JP2007215166A - Data transmitter and data receiver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、第三者による不法な盗聴・傍受を防ぐ秘密通信を行う装置に関する。より特定的には、正規の送受信者間で、特定の符号化/復号化(変調/復調)方式を選択・設定してデータ通信を行う装置に関する。 The present invention relates to an apparatus that performs secret communication that prevents illegal eavesdropping and interception by a third party. More specifically, the present invention relates to an apparatus that performs data communication by selecting and setting a specific encoding / decoding (modulation / demodulation) scheme between authorized senders and receivers.
従来、特定者同志で秘密通信を行うためには、送信/受信間で符号化/復号化のための元情報(鍵情報)を共有し、当該元情報に基づいて、伝送すべき情報データ(平文)を数学的に演算/逆演算する構成が採用されている。図21は、このような構成に基づく、従来のデータ通信装置の構成を示すブロック図である。図21において、従来のデータ通信装置は、データ送信装置90001とデータ受信装置90002とが伝送路913によって接続された構成である。データ送信装置90001は、符号化部911と、変調部912とを備える。データ受信装置90002は、復調部914と、復号化部915とを備える。
Conventionally, in order to perform secret communication between specific persons, original information (key information) for encoding / decoding is shared between transmission / reception, and information data to be transmitted based on the original information ( A configuration for mathematically calculating / reversing the plaintext) is employed. FIG. 21 is a block diagram showing a configuration of a conventional data communication apparatus based on such a configuration. In FIG. 21, the conventional data communication device has a configuration in which a
データ送信装置90001とデータ受信装置90002とは、予め同一の第1の鍵情報91と第2の鍵情報96とを共有している。ここで、符号化部911に情報データ90と第1の鍵情報91とを入力し、復号化部915に第2の鍵情報96を入力することにより、復号化部915から情報データ98が出力される。さらに、第三者による盗聴行為を説明するため、図21は、盗聴者復調部916と、盗聴者復号化部917とからなる盗聴者データ受信装置90003を含むものとする。盗聴者復号化部917には、第1の鍵情報91及び第2の鍵情報96とは異なる第3の鍵情報99が入力される。以下に、図21を参照しながら、従来のデータ通信装置の動作を説明する。
The
データ送信装置90001において、符号化部911は、情報データ90を、第1の鍵情報91に基づいて符号化(暗号化)する。変調部912は、符号化部911で暗号化された情報データを所定の変調形式の変調信号94に変換して伝送路913に送出する。データ受信装置90002において、復調部914は、伝送路913を介して伝送されてきた変調信号94を所定の復調方式で復調する。復号化部915は、第2の鍵情報96に基づいて、復調部914で復調された信号を復号化(暗号解読)して、情報データ98を出力する。
In the
次に、データ送信装置90001とデータ受信装置90002との間で伝送される変調信号94を盗聴する場合の盗聴者データ受信装置90003の動作について説明する。盗聴者データ受信装置90003において、盗聴者復調部916は、伝送路913を伝搬する変調信号94を所定の復調方式で復調する。盗聴者復号化部917は、第3の鍵情報99に基づいて、盗聴者復調部916が復調した信号の復号化を試みる。ここで、盗聴者復号化部917は、第1の鍵情報91とは異なる第3の鍵情報99に基づいて、盗聴者復調部916が復調した信号の復号化を試みるため、元の情報データ90を正しく再生することができない。すなわち、盗聴者復号化部917は、データ送信装置90001との間で正しい鍵情報を共有していないため、元の情報データ90を正しく再生することができない。
Next, the operation of the eavesdropper
このような数学的な演算に基づいた数理暗号(または、計算暗号、ソフトウェア暗号とも呼ばれることもある)技術は、例えば、特許文献1に記されているアクセスシステムなどに適用することができる。特許文献1には、1つの光送信器から送出された光信号を光カプラで分岐し、複数の光加入者宅の光受信器にそれぞれ配信するPON(Passive Optical Network)構成のアクセスシステムが開示されている。このようなアクセスシステムでは、各光受信器に、所望の光信号以外の他加入者に向けた光信号が入力される。そこで、光送信器が加入者毎に異なる鍵情報を用いて、各加入者に向けた情報データを暗号化することによって、加入者間での情報データの漏洩・盗聴を防ぎ、安全なデータ通信を実現する。
Such a mathematical encryption (or sometimes called a calculation encryption or software encryption) technique based on a mathematical operation can be applied to, for example, an access system described in
また、このような数理暗号技術については、非特許文献1や、非特許文献2などに記載されている。
しかしながら、数理暗号技術に基づいた従来のデータ通信装置では、盗聴者は、たとえ鍵情報を共有しなくとも、暗号文(変調信号、または暗号化された情報データ)に対して、考え得る全ての組み合わせの鍵情報を用いた演算を実行する総当たり攻撃や、特殊な解析アルゴリズムの適用によって、原理的には暗号解読が可能である。特に、近年の計算機の処理速度の向上は目覚ましく、将来的に量子コンピュータ等の新しい原理による計算機が実現されれば、有限の時間内で、容易に暗号文を盗聴できる可能性を有しているという課題があった。 However, in a conventional data communication apparatus based on mathematical cryptography, an eavesdropper can consider all possible ciphertexts (modulated signals or encrypted information data) without sharing key information. In principle, cryptanalysis is possible by applying a brute force attack that performs operations using the key information of the combination or a special analysis algorithm. In particular, the processing speed of computers in recent years has improved remarkably, and if a computer based on a new principle such as a quantum computer is realized in the future, there is a possibility that the ciphertext can be easily wiretapped within a finite time. There was a problem.
それ故に、本発明の目的は、盗聴者が暗号文の解析に要する時間を著しく増大させ秘匿性の高いデータ通信装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a highly confidential data communication device that significantly increases the time required for an eavesdropper to analyze a ciphertext.
本発明は、所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置に向けられている。そして上記目的を達成させるために、本発明のデータ送信装置は、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する多値符号発生部と、多値符号列と情報データとを合成し、多値符号列と情報データとの組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を生成する変調部とを備える。多値符号発生部は、所定の鍵情報に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列を生成する。 The present invention is directed to a data transmitting apparatus that encrypts information data using predetermined key information and performs secret communication with a receiving apparatus. In order to achieve the above object, the data transmitting apparatus according to the present invention includes a multi-level code generation unit that generates a multi-level code sequence whose signal level changes substantially randomly based on predetermined key information, and a multi-level code generator. A multi-level processing unit that synthesizes the code sequence and the information data and generates a multi-level signal having a plurality of levels corresponding to the combination of the multi-level code sequence and the information data, and performs a predetermined modulation process on the multi-level signal. And a modulation unit for generating a modulation signal. The multi-level code generator generates a multi-level code sequence based on the changed random number sequence after changing the bit sequence of the binary random number sequence generated based on the predetermined key information.
好ましくは、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した2値乱数列から所定のビット系列を選択し、当該選択したビット系列を変化後乱数列として出力するビット選択部と、変化後乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える。 Preferably, the multi-level code generation unit generates a binary random number sequence that is a pseudo random number sequence from predetermined key information, and a predetermined bit sequence from the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit. A bit selection unit that selects and outputs the selected bit sequence as a post-change random number sequence, and a multi-value conversion unit that converts the post-change random number sequence into a multi-level code sequence.
好ましくは、多値符号発生部は、所定の擬似乱数列を発生する乱数発生部をさらに備える。このような場合、ビット選択部は、乱数発生部が発生した擬似乱数列に基づいて、乱数列生成部が生成した2値乱数列から選択するビット系列を変更する。 Preferably, the multilevel code generator further includes a random number generator that generates a predetermined pseudo-random number sequence. In such a case, the bit selection unit changes the bit sequence selected from the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit, based on the pseudo random number sequence generated by the random number generation unit.
また、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した2値乱数列から、予め固定した所定のビット系列を取り除いた残りのビット系列を変化後乱数列とし、当該変化後乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える構成であってもよい。 The multi-level code generation unit generates a binary random number sequence that is a pseudo-random number sequence from predetermined key information, and a predetermined random number that is fixed in advance from the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit. The remaining bit sequence from which the bit sequence is removed may be a changed random number sequence, and a multi-value conversion unit that converts the changed random number sequence into a multi-value code sequence may be used.
また、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した2値乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える構成であってもよい。このような場合、多値変換部は、乱数列生成部と非同期に動作することで、乱数列生成部が生成した2値乱数列を変化後乱数列として扱う。 The multi-level code generation unit generates a binary random number sequence that is a pseudo-random number sequence from predetermined key information, and converts the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit into a multi-level code sequence The structure provided with the multi-value conversion part to perform may be sufficient. In such a case, the multi-value conversion unit operates asynchronously with the random number sequence generation unit, thereby handling the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit as a post-change random number sequence.
また、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した2値乱数列の順列を入替えたビット系列を変化後乱数列として出力するビット入替部と、変化後乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える構成であってもよい。 The multi-level code generation unit is a bit sequence in which a random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence that is a pseudo-random number sequence from predetermined key information and a permutation of the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit are replaced. May be configured to include a bit replacement unit that outputs a random number sequence after change and a multilevel conversion unit that converts the random number sequence after change into a multilevel code sequence.
好ましくは、多値符号発生部は、所定の擬似乱数列を発生する乱数発生部をさらに備える。このような場合、ビット入替部は、乱数発生部が発生した擬似乱数列に基づいて、乱数列生成部が生成した2値乱数列を入替える規則を決定する。 Preferably, the multilevel code generator further includes a random number generator that generates a predetermined pseudo-random number sequence. In such a case, the bit replacement unit determines a rule for replacing the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit based on the pseudo random number sequence generated by the random number generation unit.
また、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した2値乱数列を記憶するメモリ部と、メモリ部から読み出した2値乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える構成であってもよい。このよう場合、多値変換部は、メモリ部の読出アドレスを変更することで、乱数列生成部が生成した2値乱数列を変化後乱数列として扱う。 Further, the multi-level code generation unit includes a random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence that is a pseudo-random number sequence from predetermined key information, a memory unit that stores the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit, A configuration including a multi-value conversion unit that converts a binary random number sequence read from the memory unit into a multi-value code sequence may be used. In such a case, the multi-value conversion unit treats the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit as the changed random number sequence by changing the read address of the memory unit.
好ましくは、乱数列生成部は、複数のシフトレジスタと、排他的論理和素子とを備える線形フィードバックシフトレジスタによって構成される。また、多値変換部は、複数のラッチと、複数のラッチから出力されるビット系列を多値符号列に変換するD/A変換部とを備える。 Preferably, the random number sequence generation unit is configured by a linear feedback shift register including a plurality of shift registers and an exclusive OR element. The multi-level conversion unit includes a plurality of latches and a D / A conversion unit that converts a bit sequence output from the plurality of latches into a multi-level code string.
また、本発明は、所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置にも向けられている。そして上記目的を達成するために、本発明のデータ受信装置は、所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、送信装置から受信した変調信号を所定の復調方式で復調し、情報データと多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号として出力する復調部と、多値符号列に基づいて、多値信号から情報データを識別する識別部とを備える。多値符号発生部は、所定の鍵情報に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列を生成する。 The present invention is also directed to a data receiving apparatus that receives information data encrypted using predetermined key information and performs secret communication with the transmitting apparatus. In order to achieve the above object, the data receiving apparatus of the present invention receives a multi-level code generation unit that generates a multi-level code sequence in which the signal level changes from a predetermined key information in a substantially random manner, and received from the transmitting apparatus. A demodulator that demodulates the modulated signal by a predetermined demodulation method and outputs it as a multilevel signal having a plurality of levels corresponding to a combination of information data and a multilevel code sequence, and a multilevel signal based on the multilevel code sequence And an identification unit for identifying information data. The multi-level code generator generates a multi-level code sequence based on the changed random number sequence after changing the bit sequence of the binary random number sequence generated based on the predetermined key information.
また、上述したデータ送信装置が行うそれぞれの処理手順は、所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信方法としても捉えることができる。すなわち、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する多値符号発生ステップと、多値符号列と情報データとを合成し、多値符号列と情報データとの組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理ステップと、多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を生成する変調ステップとを備え、多値符号発生ステップは、所定の鍵情報に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列を生成する方法である。 Each processing procedure performed by the data transmission device described above can also be regarded as a data transmission method for encrypting information data using predetermined key information and performing secret communication with the reception device. That is, based on predetermined key information, a multi-level code generation step for generating a multi-level code sequence whose signal level changes in a substantially random manner, a multi-level code sequence and information data are combined, A multi-level code comprising: a multi-level processing step for generating a multi-level signal having a plurality of levels corresponding to a combination with information data; and a modulation step for performing a predetermined modulation process on the multi-level signal to generate a modulation signal. The generation step is a method of generating a multi-level code sequence based on the changed random number sequence after changing the bit sequence of the binary random number sequence generated based on predetermined key information.
また、上述したデータ受信装置が行うそれぞれの処理手順は、所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信方法としても捉えることができる。すなわち、所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生ステップと、送信装置から受信した変調信号を所定の復調方式で復調し、情報データと多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号として出力する復調ステップと、多値符号列に基づいて、多値信号から情報データを識別する識別ステップとを備え、多値符号発生ステップは、所定の鍵情報に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列を生成する方法である。 In addition, each processing procedure performed by the above-described data receiving apparatus can be regarded as a data receiving method for receiving information data encrypted using predetermined key information and performing secret communication with the transmitting apparatus. it can. That is, a multi-level code generation step for generating a multi-level code sequence in which the signal level changes from a predetermined key information in a substantially random manner, and a modulated signal received from the transmission device is demodulated by a predetermined demodulation method, and the information data and the multi-level code sequence are demodulated. A demodulation step for outputting as a multilevel signal having a plurality of levels corresponding to a combination with a value code string, and an identification step for identifying information data from the multilevel signal based on the multilevel code string, The generation step is a method of generating a multi-level code sequence based on the changed random number sequence after changing the bit sequence of the binary random number sequence generated based on predetermined key information.
本発明のデータ送信装置によれば、伝送すべき情報データを多値信号として符号化する際に、当該多値信号の信号点間距離を、受信信号に含まれる雑音量に対して適切に設定することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号の解読・復号化を困難にすることができる。また、万一第三者によって暗号文が取得された場合においても、当該鍵情報が容易に推定されないように多値鍵を生成して、より安全なデータ通信装置を容易に提供することができる。また、データ受信装置は、データ送信装置と同様の多値符号発生部を備えることで、データ送信装置から受信した変調信号から情報データを取得することができる。 According to the data transmitting apparatus of the present invention, when the information data to be transmitted is encoded as a multilevel signal, the distance between the signal points of the multilevel signal is appropriately set with respect to the amount of noise included in the received signal. By doing so, it is possible to give decisive degradation to the received signal quality at the time of eavesdropping by a third party, making it difficult for the third party to decode and decode the multilevel signal. In addition, even when a ciphertext is acquired by a third party, it is possible to easily provide a safer data communication device by generating a multi-value key so that the key information is not easily estimated. . In addition, the data receiving apparatus includes the same multilevel code generation unit as that of the data transmitting apparatus, so that information data can be acquired from the modulated signal received from the data transmitting apparatus.
本発明のこれらおよび他の目的、特徴、局面、効果は、添付図面と照合して、以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。 These and other objects, features, aspects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図1において、第1の実施形態にデータ通信装置は、データ送信装置10101とデータ受信装置10201とが伝送路110によって接続された構成である。データ送信装置10101は、多値符号化部111、及び変調部112を備える。多値符号化部111は、第1の多値符号発生部111a、及び多値処理部111bを含む。データ受信装置10201は、復調部211、及び多値復号化部212を備える。多値復号化部212は、第2の多値符号発生部212a、及び多値識別部212bを含む。伝送路110には、LANケーブルや同軸ケーブル等の金属路線や、光ファイバケーブル等の光導波路を用いることができる。また、伝送路110は、LANケーブル等の有線ケーブルに限られず、無線信号を伝搬することが可能な自由空間であってもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the data communication apparatus according to the first embodiment has a configuration in which a
図2は、本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する模式図である。図3は、本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形の呼称を説明する模式図である。図4は、本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号品質を説明する模式図である。以下に、本発明の第1の実施形態に係るデータ通信装置について、図1〜4を用いながら、その動作を説明する。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a transmission signal waveform of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the names of transmission signal waveforms of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the transmission signal quality of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. The operation of the data communication apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
第1の多値符号発生部111aは、所定の第1の鍵情報11に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列12(図2(b))を発生する。多値処理部111bは、多値符号列12(図2(b))と情報データ10(図2(a))とを入力し、所定の手順に従って両信号を合成し、多値符号列12と情報データ10との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号13(図2(c))を生成する。例えば、多値処理部111bは、タイムスロットt1/t2/t3/t4に対して、多値符号列12のレベルがc1/c5/c3/c4と変化する場合、この多値符号列12をバイアスレベルとして、情報データ10を加算することで、L1/L8/L6/L4とレベルが変化する多値信号13を生成する。
The first
ここで、図3に示すように、情報データ10の振幅を“情報振幅”、多値信号13の全振幅を“多値信号振幅”、多値符号列12のレベルc1/c2/c3/c4/c5に対応して多値信号13が取り得るレベルの組(L1、L4)/(L2、L5)/(L3、L6)/(L4、L7)/(L5、L8)をそれぞれ第1〜第5の“基底”、多値信号13の最小信号点間距離を“ステップ幅”と呼称する。
Here, as shown in FIG. 3, the amplitude of the
変調部112は、多値信号13を所定の変調形式で変調して、変調信号14として伝送路110に送出する。復調部211は、伝送路110を介して伝送されてきた変調信号14を復調し、多値信号15を再生する。第2の多値符号発生部212aは、第1の鍵情報11と同一の第2の鍵情報16を予め共有しており、第2の鍵情報16に基づいて、多値符号列12に相当する多値符号列17を発生する。多値識別部212bは、多値符号列17を閾値として、多値信号15の識別(2値判定)を行い、情報データ18を再生する。ここで、変調部112と復調部211とが、伝送路110を介して送受信する所定の変調形式の変調信号14は、電磁波(電磁界)または光波を多値信号13で変調して得られる信号である。
The
なお、多値処理部111bは、上述したように、多値符号列12と情報データ10との加算処理によって多値信号13を生成する以外に、いかなる方法を用いて多値信号13を生成してもよいものとする。例えば、多値処理部111bは、情報データ10に基づいて、多値符号列12のレベルを振幅変調することで多値信号13を生成してもよい。あるいは、多値処理部111bは、多値信号13のレベルを予め記憶させたメモリから、情報データ10と多値符号列12との組み合わせに対応した多値信号13のレベルを逐次読み出すことで多値信号13を生成してもよい。
As described above, the
また、図2及び図3では、多値信号13のレベルを8段階で表記したが、多値信号13のレベルは、この表記に限定されるものではない。また、情報振幅を多値信号13のステップ幅の3倍、もしくは整数倍として表記したが、情報振幅は、この表記に限定されるものではない。情報振幅は、多値信号13のステップ幅のいかなる整数倍であっても良く、あるいは整数倍でなくても構わない。さらに、これに関連して、図2及び図3では、多値符号列12の各レベル(各バイアスレベル)が、多値信号13の各レベル間の略中心になるよう配置したが、多値符号列12の各レベルは、この配置に限定されるものではない。例えば、多値符号列12の各レベルは、多値信号13の各レベル間の略中心でなくても良く、あるいは多値信号13の各レベルに一致しても構わない。また、上述した説明では、多値符号列12と情報データ10とは、変化レートが互いに等しく、かつ同期関係にあることを前提としたが、非同期であってもよく、一方の変化レートが他方の変化レートよりも高速(または低速)であっても構わない。
2 and 3, the level of the
次に、第三者による盗聴動作について説明する。盗聴者である第三者は、正規の受信者が備えるデータ受信装置10201に準じた構成、もしくはさらに高機能なデータ受信装置(すなわち、盗聴者データ受信装置)を用いて変調信号14を解読することが想定される。盗聴者データ受信装置は、変調信号14を復調することにより多値信号15を再生する。しかし、盗聴者データ受信装置は、データ送信装置10101との間で鍵情報を共有しないため、データ受信装置10201のように、鍵情報から多値符号列17を発生させることができない。このため、盗聴者データ受信装置は、多値符号列17を基準とした多値信号15の2値判定を行うことができない。
Next, an eavesdropping operation by a third party will be described. A third party who is an eavesdropper decodes the modulated
このような場合に考えられる盗聴動作としては、多値信号15の全レベルに対応する閾値を基準に多値信号15の識別を行い、多値信号15のレベルを同定する方法がある。すなわち、盗聴者データ受信装置は、多値信号15が取り得る全ての信号点間に対応する閾値を用意して多値信号15の同時判定を行い、当該判定結果を解析することにより、正しい鍵情報または情報データの抽出を試みる。例えば、盗聴者データ受信装置は、図2に示した、多値符号列12の全レベルc0/c1/c2/c3/c4/c5/c6を閾値として、多値信号15の多値判定を行うことにより、正しい鍵情報または情報データの抽出を試みる。
As an eavesdropping operation conceivable in such a case, there is a method of identifying the
しかしながら、実際の伝送系では、種々の要因により雑音が発生し、この雑音が変調信号14に重畳されることによって、多値信号15のレベルは、図4に示すように時間的・瞬時的に変動する。このような場合、正規受信者(すなわち、データ受信装置10201)が判定する被判定信号(多値信号15)のSN比(信号対雑音強度比)は、多値信号15の情報振幅と雑音量との比によって決まることになる。これに対して、盗聴者データ受信装置が判定する被判定信号(多値信号15)のSN比は、多値信号15のステップ幅と雑音量との比によって決まることになる。
However, in an actual transmission system, noise is generated due to various factors, and this noise is superimposed on the
このため、被判定信号に含まれる雑音レベルが同一条件下においては、盗聴者データ受信装置の方が正規のデータ受信装置よりも、被判定信号のSN比が相対的に小さくなり、伝送特性(誤り率)が劣化することになる。すなわち、本発明のデータ通信装置は、この特性を利用することで、第三者による全閾値を用いた解読攻撃に対して識別誤りを誘発させて、盗聴を困難にすることができる。特に、データ通信装置は、多値信号15のステップ幅を、当該雑音振幅(雑音強度分布の拡がり)に対して同オーダ、もしくはより小さく設定すれば、第三者による多値判定を事実上不可能にして、理想的な盗聴防止を実現できる。
For this reason, when the noise level included in the signal to be determined is the same, the eavesdropper data receiving device has a relatively smaller SN ratio of the signal to be determined than the regular data receiving device, and transmission characteristics ( (Error rate) will deteriorate. That is, the data communication apparatus of the present invention can make eavesdropping difficult by using this characteristic to induce an identification error against a decryption attack using all thresholds by a third party. In particular, if the data communication apparatus sets the step width of the
なお、被判定信号(多値信号15、または変調信号14)に重畳される雑音としては、変調信号14に無線信号等の電磁波を用いた場合は、空間場や電子部品等によって発生する熱雑音(ガウス性雑音)を、光波を用いた場合は、熱雑音に加えて、光子が発生又は検波される際に発生する光子数ゆらぎ(量子雑音)をそれぞれ利用できる。特に、量子雑音を伴った信号は、その記録や複製等の信号処理が適用できないことから、量子雑音量を基準にして多値信号15のステップ幅を設定することで、第三者による盗聴を不可能として、データ通信の絶対的な安全性を確保することができる。
The noise superimposed on the signal to be determined (
以上説明したように、本発明の第1の実施形態によれば、伝送すべき情報データ10を多値信号13として符号化する際に、当該多値信号13の信号点間距離を、受信信号に含まれる雑音量に対して適切に設定することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号13の解読・復号化を困難とし、安全なデータ通信装置を提供することができる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, when the
(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図5において、本発明の第2の実施形態に係るデータ通信装置は、第1の実施形態に係るデータ通信装置(図1)と比較して、データ送信装置10102が第1のデータ反転部113を、データ受信装置10202が第2のデータ反転部213をさらに備える点が異なる。以下に、第2の実施形態に係るデータ通信装置について説明する。なお、本実施形態の構成は、第1の実施形態(図1)に順ずるため、第1の実施形態と同一の動作を行うブロックに関しては、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of the data communication apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the data communication apparatus according to the second embodiment of the present invention is different from the data communication apparatus according to the first embodiment (FIG. 1) in that the
第1のデータ反転部113は、図2(a)に示す情報データ10が有する“0/1”と、“Low/High”との対応関係を固定せず、所定の手順で当該対応関係を略ランダムに変更する。例えば、第1のデータ反転部113は、第2のデータ判定部213と共有する初期鍵に基づいて発生させた乱数系列(疑似乱数列)と情報データ10との排他的論理和(Exclusive OR)の演算を行い、その演算結果を多値符号化部111に出力する。第2のデータ反転部213は、多値復号化部212から出力されたデータについて、第1のデータ反転部113と逆の手順で、当該“0/1”と“Low/High”の対応関係を変更する。例えば、第2のデータ反転部213は、第1のデータ反転部113と共有する初期鍵に基づいて発生させた乱数系列と、多値復号化部212から出力されたデータとの排他的論理和の演算を行い、その演算結果を情報データ18として再生する。
The first
以上説明したように、本発明の第2の実施形態によれば、伝送すべき情報データ10を略ランダムに反転させることで、暗号としての多値信号13の複雑性を大きくすることができる。これにより、第三者による多値信号13の解読・復号化をさらに困難とし、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, the complexity of the
(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図6において、本発明の第3の実施形態に係るデータ通信装置は、第1の実施形態に係るデータ通信装置(図1)と比較して、データ送信装置10103が雑音制御部114をさらに備える。雑音制御部114は、雑音発生部114aと、合成部114bとを含む。以下、本発明の第3の実施形態に係るデータ通信装置について説明する。なお、本実施形態の構成は、第1の実施形態(図1)に準ずるため、第1の実施形態と同一の動作を行うブロックに関しては、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of a data communication apparatus according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 6, in the data communication apparatus according to the third embodiment of the present invention, the
図6において、雑音発生部114aは、所定の雑音21を発生する。合成部114bは、多値信号13に雑音発生部114aが発生させた雑音を合成し、当該雑音が合成された多値信号22を変調部112に出力する。すなわち、雑音制御部114は、雑音を合成することによって、図4を用いて説明した多値信号13のレベル変動を故意に生じさせて、多値信号13のSN比を任意の値に制御している。なお、雑音発生部114aが発生させる雑音としては、熱雑音や量子雑音等が用いられる。また、雑音が合成(重畳)された多値信号22を雑音重畳多値信号22と呼ぶことにする。
In FIG. 6, the
以上説明したように、本発明の第3の実施形態によれば、伝送すべき情報データ10を多値信号13として符号化する際に、当該多値信号13のSN比を適切に制御することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号13の解読・復号化をさらに困難とし、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
As described above, according to the third embodiment of the present invention, when the
(第4の実施形態)
図7は、本発明の第4の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる多値信号フォーマットの一例を示す図である。本発明の第4の実施形態に係るデータ通信装置の構成は、第1〜3の実施形態と同様であるため、図1、図5又は図6を援用する。以下、図7を用いて本発明の第4の実施形態に係るデータ通信装置の動作について説明する。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a multilevel signal format used in the data communication apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. Since the configuration of the data communication apparatus according to the fourth embodiment of the present invention is the same as that of the first to third embodiments, FIG. 1, FIG. 5 or FIG. 6 is used. The operation of the data communication apparatus according to the fourth embodiment of the present invention will be described below using FIG.
図1、図5、又は図6を参照して、多値符号化部111は、図7に示すように、多値信号13の各ステップ幅(S1〜S7)を、各レベルの変動量(すなわち、各レベルに重畳されている雑音強度分布)に従って設定する。具体的には、多値符号化部111は、多値識別部212bに入力される被判定信号(すなわち、多値信号15)の隣り合う2つの信号点間におけるSN比が略均一になるように、当該信号点間距離を配分する。このため、多値符号化部111は、多値信号15の各レベルに重畳される雑音量が等しい場合には、各ステップ幅を均等に設定することになる。
Referring to FIG. 1, FIG. 5, or FIG. 6, as shown in FIG. 7, the
一般に、変調部112から出力される変調信号14として、半導体レーザ(LD)を光源とした光強度変調信号を想定した場合、LDに入力される多値信号13のレベルに依存して、変調信号14の変動幅(雑音量)は変化する。これは、LDが自然放出光を「種光」とした誘導放出の原理に基づいて発光することに起因しており、その雑音量は、誘導放出光量に対する自然放出光量の相対比で定義されている。ここで、励起率(LDに注入するバイアス電流に対応)が高い程、誘導放出光量の割合が大きくなるため、雑音量は小さくなり、逆に、励起率が低い程、自然放出光量の割合が大きくなるため、雑音量は大きくなる。そこで、多値符号化部111は、図7に示すように、多値信号13のレベルが小さい領域ではステップ幅を大きく、多値信号13のレベルが大きい領域ではステップ幅を小さく設定する。すなわち、多値信号13のステップ幅を非線形に設定することにより、被判定信号の隣り合う信号点間のSN比を略均一に設定する。
In general, when a light intensity modulation signal using a semiconductor laser (LD) as a light source is assumed as the
また、変調信号14として光変調信号を利用した場合でも、上記の自然放出光による雑音や光受信器に用いる熱雑音が充分小さい条件下では、受信信号のSN比は、主にショット雑音で決定されることになる。このような条件下では、多値信号13のレベルが大きい程、多値信号15に含まれる雑音量が大きくなる。このため、多値符号化部111は、図7の場合とは逆に、多値信号13のレベルが小さい領域ではステップ幅を小さく、多値信号13のレベルが大きい領域ではステップ幅を大きく設定することにより、被判定信号の隣り合う信号点間のSN比を略均一に設定する。
Even when an optical modulation signal is used as the
以上説明したように、本発明の第4の実施形態によれば、伝送すべき情報データ10を多値信号13として符号化する際に、被判定信号の隣り合う信号点間のSN比が略均一になるように、多値信号13の信号点間距離を設定する。これにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号13の解読・復号化をさらに困難とし、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, when the
(第5の実施形態)
図8は、本発明の第5の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図8において、本発明の第5の実施形態に係るデータ通信装置は、データ送信装置25105とデータ受信装置25205とが伝送路110によって接続された構成である。第5の実施形態に係るデータ通信装置は、上述した第1〜4の実施形態に係るデータ通信装置と比較して、第1の多値符号発生部111a、及び第2の多値符号発生部212aの構成に特徴がある。第1の多値符号発生部111aは、第1の乱数列生成部171と、第1の多値変換部17とを含む。第2の多値符号発生部212aは、第2の乱数列生成部271と、第2の多値変換部272とを含む。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a block diagram showing an example of the configuration of the data communication apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 8, the data communication apparatus according to the fifth embodiment of the present invention has a configuration in which a
第1の乱数列生成部171は、第1の鍵情報11を初期値として、所定の疑似乱数列を発生する。第1の多値変換部172は、第1の乱数列生成部171が発生した疑似乱数列からpビット(pは任意の整数)のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列に対応したレベルを有する多値符号列12に変換する。同様に、第2の乱数列生成部271は、第2の鍵情報16を初期値として、第1の乱数列生成部171から出力される疑似乱数列に相当する疑似乱数列を発生する。第2の多値変換部272は、疑似乱数列からpビット(pは任意の整数)のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列に対応したレベルを有する多値符号列17に変換する。
The first random number
図9は、本発明の第5の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aの詳細な構成の一例を示す模式図である。以下に、本発明の第5の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aの詳細について、図9を用いて説明する。ただし、第2の多値符号発生部212aについては、図9に示す第1の多値符号発生部111aと同様の構成であるため説明を省略する。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a detailed configuration of the first multi-level
図9において、第1の多値符号発生部111aは、第1の乱数列生成部171と、第1の多値変換部172とに加えて、さらにタイミング信号発生部173を備えている。タイミング信号発生部173は、外部から供給されるクロック信号S20を基準タイミングとして、初期値設定信号S21と読出信号S22とを発生する。第1の乱数列生成部171は、例えば、6個のシフトレジスタ171a〜171fと、1個の排他的論理和素子171gとを備える線形フィードバックシフトレジスタから構成される。この例では、第1の乱数列生成部171は、第1の鍵情報11のビット数と同じ数のシフトレジスタ171a〜171fを備えている。第1の乱数列生成部171は、初期値設定信号S21の入力をトリガとして、第1の鍵情報11を構成する6ビット(a0〜a5)をそれぞれ対応するシフトレジスタ171a〜171fに設定し、クロック信号S20を基準タイミングとして2値乱数列を生成する。
In FIG. 9, the first multilevel
第1の多値変換部172は、例えば、6個のラッチ172a〜172fと、D/A(デジタル/アナログ)変換部172gとから構成される。第1の多値変換部172は、読出信号S22の入力をトリガとして、6個のラッチ172a〜172fで第1の乱数列生成部171から出力される2値乱数列からp=6ビットのビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列をD/A変換部172gで多値符号列12に変換する。なお、図9では、各シフトレジスタ171a〜171fが、データD1〜D6を保持・出力し、ラッチ172a〜172fがデータd1〜d6を保持・出力している瞬時的な状態を表している。このようなビット系列を多値符号列12に変換する手法としては、例えば、6ビットのビット系列(d1〜d6)を2進→10進変換し、(式1)に対応するレベル(総レベル数:26)を有する多値符号列12に変換する方法等がある。線形フィードバックシフトレジスタ構成による乱数発生手法/原理については、非特許文献2等に詳述されているので、その説明を省略する。
d6×25+d5×24+d4×23+d3×22+d2×21+d1・・・(式1)
The first
d6 × 2 5 + d5 × 2 4 + d4 × 2 3 + d3 × 2 2 + d2 × 2 1 + d1 (Formula 1)
なお、図9では、第1の乱数列生成部171として、6個のシフトレジスタを有する線形フィードバックシフトレジスタの構成を示したが、シフトレジスタの数は、これに限定されるものではない。また、第1の乱数列生成部171は、第1の鍵情報11から2値乱数列を生成できる構成であれば線形フィードバックシフトレジスタ以外のいかなる構成を備えても構わない。また、第1の多値変換部172は、6個のラッチを備える構成としたが、ラッチの数は、これに限定されるものではない。また、第1の多値変換部172は、ラッチから出力された2値ビット系列を多値符号列12に変換できる構成であれば、D/A変換部172g以外のいかなる構成を備えても構わない。
In FIG. 9, the configuration of a linear feedback shift register having six shift registers is shown as the first random number
以上説明したように、本発明の第5の実施形態によれば、第1の多値符号発生部111a及び第2の多値符号発生部212aが簡単な構成で、多値符号列12、17を生成することができる。これによって、本発明の第5の実施形態に係るデータ通信装置は、第1〜第4の実施形態に係るデータ通信装置と同様の効果を得ることができる。
As described above, according to the fifth embodiment of the present invention, the first
(第6の実施形態)
図10は、本発明の第6の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図10において、本発明の第6の実施形態に係るデータ通信装置は、データ送信装置25106とデータ受信装置25206とが伝送路110によって接続された構成である。第6の実施形態に係るデータ通信装置は、上述した第5の実施形態に係るデータ通信装置と比較して、第1の多値符号発生部111a、及び第2の多値符号発生部212aの構成が異なる。第1の多値符号発生部111aは、第1の乱数列発生部171と、第1のビット選択部174と、第1の多値変換部172とを含む。第2の多値符号発生部212aは、第2の乱数列発生部271と、第2のビット選択部274と、第2の多値変換部272とを含む。
(Sixth embodiment)
FIG. 10 is a block diagram showing an example of the configuration of the data communication apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. In FIG. 10, the data communication apparatus according to the sixth embodiment of the present invention has a configuration in which a
第1の乱数列生成部171は、第1の鍵情報11を初期値として、所定の疑似乱数列を発生する。第1のビット選択部174は、第1の乱数列生成部171が発生した擬似乱数列からpビット(pは任意の整数)のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列からqビット(qはp以下の任意の整数)のビット系列を選択して出力する。第1の多値変換部172は、第1のビット選択部174が出力したqビットのビット系列を、当該ビット系列に対応したレベルを有する多値符号列12に変換する。すなわち、第1の多値符号発生部111aは、第1の鍵情報11に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列12を生成する。
The first random number
同様に、第2の乱数列生成部271は、第2の鍵情報16を初期値として、第1の乱数列生成部171から出力される擬似乱数列に相当する疑似乱数列を発生する。第2のビット選択部274は、第2の乱数列生成部271が発生した擬似乱数列の中からpビット(pは任意の整数)のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列からqビット(qはp以下の任意の整数)のビット系列を選択して出力する。第2の多値変換部272は、第2のビット選択部274が出力したqビットのビット系列を、当該ビット系列に対応したレベルを有する多値符号列17に変換する。すなわち、第2の多値符号発生部212aは、第2の鍵情報16に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列12を生成する。
Similarly, the second random number
図11は、本発明の第6の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aの詳細な構成の一例を示す模式図である。なお、図11では、図9と同様に、各シフトレジスタ171a〜171fが、データD1〜D6を出力・保持し、ラッチ172a〜172eがデータd1〜d5を出力・保持している瞬時的な状態を表している。図12Aは、本発明の第6の実施形態に係るデータ通信装置に対する第三者の盗聴行為を説明するための模式図である。図12Bは、本発明の第6の実施形態に係るデータ通信装置の効果を説明するための模式図である。以下に、本発明の第6の実施形態に係るデータ通信装置について、図11、図12A、及び図12Bを用いて詳細に説明する。ただし、第2の多値符号発生部212aについては、図11に示す第1の多値符号発生部111aと同様の構成であるため説明を省略する。
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of a detailed configuration of the first multi-level
まず、第三者による盗聴動作について説明する。盗聴者である第三者は、正規の受信者が備えるデータ受信装置に準じた構成、もしくはさらに高性能なデータ受信装置を用いて、変調信号14を受信し解読することが想定される。このような盗聴の基本的手法の一つとして、送信者が伝送すべき情報データ10を、何らかの手段で予め既知のデータ(例えば、オール"0"やオール"1"等)に設定し、その際得られる暗号文(多値信号13、または変調信号14)を取得することにより、暗号鍵(多値符号列12)を直接入手しようとする「既知平文攻撃」がある。このような攻撃に対して、本発明のデータ通信装置は、前述のように、例えば、光信号を検波した際に生じる量子雑音を利用することによって、第三者による暗号鍵の正確な取得を妨害することができる。
First, an eavesdropping operation by a third party will be described. It is assumed that a third party who is an eavesdropper receives and decodes the modulated
しかしながら、万一、量子雑音が充分大きくない場合には、第三者によって暗号鍵が取得され、その結果、暗号文が簡単に解読される可能性がある。このような第三者による盗聴動作について、図12Aを用いて説明する。ただし、図12Aの説明で用いる第1の多値符号発生部111aは、前述の第5の実施形態で示した第1の多値符号発生部111a(図9参照)に準じた構成であるものとする。また、以下の説明では、第1の乱数列生成部171は、図9の場合と同様に、6個のシフトレジスタを有する線形フィードバックシフトレジスタを備えているものとする。
However, in the unlikely event that the quantum noise is not large enough, an encryption key is obtained by a third party, and as a result, the ciphertext may be easily decrypted. Such wiretapping operation by a third party will be described with reference to FIG. 12A. However, the first
第1の乱数列生成部171は、初期値設定信号S21の入力をトリガとして、第1の鍵情報11を構成する6ビット(a0〜a5)をそれぞれ対応するシフトレジスタ171a〜171fに設定し、クロック信号S20を基準タイミングとして2値乱数列を生成する。第1の多値変換部172は、読出信号S22の入力をトリガとして、この2値乱数列をpビット(図9ではp=6)毎にパラレルに取り出し、例えば2進→10進変換により、総レベル数:2p(26)を有する多値符号列12に変換する。盗聴者である第三者は、この多値符号列12をそのまま取得し、10進→2進変換により第1の乱数列生成部171が生成するものと同様の2値乱数列を取得する。
The first random number
ここで、一般に、図9に示すような線形フィードバックシフトレジスタによって生成された疑似乱数系列は、一部のビット列を連続して取得できれば、以後のビット列を簡単に予測できることが知られている。例えば、Berlekamp−Massey法(以後、BM法と呼称する)では、疑似乱数の生成に用いた線形フィードバックシフトレジスタのレジスタ数k(図9ではk=6)に対して、2kビットの疑似乱数を連続して取得することにより、線形フィードバックシフトレジスタの構成(タップ位置、初期値)を容易に導出し、これにより以後の乱数系列を予測することができる。 Here, it is generally known that a pseudo-random number sequence generated by a linear feedback shift register as shown in FIG. 9 can easily predict a subsequent bit string if a partial bit string can be obtained continuously. For example, in the Berlekamp-Massey method (hereinafter referred to as the BM method), a 2 k-bit pseudo random number is used for the number k of linear feedback shift registers used to generate the pseudo random number (k = 6 in FIG. 9). By acquiring continuously, the configuration (tap position, initial value) of the linear feedback shift register can be easily derived, and the subsequent random number sequence can be predicted.
これに対して、本発明の第6の実施形態における第1の多値符号発生部111a(第2の多値符号発生部212a)は、第1のビット選択部174が、図11に示すように、第1の乱数列生成部171からパラレルに取り出したp=6ビットの2値乱数列から、所定の1ビットを取り除いた残りのq=5ビットの2値乱数列を出力する。そして、第1の多値変換部172が、第1のビット選択部174が出力したq=5ビットの2値乱数列を多値符号列12に変換する。
On the other hand, in the first
このときの第1の多値符号発生部111aの動作について、図12Bを用いて詳細に説明する。図12Bに示すように、例えば、第1のビット選択部174は、第1の乱数列生成部171から出力された6ビット(D1〜D6)の内、例えば、2番目のビット(D2)を取り除いた残りの5ビットを選択し、第1の多値変換部172に出力する。すなわち、本発明の第6の実施形態における第1の多値符号発生部111aは、第1の乱数列生成部171から出力された2値乱数列をそのまま多値符号列12に変換するのではなく、2値乱数列の一部のビットを故意に欠落・隠匿させた後に多値符号列12に変換する。
The operation of the first
なお、本発明の第6の実施形態に係る第1の多値符号発生部111a(第2の多値符号発生部212a)は、図13に示すような構成であってもよい。図13は、本発明の第6の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aの他の構成例を示すブロック図である。すなわち、第1の多値符号発生部111aは、図13に示すように、第1の乱数列生成部171からパラレルに取り出されるpビットの2値乱数列から、予め固定した所定のビットを取り除いた残りのqビット(所定のシフトレジスタの出力信号を取り除いた残りの出力信号)を、第1の多値変換部172に出力する構成としても良い。なお、図13の例では、シフトレジスタ171bの出力信号D2を取り除いた残りの出力信号を第1の多値符号変換部172に出力している。
The first multi-level
また、より望ましくは、本発明の第6の実施形態に係る第1の多値符号発生部111a(第2の多値符号発生部212a)は、図14に示すような構成であってもよい。図14は、本発明の第6の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aの他の構成例を示すブロック図である。すなわち、第1の多値符号発生部111aは、図14に示すように、第1の乱数列生成部171からパラレルに取り出されるpビットの2値乱数列から、任意に選択したビットを取り除いた残りのqビット(任意のシフトレジスタの出力信号を除いた残りの出力信号)を、第1の多値変換部172に出力する構成としても良い。具体的には、第1のビット選択部174は、乱数発生部175から出力される疑似乱数に従って、第1の乱数列生成部171からパラレルに取り出されるpビットの2値乱数列から、取り除くビットを選択し、当該選択したビットを取り除いた残りのqビットを第1の多値変換部172に出力する。
More desirably, the first
さらに、本発明の第6の実施形態に係る第1の多値符号発生部111a(第2の多値符号発生部212a)は、図15に示すような構成であってもよい。図15は、本発明の第6の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aの他の構成例を示すブロック図である。すなわち、第1の多値符号発生部111aは、図15に示すように、第1の多値変換部172に読出信号S22を供給する第2のタイミング信号発生部173bを新たに備えると共に、第2のタイミング信号発生部173bが、第2のクロック信号S23を基準タイミングとして、第1の乱数列生成部171と非同期に動作する構成である。
Furthermore, the first
これによって、第1の乱数列生成部171を構成するシフトレジスタ171a〜171fからの出力信号(例えば、D1〜D6)が、第1の多値変換部172を構成するラッチ172a〜172fによって正確に識別されず、例えば図16に示すように、所定のビット(図16では、Dc、D2、D12)が欠落し、同一のビット(図16では、Db、D1、D10)が二重に読み出される。すなわち、図15に示す第1の多値符号発生部111aは、第1の乱数列生成部171から出力された2値乱数列をそのまま多値符号列12に変換するのではなく、2値乱数列の一部のビットを故意に欠落・隠匿させた後に多値符号列12に変換する。このような構成により、万一量子ゆらぎが充分大きくなく、第三者によって暗号文が容易に取得されるような状況下においても、2kビットの疑似乱数を連続して取得されることを故意に防ぎ、BM法等による疑似乱数列の解読・解析を困難とする。
As a result, the output signals (for example, D1 to D6) from the
以上のような構成により、万一量子ゆらぎが充分大きくなく、第三者によって暗号文が容易に取得されるような状況下においても、2kビットの疑似乱数を連続して取得されることを故意に防ぎ、上述のようなBM法による疑似乱数列の解読・解析を困難とする。 With the above configuration, 2k-bit pseudorandom numbers are intentionally acquired continuously even under circumstances where the quantum fluctuation is not sufficiently large and the ciphertext is easily acquired by a third party. Therefore, it is difficult to decode and analyze the pseudo random number sequence by the BM method as described above.
以上説明したように、本発明の第6の実施形態によれば、伝送すべき情報データ10を多値信号13として符号化する際に、当該多値信号13の信号点間距離を、受信信号に含まれる雑音量に対して適切に設定することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号13の解読・復号化を困難にすることができる。また、万一第三者によって暗号文が取得された場合においても、当該鍵情報が容易に推定されないように多値鍵を生成して、より安全なデータ通信装置を容易に提供することができる。
As described above, according to the sixth embodiment of the present invention, when the
(第7の実施形態)
図17は、本発明の第7の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図17において、本発明の第7の実施形態に係るデータ通信装置は、データ送信装置25107とデータ受信装置25207とが伝送路110によって接続された構成である。第7の実施形態に係るデータ通信装置は、上述した第5〜6の実施形態に係るデータ通信装置と比較して、第1の多値符号発生部111a、及び第2の多値符号発生部212aの構成が異なる。第1の多値符号発生部111aは、第1の乱数列発生部171と、第1のビット入替部176と、第1の多値変換部172とを含む。第2の多値符号発生部212aは、第2の乱数列発生部271と、第2のビット入替部276と、第2の多値変換部272とを含む。
(Seventh embodiment)
FIG. 17 is a block diagram showing an example of the configuration of the data communication apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. In FIG. 17, the data communication apparatus according to the seventh embodiment of the present invention has a configuration in which a
第1の乱数列生成部171は、第1の鍵情報11を初期値として、所定の疑似乱数列を発生する。第1のビット入替部176は、第1の乱数列生成部171が発生した疑似乱数列からpビット(pは任意の整数)のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列の順列を入れ替えて出力する。第1の多値変換部172は、第1のビット入替部176が出力したqビット(この例では、p=q)のビット系列を、当該ビット系列に対応したレベルを有する多値符号列12に変換する。同様に、第2の乱数列生成部271は、第2の鍵情報16を初期値として、所定の疑似乱数列を発生する。第2のビット入替部276は、第2の乱数列生成部271が発生した疑似乱数列からpビット(pは任意の整数)のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系の順序を入替えて出力する。第2の多値変換部272は、第2のビット入替部276が出力したqビット(この例では、p=q)のビット系列を、当該ビット系列に対応したレベルを有する多値符号列17に変換する。
The first random number
図18は、本発明の第7の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aの詳細な構成の一例を示す模式図である。図19は、本発明の第7の実施形態に係るデータ通信装置の効果を説明するための模式図である。以下に、本発明の第7の実施形態に係るデータ通信装置について、図18、及び図19を用いて詳細に説明する。
FIG. 18 is a schematic diagram illustrating an example of a detailed configuration of the first multi-level
まず、第三者による盗聴行為について説明する。前述の第6の実施例と同様に、盗聴者である第三者は、正規の受信者が備えるデータ受信装置に準じた構成、もしくはさらに高性能なデータ受信装置を用いて、「既知平文攻撃」などにより、受信した変調信号14を解読することが想定される。すなわち、図12Aでも示したように、万一、量子雑音が十分に大きくない場合には、第三者によって暗号鍵が取得され、その結果、暗号文が簡単に解読される可能性がある。
First, wiretapping by a third party will be described. Similar to the above-described sixth embodiment, a third party who is an eavesdropper uses a configuration according to a data reception device provided by a legitimate receiver, or uses a higher performance data reception device, and “known plaintext attack”. It is assumed that the received modulated
これに対して、本発明の第7の実施形態における第1の多値符号発生部111a(第2の多値符号発生部212a)は、ビット入替部176が、図18に示すように、第1の乱数列生成部171からパラレルに取り出したp=6ビットの2値乱数列を一旦入力し、当該入力した2値乱数列の順列を入れ替えたq=6ビットの2値乱数列を出力する。そして、第1の多値変換部172が、第1のビット入替部176が出力したq=6ビットの2値乱数列を多値符号列12に変換する。例えば、図19に示すように、ビット入替部176は、第1の乱数列生成部171から出力された6ビット(D1,D2,D3,D4,D5,D6)の順列を入れ替え、その結果得られた6ビット(D5,D3,D1,D6,D2,D4)を第1の多値変換部172に出力する。すなわち、本発明の第7の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aは、第1の乱数列生成部171から出力された2値乱数列をそのまま多値符号列12に変換するのではなく、2値乱数列の順列を故意に入替えた後に多値符号列12に変換する。
On the other hand, in the first multi-level
盗聴者である第三者は、図4を用いて説明したように、鍵情報11、16を共有しないため、変調信号14に重畳された雑音成分によって、多値信号のビットを誤って識別することが想定される。このような多値信号の識別誤りとしては、盗聴者は、特に多値信号の下位ビットに相当する情報を誤って識別する可能性が高く、これにより識別後の2値信号において特定箇所の情報のみが周期的に誤る可能性が高い。本発明の第7の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aは、第1の乱数列生成部171が生成した2値乱数列のビット順列を入替えることによって、識別後の2値信号において多値信号の下位ビットに相当する情報だけでなく、上位ビットに相当する情報でも識別誤りを拡散させることが可能となる。すなわち、第1の多値符号発生部111aは、多値信号の識別誤りの位置を予測不可能にすることができる。
As described with reference to FIG. 4, the third party who is an eavesdropper does not share the
また、さらに望ましくは、第1の多値符号発生部111aは、第1のビット入替部119によるビット入替えの手順を固定することなく随時変更する。具体的には、図18中に示したように、ビット入替部176は、第2の乱数発生部175bから出力される疑似乱数の数値に従って、第1の乱数列生成部171が生成した2値乱数列のビット順列を略ランダムに入替える。
More preferably, the first multi-level
また、本発明の第7の実施形態に係る第1の多値符号発生部111a(第2の多値符号発生部212a)は、図20に示すような構成であってもよい。図20は、本発明の第7の実施形態に係る第1の多値符号発生部111aの他の構成例を示すブロック図である。図20において、第1の多値符号発生部111aは、タイミング信号発生部173と第1のビット入替部176とに代えて、メモリ部177と、第2のタイミング信号発生部173bと、第3のタイミング信号発生部173cと、第3の乱数発生部175cと、アドレス変換部178を新たに備えている。
Further, the first
第2のタイミング信号発生部173bは、第1の乱数列生成部171に供給するクロック信号S20及び初期値設定信号S21と共に、書込アドレスS24を発生し出力する。第3のタイミング信号発生部173cは、クロック信号S20を基準タイミングとして、第1の多値変換部172に供給する読出信号S22と共に、読出アドレスS25を発生する。アドレス変換部178は、第3の乱数発生部175cから出力される疑似乱数の値に従って、読出アドレスS25を変換して、第2の読出アドレスS26として出力する。メモリ部177は、第1の乱数列生成部171からパラレルに取り出したp=6ビットの2値乱数列を、書込アドレスS24によって指定されたアドレスに書込む(記録)と共に、第2の読出アドレスS26によって指定されたアドレスからp=6ビットの2値乱数列を読み出し、第1の多値変換部172に出力する。第1の多値変換部172は、入力された2値乱数列を多値符号列12に変換する。
The second timing signal generator 173b generates and outputs the write address S24 together with the clock signal S20 and the initial value setting signal S21 supplied to the first random
以上のような構成により、万一量子ゆらぎが充分大きくなく、第三者によって暗号文が容易に取得されるような状況下においても、2kビットの疑似乱数を連続して取得されることを故意に防ぎ、上述のようなBM法による疑似乱数系列の解読・解析を困難とする。 With the above configuration, 2k-bit pseudorandom numbers are intentionally acquired continuously even under circumstances where the quantum fluctuation is not sufficiently large and the ciphertext is easily acquired by a third party. This makes it difficult to decode and analyze the pseudo-random number sequence by the BM method as described above.
以上説明したように、本発明の第7の実施形態によれば、伝送すべき情報データ10を多値信号13として符号化する際に、当該多値信号13の信号点間距離を、受信信号に含まれる雑音量に対して適切に設定することより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、その解読・復号化を困難にすることができる。また、万一第三者によって暗号文が取得された場合においても、当該鍵情報が容易に推定されないように多値鍵を生成して、より安全なデータ通信装置を容易に提供することができる。
As described above, according to the seventh embodiment of the present invention, when the
以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。 Although the present invention has been described in detail above, the above description is merely illustrative of the present invention in all respects and is not intended to limit the scope thereof. It goes without saying that various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明に係るデータ通信装置は、盗聴・傍受等を受けない安全な秘密通信装置等として有用である。 The data communication apparatus according to the present invention is useful as a secure secret communication apparatus that does not receive eavesdropping / interception.
10、18 情報データ
11、16、91、96、99 鍵情報
12、17 多値符号列
13、15 多値信号
14、94 変調信号
S20、S23 クロック信号
S21 初期値設定信号
S22 読出信号
S24 書込アドレス
S25、S26 読出アドレス
110 伝送路
111 多値符号化部
111a 第1の多値符号発生部
111b 多値処理部
112、912 変調部
113 第1のデータ反転部
114 雑音制御部
114a 雑音発生部
114b 合成部
171 第1の乱数列生成部
171a〜171f シフトレジスタ
171g 排他的論理和素子
172 第1の多値変換部
171a〜172f ラッチ
172g D/A変換部
173 タイミング信号発生部
174 第1のビット選択部
175 乱数発生部
176 第1のビット入替部
211、914、916 復調部
212、915、917 多値復号化部
212a 第2の多値符号発生部
212b 多値識別部
213 第2のデータ反転部
271 第2の乱数列生成部
10101〜10103、25105〜25107 データ送信装置
10201〜10202、25205〜25207 データ受信装置
10, 18
Claims (13)
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する多値符号発生部と、
前記多値符号列と前記情報データとを合成し、前記多値符号列と前記情報データとの組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、
前記多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を生成する変調部とを備え、
前記多値符号発生部は、前記所定の鍵情報に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、前記多値符号列を生成することを特徴とする、データ送信装置。 A data transmitting device that encrypts information data using predetermined key information and performs secret communication with a receiving device,
Based on the predetermined key information, a multi-level code generator that generates a multi-level code sequence in which the signal level changes in a substantially random manner;
A multi-level processing unit that combines the multi-level code sequence and the information data, and generates a multi-level signal having a plurality of levels corresponding to a combination of the multi-level code sequence and the information data;
A modulation unit that performs a predetermined modulation process on the multilevel signal and generates a modulation signal;
The multi-level code generation unit generates the multi-level code sequence based on a changed random number sequence after changing a bit sequence of a binary random number sequence generated based on the predetermined key information. A data transmission device as a feature.
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した2値乱数列から所定のビット系列を選択し、当該選択したビット系列を前記変化後乱数列として出力するビット選択部と、
前記変化後乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備えることを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。 The multi-level code generator is
A random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence that is a pseudo-random number sequence from the predetermined key information;
A bit selection unit that selects a predetermined bit sequence from the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit, and outputs the selected bit sequence as the changed random number sequence;
The data transmission device according to claim 1, further comprising: a multilevel conversion unit that converts the random number sequence after change into the multilevel code sequence.
前記ビット選択部は、前記乱数発生部が発生した擬似乱数列に基づいて、前記乱数列生成部が生成した2値乱数列から選択するビット系列を変更することを特徴とする、請求項2に記載のデータ送信装置。 The multi-level code generator further includes a random number generator that generates a predetermined pseudo-random number sequence,
The bit selection unit changes a bit sequence selected from a binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit based on a pseudo-random number sequence generated by the random number generation unit. The data transmission device described.
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した2値乱数列から、予め固定した所定のビット系列を取り除いた残りのビット系列を前記変化後乱数列とし、当該変化後乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備えることを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。 The multi-level code generator is
A random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence that is a pseudo-random number sequence from the predetermined key information;
A remaining bit sequence obtained by removing a predetermined bit sequence fixed in advance from the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit is used as the changed random number sequence, and the changed random number sequence is converted into the multi-level code sequence. The data transmission device according to claim 1, further comprising a multi-value conversion unit.
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した2値乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備え、
前記多値変換部は、前記乱数列生成部と非同期に動作することで、前記乱数列生成部が生成した2値乱数列を前記変化後乱数列として扱うことを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。 The multi-level code generator is
A random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence that is a pseudo-random number sequence from the predetermined key information;
A multi-value conversion unit that converts the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit into the multi-value code sequence;
The multi-value conversion unit operates asynchronously with the random number sequence generation unit, and handles the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit as the changed random number sequence, according to claim 1, The data transmission device described.
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した2値乱数列の順列を入替えたビット系列を前記変化後乱数列として出力するビット入替部と、
前記変化後乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備えることを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。 The multi-level code generator is
A random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence that is a pseudo-random number sequence from the predetermined key information;
A bit replacement unit that outputs a bit sequence obtained by replacing the permutation of the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit as the changed random number sequence;
The data transmission device according to claim 1, further comprising: a multilevel conversion unit that converts the random number sequence after change into the multilevel code sequence.
前記ビット入替部は、前記乱数発生部が発生した擬似乱数列に基づいて、前記乱数列生成部が生成した2値乱数列を入替える規則を決定することを特徴とする、請求項6に記載のデータ送信装置。 The multi-level code generator further includes a random number generator that generates a predetermined pseudo-random number sequence,
The bit replacement unit determines a rule for replacing the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit based on the pseudo random number sequence generated by the random number generation unit. Data transmission device.
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である2値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した2値乱数列を記憶するメモリ部と、
前記メモリ部から読み出した2値乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備え、
前記多値変換部は、前記メモリ部の読出アドレスを変更することで、前記乱数列生成部が生成した2値乱数列を前記変化後乱数列として扱うことを特徴とする、請求項1に記載のデータ送信装置。 The multi-level code generator is
A random number sequence generation unit that generates a binary random number sequence that is a pseudo-random number sequence from the predetermined key information;
A memory unit for storing a binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit;
A multi-value conversion unit that converts a binary random number sequence read from the memory unit into the multi-level code sequence,
The multi-value conversion unit treats the binary random number sequence generated by the random number sequence generation unit as the post-change random number sequence by changing a read address of the memory unit. Data transmission device.
前記所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記送信装置から受信した変調信号を所定の復調方式で復調し、前記情報データと前記多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号として出力する復調部と、
前記多値符号列に基づいて、前記多値信号から前記情報データを識別する識別部とを備え、
前記多値符号発生部は、前記所定の鍵情報に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、前記多値符号列を生成することを特徴とする、データ受信装置。 A data receiving device that receives information data encrypted using predetermined key information and performs secret communication with a transmitting device,
A multi-level code generation unit that generates a multi-level code sequence in which the signal level changes in a substantially random manner from the predetermined key information;
A demodulator that demodulates the modulated signal received from the transmission device by a predetermined demodulation method, and outputs a demodulated signal having a plurality of levels corresponding to a combination of the information data and the multilevel code sequence;
An identification unit for identifying the information data from the multilevel signal based on the multilevel code sequence;
The multi-level code generation unit generates the multi-level code sequence based on a changed random number sequence after changing a bit sequence of a binary random number sequence generated based on the predetermined key information. A data receiving device.
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する多値符号発生ステップと、
前記多値符号列と前記情報データとを合成し、前記多値符号列と前記情報データとの組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理ステップと、
前記多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を生成する変調ステップとを備え、
前記多値符号発生ステップは、前記所定の鍵情報に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、前記多値符号列を生成することを特徴とする、データ送信方法。 A data transmission method for encrypting information data using predetermined key information and performing secret communication with a receiving device,
A multi-level code generation step for generating a multi-level code sequence in which the signal level changes substantially in a random manner based on the predetermined key information;
A multi-level processing step of combining the multi-level code sequence and the information data to generate a multi-level signal having a plurality of levels corresponding to a combination of the multi-level code sequence and the information data;
A modulation step of performing a predetermined modulation process on the multilevel signal and generating a modulation signal,
The multi-level code generation step generates the multi-level code sequence based on the changed random number sequence after changing the bit sequence of the binary random number sequence generated based on the predetermined key information. A data transmission method as a feature.
前記所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生ステップと、
前記送信装置から受信した変調信号を所定の復調方式で復調し、前記情報データと前記多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号として出力する復調ステップと、
前記多値符号列に基づいて、前記多値信号から前記情報データを識別する識別ステップとを備え、
前記多値符号発生ステップは、前記所定の鍵情報に基づいて生成される2値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、前記多値符号列を生成することを特徴とする、データ受信方法。 A data reception method for receiving information data encrypted using predetermined key information and performing secret communication with a transmission device,
A multi-level code generation step of generating a multi-level code sequence in which the signal level changes substantially randomly from the predetermined key information;
A demodulating step of demodulating the modulated signal received from the transmitting device by a predetermined demodulation method, and outputting as a multi-level signal having a plurality of levels corresponding to a combination of the information data and the multi-level code sequence;
An identification step for identifying the information data from the multilevel signal based on the multilevel code sequence,
The multi-level code generation step generates the multi-level code sequence based on the changed random number sequence after changing the bit sequence of the binary random number sequence generated based on the predetermined key information. A method for receiving data.
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