７によって取り出された認証コードと、復調用擬似乱数発生器２１によって生成された、当該認証コードに対応する復調用擬似乱数列とを比較するものである。
パケット消失判断部１４９は、暗号化装置１０ｄから複数のパケットのうちの一つを受信した後に、そのパケットのヘッダ部に記述された出力回数（または通し番号）に従って次に受信すべきパケットが所定時間以内に受信されない場合、当該パケットが消失したものと判断するものである。
パケット破棄部１５０は、比較部１４８による比較の結果、出力回数（または通し番号）が不一致であった場合や認証コードが不一致であった場合、当該パケットを破棄するものである。
出力回数調整部１５４は、パケット破棄部１５０によってパケットを破棄した場合、もしくは、パケット消失判断部１４９によってパケットが消失したものと判断された場合、復調用擬似乱数発生器２１から復調部２２に出力される復調用擬似乱数ｒiの出力回数を、破棄されたパケットもしくは消失したと判断されたパケットの次に正常に受信されたパケットについての出力回数（そのパケットのコンテナ部に含まれるパケット単位の最初のデータｘiを変調する際に用いられる変調用擬似乱数ｒiの出力回数）に合わせるように調整するものである。その際、出力回数調整部１５４は、通信システム３の同期調整部１５３と同様、暗号復号化装置２０ｄの不揮発性メモリ１４４に対する出力回数の設定、あるいは、擬似乱数発生器２１に対するクロック信号の空打ちを行なうことにより、擬似乱数発生器２１からの出力回数の調整を行なうようになっている。
なお、暗号復号化装置２０ｄにおいても、耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとしては、上記項目(41)〜(48)に対応するものがそなえられている。
また、通信システム３Ａでは、ＦＩＦＯメモリ１４５，並べ替え部１４６，パケット消失判断部１４９，パケット破棄部１５０および出力回数調整部１５４を耐タンパ領域６０内に配置しているが、これらの各部は、擬似乱数を直接利用するものではないので、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。
このように構成された通信システム３Ａ（暗号化装置１０ｄおよび暗号復号化装置２０ｄ）によれば、通信装置３ａと通信装置３ｂとの相互間で本実施形態の暗号技術を適用した暗号通信が実現され、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができるほか、上述した第１例の通信システム３（暗号化装置１０ｃおよび暗号復号化装置２０ｃ）と同様の作用効果を得ることもできる。
また、通信システム３Ａの各通信装置３ａ，３ｂにおいても、暗号化装置１０ｄおよび暗号復号化装置２０ｄが、それぞれ、耐タンパ領域６０内に配置されているので、擬似乱数発生器１１，２１と変調部１２や復調部２２との間の信号線だけでなく、擬似乱数発生器１１，２１と各構成要素との間の信号線からもタップすることができないようになっているので、通信システム３と同様、チップを分解しても、ＲＯＭ１３２，１４２に保持される暗号鍵を読み出したり、擬似乱数ｒiの信号線をタップしたり、物理乱数ｆiの信号線をタップしたりすることが一切できず、さらに、チップの外部からの物理的擾乱を加えても、物理乱数発生器１３からの物理乱数ｆiの確率分布が変化しなくなる。従って、第２例の通信システム３Ａにおいても、第１例の通信システム３と同様の作用効果を得ることができる。
ところで、通信装置３ａ，３ｂ間でパケット通信を行なう場合、パケットの順序の入れ替えが生じると変調用擬似乱数と復調用擬似乱数との対応が取れなくなり、暗号復号化装置２０ｄにおいて、順序の入れ替わったパケットにおける暗号文（暗号化データ）を正しく復調できず、文字化け等が生じてしまうことがある。
そこで、通信システム３Ａでは、暗号復号化装置２０ｄ側においてパケットの到着順序入れ替わった否かを認識するために、パケットのヘッダ部には、変調・暗号化されていない生の出力回数（または通し番号）が記述されている。
これにより、複数のパケットが送信中に入れ替わって通信装置３ａまたは３ｂにおいて送信時とは異なる順序で受信されても、並べ替え部１４６が、ＦＩＦＯメモリ１４５における各パケットのヘッダ部に記述された出力回数（通し番号）を参照し、ＦＩＦＯメモリ１４５においてパケットの保持順序を入れ替えることで、パケット受信後に正しい順序に入れ替えることができる。つまり、各パケットのヘッダ部に記述された出力回数（通し番号）を参照してパケットを正しい順序に並べてから復調部２２に送り込むことができる。従って、通信システム３Ａでは、通信装置３ａ，３ｂ間でパケット通信を行ない通信中にパケット順序の入れ替えが生じた場合でも、受信側でパケットを正しい順序に並べ替えることができるので、変調用擬似乱数と復調用擬似乱数との対応関係を常に保持しながら暗号文（暗号化データ）を正しく復調することが可能になる。
また、通信システム３Ａでは、各パケットのコンテナ部に保持される暗号化データ（暗号文）内にも、擬似乱数ｒiの出力回数（または通し番号）が埋め込まれており、暗号復号化装置２０ｄ側において、取出し部１４７によってコンテナ部から取り出された出力回数とヘッダ部に記述された出力回数とを比較部１４８により比較し、これらの出力回数が不一致の場合、パケットの改竄もしくは通信路の雑音でビットが反転したことになるので、そのパケットをパケット破棄部１５０によって破棄する。
さらに、通信システム３Ａでは、暗号復号化装置２０ｄ側においてパケットが正規送信者から送信されてきたものであるか否かを認識するために、暗号化されたパケット内部（コンテナ部の暗号文）には、認証コード（変調用擬似乱数発生器１１によって生成された擬似乱数列）が埋め込まれており、暗号復号化装置２０ｄ側において、取出し部１４７によってコンテナ部から取り出された認証コードと、復調用擬似乱数発生器２１によって生成された、当該認証コードに対応する復調用擬似乱数列とを比較部１４８により比較し、これらの認証コードが不一致の場合も、パケットの改竄もしくは通信路の雑音でビットが反転したことになるので、そのパケットをパケット破棄部１５０によって破棄する。なお、このような破棄を行なった後に、認証コードが一致する正規送信者からのパケットが届いたとしても、そのパケットはパケット破棄部１５０によって破棄される。
またさらに、通信システム３Ａでは、パケット消失判断部１４９により、ＦＩＦＯメモリ１４５に保持されているパケットのヘッダ部（出力回数／通し番号）が監視され、受信すべきパケットが所定時間以内に受信されない場合、そのパケットが消失したものと判断される。
そして、上述のようにパケット破棄部１５０によってパケットが破棄された場合やパケット消失判断部１４９によってパケットが消失したものと判断された場合、出力回数調整部１５４が、暗号復号化装置２０ｄの不揮発性メモリ１４４に対する出力回数の設定、あるいは、擬似乱数発生器２１に対するクロック信号の空打ちを行なうことにより、復調用擬似乱数発生器２１から復調部２２に出力される復調用擬似乱数ｒiの出力回数が、破棄されたパケットもしくは消失したと判断されたパケットの次に正常に受信されたパケットについての出力回数となるように調整される。これにより、パケットを破棄したり消失パケットが発生したりしても、変調用擬似乱数と復調用擬似乱数との対応関係を常に保持しながら暗号文（暗号化データ）を正しく復調することが可能になる。
また、通信システム３Ａでは、各パケットのコンテナ部内に、擬似乱数の出力回数，認証コードおよび通信文（入力データ）が格納されることになるが、これらの格納位置が固定されていると、盗聴者等によってその格納位置が推定され、擬似乱数の出力回数および認証コードの部分をコピーして通信文を入れ替えた偽造パケットが作成され、盗聴者等による成りすまし行為が可能になってしまう。これを防止すべく、通信システム３Ａでは、組込み部１３５により、出力回数や認証コードを埋め込む際に、その埋め込み位置を、図２５（Ａ）や図２５（Ｂ）に示すごとく、擬似乱数発生器１１からの擬似乱数によってスクランブルしている。これにより、盗聴者等が上述のような成りすまし行為を行なうことは不可能になる。
なお、通信システム３Ａでは、組込み部１３５により、変調部１２によって変調を行なう前の入力データに対し、出力回数および認証コードを、擬似乱数によってスクランブルさせて埋め込み、出力回数および認証コードに対しても変調を施しているが、変調部１２，１４によって変調された後の暗号文（パケット単位）に対し、変調部１２，１４による変調を施されていない出力回数および認証コードを、擬似乱数によってスクランブルさせて埋め込んでもよい。この場合、暗号化装置１０ｄにおいて、組込み部１３５は、変調部１４とパケット化部１３６との間に設けられ、出力回数および認証コードを埋め込まれた暗号文をパケット化する一方、暗号復号化装置２０ｄにおいて、取出し部１４７は、ＦＩＦＯメモリ１４５と復調部２２との間に設けられ、出力回数および認証コードを取り出した後のパケット内暗号文を復調部２２に入力することになる。このような構成によっても、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
〔１２〕本実施形態の通信システムの第３例
図２６は、本発明の暗号化／復号化技術を適用された通信システムの第３例（符号３'参照）および第４例（符号３Ａ'参照）の全体構成を示すブロック図であり、この図２６に示す第３例の通信システム３'は、通信ネットワーク等を介して相互に通信可能に接続された２つの通信装置３ａ'，３ｂ'をそなえて構成されている。この第３例の通信システム３'および後述する第４例の通信システム３Ａ'では、２つの通信装置３ａ'，３ｂ'の相互間が、改竄の有り得る通信路（信号線路）を介して通信可能に接続され、その通信路を介して２つの通信装置３ａ'，３ｂ'が、後述するバーナム暗号通信によって同期処理を行なう場合について説明する。
これらの通信装置３ａ'，３ｂ'はいずれも同一の構成を有しており、通信装置３ａ'は、上述した手法で通信装置３ｂ'へ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｃ'と、上述した手法で通信装置３ｂ'から受信した暗号化データ（ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｃ'と、後述する不揮発性メモリ１５１，送受信部１５２Ａおよび同期調整部１５３とをそなえて構成されるとともに、通信装置３ｂ'は、上述した手法で通信装置３ａ'へ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｃ'と、上述した手法で通信装置３ａ'から受信した暗号化データ（暗号文ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｃ'と、後述する不揮発性メモリ１５１，送受信部１５２Ａおよび同期調整部１５３とをそなえて構成されている。なお、暗号化装置１０ｃ'の構成については図２７を参照しながら後述し、暗号復号化装置２０ｃ'の構成については図２８を参照しながら後述する。
また、図２６に示す通信システム３'では、通信装置３ａ'における暗号化装置１０ｃ'と通信装置３ｂ'における暗号復号化装置２０ｃ'とが対になっており、これらの装置１０ｃ'，２０ｃ'における擬似乱数発生器１１，２１（図２７，図２８参照）は、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。同様に、通信装置３ｂ'における暗号化装置１０ｃ'と通信装置３ａ'における暗号復号化装置２０ｃ'とが対になっており、これらの装置１０ｃ'，２０ｃ'における擬似乱数発生器１１，２１も、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。ただし、上述した各装置対で用いられる暗号鍵としては、異なるものが設定されている。
このような構成により、通信装置３ａ'から通信装置３ｂ'への送信データは、暗号化装置１０ｃ'によって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ｂ'へ送信され、通信装置３ｂ'側では、通信装置３ａ'から受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｃ'によって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。同様に、通信装置３ｂ'から通信装置３ａ'への送信データは、暗号化装置１０ｃ'によって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ａ'へ送信され、通信装置３ａ'側では、通信装置３ｂ'から受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｃ'によって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。
ここで、不揮発性メモリ１５１，送受信部１５２Ａおよび同期調整部１５３は、何らかの要因により擬似乱数発生器１１と２１との擬似乱数生成動作に同期ズレが生じて暗号化装置１０ｃ'と暗号復号化装置２０ｃ'との間の暗号通信が行なえなくなった場合に用いられるものである。
不揮発性メモリ（乱数表保持部）１５１は、後述する送受信部１５２Ａによる暗号化／暗号復号化に用いられる乱数表を保持するものである。通信装置３ａ'，３ｂ'の不揮発性メモリ１５１，１５１には、暗号化装置１０ｃ'と暗号復号化装置２０ｃ'との間の暗号通信が正常に行なわれている際に、暗号化データのやり取りが行なわれている合間をぬって上記乱数表の乱数列を暗号通信によってやり取りすることで、同一の乱数表が蓄積されて保持される。
送受信部（暗号送信部／復号受信部）１５２Ａは、不揮発性メモリ１３４（図２７参照）または不揮発性メモリ１４４（図２８参照）から読み出された変調用擬似乱数または復調用擬似乱数の出力回数を、不揮発性メモリ１５１に保持された乱数表に基づいて暗号化し暗号化同期情報として通信相手の通信装置３ａ'もしくは３ｂ'に送信するとともに、通信相手の通信装置３ａ'もしくは３ｂ'から受信した暗号化同期情報を、不揮発性メモリ１５１に保持された乱数表に基づいて変調用擬似乱数または復調用擬似乱数の出力回数に復号化するものである。この送受信部１５２Ａによる暗号化方式としては、例えばバーナム暗号（Vernam cipher）が採用される。バーナム暗号は、平文の長さ以上の長さを持つ乱数を暗号鍵として用い、平文（ここでは出力回数）と暗号鍵との排他的論理和（ＸＯＲ）を暗号文として算出する暗号方式である。
何らかの要因により擬似乱数発生器１１と２１との擬似乱数生成動作に同期ズレが生じて暗号化装置１０ｃ'と暗号復号化装置２０ｃ'との間の暗号通信が行なえなくなった場合には、通信装置３ａ'，３ｂ'にそれぞれそなえられた送受信部１５２Ａ，１５２Ａを用いて、不揮発性メモリ１５１，１５１にそれぞれ保持された同一の乱数表に従い、暗号化／暗号復号化動作を同期させて行なうことにより、通信装置３ａ'，３ｂ'間（送受信部１５２Ａ，１５２Ａの相互間）で通信ネットワーク等（盗聴だけでなく改竄が有り得る信号線路）を介し上記出力回数が暗号化同期情報としてやり取りされるようになっている。
同期調整部１５３は、通信システム３，３Ａにおいて説明したものと同様のものであるので、その詳細な説明は省略するが、通信システム３'の同期調整部５３も、上記同期ズレが生じている場合に、通信装置３ａ'の変調用擬似乱数発生器１１（図２７参照）による擬似乱数生成動作と通信装置３ｂ'の復調用擬似乱数発生器２１（図２８参照）による擬似乱数生成動作とを同期させるために、もしくは、通信装置３ｂ'の変調用擬似乱数発生器１１（図２７参照）による擬似乱数生成動作と通信装置３ａ'の復調用擬似乱数発生器２１（図２８参照）による擬似乱数生成動作とを同期させるために、不揮発性メモリ１３４もしくは１４４から読み出された前記出力回数に基づいて、擬似乱数発生器１１，２１からの擬似乱数の出力回数を調整するものである。
そして、通信システム３'の通信装置３ａ'，３ｂ'において、上述した暗号化装置１０ｃ'，暗号復号化装置２０ｃ'，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａは、擬似乱数生成用の暗号鍵や擬似乱数発生器１１，２１からの擬似乱数ｒiの漏洩を抑止するとともに、物理乱数発生器１３（図２７参照）によって生成される物理乱数ｆiの、物理的擾乱による確率分布変動を抑止する耐タンパ領域６０内に配置されている。具体的に、通信システム３'の耐タンパ領域６０は、下記項目(51)〜(59)のごとき構造を提供するものである。なお、図２６に示す各通信装置３ａ'，３ｂ'は、例えば一つのチップ上に構成され、このチップ上に耐タンパ領域６０が設けられる。
(51)チップを分解しても暗号鍵用ＲＯＭ１３２，１４２（図２７，図２８参照）の暗号鍵（即ち、擬似乱数ｒiの「種」）を読めない構造。例えば、ＲＯＭ１３２，１４２における暗号鍵を読もうとしてチップを分解すると、ＲＯＭ１３２，１４２が壊れる配線構造。
(52)チップを分解しても擬似乱数ｒiの信号線（擬似乱数発生器１１と第１の変調部１２との間の信号線や擬似乱数発生器２１と復調部２２との間の信号線；図２７，図２８参照）をタップすることができない構造。例えば、擬似乱数ｒiの信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
(53)チップの外部からの物理的擾乱を加えても、物理乱数発生器１３からの物理乱数ｆiに確率分布の変動が生じない構造。例えば、チップ全体が冷却されたり異常な入力電圧が印加されたりしても、物理乱数ｆiの確率分布が変化しない物理乱数発生器の構造。あるいは、温度や入力電圧を検知して物理乱数ｆiの分布が偏る前にチップの動作を停止させる仕組み。
(54)チップを分解しても不揮発性メモリ１５１の乱数表を読めない構造。例えば、不揮発性メモリ１５１における乱数表を読もうとしてチップを分解すると、不揮発性メモリ１５１が壊れる配線構造。
(55)チップを分解しても不揮発性メモリ１５１と送受信部１５２Ａとの間の信号線をタップすることができない構造。例えば、不揮発性メモリ１５１における乱数表を読もうとしてチップを分解すると、不揮発性メモリ１５１が壊れる配線構造。
(56)識別番号用ＲＯＭ１３１，１４１（図２７，図２８参照）の識別番号を読み出すことは可能であるが改竄することができない構造。
(57)チップを分解しても物理乱数ｆiの信号線（物理乱数発生器１３と第２の変調部１４との間の信号線；図２７参照）をタップすることができない構造。例えば、物理乱数ｆiの信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
(58)不揮発性メモリ１３４，１４４（図２７，図２８参照）に保持される情報〔例えば、後述するカウンタ１３３，１４３（図２７，図２８参照）によって計数される出力回数〕を改竄することができない構造。
(59)カウンタ１３３，１４３（図２７，図２８参照）を回避して擬似乱数発生器１１，２１に直接アクセスして擬似乱数発生器１１，２１に任意回数目の擬似乱数ｒiを発生させない構造。例えば、チップを分解してもカウンタ１３３と擬似乱数発生器１１との間の信号線（図２７参照）やカウンタ１４３と擬似乱数発生器２１との間の信号線（図２８参照）をタップすることができない構造で、その信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
次に、図２７を参照しながら暗号化装置１０ｃ'の構成について説明する。図２７は図２６に示す通信システム３'における暗号化装置１０ｃ'の構成を示すブロック図で、図２７中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示している。この図２７に示すように、暗号化装置１０ｃ'は、図２１に示した暗号化装置１０ｃが単体で耐タンパ領域６０内に配置されている点以外は、暗号化装置１０ｃと全く同じ構成を有しているので、その説明は省略する。この暗号化装置１０ｃ'は、図２６を参照しながら説明した通り、通信装置３ａ'，３ｂ'において暗号復号化装置２０ｃ'，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａとともに耐タンパ領域６０内に配置されている。
なお、図２７に示す暗号化装置１０ｃ'でも、通信路符号化部１５（図１参照）が図示されていないが、通信路符号化部１５は、図１に示す暗号化装置１０と同様にそなえられていてもよいし、そなえられていなくてもよい。通信路符号化部１５をそなえる場合、その通信路符号化部１５は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。また、暗号化装置１０ｃ'についても、耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとして、上記項目(21)〜(28)に対応するものが必要となる。
次に、図２８を参照しながら暗号復号化装置２０ｃ'の構成について説明する。図２８は図２６に示す通信システム３'における暗号復号化装置２０ｃ'の構成を示すブロック図で、図２８中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示している。この図２８に示すように、暗号復号化装置２０ｃ'は、図２２に示した暗号復号化装置２０ｃが単体で耐タンパ領域６０内に配置されている点以外は、暗号復号化装置２０ｃと全く同じ構成を有しているので、その説明は省略する。この暗号復号化装置２０ｃ'は、図２６を参照しながら説明した通り、通信装置３ａ'，３ｂ'において暗号化装置１０ｃ'，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａとともに耐タンパ領域６０内に配置されている。
なお、図２８に示す暗号復号化装置２０ｃ'でも、通信路符号復号化部２３（図２参照）が図示されていないが、通信路符号復号化部２３は、暗号化装置１０ｃ'側に通信路符号化部１５がそなえられている場合、図２に示す暗号復号化装置２０と同様にそなえられる。通信路符号復号化部２３をそなえる場合、その通信路符号復号化部２３は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。また、暗号復号化装置２０ｃ'についても、耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとして、上記項目(41)〜(48)に対応するものが必要となる。
このように構成された通信システム３'（暗号化装置１０ｃ'および暗号復号化装置２０ｃ'）によれば、通信装置３ａ'と通信装置３ｂ'との相互間で本実施形態の暗号技術を適用した暗号通信が実現され、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができるほか、第１例の通信システム３（暗号化装置１０ｃおよび暗号復号化装置２０ｃ）と同様の作用効果を得ることもできる。
また、通信システム３'の各通信装置３ａ'，３ｂ'においては、暗号化装置１０ｃ'，暗号復号化装置２０ｃ'，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａを一つにまとめた全体が、チップ上において、上記項目(51)〜(59)の構造を提供する一の耐タンパ領域６０内に配置されて耐タンパ性が確保され、耐タンパ領域６０とその外部との入出力は上記項目(21)〜(28)および(41)〜(48)に示したものに限定されている。
これにより、上記項目(21)〜(28)および(41)〜(48)のインタフェースを通じて、擬似乱数発生器１１，２１によって生成される擬似乱数ｒiや、ＲＯＭ１３２，１４２に保持される暗号鍵や、不揮発性メモリ１５１に保持される乱数表を、耐タンパ領域６０外に一切読み出すことはできない。また、上記項目(51)〜(59)の構造を提供する耐タンパ領域６０を採用することにより、チップを分解しても、ＲＯＭ１３２，１４２に保持される暗号鍵を読み出したり、擬似乱数ｒiの信号線をタップしたり、物理乱数ｆiの信号線をタップしたり、不揮発性メモリ１５１に保持される乱数表を読み出したり、乱数表の乱数列の信号線をタップしたりすることが一切できず、さらに、チップの外部からの物理的擾乱（熱や電圧）を加えても、物理乱数発生器１３からの物理乱数ｆiの確率分布が変化しなくなる。従って、第３例の通信システム３'においても、第１例の通信システム３と同様の作用効果を得ることができる。
一方、通信システム３'では、暗号通信を行なっている通信装置３ａ'，３ｂ'どうしは、その暗号通信の合間に乱数表の共有を行なっておき、各通信装置３ａ'，３ｂ'の不揮発性メモリ１５１に共通の乱数表を蓄積しておく。そして、例えば、停電などで発生した異常停止の後の復旧時などに、通信装置３ａ'における擬似乱数生成動作と通信装置３ｂ'における擬似乱数生成動作との同期をとる必要が生じると、通信装置３ａ'における送受信部１５２Ａと通信装置３ｂ'における送受信部１５２Ａとが、不揮発性メモリ１５１に保持された乱数表を用いたバーナム暗号による暗号通信を相互に行ない、変調用擬似乱数ｒiおよび復調用擬似乱数ｒiの出力回数（それぞれ不揮発性メモリ１３４，１４４から読み出されたもの）を同期情報として交換する。
そして、通信装置３ａ'，３ｂ'における擬似乱数ｒiの同期処理を行なう場合、各通信装置３ａ'，３ｂ'における同期調整部１５３が、暗号化装置１０ｃ'の不揮発性メモリ１３４または暗号復号化装置２０ｃ'の不揮発性メモリ１４４に対する出力回数の設定、あるいは、擬似乱数発生器１１または２１に対するクロック信号の空打ちを行なうことにより、出力回数値の小さい方の出力回数を増加させ、暗号化装置１０ｃ'における擬似乱数発生器１１の出力回数と暗号復号化装置２０ｃ'における擬似乱数発生器２１の出力回数とを一致させ、暗号化装置１０ｃ'における擬似乱数発生器１１の擬似乱数生成動作と暗号復号化装置２０ｃ'における擬似乱数発生器２１の擬似乱数生成動作とを同期させる。
なお、同期調整部１５３が、擬似乱数発生器１１または２１に対するクロック信号の空打ちを行なう場合、擬似乱数ｒiの種（暗号鍵）が例えば１００ビットとすると、出力回数の情報も１００ビットになるが、出力回数が２100回のオーダに達していることはまず有り得ない。つまり、同期情報（出力回数）は１００ビットの下の桁に偏っていることが予想される。盗聴者等に余計な情報を与えないためには、このような偏りを無くすことが望ましい。そこで、同期情報（出力回数）を１００ビットの情報として出力する際には、出力回数を格納するビットスロットの位置の入れ替えを、通信装置１ａ'，１ｂ'で共有している乱数表（不揮発性メモリ５１）に基づいて行なうことがより好ましい。
ところで、通信装置３ａ'，３ｂ'の相互間が、盗聴だけでなく改竄がありうる通信路（信号線路）を介して通信可能に接続されている際に、擬似乱数ｒiの同期を、上述のように「暗号化装置１０ｃ'と暗号復号化装置２０ｃ'とが互いに自装置における擬似乱数ｒiの出力回数を公開し、出力回数の値の小さい側が大きい側に合わせる」という手順で行なう場合、出力回数（同期情報）を暗号化することなく生のまま上記信号線路を通じて送受信すると、盗聴者等による改竄行為により、その出力回数が巨大な数（例えば２100など）に改竄されてしまうおそれがある。
このような改竄が行なわれると、暗号化装置１０ｃ'もしくは暗号復号化装置２０ｃ'において同期調整のためのクロック信号のカラ打ちが止まらなくなり、暗号化装置１０ｃ'もしくは暗号復号化装置２０ｃ'が使用できなくなるおそれがある。この脆弱性に対処すべく、通信システム３'では、出力回数（同期情報）が、送受信部１５２Ａによってバーナム暗号化されて送受信されるため、盗聴者等によって改竄されることがなくなり、上述のような改竄による脆弱性を解消することもできる。
〔１３〕本実施形態の通信システムの第４例
第４例の通信システム３Ａ'も、上述した第３例の通信システム３'と同様、図２６に示すごとく、通信ネットワーク等を介して相互に通信可能に接続された２つの通信装置３ａ'，３ｂ'をそなえて構成されている。前述した通り、第４例の通信システム３Ａ'では、２つの通信装置３ａ'，３ｂ'の相互間が、改竄の有り得る通信路（信号線路）を介して通信可能に接続され、その通信路を介して２つの通信装置３ａ'，３ｂ'が、後述するバーナム暗号通信によって同期処理を行なう場合について説明する。
通信システム３Ａ'の通信装置３ａ'，３ｂ'はいずれも同一の構成を有しており、通信システム３Ａ'において、通信装置３ａ'は、上述した手法で通信装置３ｂ'へ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｄ'と、上述した手法で通信装置３ｂ'から受信した暗号化データ（ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｄ'と、通信システム３'において前述した不揮発性メモリ１５１，送受信部１５２Ａおよび同期調整部１５３とをそなえて構成されるとともに、通信装置３ｂ'は、上述した手法で通信装置３ａ'へ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｄ'と、上述した手法で通信装置３ａ'から受信した暗号化データ（暗号文ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｄ'と、通信システム３'において前述した不揮発性メモリ１５１，送受信部１５２Ａおよび同期調整部１５３とをそなえて構成されている。なお、暗号化装置１０ｄ'の構成については図２９を参照しながら後述し、暗号復号化装置２０ｄ'の構成については図３０を参照しながら後述する。
ただし、第２例の通信システム３Ａと同様、通信システム３Ａ'の暗号化装置１０ｄ'は、第２の変調部１４によって得られた暗号化データ（ｓi）を送信先通信装置３ａ'または３ｂ'に複数のパケットとして送信するように構成されるとともに、通信システム３Ａ'の暗号化装置１０ｄ'は、送信元通信装置３ａ'または３ｂ'の暗号化装置１０ｄ'から受信した各パケットにおける暗号化データ（ｓi）を入力データ（平文ｘi）に復調するように構成されている。つまり、通信システム３Ａ'の通信システム３Ａ'（暗号化装置１０ｄ'および暗号復号化装置２０ｄ'）も、第２例の通信システム３Ａと同様、パケットの到着順序が入れ替わったり消失したりし得る通信路を用いた通信を対象とし、個々のパケットが正規送信者からの送信されたものであるか否かを認識する必要があるシステム（具体的にはＩＰ電話の通信システム）を対象としている。
また、通信システム３Ａ'においても、通信装置３ａ'における暗号化装置１０ｄ'と通信装置３ｂ'における暗号復号化装置２０ｄ'とが対になっており、これらの装置１０ｄ'，２０ｄ'における擬似乱数発生器１１，２１は、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。同様に、通信装置３ｂ'における暗号化装置１０ｄ'と通信装置３ａ'における暗号復号化装置２０ｄ'とが対になっており、これらの装置１０ｄ'，２０ｄ'における擬似乱数発生器１１，２１も、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。ただし、上述した各装置対で用いられる暗号鍵としては、異なるものが設定されている。
このような構成により、通信装置３ａ'から通信装置３ｂ'への送信データは、暗号化装置１０ｄ'によって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ｂ'へ送信され、通信装置３ｂ'側では、通信装置３ａ'から受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｄ'によって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。同様に、通信装置３ｂ'から通信装置３ａ'への送信データは、暗号化装置１０ｄ'によって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ａ'へ送信され、通信装置３ａ'側では、通信装置３ｂ'から受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｄ'によって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。
なお、通信システム３Ａ'において、不揮発性メモリ１５１，送受信部１５２Ａおよび同期調整部１５３は、第３例の通信システム３'において説明したものと同様のものであるので、その説明は省略する。また、通信システム３Ａ'の通信装置１ａ'，１ｂ'においても、上述した暗号化装置１０ｄ'，暗号復号化装置２０ｄ'，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａは、通信システム３'と同様に、チップ上における耐タンパ領域６０（上記項目(51)〜(59)のごとき構造を提供するもの）内に配置されている。
次に、図２９を参照しながら暗号化装置１０ｄ'の構成について説明する。図２９は図２６に示す通信システム３Ａ'における暗号化装置１０ｄ'の構成を示すブロック図で、図２９中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示している。この図２９に示すように、暗号化装置１０ｄ'は、図２３に示した暗号化装置１０ｄが単体で耐タンパ領域６０内に配置されている点以外は、暗号化装置１０ｄと全く同じ構成を有しているので、その説明は省略する。この暗号化装置１０ｄ'は、図２６を参照しながら説明した通り、通信装置３ａ'，３ｂ'において暗号復号化装置２０ｄ'，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａとともに耐タンパ領域６０内に配置されている。
なお、図２９に示す暗号化装置１０ｄ'でも、通信路符号化部１５（図１参照）が図示されていないが、通信路符号化部１５は、図１に示す暗号化装置１０と同様にそなえられていてもよいし、そなえられていなくてもよい。通信路符号化部１５をそなえる場合、その通信路符号化部１５は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。また、暗号化装置１０ｄ'についても、耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとして、上記項目(21)〜(28)に対応するものが必要となる。
次に、図３０を参照しながら暗号復号化装置２０ｄ'の構成について説明する。図３０は図２６に示す通信システム３Ａ'における暗号復号化装置２０ｄ'の構成を示すブロック図で、図３０中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示している。この図３１に示すように、暗号復号化装置２０ｄ'は、図２４に示した暗号化装置２０ｄが単体で耐タンパ領域６０内に配置されている点以外は、暗号復号化装置２０ｄと全く同じ構成を有しているので、その説明は省略する。この暗号復号化装置２０ｄ'は、図２６を参照しながら説明した通り、通信装置３ａ'，３ｂ'において暗号化装置１０ｄ'，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａとともに耐タンパ領域６０内に配置されている。
なお、図３０に示す暗号復号化装置２０ｄ'でも、通信路符号復号化部２３（図２参照）が図示されていないが、通信路符号復号化部２３は、暗号化装置１０ｄ'側に通信路符号化部１５がそなえられている場合、図２に示す暗号復号化装置２０と同様にそなえられる。通信路符号復号化部２３をそなえる場合、その通信路符号復号化部２３は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。また、暗号復号化装置２０Ｄ'についても、耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとして、上記項目(41)〜(48)に対応するものが必要となる。
このように構成された通信システム３Ａ'（暗号化装置１０ｄ'および暗号復号化装置２０ｄ'）によれば、通信装置３ａ'と通信装置３ｂ'との相互間で本実施形態の暗号技術を適用した暗号通信が実現され、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができるほか、第２例の通信システム３Ａ（暗号化装置１０ｄおよび暗号復号化装置２０ｄ）と同様の作用効果を得ることもできる。
また、通信システム３Ａ'の各通信装置３ａ'，３ｂ'においては、暗号化装置１０ｄ'，暗号復号化装置２０ｄ'，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａを一つにまとめた全体が、チップ上において、上記項目(51)〜(59)の構造を提供する一の耐タンパ領域６０内に配置されて耐タンパ性が確保され、耐タンパ領域６０とその外部との入出力は上記項目(21)〜(28)および(41)〜(48)に示したものに限定されている。これにより、第４例の通信システム３Ａ'においても、第３例の通信システム３'と同様の作用効果を得ることができる。
〔１４〕本実施形態の通信システムの第５例
上述した第３例および第４例の通信システム３'，３Ａ'では、擬似乱数ｒiの同期処理を行なう際、同期情報として出力回数をバーナム暗号通信で通知し、同期調整部１５３が、暗号化装置１０ｃ'／１０ｄ'の不揮発性メモリ１３４または暗号復号化装置２０ｃ'／２０ｄ'の不揮発性メモリ１４４に対する出力回数の設定、あるいは、擬似乱数発生器１１または２１に対するクロック信号の空打ちを行なうことで、擬似乱数ｒiを同期させていたが、第５例の通信システム３"（図３１参照）および後述する第６例の通信システム３Ａ"（図３１参照）では、送受信部１５２Ａを用いて新しく擬似乱数ｒiの種（暗号鍵）をバーナム暗号で暗号化して再配布し合い、新しい暗号鍵（新暗号鍵）を暗号鍵用ＲＯＭ１３２，１４２に再設定するとともに、カウンタ１３３，１４３（不揮発性メモリ１３４，１４４）における擬似乱数ｒiの出力回数を“０”にリセットし、新暗号鍵で生成される擬似乱数列を用いるようにすることによって、擬似乱数ｒiを同期させるように構成している。
第５例および第６例は、このような同期手法に対応したもので、図３１は、本発明の暗号化／復号化技術を適用された通信システムの第５例（符号３"参照）および第６例（符号３Ａ"参照）の全体構成を示すブロック図であり、この図３１に示す第５例の通信システム３"は、通信ネットワーク等を介して相互に通信可能に接続された２つの通信装置３ａ"，３ｂ"をそなえて構成されている。この第５例の通信システム３"および後述する第６例の通信システム３Ａ"では、２つの通信装置３ａ"，３ｂ"の相互間が、改竄の有り得る通信路（信号線路）を介して通信可能に接続され、その通信路を介して、２つの通信装置３ａ"，３ｂ"が、上述したバーナム暗号通信によって、上記同期手法で同期処理を行なう場合について説明する。
これらの通信装置３ａ"，３ｂ"はいずれも同一の構成を有しており、通信装置３ａ"は、上述した手法で通信装置３ｂ"へ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｃ"と、上述した手法で通信装置３ｂ"から受信した暗号化データ（ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｃ"と、上述と同様の不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａとをそなえて構成されるとともに、通信装置３ｂ"は、上述した手法で通信装置３ａ"へ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｃ"と、上述した手法で通信装置３ａ"から受信した暗号化データ（暗号文ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｃ"と、上述と同様の不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａとをそなえて構成されている。つまり、第５例の通信システム３"は、第３例の通信システム３'における同期調整部１５３を省略した構成となっている。なお、暗号化装置１０ｃ"の構成については図３２を参照しながら後述し、暗号復号化装置２０ｃ"の構成については図３３を参照しながら後述する。
また、図３１に示す通信システム３"では、通信装置３ａ"における暗号化装置１０ｃ"と通信装置３ｂ"における暗号復号化装置２０ｃ"とが対になっており、これらの装置１０ｃ"，２０ｃ"における擬似乱数発生器１１，２１は、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。同様に、通信装置３ｂ"における暗号化装置１０ｃ"と通信装置３ａ"における暗号復号化装置２０ｃ"とが対になっており、これらの装置１０ｃ"，２０ｃ"における擬似乱数発生器１１，２１も、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。ただし、上述した各装置対で用いられる暗号鍵としては、異なるものが設定されている。
このような構成により、通信装置３ａ"から通信装置３ｂ"への送信データは、暗号化装置１０ｃ"によって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ｂ"へ送信され、通信装置３ｂ"側では、通信装置３ａ"から受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｃ"によって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。同様に、通信装置３ｂ"から通信装置３ａ"への送信データは、暗号化装置１０ｃ"によって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ａ"へ送信され、通信装置３ａ"側では、通信装置３ｂ"から受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｃ"によって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。
ここで、不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａは、何らかの要因により擬似乱数発生器１１と２１との擬似乱数生成動作に同期ズレが生じて暗号化装置１０ｃ'と暗号復号化装置２０ｃ'との間の暗号通信が行なえなくなった場合に用いられるもので、いずれも第３例および第４例の通信システム３'，３Ａ'で説明したものと同様の機能を果たすものである。
ただし、通信システム３"の送受信部１５２Ａは、同期処理時に暗号鍵用ＲＯＭ１３２，１４２に再設定すべき新暗号鍵を、不揮発性メモリ１５１に保持された乱数表に基づいてバーナム暗号により暗号化し暗号化同期情報として通信相手の通信装置３ａ"もしくは３ｂ"に送信するとともに、通信相手の通信装置３ａ"もしくは３ｂ"から受信した暗号化同期情報を、不揮発性メモリ１５１に保持された乱数表に基づいて新暗号鍵に復号化するものである。
何らかの要因により擬似乱数発生器１１と２１との擬似乱数生成動作に同期ズレが生じて暗号化装置１０ｃ"と暗号復号化装置２０ｃ"との間の暗号通信が行なえなくなった場合には、通信装置３ａ"，３ｂ"にそれぞれそなえられた送受信部１５２Ａ，１５２Ａを用いて、不揮発性メモリ１５１，１５１にそれぞれ保持された同一の乱数表に従い、暗号化／暗号復号化動作を同期させて行なうことにより、通信装置３ａ"，３ｂ"間（送受信部１５２Ａ，１５２Ａの相互間）で通信ネットワーク等（盗聴だけでなく改竄が有り得る信号線路）を介し上記新暗号鍵が暗号化同期情報としてやり取りされるようになっている。
新暗号鍵を受信した送受信部１５２Ａは、その新暗号鍵を暗号鍵用ＲＯＭ１３２，１４２に再設定するとともに、通信装置３ａ"と通信装置３ｂ"とで同時タイミングで、暗号化装置１０ｃ"もしくは暗号復号化装置２０ｃ"に対してリセット信号を出力し、カウンタ１３３，１４３（不揮発性メモリ１３４，１４４）における擬似乱数ｒiの出力回数を“０”にリセットするようになっている。なお、通信システム３"では、同期調整部１５３を省略しているが、通信システム３'，３Ａ'の同期調整部１５３により、上述した新暗号鍵の再設定およびリセット信号の出力を行なうように構成することも可能である。
そして、通信システム３"の通信装置３ａ"，３ｂ"において、上述した暗号化装置１０ｃ"，暗号復号化装置２０ｃ"，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａは、第３例の通信システム３'と同様、上記項目(51)〜(59)のほか下記項目(60),(61)のごとき構造を提供する耐タンパ領域６０内に配置されている。
(60)チップを分解しても新暗号鍵の信号線（送受信部１５２Ａと暗号鍵用ＲＯＭ１３２との間の信号線）をタップすることができない構造。例えば、新暗号鍵の信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
(61)チップを分解してもリセット信号の信号線〔送受信部１５２Ａと不揮発性メモリ１３４（カウンタ１３３）との間の信号線〕をタップすることができない構造。例えば、リセット信号の信号線をタップすべくチップを壊すと、チップが動作しなくなる配線構造。
次に、図３２を参照しながら暗号化装置１０ｃ"の構成について説明する。図３２は図３１に示す通信システム３"における暗号化装置１０ｃ"の構成を示すブロック図で、図３２中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示している。この図３２に示すように、暗号化装置１０ｃ"は、図２７に示した暗号化装置１０ｃ'とほぼ同じ構成を有している。
ただし、通信システム３"の暗号化装置１０ｃ"において、暗号鍵用ＲＯＭ１３２は、送受信部１５２Ａからの指示に応じて暗号鍵を新暗号鍵に再設定することが可能な構成を有するとともに、カウンタ１３３（不揮発性メモリ１３４）は、送受信部１５２Ａからのリセット信号に応じて擬似乱数ｒiの出力回数を“０”にリセットすることが可能な構成を有している。また、変調用擬似乱数発生器１１は、リセット信号により不揮発性メモリ１３４つまりはカウンタ１３３がリセットされると、その出力回数を０に戻せる（リセットできる）構成を有している。
なお、図３２に示す暗号化装置１０ｃ"でも、通信路符号化部１５（図１参照）が図示されていないが、通信路符号化部１５は、図１に示す暗号化装置１０と同様にそなえられていてもよいし、そなえられていなくてもよい。通信路符号化部１５をそなえる場合、その通信路符号化部１５は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。
また、通信システム３"では、上述した通り、擬似乱数ｒiの同期処理に際しては、第３例の通信システム３'のごとき耐タンパ領域６０外の同期調整部１５３（擬似乱数ｒiの出力回数）を用いることなく、同じ耐タンパ領域６０内の送受信部１５２Ａから通知されるリセット信号および新暗号鍵が同期情報として用いられることになるため、本実施形態の暗号化装置１０ｃ"についての耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとしては、上記項目(21)〜(25)に対応するものが必要であり、擬似乱数ｒiの出力回数に係るインタフェース（上記項目(26)〜(28)に対応するもの）は不要となる。
次に、図３３を参照しながら暗号復号化装置２０ｃ"の構成について説明する。図３３は図３１に示す通信システム３"における暗号復号化装置２０ｃ"の構成を示すブロック図で、図３３中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示している。この図３３に示すように、暗号復号化装置２０ｃ"は、図２８に示した暗号復号化装置２０ｃ'とほぼ同じ構成を有している。
ただし、通信システム３"の暗号復号化装置２０ｃ"において、暗号鍵用ＲＯＭ１４２は、送受信部１５２Ａからの指示に応じて暗号鍵を新暗号鍵に再設定することが可能な構成を有するとともに、カウンタ１４３（不揮発性メモリ１４４）は、送受信部１５２Ａからのリセット信号に応じて擬似乱数ｒiの出力回数を“０”にリセットすることが可能な構成を有している。また、復調用擬似乱数発生器２１は、リセット信号により不揮発性メモリ１４４つまりはカウンタ１４３がリセットされると、その出力回数を０に戻せる（リセットできる）構成を有している。
なお、図３３に示す暗号復号化装置２０ｃ"でも、通信路符号復号化部２３（図２参照）が図示されていないが、通信路符号復号化部２３は、暗号化装置１０ｃ"側に通信路符号化部１５がそなえられている場合、図２に示す暗号復号化装置２０と同様にそなえられる。通信路符号復号化部２３をそなえる場合、その通信路符号復号化部２３は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。
また、本実施形態では、上述した通り、擬似乱数ｒiの同期処理に際しては、第３例の通信システム３'のごとき耐タンパ領域６０外の同期調整部１５３（擬似乱数ｒiの出力回数）を用いることなく、同じ耐タンパ領域６０内の送受信部１５２Ａから通知されるリセット信号および新暗号鍵が同期情報として用いられることになるため、通信システム３"の暗号復号化装置２０ｃ"についての耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとしては、上記項目(41)〜(45)に対応するものが必要であり、擬似乱数ｒiの出力回数に係るインタフェース（上記項目(46)〜(48)に対応するもの）は不要となる。
このように構成された通信システム３"（暗号化装置１０ｃ"および暗号復号化装置２０ｃ"）によれば、通信装置３ａ"と通信装置３ｂ"との相互間で本実施形態の暗号技術を適用した暗号通信が実現され、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができるほか、第３例の通信システム３'（暗号化装置１０ｃ'および暗号復号化装置２０ｃ'）と同様の作用効果を得ることもできる。
また、第５例の通信システム３"の各通信装置３ａ"，３ｂ"においては、暗号化装置１０ｃ"，暗号復号化装置２０ｃ"，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａを一つにまとめた全体が、チップ上において、上記項目(51)〜(61)の構造を提供する一の耐タンパ領域６０内に配置されて耐タンパ性が確保され、耐タンパ領域６０とその外部との入出力は上記項目(21)〜(25)および(41)〜(45)に示したものに限定されている。
これにより、上記項目(21)〜(25)および(41)〜(45)のインタフェースを通じて、擬似乱数発生器１１，２１によって生成される擬似乱数ｒiや、ＲＯＭ１３２，１４２に保持される暗号鍵や、不揮発性メモリ１５１に保持される乱数表や、ＲＯＭ１３２，１４２に再設定される新暗号鍵を、耐タンパ領域６０外に一切読み出すことはできない。また、上記項目(51)〜(61)の構造を提供する耐タンパ領域６０を採用することにより、チップを分解しても、ＲＯＭ１３２，１４２に保持される暗号鍵を読み出したり、擬似乱数ｒiの信号線をタップしたり、物理乱数ｆiの信号線をタップしたり、不揮発性メモリ１５１に保持される乱数表を読み出したり、乱数表の乱数列の信号線をタップしたり、新暗号鍵やリセット信号の信号線をタップしたりすることが一切できず、さらに、チップの外部からの物理的擾乱（熱や電圧）を加えても、物理乱数発生器１３からの物理乱数ｆiの確率分布が変化しなくなる。従って、第５例の通信システム３"においても、第３例の通信システム３'と同様の作用効果を得ることができる。
一方、第５例の通信システム３"では、第３例の通信システム３'と同様、暗号通信を行なっている通信装置３ａ"，３ｂ"'どうしは、その暗号通信の合間に乱数表の共有を行なっておき、各通信装置３ａ"，３ｂ"の不揮発性メモリ１５１に共通の乱数表を蓄積しておく。そして、例えば、停電などで発生した異常停止の後の復旧時などに、通信装置３ａ"における擬似乱数生成動作と通信装置３ｂ"における擬似乱数生成動作との同期をとる必要が生じると、通信装置３ａ"における送受信部１５２Ａと通信装置３ｂ"における送受信部１５２Ａとが、不揮発性メモリ１５１に保持された乱数表を用いたバーナム暗号による暗号通信を相互に行ない、新暗号鍵を交換する。
そして、通信装置３ａ"，３ｂ"における擬似乱数ｒiの同期処理を行なう場合、前述した通り、新暗号鍵を受信した送受信部１５２Ａによって、その新暗号鍵が暗号鍵用ＲＯＭ１３２，１４２に再設定されるとともに、通信装置３ａ"と通信装置３ｂ"とで同時タイミングで暗号化装置１０ｃ"もしくは暗号復号化装置２０ｃ"に対してリセット信号が出力され、カウンタ１３３，１４３（不揮発性メモリ１３４，１４４）における擬似乱数ｒiの出力回数が“０”にリセットされる。これにより、暗号化装置１０ｃ"における擬似乱数発生器１１と暗号復号化装置２０ｃ"における擬似乱数発生器２１とが、同じ新暗号鍵を用いて同時に動作を再開することになって、暗号化装置１０ｃ"における擬似乱数発生器１１の擬似乱数生成動作と暗号復号化装置２０ｃ"における擬似乱数発生器２１の擬似乱数生成動作とを同期させることがきる。
なお、通信システム３"において、別途、擬似乱数の同期が外れていることを確認する手段がある場合や、擬似乱数の同期が外れていることの確認を省略しても問題ない場合は、通信装置３ａ"および３ｂ"それぞれの不揮発性メモリ１５１，１５１に保持された同一の乱数表を、バーナム暗号通信の暗号鍵として用いるのではなく、新暗号鍵そのものとして用いる変形が可能である。この変形例では、バーナム暗号通信を行なう必要がないため、送受信部１５２Ａを省略できる。
〔１５〕本実施形態の通信システムの第６例
第６例の通信システム３Ａ"も、第５例の通信システム３"と同様、図３１に示すごとく、通信ネットワーク等を介して相互に通信可能に接続された２つの通信装置３ａ"，３ｂ"をそなえて構成されている。前述した通り、第６例の通信システム３Ａ"では、２つの通信装置３ａ"，３ｂ"の相互間が、改竄の有り得る通信路（信号線路）を介して通信可能に接続され、その通信路を介して、２つの通信装置３ａ"，３ｂ"が、第５例の通信システム３"と同様の同期手法で同期処理を行なう場合について説明する。
通信システム３Ａ"の通信装置３ａ"，３ｂ"はいずれも同一の構成を有しており、通信システム３Ａ"において、通信装置３ａ"は、上述した手法で通信装置３ｂ"へ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｄ"と、上述した手法で通信装置３ｂ"から受信した暗号化データ（ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｄ"と、第５例の通信システム３"において前述した不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａとをそなえて構成されるとともに、通信装置３ｂ"は、上述した手法で通信装置３ａ"へ送信すべき入力データ（平文ｘi）を暗号化する暗号化装置１０ｄ"と、上述した手法で通信装置３ａ"から受信した暗号化データ（暗号文ｃiもしくはｓi）を暗号復号化する暗号復号化装置２０ｄ"と、上述と同様の不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａとをそなえて構成されている。つまり、第６例の通信システム３Ａ"は、第４例の通信システム３Ａ'における同期調整部１５３を省略した構成となっている。なお、暗号化装置１０ｄ"の構成については図３４を参照しながら後述し、暗号復号化装置２０ｄ"の構成については図３５を参照しながら後述する。
ただし、第２例や第４例の通信システム３Ａ，３Ａ'における暗号化装置１０ｄ，１０ｄ'と同様、通信システム３Ａ"の暗号化装置１０ｄ"は、第２の変調部１４によって得られた暗号化データ（ｓi）を送信先通信装置３ａ"または３ｂ"に複数のパケットとして送信するように構成されるとともに、通信システム３Ａ"の暗号復号化装置２０ｄ"は、送信元通信装置３ａ"または３ｂ"の暗号化装置１０ｄ"から受信した各パケットにおける暗号化データ（ｓi）を入力データ（平文ｘi）に復調するように構成されている。つまり、第６例の通信システム３Ａ"（暗号化装置１０ｄ"および暗号復号化装置２０ｄ"）も、第２例や第４例の通信システム３Ａ，３Ａ'と同様、パケットの到着順序が入れ替わったり消失したりし得る通信路を用いた通信を対象とし、個々のパケットが正規送信者からの送信されたものであるか否かを認識する必要があるシステム（具体的にはＩＰ電話の通信システム）を対象としている。
また、第６例の通信システム３Ａ"においても、通信装置３ａ"における暗号化装置１０ｄ"と通信装置３ｂ"における暗号復号化装置２０ｄ"とが対になっており、これらの装置１０ｄ"，２０ｄ"における擬似乱数発生器１１，２１は、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。同様に、通信装置３ｂ"における暗号化装置１０ｄ"と通信装置３ａ"における暗号復号化装置２０ｄ"とが対になっており、これらの装置１０ｄ"，２０ｄ"における擬似乱数発生器１１，２１も、同一の暗号鍵に基づいて擬似乱数ｒiを同期させて生成するように構成されている。ただし、上述した各装置対で用いられる暗号鍵としては、異なるものが設定されている。
このような構成により、通信装置３ａ"から通信装置３ｂ"への送信データは、暗号化装置１０ｄ"によって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ｂ"へ送信され、通信装置３ｂ"側では、通信装置３ａ"から受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｄ"によって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。同様に、通信装置３ｂ"から通信装置３ａ"への送信データは、暗号化装置１０ｄ"によって上述した暗号化手順で暗号化され暗号文として通信装置３ａ"へ送信され、通信装置３ａ"側では、通信装置３ｂ"から受信した暗号文が、暗号復号化装置２０ｄ"によって上述した暗号復号化手順で平文に暗号復号化される。
なお、第６例の通信システム３Ａ"において、不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａは、第５例通信システム３"において説明したものと同様のものであるので、その説明は省略する。また、通信システム３Ａ"の通信装置３ａ"，３ｂ"においても、上述した暗号化装置１０ｄ"，暗号復号化装置２０ｄ"，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａは、第５例の通信システム３"と同様に、チップ上における耐タンパ領域６０（上記項目(51)〜(61)のごとき構造を提供するもの）内に配置されている。
次に、図３４を参照しながら暗号化装置１０ｄ"の構成について説明する。図３４は図３１に示す通信システム３Ａ"における暗号化装置１０ｄ"の構成を示すブロック図で、図３４中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示している。この図３４に示すように、暗号化装置１０ｄ"は、図２９に示した暗号化装置１０ｄ'とほぼ同じ構成を有している。
ただし、暗号化装置１０ｄ"においても、第５例の通信システム３"における暗号化装置１０ｃ"と同様、暗号鍵用ＲＯＭ１３２は、送受信部１５２Ａからの指示に応じて暗号鍵を新暗号鍵に再設定することが可能な構成を有するとともに、カウンタ１３３（不揮発性メモリ１３４）は、送受信部１５２Ａからのリセット信号に応じて擬似乱数ｒiの出力回数を“０”にリセットすることが可能な構成を有している。また、変調用擬似乱数発生器１１は、リセット信号により不揮発性メモリ１３４つまりはカウンタ１３３がリセットされると、その出力回数を０に戻せる（リセットできる）構成を有している。
なお、図３４に示す暗号化装置１０ｄ"でも、通信路符号化部１５（図１参照）が図示されていないが、通信路符号化部１５は、図１に示す暗号化装置１０と同様にそなえられていてもよいし、そなえられていなくてもよい。通信路符号化部１５をそなえる場合、その通信路符号化部１５は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。また、第５例の通信システム３"における暗号化装置１０ｃ"と同様、本実施形態の暗号化装置１０ｄ"についての耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとしては、上記項目(21)〜(25)に対応するものが必要であり、擬似乱数ｒiの出力回数に係るインタフェース（上記項目(26)〜(28)に対応するもの）は不要となる。
次に、図３５を参照しながら暗号復号化装置２０ｄ"の構成について説明する。図３５は図３１に示す通信システム３Ａ"における暗号復号化装置２０ｄ"の構成を示すブロック図で、図３５中、既述の符号と同一の符号は同一もしくはほぼ同一の部分を示している。この図３５に示すように、暗号復号化装置２０ｄ"は、図３０に示した暗号復号化装置２０ｄ'とほぼ同じ構成を有している。
ただし、暗号復号化装置２０ｄ"においても、第５例の通信システム３"における暗号復号化装置２０ｃ"と同様、暗号鍵用ＲＯＭ１４２は、送受信部１５２Ａからの指示に応じて暗号鍵を新暗号鍵に再設定することが可能な構成を有するとともに、カウンタ１４３（不揮発性メモリ１４４）は、送受信部１５２Ａからのリセット信号に応じて擬似乱数ｒiの出力回数を“０”にリセットすることが可能な構成を有している。また、復調用擬似乱数発生器２１は、リセット信号により不揮発性メモリ１４４つまりはカウンタ１４３がリセットされると、その出力回数を０に戻せる（リセットできる）構成を有している。
なお、図３５に示す暗号復号化装置２０ｄ"でも、通信路符号復号化部２３（図２参照）が図示されていないが、通信路符号復号化部２３は、暗号化装置１０ｃ"側に通信路符号化部１５がそなえられている場合、図２に示す暗号復号化装置２０と同様にそなえられる。通信路符号復号化部２３をそなえる場合、その通信路符号復号化部２３は、耐タンパ領域６０内に配置してもよいし、耐タンパ領域６０外に配置してもよい。また、第５例の通信システム３"における暗号復号化装置２０ｃ"と同様、本実施形態の暗号復号化装置２０ｄ"についての耐タンパ領域６０の内部と外部とのインタフェースとしては、上記項目(41)〜(45)に対応するものが必要であり、擬似乱数ｒiの出力回数に係るインタフェース（上記項目(46)〜(48)に対応するもの）は不要となる。
このように構成された通信システム３Ａ"（暗号化装置１０ｄ"および暗号復号化装置２０ｄ"）によれば、通信装置３ａ"と通信装置３ｂ"との相互間で本実施形態の暗号技術を適用した暗号通信が実現され、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができるほか、第４例の通信システム３Ａ'（暗号化装置１０ｄ'および暗号復号化装置２０ｄ'）と同様の作用効果を得ることもできる。
また、第６例の通信システム３Ａ"の各通信装置３ａ"，３ｂ"においては、暗号化装置１０ｄ"，暗号復号化装置２０ｄ"，不揮発性メモリ１５１および送受信部１５２Ａを一つにまとめた全体が、チップ上において、上記項目(51)〜(61)の構造を提供する一の耐タンパ領域６０内に配置されて耐タンパ性が確保され、耐タンパ領域６０とその外部との入出力は上記項目(21)〜(28)および(41)〜(48)に示したものに限定されている。これにより、第６例の通信システム３Ａ"においても、第５例の通信システム３"と同様の作用効果を得ることができる。
なお、第６例の通信システム３Ａ"において、別途、擬似乱数の同期が外れていることを確認する手段がある場合や、擬似乱数の同期が外れていることの確認を省略しても問題ない場合は、通信装置３ａ"および３ｂ"それぞれの不揮発性メモリ１５１，１５１に保持された同一の乱数表を、バーナム暗号通信の暗号鍵として用いるのではなく、新暗号鍵そのものとして用いる変形が可能である。この変形例では、バーナム暗号通信を行なう必要がないため、送受信部１５２Ａを省略できる。
〔１６〕変形例
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述した送受信システム１，公衆回線システム２，通信システム３，３Ａ，３'，３Ａ'，３"，３Ａ"では、送信および受信の双方向に本発明の暗号技術を適用した場合について説明しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、送信もしくは受信の単方向のみに本発明の暗号技術を適用してもよい。
また、上述した実施形態では、物理乱数発生器１３を用いているが、この物理乱数発生器１３に代えて擬似乱数発生器や図３６に示すような乱数発生器１６を用いてもよい。
暗号化装置１０，１０ａ〜１０ｄ，１０ｃ'，１０ｄ'，１０ｃ"，１０ｄ"において、物理乱数発生器１３に代え、擬似乱数発生器１１，２１とは別個の擬似乱数発生器（暗号鍵固定；図示略）を用いることにより、高価な物理乱数発生器を用いる必要がなくなり暗号化装置１０，１０ａ〜１０ｄ，１０ｃ'，１０ｄ'，１０ｃ"，１０ｄ"を安価に構成することが可能になるほか、完全にソフトウエアだけによる実装が可能になるという利点が得られる。
図３６に示す乱数発生器１６は、擬似乱数発生器１１，２１とは別個の擬似乱数発生器１１ａと、物理乱数発生器１３ａとをそなえて構成されている。擬似乱数発生器（第２の擬似乱数生成部，変調用擬似乱数生成部）１１ａは、暗号鍵Ｋｂに基づいて、上述した物理乱数ｆiに代わる擬似乱数（第２の擬似乱数）ｆi'を生成して出力するものであり、物理乱数発生器（物理乱数生成部）１３ａは、上述した物理乱数発生器１３と同様、物理現象に基づく物理乱数ｆjを生成するものである。そして、擬似乱数発生器１１ａの暗号鍵Ｋａは、物理乱数発生器１３ａによって生成された物理乱数ｆjによって決定される値に、定期的もしくは不定期に変更されるように構成されている。このとき、暗号鍵Ｋａを変更するタイミングを物理乱数発生器の出力値によって決定するように構成してもよい。
暗号化装置１０においては物理乱数発生器１３により１ビットの平文ｘiに対し少なくとも２ビットの物理乱数ｆiを生成する必要があるため、高速動作可能な物理乱数発生器を用いる必要があるが、乱数発生器１６における物理乱数発生器１３ａとしては物理乱数発生器１３よりも低速動作のものを用いることができる。前述した通り、高速動作可能な物理乱数発生器は高価であるが、低速動作の物理乱数発生器は低価格であるので、物理乱数発生器１３に代えて図３６に示す乱数発生器１６を用いた場合には、安全性（暗号強度）を大きく落とすことなく、本発明の暗号化装置を、より安価に構成することが可能になる。
また、例えばパーソナルコンピュータ等を利用して本発明の暗号化装置を実現する場合には、「ある時刻にマウスポインタが指す画面上の位置」などのデータを暗号鍵として動作する擬似乱数発生器を、物理乱数発生器１３に代えて用いれば、高価な物理乱数発生器を搭載することなく、物理乱数発生器を用いた場合とほぼ同等の暗号強度（安全性）を確保した暗号化装置を実現することが可能である。
一方、例えば上述した第２例の通信システム３Ａを用いることにより、コンテンツの再生回数と課金との関係を明確にした、光ディスク等の記録媒体によるコンテンツ配給サービスを提供することが可能になる。
例えば、コンテンツ配給者が、利用者に対する課金を行ない、コンテンツを光ディスクに記録して利用者に提供する場合、コンテンツ配給者は、例えば暗号化装置１０ｄを光ディスクへのコンテンツ記録装置として用いる一方、利用者は、例えば暗号復号化装置２０ｄを光ディスク再生装置（プレーヤ）として用いる。なお、その際、第２例の通信システム３Ａにおけるパケットが、一枚の光ディスクに記録されるコンテンツに対応するものとして取り扱う。
より具体的に説明すると、コンテンツ提供者は、コンテンツを暗号化装置１０ｄにより変調して得られた暗号化コンテンツを光ディスクの暗号化領域に記録するとともに、その光ディスクディスク表面のラベルまたは光ディスクの非暗号化領域に、識別番号（暗号鍵と一対一に対応するが暗号鍵を推定できない文字列）と、擬似乱数出力回数（もしくは何枚目の光ディスクであるかを示す情報）とを書き込み、その光ディスクを利用者に提供する。
このとき、識別番号としては、例えば識別番号用ＲＯＭ１３１に保持された識別番号（ＩＤ番号）が読み出されて上記非暗号化領域に書き込まれる。また、擬似乱数出力回数としては、提供すべきコンテンツの最初のデータｘiを第１の変調部１２で変調する際に用いられる変調用擬似乱数ｒiの、擬似乱数発生器１１からの出力回数（何番目の擬似乱数であるかを示す数値）が、カウンタ１３３（不揮発性メモリ１３４）から読み出されて上記非暗号化領域に書き込まれる。また、光ディスクの暗号化領域には、上述した暗号化コンテンツのほか、上記擬似乱数出力回数も埋め込まれている。その埋め込み位置は、第２例の通信システム３Ａと同様、擬似乱数発生器１１によって生成される擬似乱数を用いてスクランブルされることが望ましい。
そして、利用者は、コンテンツ配給者から光ディスクを受け取ると、その光ディスクの内容（コンテンツ）を暗号復号化装置２０ｄにより復調して再生する。光ディスクの再生を開始する際、暗号復号化装置２０ｄは、非暗号化領域に書き込まれた擬似乱数出力回数を読み取り、光ディスクの枚数の抜けが有る場合、例えば複数枚の光ディスクを所定順序で再生する場合にその順序の通り再生せず１枚以上の光ディスクを飛ばして再生しようたした場合などには、利用者に対して「警告」を発する。
利用者がその「警告」に応じて、光ディスクを正しいものに替えた場合、暗号復号化装置２０ｄは、出力回数の確認を再度行なって再生を開始する。また、利用者が「警告」を参照した上、１枚以上の光ディスクを飛ばして再生することに同意した場合、暗号復号化装置２０ｄは、例えば出力回数調整部１５４の機能を用い、不揮発性メモリ１４４に対する出力回数の設定、あるいは、擬似乱数発生器２１に対するクロック信号の空打ちを行なうことにより、擬似乱数発生器２１から復調部２２に出力される復調用擬似乱数ｒiの出力回数を、次に再生されるべき光ディスクについての出力回数となるように調整する。これにより、変調用擬似乱数と復調用擬似乱数との対応関係を常に保持しながら、次の光ディスクにおける暗号化コンテンツを正しく復調することが可能になる。ただし、暗号復号化装置２０ｄの擬似乱数発生器２１は、復調用擬似乱数ｒiの生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成されているので、飛ばされた光ディスクの暗号化コンテンツは再生することはできなくなる。
このとき、前述した通り、暗号復号化装置２０ｄの擬似乱数発生器２１は、復調用擬似乱数ｒiの生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成されているので、利用者は、光ディスクのコンテンツを一度再生すると、そのコンテンツを二度と再生することができなくなる。このため、利用者が、所望のコンテンツを複数回再生することを望む場合には、コンテンツ提供者に再生回数に応じた料金を支払い、その再生回数だけ、コンテンツを繰り返し変調して暗号化コンテンツとして光ディスクに記録する。従って、コンテンツ提供者は、コンテンツの再生回数と課金との関係を明確にして、利用者に対して再生回数に応じた課金を確実に行なうことが可能になる。
なお、暗号復号化装置２０ｄは、光ディスクの再生を開始する際、第２例の通信システム３Ａとほぼ同様に、復調して暗号化領域から取り出された出力回数と、非暗号化領域に書き込まれた出力回数とを比較し、これらの出力回数が不一致の場合、光ディスクの内容に対し何らかの改竄が施されているものと認識して、その光ディスクの再生を禁止するように構成してもよい。
また、コンテンツ再生装置として用いられる暗号復号化装置２０ｄの耐タンパ領域６０内に、暗号復号化されたデジタル信号を、さらに画像信号や音声信号にアナログ変換するための再生装置を内包すれば、暗号復号化装置２０ｄの耐タンパ領域６０から出力される再生信号をアナログ信号とすることができるので、デジタル再生信号の複製を抑止することができ効果的である。
一方、暗号復号化装置２０ｃ（暗号復号化装置２０ｄ，２０ｃ'，２０ｄ'，２０ｃ"，２０ｄ"も同様）については、図３７に示すように、物理乱数発生器２４および切換部２５を耐タンパ領域６０内にさらにそなえて構成してもよい。なお、図３７は本発明の暗号化／復号化技術を適用された通信システム３における暗号復号化装置２０ｃの変形例の構成を示すブロック図である。
ここで、物理乱数発生器２４は、暗号化装置１０等にそなえられる物理乱数発生器１３とほぼ同様のものであり、切換部２５は、復調部２２からの出力（平文）と物理乱数発生器１３からの出力（物理乱数）とのいずれか一方を選択的に切り換えて出力するものである。なお、図３７中では、切換部２５が、復調部２２からの平文を選択して出力している状態を示している。
この切換部２５は、暗号復号化装置２０ｃ等に入力される暗号文が、擬似乱数の出力との対応関係から逆算して本来有り得ないはずの暗号文（正規の送信者が送信した暗号文ではないことが明白な暗号文）が入力された場合に、復調部２２からの平文に代えて物理乱数発生器１３からの物理乱数を平文として平文出力インタフェースから出力するように切換動作を行なう。
暗号復号化装置２０ｃ等ににおいて、このような構成を採用することにより、暗号復号化装置２０ｃ等を奪って偽の暗号文を入力し擬似乱数値の推定を行なっても、その暗号文とは全く無関係の物理乱数が出力され、擬似乱数値の推定を行なうことはできない。例えば、上述した１番目の擬似乱数値「２」を推定するための手順では、暗号文入力「２」や「７」に対する平文出力として「エラー」を得ることで擬似乱数値の推定が行なわれているが、切換部２５による切換を行なうことにより「エラー」が出力されないため、擬似乱数値を推定できない。つまり、このような構成を採用することで、選択暗号文攻撃に対して安全となる。なお、通信相手が正規の通信者であることは、図１９を参照しながら上述した認証手法を用いて知ることができるので、「本来有り得ない暗号文が送られてきた時に、エラー情報から不正規の送信者を検知する機能」を別途そなえる必要は無い。
〔１７〕その他
上述した暗号化装置１０，１０ａ〜１０ｄ，１０ｃ'，１０ｄ'，１０ｃ"，１０ｄ"における擬似乱数発生器１１，第１の変調部１２，物理乱数発生器１３，第２の変調部１４，通信路符号化部１５，カウンタ１３３，組込み部１３５およびパケット化部１３６としての機能（全部もしくは一部の機能）や、上述した暗号復号化装置２０，２０ａ〜２０ｄ，２０ｃ'，２０ｄ'，２０ｃ"，２０ｄ"における通信路符号復号化部２３，擬似乱数発生器２１，復調部２２，物理乱数発生器２４，切換部２５，カウンタ１４３，並べ替え部１４６，取出し部１４７，比較部１４８，パケット消失判断部１４９，パケット破棄部１５０および出力回数調整部１５４としての機能（全部もしくは一部の機能）や、上述した通信装置３ａ，３ｂにおける送受信部１５２および同期調整部１５３としての機能（全部もしくは一部の機能）は、コンピュータ（ＣＰＵ，情報処理装置，各種端末を含む）が所定のアプリケーションプログラム（暗号化プログラム／暗号復号化プログラム）を実行することによって実現される。
そのプログラムは、例えばフレキシブルディスク，ＣＤ（ＣＤ−ＲＯＭ，ＣＤ−Ｒ，ＣＤ−ＲＷなど），ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＡＭ，ＤＶＤ−Ｒ，ＤＶＤ−ＲＷ，ＤＶＤ＋Ｒ，ＤＶＤ＋ＲＷなど）等のコンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形態で提供される。この場合、コンピュータはその記録媒体からプログラムを読み取って内部記憶装置または外部記憶装置に転送し格納して用いる。また、そのプログラムを、例えば磁気ディスク，光ディスク，光磁気ディスク等の記憶装置（記録媒体）に記録しておき、その記憶装置から通信回線を介してコンピュータに提供するようにしてもよい。
ここで、コンピュータとは、ハードウエアとＯＳ（オペレーティングシステム）とを含む概念であり、ＯＳの制御の下で動作するハードウエアを意味している。また、ＯＳが不要でアプリケーションプログラム単独でハードウェアを動作させるような場合には、そのハードウェア自体がコンピュータに相当する。ハードウエアは、少なくとも、ＣＰＵ等のマイクロプロセッサと、記録媒体に記録されたプログラムを読み取るための手段とをそなえている。上記の暗号化プログラムもしくは暗号復号化プログラムとしてのアプリケーションプログラムは、上述のようなコンピュータに、擬似乱数発生器１１，第１の変調部１２，物理乱数発生器１３，第２の変調部１４，通信路符号化部１５，カウンタ１３３，組込み部１３５，パケット化部１３６，通信路符号復号化部２３，擬似乱数発生器２１，復調部２２，物理乱数発生器２４，切換部２５，カウンタ１４３，並べ替え部１４６，取出し部１４７，比較部１４８，パケット消失判断部１４９，パケット破棄部１５０，出力回数調整部１５４，送受信部１５２および同期調整部１５３としての機能（全部もしくは一部の機能）を実現させるプログラムコードを含んでいる。また、その機能の一部は、アプリケーションプログラムではなくＯＳによって実現されてもよい。
さらに、本実施形態における記録媒体としては、上述したフレキシブルディスク，ＣＤ，ＤＶＤ，磁気ディスク，光ディスク，光磁気ディスクのほか、ＩＣカード，ＲＯＭカートリッジ，磁気テープ，パンチカード，コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ），外部記憶装置等や、バーコードなどの符号が印刷された印刷物等の、コンピュータ読取可能な種々の媒体を利用することもできる。
〔１８〕付記
（付記１）
入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調ステップと、
前記第１の変調ステップの出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調ステップと、
前記第２の変調ステップの出力を所望の符号語に通信路符号化し、暗号化データとして出力する通信路符号化ステップとを含み、
該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号であることを特徴とする、暗号化方法。
（付記２）
前記物理乱数で選定される状態数が、４以上であって前記状態対の組数を超えないように設定されていることを特徴とする、付記１に記載の暗号化方法。
（付記３）
前記第２の変調ステップにおいて、該物理乱数の出力値を前記第１の変調ステップの出力に対し加減算することにより変調を行なうことを特徴とする、付記１または付記２に記載の暗号化方法。
（付記４）
前記物理乱数によって選定される状態数が所望の暗号強度に応じて決定され、その状態数に応じて前記状態対の数が決定され、その数に応じて前記擬似乱数の状態数が決定されることを特徴とする、付記１〜付記３のいずれか一項に記載の暗号化方法。
（付記５）
入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調を行ない、さらに前記第１の変調の出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調の出力を所望の符号語に通信路符号化して得られる暗号化データであって、
該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように暗号化された暗号化データを、通信路符号復号化して復号信号にするステップを含み、該復号信号を前記第１の変調に用いられた該擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく擬似乱数により、該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調することを特徴とする、暗号復号化方法。
（付記６）
暗号鍵に基づく擬似乱数を生成する擬似乱数生成部と、
入力データを、前記擬似乱数生成部によって生成された擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調部と、
物理現象に基づく物理乱数を生成する物理乱数生成部と、
前記第１の変調部の出力を、該物理乱数生成部によって生成された物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調部と、
前記第２の変調部の出力を所望の符号語に通信路符号化し、暗号化データとして出力する通信路符号化部とをそなえ、
該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように、前記第１の変調部および前記第２の変調部により変調を行なうことを特徴とする、暗号化装置。
（付記７）
前記物理乱数で選定される状態数が、４以上であって前記状態対の組数を超えないように設定されていることを特徴とする、付記６に記載の暗号化装置。
（付記８）
入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調を行ない、さらに前記第１の変調の出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調の出力を所望の符号語に通信路符号化して得られる暗号化データであって、
該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように暗号化された暗号化データを、暗号復号化する暗号復号化装置であって、
該暗号化データを通信路符号復号化し、復号信号にする通信路符号復号化部と、
前記第１の変調に用いられた該擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく擬似乱数を生成する擬似乱数生成部と、
前記擬似乱数生成部によって生成された擬似乱数により、復号信号を該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調する復調部とをそなえて構成されていることを特徴とする、暗号復号化装置。
（付記９）
暗号鍵に基づく擬似乱数を生成する擬似乱数生成部と、
入力データを、前記擬似乱数生成部によって生成された擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調部と、
物理現象に基づく物理乱数を生成する物理乱数生成部と、
前記第１の変調部の出力を、該物理乱数生成部によって生成された物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調部と、
前記第２の変調部の出力を所望の符号語に通信路符号化し、暗号化データとして出力する通信路符号化部として、コンピュータを機能させるとともに、
該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように、前記第１の変調部および前記第２の変調部により変調を該コンピュータに実行させることを特徴とする、暗号化プログラム。
（付記１０）
前記物理乱数で選定される状態数が、４以上であって前記状態対の組数を超えないように設定されていることを特徴とする、付記９に記載の暗号化プログラム。
（付記１１）
入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調を行ない、さらに前記第１の変調の出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調の出力を所望の符号語に通信路符号化して得られる暗号化データであって、
該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように暗号化された暗号化データを、暗号復号化する暗号復号化装置として、コンピュータを機能させる暗号復号化プログラムであって、
該暗号化データを通信路符号復号化し、復号信号にする通信路符号復号化部と、
前記第１の変調に用いられた該擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく擬似乱数を生成する擬似乱数生成部と、
前記擬似乱数生成部によって生成された擬似乱数により、復号信号を該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調する復調部として、該コンピュータを機能させることを特徴とする、暗号復号化プログラム。
（付記１２）
相互に通信可能に接続された第１送受信装置および第２送受信装置をそなえ、
前記第１送受信装置が、前記第２送受信装置へ送信すべき入力データを暗号化する第１暗号化装置と、前記第２送受信装置から受信した暗号化データを暗号復号化する第１暗号復号化装置とをそなえて構成され、
前記第２送受信装置が、前記第１送受信装置へ送信すべき入力データを暗号化する第２暗号化装置と、前記第１送受信装置から受信した暗号化データを暗号復号化する第２暗号復号化装置とをそなえて構成され、
前記第１暗号化装置および前記第２暗号化装置のそれぞれが、
暗号鍵に基づく変調用擬似乱数を生成する変調用擬似乱数生成部と、
入力データを、前記変調用擬似乱数生成部によって生成された変調用擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調部と、
物理現象に基づく物理乱数を生成する物理乱数生成部と、
前記第１の変調部の出力を、該物理乱数生成部によって生成された物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調部と、
前記第２の変調部の出力を所望の符号語に通信路符号化し、暗号化データとして出力する通信路符号化部とをそなえ、
該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように、前記第１の変調部および前記第２の変調部が構成されるとともに、
前記第１暗号復号化装置および前記第２暗号復号化装置のそれぞれが、
該暗号化データを通信路符号復号化し、復号信号にする通信路符号復号化部と、
該変調用擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく復調用擬似乱数を生成する復調用擬似乱数生成部と、
前記復調用擬似乱数生成部によって生成された復調用擬似乱数により、復号信号を該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調する復調部とをそなえて構成されていることを特徴とする、送受信システム。
（付記１３）
前記第１暗号化装置の前記入力データとして、該変調用擬似乱数および該復調用擬似乱数を生成するための暗号鍵の長さ以上の長さを有する認証数列を入力し、当該認証数列の暗号化データを前記第１暗号化装置から前記第２送受信装置に送信した後、前記第２暗号化装置の前記入力データとして、前記第２暗号復号化装置により当該認証数列の暗号化データを暗号復号化して得られた復号数列を入力し、当該復号数列の暗号化データを前記第２暗号化装置から前記第１送受信装置に送信し、前記第１暗号復号化装置によって当該復号数列の暗号データを暗号復号化して得られた応答数列と、前記認証数列とが一致している場合に、前記第１送受信装置と前記第２送受信装置とが相互に正規の通信相手であることを認証すると同時に、前記第１暗号化装置の該変調用擬似乱数と前記第２暗号復号化装置の該復調用擬似乱数とが同期し且つ前記第２暗号化装置の前記変調用擬似乱数と前記第１暗号復号化装置の前記復調用擬似乱数とが同期していることを確認する手段をさらにそなえたことを特徴とする、付記１２記載の送受信システム。
（付記１４）
交換局と、前記交換局を介して相互に通信可能な複数の端末装置とをそなえて構成される公衆回線システムであって、
各端末装置が、前記交換局を介して特定端末装置へ送信すべき入力データを暗号化する第１暗号化装置と、前記交換局を介して前記特定端末装置から受信した暗号化データを復号化する第１暗号復号化装置とをそなえて構成され、
前記交換局が、各端末装置と前記特定端末装置とを接続するための交換動作を行なう交換機と、各端末装置と前記交換機との間に介在する送受信部とをそなえて構成され、
前記送受信部が、前記特定端末装置から各端末装置へ送信すべき入力データを前記交換機経由で受信して暗号化する第２暗号化装置と、各端末装置から前記特定端末装置へ送信すべき暗号データを暗号復号化して前記交換機に入力する第２暗号復号化装置とをそなえて構成され、
前記第１暗号化装置および前記第２暗号化装置のそれぞれが、
暗号鍵に基づく変調用擬似乱数を生成する変調用擬似乱数生成部と、
入力データを、前記変調用擬似乱数生成部によって生成された変調用擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調部と、
物理現象に基づく物理乱数を生成する物理乱数生成部と、
前記第１の変調部の出力を、該物理乱数生成部によって生成された物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調部と、
前記第２の変調部の出力を所望の符号語に通信路符号化し、暗号化データとして出力する通信路符号化部とをそなえ、
該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように、前記第１の変調部および前記第２の変調部が構成されるとともに、
前記第１暗号復号化装置および前記第２暗号復号化装置のそれぞれが、
該暗号化データを通信路符号復号化し、復号信号にする通信路符号復号化部と、
該変調用擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく復調用擬似乱数を生成する復調用擬似乱数生成部と、
前記復調用擬似乱数生成部によって生成された復調用擬似乱数により、復号信号を該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調する復調部とをそなえて構成されていることを特徴とする、公衆回線システム。
（付記１５）
前記擬似乱数生成部、前記第１の変調部、前記物理乱数生成部、および前記第２の変調部は、前記暗号鍵および前記擬似乱数の漏洩を抑止するとともに、前記物理乱数生成部によって生成される物理乱数の、物理的擾乱による確率分布変動を抑止する、耐タンパ領域に配置されていることを特徴とする、付記６または付記７に記載の暗号化装置。
（付記１６）
前記擬似乱数生成部は、前記擬似乱数の生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成されていることを特徴とする、付記１５に記載の暗号化装置。
（付記１７）
前記擬似乱数生成部に前記擬似乱数の生成動作を実行させるクロック信号の入力回数を前記擬似乱数の出力回数として保持し、前記耐タンパ領域外からの命令に応じて前記出力回数を前記耐タンパ領域外へ出力する、不揮発性の擬似乱数出力回数保持部と、
前記擬似乱数生成部による擬似乱数生成動作と、前記暗号化データの送信先通信装置における暗号復号化装置の復調用擬似乱数生成部による復調用擬似乱数生成動作とを同期させるために、前記擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記出力回数に基づいて、前記擬似乱数生成部からの前記擬似乱数の出力回数を調整する同期調整部とをそなえた、
ことを特徴とする、付記１６に記載の暗号化装置。
（付記１８）
送信先通信装置と同一の乱数表を保持する、不揮発性の乱数表保持部と、
前記擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記擬似乱数の出力回数を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて暗号化し暗号化同期情報として前記送信先通信装置に送信する暗号送信部と、
前記送信先通信装置から受信した暗号化同期情報を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて復調用擬似乱数の出力回数に復号化する復号受信部とをそなえ、
前記同期調整部は、前記復号受信部によって復号化された、前記送信先通信装置側の前記復調用擬似乱数の出力回数が、前記擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記擬似乱数の出力回数よりも大きい場合、前記擬似乱数生成部からの前記擬似乱数の出力回数を前記送信先通信装置側の前記復調用擬似乱数の出力回数に合わせるように調整することを特徴とする、付記１７に記載の暗号化装置。
（付記１９）
前記復調用擬似乱数生成部および前記復調部は、前記暗号鍵および前記復調用擬似乱数の漏洩を抑止する耐タンパ領域に配置されていることを特徴とする、付記８に記載の暗号復号化装置。
（付記２０）
前記復調用擬似乱数生成部は、前記復調用擬似乱数の生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成されていることを特徴とする、付記１９に記載の暗号復号化装置。
（付記２１）
前記復調用擬似乱数生成部に前記復調用擬似乱数の生成動作を実行させるクロック信号の入力回数を前記復調用擬似乱数の出力回数として保持し、前記耐タンパ領域外からの命令に応じて前記出力回数を前記耐タンパ領域外へ出力する、不揮発性の復調用擬似乱数出力回数保持部と、
前記復調用擬似乱数生成部による復調用擬似乱数生成動作と、前記暗号化データの送信元通信装置における暗号化装置の擬似乱数生成部による擬似乱数生成動作とを同期させるために、前記復調用擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記出力回数に基づいて、前記復調用擬似乱数生成部からの前記復調用擬似乱数の出力回数を調整する同期調整部とをそなえた、
ことを特徴とする、付記２０に記載の暗号復号化装置。
（付記２２）
前記送信元通信装置と同一の乱数表を保持する、不揮発性の乱数表保持部と、
前記復調用擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記復調用擬似乱数の出力回数を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて暗号化し暗号化同期情報として前記送信元通信装置に送信する暗号送信部と、
前記送信元通信装置から受信した暗号化同期情報を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて擬似乱数の出力回数に復号化する復号受信部とをそなえ、
前記同期調整部は、前記復号受信部によって復号化された、前記送信元通信装置側の前記擬似乱数の出力回数が、前記復調用擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記復調用擬似乱数の出力回数よりも大きい場合、前記復調用擬似乱数生成部からの前記復調用擬似乱数の出力回数を前記送信元通信装置側の前記擬似乱数の出力回数に合わせるように調整することを特徴とする、付記２１に記載の暗号復号化装置。
（付記２３）
付記６，付記７，付記１５〜付記１８のいずれか一項に記載の暗号化装置であって、前記暗号化データの送信元通信装置にそなえられ、前記暗号化データを送信先通信装置に複数のパケットとして送信する暗号化装置と、
付記８，付記１９〜付記２２のいずれか一項に記載の暗号復号化装置であって、前記暗号化データの送信先通信装置にそなえられ、前記送信元通信装置の前記暗号化装置から受信した各パケットにおける前記暗号化データを前記入力データに復調する暗号復号化装置とをそなえ、
前記暗号化装置から前記暗号復号化装置に送信される各パケットのヘッダ部に、前記複数のパケットについての通し番号、または、各パケットのコンテナ部における前記暗号化データについて前記第１の変調部で用いられた前記擬似乱数の出力回数が記述され、
前記暗号復号化装置は、
前記暗号化装置からの前記複数のパケットを保持するパケット保持部と、
前記パケット保持部に保持された前記複数のパケットを、各パケットのヘッダ部に記述された前記通し番号または前記出力回数に従う順序に並べ替えて前記復調部に入力する並べ替え部とをそなえている、
ことを特徴とする、通信システム。
（付記２４）
前記暗号化装置から前記暗号復号化装置に送信される各パケットのコンテナ部における前記暗号化データに、前記通し番号または前記出力回数が含まれ、
前記暗号復号化装置は、
各パケットのヘッダ部に記述された前記通し番号または前記出力回数と、前記復調部による前記暗号化データの復調結果に含まれる前記通し番号または前記出力回数とを比較する第１比較部と、
前記第１比較部による比較の結果、これらの通し番号または出力回数が不一致であった場合、当該パケットを破棄するパケット破棄部とをそなえている、
ことを特徴とする、付記２３に記載の通信システム。
（付記２５）
前記暗号化装置から前記暗号復号化装置に送信される各パケットのコンテナ部における前記暗号化データに、当該パケットについて固有の認証コードとして、前記擬似乱数生成部によって生成された擬似乱数列が含まれ、
前記暗号復号化装置は、
前記復調部による前記暗号化データの復調結果に含まれる前記認証コードと、前記復調用擬似乱数生成部によって生成された、当該認証コードに対応する復調用擬似乱数列とを比較する第２比較部と、
前記第２比較部による比較の結果、これらの認証コードが不一致であった場合、当該パケットを破棄するパケット破棄部とをそなえている、
ことを特徴とする、付記２３または付記２４に記載の通信システム。
（付記２６）
前記暗号復号化装置は、
前記複数のパケットのうちの一つを受信した後に、前記通し番号または前記出力回数に従って次に受信すべきパケットが所定時間以内に受信されない場合、当該パケットが消失したものと判断するパケット消失判断部と、
前記パケット破棄部によってパケットを破棄した場合、もしくは、前記パケット消失判断部によってパケットが消失したものと判断された場合、前記復調用擬似乱数生成部からの前記復調用擬似乱数の出力回数を、破棄されたパケットもしくは消失したと判断されたパケットの次に正常に受信されたパケットにおける前記通し番号または前記出力回数に応じた出力回数に合わせるように調整する出力回数調整部とをそなえている、
ことを特徴とする、付記２４または付記２５に記載の通信システム。
（付記２７）
前記暗号化装置は、
前記パケット毎に含まれる前記通し番号または前記出力回数または前記認証コードの、各パケットの前記コンテナ部における格納位置を、前記擬似乱数生成部によって生成された前記擬似乱数に基づいて決定し、決定された当該格納位置に前記通し番号または前記出力回数または前記認証コードが配置されるように、前記通し番号または前記出力回数または前記認証コードを前記入力データに組み込む組込み部をそなえるとともに、
前記暗号復号化装置は、
前記復調用擬似乱数生成部によって生成された前記復調用擬似乱数に基づいて、前記復調部による復調結果から前記通し番号または前記出力回数または前記認証コードを取り出す取出し部をそなえている、
ことを特徴とする、付記２４または付記２５に記載の通信システム。
以上のように、本発明によれば、擬似乱数による変調出力に対しさらに物理乱数による変調を行なって暗号化データを得ることで、暗号化データに物理乱数による不規則な対応付けを付与して既知平文攻撃に対して高い安全性を保証しながら、正規受信者側では物理乱数を用いることなく擬似乱数のみで暗号化データを暗号復号化することが可能になる。このとき、本発明の暗号技術は符号により実現されるので、電波通信や電気通信において使用可能で且つ電気的なメモリや各種記録媒体にデータ保存可能であり、雑音の影響を受けることがなく、さらには通信速度への影響を最小にすることのできる暗号技術を提供できる。従って、本発明は、情報を暗号化して送受信するシステムに用いて好適であり、その有用性は極めて高いものと考えられる。
本発明の一実施形態としての暗号化装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態としての暗号復号化装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態における擬似乱数と平文と暗号文との対応関係について説明するための図である。 本実施形態の暗号化手順について説明するための図である。 本実施形態の暗号化手順について説明するための図である。 本実施形態の暗号化手順について説明するための図である。 本実施形態の暗号化手順について説明するための図である。 本実施形態の暗号復号化手順について説明するための図である。 本実施形態の暗号復号化手順について説明するための図である。 本実施形態の復号化手順について説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本実施形態の暗号技術によって得られた暗号文の、暗号文単独攻撃に対する暗号強度について説明するための図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本実施形態の暗号技術によって得られた暗号文の、既知平文攻撃に対する暗号強度について説明するための図である。 本実施形態の暗号化／暗号復号化手順の第１変形例について説明するための図である。 本実施形態の暗号化／暗号復号化手順の第２変形例について説明するための図である。 本発明の暗号化／暗号復号化技術を適用された送受信システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の暗号化／暗号復号化技術を適用された公衆回線システムの構成例を示すブロック図である。 ストリーム暗号を適用された一般的な送受信システムの構成を示すブロック図である。 Ｙ−００方式量子暗号について説明するための図である。 本発明の暗号化／暗号復号化技術を適用された送受信システムにおいて正規の送受信者の認証と擬似乱数の同期確認を行なう方法について説明するための図である。 本発明の暗号化／復号化技術を適用された通信システムの第１例および第２例の全体構成を示すブロック図である。 図２０に示す通信システムの第１例における暗号化装置の構成を示すブロック図である。 図２０に示す通信システムの第１例における暗号復号化装置の構成を示すブロック図である。 図２０に示す通信システムの第２例における暗号化装置の構成を示すブロック図である。 図２０に示す通信システムの第２例における暗号復号化装置の構成を示すブロック図である。 （Ａ）は図２０に示す通信システムの第２例における認証コードおよび出力回数の入力データ（平文）への組込み例を示す図、（Ｂ）は（Ａ）に示す入力データ（平文）をパケット化した例を示す図である。 本発明の暗号化／復号化技術を適用された通信システムの第３例および第４例の全体構成を示すブロック図である。 図２６に示す通信システムの第３例における暗号化装置の構成を示すブロック図である。 図２６に示す通信システムの第３例における暗号復号化装置の構成を示すブロック図である。 図２６に示す通信システムの第４例における暗号化装置の構成を示すブロック図である。 図２６に示す通信システムの第４例における暗号復号化装置の構成を示すブロック図である。 本発明の暗号化／復号化技術を適用された通信システムの第５例および第６例の全体構成を示すブロック図である。 図３１に示す通信システムの第５例における暗号化装置の構成を示すブロック図である。 図３１に示す通信システムの第５例における暗号復号化装置の構成を示すブロック図である。 図３１に示す通信システムの第６例における暗号化装置の構成を示すブロック図である。 図３１に示す通信システムの第６例における暗号復号化装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態において物理乱数発生器に代えて用いられる乱数発生器の構成を示すブロック図である。 本発明の暗号化／復号化技術を適用された通信システムにおける暗号復号化装置の変形例の構成を示すブロック図である。
符号の説明
１ 送受信システム
２ 公衆回線システム
３，３Ａ，３'，３Ａ'，３"，３Ａ" 通信システム
３ａ，３ｂ，３ａ'，３ｂ'，３ａ"，３ｂ" 通信装置（送信先通信装置／送信元通信装置）
１０，１０ｃ，１０ｄ，１０ｃ'，１０ｄ'，１０ｃ"，１０ｄ" 暗号化装置
１０ａ 第１暗号化装置
１０ｂ 第２暗号化装置
１１，１１ａ 擬似乱数発生器（擬似乱数生成部，変調用擬似乱数生成部）
１２ 第１の変調部
１３，１３ａ 物理乱数発生器（物理乱数生成部）
１４ 第２の変調部
１５ 通信路符号化部
１６ 乱数発生器
２０，２０ｃ，２０ｄ，２０ｃ'，２０ｄ'，２０ｃ"，２０ｄ" 暗号復号化装置
２０ａ 第１暗号復号化装置
２０ｂ 第２暗号復号化装置
２１ 擬似乱数発生器（擬似乱数生成部，復調用擬似乱数生成部）
２２ 復調部
２３ 通信路符号復号化部
２４ 物理乱数発生器
２５ 切換部
３０Ａ 第１送受信装置
３０Ｂ 第２送受信装置
４０ 交換局
４１ 交換機
４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ 送受信部
４３ 暗号鍵管理部
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ 端末装置
６０ 耐タンパ領域
１００ 送受信システム
１１０ 暗号化装置
１１１ 擬似乱数発生器
１１２ 変調部（排他的論理和生成器）
１２０ 暗号復号化装置
１２１ 擬似乱数発生器
１２２ 復調部（排他的論理和生成器）
１３１ 識別番号用ＲＯＭ
１３２ 暗号鍵用ＲＯＭ
１３３ カウンタ
１３４ 不揮発性メモリ（変調用擬似乱数出力回数保持部）
１３５ 組込み部
１３６ パケット化部
１４１ 識別番号用ＲＯＭ
１４２ 暗号鍵用ＲＯＭ
１４３ カウンタ
１４４ 不揮発性メモリ（復調用擬似乱数出力回数保持部）
１４５ ＦＩＦＯメモリ（パケット保持部）
１４６ 並べ替え部
１４７ 取出し部
１４８ 比較部（第１比較部，第２比較部）
１４９ パケット消失判断部
１５０ パケット破棄部
１５１ 不揮発性メモリ（乱数表保持部）
１５２ 送受信部
１５２Ａ 送受信部（暗号送信部／復号受信部）
１５３ 同期調整部
１５４ 出力回数調整部

Claims (18)

  1. 入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調ステップと、
    前記第１の変調ステップの出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調ステップと、
    前記第２の変調ステップの出力を所望の符号語に通信路符号化し、暗号化データとして出力する通信路符号化ステップとを含み、
    該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号であることを特徴とする、暗号化方法。
  2. 前記物理乱数で選定される状態数が、４以上であって前記状態対の組数を超えないように設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の暗号化方法。
  3. 前記第２の変調ステップにおいて、該物理乱数の出力値を前記第１の変調ステップの出力に対し加減算することにより変調を行なうことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の暗号化方法。
  4. 前記物理乱数によって選定される状態数が所望の暗号強度に応じて決定され、その状態数に応じて前記状態対の数が決定され、その数に応じて前記擬似乱数の状態数が決定されることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の暗号化方法。
  5. 入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調を行ない、さらに前記第１の変調の出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調の出力を所望の符号語に通信路符号化して得られる暗号化データであって、
    該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように暗号化された暗号化データを、通信路符号復号化して復号信号にするステップを含み、該復号信号を前記第１の変調に用いられた該擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく擬似乱数により、該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調することを特徴とする、暗号復号化方法。
  6. 暗号鍵に基づく擬似乱数を生成する擬似乱数生成部と、
    入力データを、前記擬似乱数生成部によって生成された擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調部と、
    物理現象に基づく物理乱数を生成する物理乱数生成部と、
    前記第１の変調部の出力を、該物理乱数生成部によって生成された物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調部と、
    前記第２の変調部の出力を所望の符号語に通信路符号化し、暗号化データとして出力する通信路符号化部とをそなえ、
    該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように、前記第１の変調部および前記第２の変調部により変調を行なうことを特徴とする、暗号化装置。
  7. 入力データを、擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調を行ない、さらに前記第１の変調の出力を物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調の出力を所望の符号語に通信路符号化して得られる暗号化データであって、
    該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように暗号化された暗号化データを、暗号復号化する暗号復号化装置であって、
    該暗号化データを通信路符号復号化し、復号信号にする通信路符号復号化部と、
    前記第１の変調に用いられた該擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく擬似乱数を生成する復調用擬似乱数生成部と、
    前記擬似乱数生成部によって生成された擬似乱数により、復号信号を該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調する復調部とをそなえて構成されていることを特徴とする、暗号復号化装置。
  8. 相互に通信可能に接続された第１送受信装置および第２送受信装置をそなえ、
    前記第１送受信装置が、前記第２送受信装置へ送信すべき入力データを暗号化する第１暗号化装置と、前記第２送受信装置から受信した暗号化データを暗号復号化する第１暗号復号化装置とをそなえて構成され、
    前記第２送受信装置が、前記第１送受信装置へ送信すべき入力データを暗号化する第２暗号化装置と、前記第１送受信装置から受信した暗号化データを暗号復号化する第２暗号復号化装置とをそなえて構成され、
    前記第１暗号化装置および前記第２暗号化装置のそれぞれが、
    暗号鍵に基づく変調用擬似乱数を生成する変調用擬似乱数生成部と、
    入力データを、前記変調用擬似乱数生成部によって生成された変調用擬似乱数により定まる特定の状態対に対応させて多値変調する第１の変調部と、
    物理現象に基づく物理乱数を生成する物理乱数生成部と、
    前記第１の変調部の出力を、該物理乱数生成部によって生成された物理乱数により定まる離散値に対応させて変調する第２の変調部と、
    前記第２の変調部の出力を所望の符号語に通信路符号化し、暗号化データとして出力する通信路符号化部とをそなえ、
    該暗号化データを通信路符号復号化して得られる復号信号は、該擬似乱数により該特定の状態対のいずれの状態に対応するかが判別され該入力データに復調可能であり、かつ、該特定の状態対以外の状態対による前記第１の変調および該物理乱数とは異なる物理乱数による前記第２の変調により出力されうる信号となるように、前記第１の変調部および前記第２の変調部が構成されるとともに、
    前記第１暗号復号化装置および前記第２暗号復号化装置のそれぞれが、
    該暗号化データを通信路符号復号化し、復号信号にする通信路符号復号化部と、
    該変調用擬似乱数を生成した暗号鍵と同一の暗号鍵に基づく復調用擬似乱数を生成する復調用擬似乱数生成部と、
    前記復調用擬似乱数生成部によって生成された復調用擬似乱数により、復号信号を該特定の状態対のいずれの状態に対応するかを判別して該入力データに復調する復調部とをそなえて構成されていることを特徴とする、送受信システム。
  9. 前記擬似乱数生成部、前記第１の変調部、前記物理乱数生成部、および前記第２の変調部は、前記暗号鍵および前記擬似乱数の漏洩を抑止するとともに、前記物理乱数生成部によって生成される物理乱数の、物理的擾乱による確率分布変動を抑止する、耐タンパ領域に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の暗号化装置。
  10. 前記擬似乱数生成部は、前記擬似乱数の生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の暗号化装置。
  11. 前記擬似乱数生成部に前記擬似乱数の生成動作を実行させるクロック信号の入力回数を前記擬似乱数の出力回数として保持し、前記耐タンパ領域外からの命令に応じて前記出力回数を前記耐タンパ領域外へ出力する、不揮発性の擬似乱数出力回数保持部と、
    前記擬似乱数生成部による擬似乱数生成動作と、前記暗号化データの送信先通信装置における暗号復号化装置の復調用擬似乱数生成部による復調用擬似乱数生成動作とを同期させるために、前記擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記出力回数に基づいて、前記擬似乱数生成部からの前記擬似乱数の出力回数を調整する同期調整部とをそなえた、
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の暗号化装置。
  12. 前記送信先通信装置と同一の乱数表を保持する、不揮発性の乱数表保持部と、
    前記擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記擬似乱数の出力回数を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて暗号化し暗号化同期情報として前記送信先通信装置に送信する暗号送信部と、
    前記送信先通信装置から受信した暗号化同期情報を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて復調用擬似乱数の出力回数に復号化する復号受信部とをそなえ、
    前記同期調整部は、前記復号受信部によって復号化された、前記送信先通信装置側の前記復調用擬似乱数の出力回数が、前記擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記擬似乱数の出力回数よりも大きい場合、前記擬似乱数生成部からの前記擬似乱数の出力回数を前記送信先通信装置側の前記復調用擬似乱数の出力回数に合わせるように調整することを特徴とする、請求項１１に記載の暗号化装置。
  13. 前記復調用擬似乱数生成部および前記復調部は、前記暗号鍵および前記復調用擬似乱数の漏洩を抑止する耐タンパ領域に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の暗号復号化装置。
  14. 前記復調用擬似乱数生成部は、前記復調用擬似乱数の生成動作のリセットおよび繰り返しを禁止するように構成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の暗号復号化装置。
  15. 前記復調用擬似乱数生成部に前記復調用擬似乱数の生成動作を実行させるクロック信号の入力回数を前記復調用擬似乱数の出力回数として保持し、前記耐タンパ領域外からの命令に応じて前記出力回数を前記耐タンパ領域外へ出力する、不揮発性の復調用擬似乱数出力回数保持部と、
    前記復調用擬似乱数生成部による復調用擬似乱数生成動作と、前記暗号化データの送信元通信装置における暗号化装置の擬似乱数生成部による擬似乱数生成動作とを同期させるために、前記復調用擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記出力回数に基づいて、前記復調用擬似乱数生成部からの前記復調用擬似乱数の出力回数を調整する同期調整部とをそなえた、
    ことを特徴とする、請求項１４記載の暗号復号化装置。
  16. 送信元通信装置と同一の乱数表を保持する、不揮発性の乱数表保持部と、
    前記復調用擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記復調用擬似乱数の出力回数を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて暗号化し暗号化同期情報として前記送信元通信装置に送信する暗号送信部と、
    前記送信元通信装置から受信した暗号化同期情報を、前記乱数表保持部に保持された前記乱数表に基づいて擬似乱数の出力回数に復号化する復号受信部とをそなえ、
    前記同期調整部は、前記復号受信部によって復号化された、前記送信元通信装置側の前記擬似乱数の出力回数が、前記復調用擬似乱数出力回数保持部から読み出された前記復調用擬似乱数の出力回数よりも大きい場合、前記復調用擬似乱数生成部からの前記復調用擬似乱数の出力回数を前記送信元通信装置側の前記擬似乱数の出力回数に合わせるように調整することを特徴とする、請求項１５に記載の暗号復号化装置。
  17. 請求項６，請求項９〜請求項１２のいずれか一項に記載の暗号化装置であって、前記暗号化データの送信元通信装置にそなえられ、前記暗号化データを送信先通信装置に複数のパケットとして送信する暗号化装置と、
    請求項７，請求項１３〜請求項１６のいずれか一項に記載の暗号復号化装置であって、前記暗号化データの送信先通信装置にそなえられ、前記送信元通信装置の前記暗号化装置から受信した各パケットにおける前記暗号化データを前記入力データに暗号復号化する暗号復号化装置とをそなえ、
    前記暗号化装置から前記暗号復号化装置に送信される各パケットのヘッダ部に、前記複数のパケットについての通し番号、または、各パケットのコンテナ部における前記暗号化データについて前記第１の変調部で用いられた前記擬似乱数の出力回数が記述され、
    前記暗号復号化装置は、
    前記暗号化装置からの前記複数のパケットを保持するパケット保持部と、
    前記パケット保持部に保持された前記複数のパケットを、各パケットのヘッダ部に記述された前記通し番号または前記出力回数に従う順序に並べ替えて前記復調部に入力する並べ替え部とをそなえている、
    ことを特徴とする、通信システム。
  18. 前記暗号化装置から前記暗号復号化装置に送信される各パケットのコンテナ部における前記暗号化データに、前記通し番号または前記出力回数が含まれ、
    前記暗号復号化装置は、
    各パケットのヘッダ部に記述された前記通し番号または前記出力回数と、前記復調部による前記暗号化データの暗号復号化出力に含まれる前記通し番号または前記出力回数とを比較する第１比較部と、
    前記第１比較部による比較の結果、これらの通し番号または出力回数が不一致であった場合、当該パケットを破棄するパケット破棄部とをそなえている、
    ことを特徴とする、請求項１７に記載の通信システム。
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