JP2008026915A - 通信装置、通信方法、通信システム及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】暗号化は複雑な処理を必要とし、簡単な構成で実現できないという課題があった。
【解決手段】あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と送信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を暗号化された送信データとしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、秘密鍵による通信を行う通信装置、通信方法、通信システム及びプログラムに関するものであり、特に秘密鍵の設定に関するものである。

近年、エアコンや冷蔵庫などの白物家電機器や侵入センサー等のセキュリティ機器と家庭内に設置されたホームコントローラとを無線で接続し、前記ホームコントローラを介して携帯電話と接続し、家の外よりエアコン等の機器をコントロールしたり、家の中のセキュリティ情報を携帯電話を介して外出中の家人に報知したりする家庭内ネットワークシステムが開発されてきている。

しかしながら、無線ネットワークシステムは盗聴が比較的容易であるという欠点を持っている。そのため、データを盗み見られたり、成りすましによりいたずらを受けるなどが考えられる。そのため、無線ネットワークシステムは暗号などのセキュリティ機能とともに使用されることが多い。

データの暗号化のためには、一般に秘密鍵と呼ばれる鍵を通信相手と共有する必要がある。この秘密鍵を通信相手と共有する方法として、キーボードなどの入力手段を用いて各機器に秘密鍵を入力する方法があるが、多くの白物家電機器では、上記秘密鍵を入力するキーボードのような入力手段を有していないのが現状である。

このような入力手段を有しない白物家電機器において、通信相手と秘密鍵を共有する方法として、特許文献１に記載されたものがある。以下特許文献１に記載された従来例について説明する。

図６は従来の通信システムの構成図である。通信媒体としてはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（Ｒ）が用いられている。最初、家電機器１とアクセスポイント３のＰＩＮコード（本発明で言う秘密鍵に相当）は異なるため両者間の通信は成立しない。そこで、家電機器１はネットワークへの接続要求を発している通信装置の有無を検査するためのインクワイアリスキャンを行う。コントローラ２はあらかじめ分かっている、家電機器の１のＰＩＮコードの初期値をもって、インクワイアリスキャンをしている家電機器１と通信を確立しようと試みる。このときコントローラ２は家電機器１を通信相手に指名してインクワイアリを発する。当該インクワイアリは家電機器１によって補足され、家電機器１とコントローラ２が持つＰＩＮコードが同一となり両者間に通信が確立される。コントローラ２はキーボード等の入力装置を備えることができ、家電機器１のＰＩＮコードの初期値をあらかじめ入力しておくことができる。４はネットワークである。
特開２００４−７５６７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、あらかじめ家電機器１０１のＰＩＮコードの初期値をコントローラ１０２に入力しておく必要があり、ネットワークに繋がる家電機器の数が多くなると作業が大変になるという課題があった。

またセキュリティに関係するセンサー機器のように暗号通信を必要とする機器と、いたずらされてもそれほど大きな問題とならないためコストなどの要求から暗号通信を用いない機器とがネットワークに混在した場合の区別において課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で暗号化お呼び復号化を実現できる通信装置、通信方法、通信システム及びそのプログラムを提供することを目的とする。

第１の通信機は、あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と送信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を暗号化された送信データとし、第２の通信機は、あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と前記第１の通信機からの受信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を復号化された受信データとするように構成されたものである。

これによって、簡単な操作で秘密鍵の受け渡しを行わせることができ、かつ暗号機能に対応した機器と暗号機能に対応していない機器を識別し、それぞれの機器に対応した電文フォーマットで各種初期設定を行わせることができることとなる。

本発明の通信装置、通信方法、通信システム及びプログラムを用いることにより、暗号機能を有する機器と暗号機能を有しない機器の混在が可能となる。

第１の発明及び第９の発明は、あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と送信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を暗号化された送信データとしたことを特徴とし、簡単な構成で暗号化を行うことができる。

第２の発明及び第１０の発明は、あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と受信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を復号化された受信データとしたことを特徴とたことにより、簡単な構成で復号化を行うことができる。

第３の発明は、第１の通信機は、あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と送信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を暗号化された送信データとし、第２の通信機は、あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と前記第１の通信機からの受信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を復号化された受信データとしたことを特徴とているため、簡単な構成で暗号化及び復号化を行うことができる。

第４の発明は、データの送信に先立ち、第１の通信機は、第２の通信機に対して公開鍵を要求する鍵要求信号を送信し、第２の通信機から前記公開鍵を受け取る構成としたことにより、簡単な構成で秘匿性の高い暗号化を行うことができる。

第５の発明は、データの受信に先立ち、第２の通信機は、第１の通信機からの公開鍵を要求する鍵要求信号に対して、公開鍵を第１の通信機に送信した後、所定時間以内に第１の通信機からの信号を受信した場合は、前記公開鍵を用いて受信データを復号する構成と
したことにより、簡単な構成で秘匿性の高い暗号を解除できる。

第６の発明は、暗号化された送信データに公開鍵情報を付加したものを送信データとしたことにより、同報通信に対応できる暗号化、復号化方法を提供できる。

第７の発明は、受信データはパリティビットを有し、前記受信データを復号化した後のパリティに誤りがない場合に正しいデータを受信したと判定することにより、信頼性を向上できる。

第８の発明は、送信データ或いは受信データはＢＣＨ符号化されたデータであり、前記モジュロ演算処理は前記ＢＣＨ符号化或いは復号化するときの処理と共有したことを特徴とすることにより、回路規模を大きくすることなく簡単に暗号化、復号化を行うことができる。

第１１の発明は、第１〜８の発明のいずれかに記載の通信装置において、少なくとも一部をコンピュータに実現させるためのプログラムとすることにより、簡単なハードウェアで本発明の機能を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における通信装置のブロック図を示すものである。

図１において、無線通信部１０６は送信手段１０２、受信手段１０３、符号生成手段１０４及び符号解読手段１０５から構成されている。アンテナ１０１は無線通信部１０６を構成する送信手段１０２及び受信手段１０３に接続されている。符号生成手段１０４及び符号解読手段１０５は家電機器１１１と接続されている。識別子検出手段１０７、識別子付与手段１０９及び暗号化制御手段１０８は無線通信部１０６と接続されている。そして１１０が通信装置である。

図２は本発明の第１の実施の形態における通信装置を用いたシステム例を示す。

図２において、コントローラ１２１と通信装置Ａ１２２で構成されるブロックがホームコントローラ、そして通信装置Ｂ１２３とセンサー１２４で構成されるブロックがホームコントローラから制御されるネット対応機器である。ホームコントローラは図２には図示していないが、タッチパネルを有し、前記タッチパネル上のボタンを押すことによりセンサー１２４の制御を行うことができる。ホームコントローラを構成する通信装置Ａ１２２とセンサー１２４に接続される通信装置Ｂ１２３は４２９ＭＨｚ帯の特定小電力無線電波を用いたプロトコルで接続される。

図２における通信装置Ａ１２２あるいは通信装置Ｂ１２３が図１における通信装置１１０に相当する。図２におけるコントローラ１２１あるいはセンサー１２４が図１における家電機器１１１に相当する。

ここで、図２における通信装置Ａ１２２と通信装置Ｂ１２３の間で送受信される電文構成について図３を参照しながら説明する。

図３において（１）はデータフォーマット全体構成を示す。図３の（１）において区間（ａ）はプリアンブル部と呼ばれ、受信チャンネルとして複数チャンネルを順次スキャン
して待ち受ける受信方式に対応するため（ビット同期信号１＋フレーム同期信号１＋データ信号１）を一つのブロックとして前記ブロックをＮ回繰り返し送信する。例えば、受信側が３つのチャンネルを順次スキャンして待ち受ける場合は、１チャンネル当たり２ブロック必要であるため、前記ブロックを６回繰り返す。そして区間（ｂ）は情報部と呼ばれる。区間Ｃは送信の最後を示す信号であるがなくてもかまわない。データ１の詳細な構成を図３の（２）に示す。またデータ２の詳細な構成を図３の（３）に示す。データ１には宛先を示す受信機器識別符号と自分の属するシステムかどうかを識別する無線システム識別符号の一部である部分無線システム識別符号が含まれている。部分無線システム識別符号は無線システム識別符号を３分割したものである。データ２には無線システム識別符号と送信元を示す送信機器識別符号が含まれている。自分の属するシステムの電文であるかどうかは無線システム識別符号で判別し、同報であるかどうかは制御コード１のある１ビットと受信機器識別符号のパターンによって判別する。

データ２の制御コード２には、送信元の送受信に関する各種情報を識別するために複数の識別子が記載されている。例えば、送信元の通信装置が暗号機能を有している場合は、制御コード２のあるビットを”１”にして送信し、暗号機能を有していない場合は、前記ビットを”０”にして送信する。前記ビットが、暗号機能を示す識別子である。

データ１及びデータ２は、それぞれ元データをＢＣＨ（３１，１６）符号を１ビット拡張した１ビット拡張ＢＣＨ（３１，１６）符号（以下ＢＣＨ（３２，１６）符号と呼ぶ）で誤り制御符号化した後、３２ビットのスクランブル符号と排他的論理和処理を行うスクランブル 符号化が施されている。

データ２の伝送データブロックに、図３（４）に示すように伝送したいデータ（１）〜データ（３）とパリティ及びダミーを暗号化のためにスクランブルをかけて乗せている。暗号化のためにスクランブル をかける場合は、制御コード２の暗号機能を示す識別子を”１”にする。暗号をかけない場合は、前記暗号機能を示す識別子を”０”にして、データ（１）〜データ（３）とパリティ及びダミーにスクランブルをかけずに、そのままデータ２の伝送データブロックに入れる。

上記暗号化のためのスクランブルは１６ビットの暗号化符号と１６ビットのデータを排他的論理和処理を行うことで実現している。データ（１）〜データ（３）は８ビット単位のデータブロックである。パリティ及びダミーもそれぞれ８ビットである。１６ビット単位でスクランブルをかけるため、送りたいデータがパリティを含めて１６ビットの整数倍にならない場合は、ダミーを挿入する。

前記１６ビットの暗号化符号の作成方法の一例を以下に説明する。

（１）各通信装置はシステムに共通の３２ビットの秘密鍵を有している。

（２）前記３２ビットの秘密鍵とは別に１６ビットの公開鍵を通信ごとに設定する。

（３）前記３２ビットの秘密鍵を前記１６ビットの公開鍵でモジュロ２の割り算処理を行う。

（４）（３）項の処理により１６ビットの余りが発生する。

（５）上記１６ビットの余りが求める１６ビットの暗号化符号である。なお余りでなく（３）項の処理で求まる１６ビットの商を１６ビットの暗号化符号として用いることもできる。

データを受信する側の通信装置は、システムに共通の前記秘密鍵と、通信ごとに設定される前記公開鍵を用いて、上記１６ビットの暗号化符号を求め、受信した伝送データブロックのスクランブルを解き、データ（１）〜データ（３）及びパリティを取り出す。１ブロック電文長に送信データの長さが記載されており、ダミーが含まれているかどうかは、前記１ブロック電文長の情報により識別できる。パリティに間違いがなければ、前記データ（１）〜データ（３）を正しいデータとして受信する。

上記暗号化符号を求める演算処理は、ＢＣＨ（３２，１６）符号化及び復号化を行う演算処理とまったく同じであり、ＢＣＨ（３２，１６）符号化及び復号化の演算プロセスを利用できることとなり、回路規模やソフトウェア規模を増やすことなく簡単に暗号化処理を行うことができる。

上記暗号化のための各種処理は、図１の暗号化制御手段１０８により行われる。

以上のように構成された通信装置について、図２と図４を参照しながら秘密鍵の受け渡しについて説明する。

図４は登録手順を示すシーケンス図である。通信装置Ａが親無線機、通信装置Ｂが子無線機である。

ステップ１（ＳＴ１）：親無線機のスイッチやコントローラ側からの電文などの手段を用いた登録モード移行操作を行う。すると親無線機は登録状態に遷移し、登録状態専用の無線チャンネルで子無線機からの電波を待ちうける。

ステップ２（ＳＴ２）：子無線機のスイッチやセンサー機器からの電文などの手段を用いた登録モード移行操作を行う。すると子無線機は登録状態に遷移する。

ステップ３（ＳＴ３）：子無線機は登録状態に遷移すると、登録状態専用の無線チャンネルで識別符号付与要求信号を無線送信する。この時子無線機が仮に割り振った子無線機の仮機器識別符号を上記無線送信する信号に付加して送信する。この時、子無線機が暗号機能を有していれば、図３に示す制御コード２の暗号機能を示す識別子を”１”にして上記信号を送信する。

ステップ４（ＳＴ４）：親無線機は上記識別符号付与要求信号を受信すると、親無線機が管理する子無線機群の機器識別符号テーブルを参照しまだ付与していない機器識別符号と無線システム識別符号を上記仮機器識別符号の機器宛に、識別符号割り当て信号に乗せて送る。この時、前記受信した識別符号付与要求信号に含まれる前記暗号機能を示す識別子が”１”であれば、図３に示す制御コード２の暗号機能を示す識別子を”１”にし、かつ識別符号割り当て信号に１６ビットの秘密鍵を付加して送信する。

ステップ５（ＳＴ５）：子無線機は上記識別符号割り当て信号を受信すると、親無線機より割り当てられた無線システム識別符号及び機器識別符号を記憶し以後自機の識別符号として使用する。そして親無線機に対して子無線機の間欠受信周期情報を応答信号に乗せて送信し、登録処理を完了し通常動作状態に遷移する。この時、受信した上記識別符号割り当て信号に含まれる前記暗号機能を示す識別子が”１”であれば、上記識別符号割り当て信号は、１６ビットの秘密鍵が付加された信号であると認識し、前記１６ビットの秘密鍵を取得する。

ステップ６（ＳＴ６）：親無線機は前記応答信号を受信すると、前記応答信号に含まれ
る子無線機の間欠受信周期情報を子無線機に割り当てた機器識別符号とペアで記憶し、登録処理を完了し通常動作状態に遷移する。

暗号機能を示す識別子を用いることにより、暗号機能を有する無線機と暗号機能を有しない無線機の識別ができ、よってそれぞれの無線機で受信できる電文フォーマットを送信できるため、暗号機能を有する無線機と暗号機能を有しない無線機が混在しても親無線機と子無線機の間でやり取りする電文数を増やすことなく正確に必要な情報を子無線機に短時間で設定できることとなる。

次に図５を用いて、暗号化されていない平文の送受信及び暗号化された暗号電文の送受信のシーケンスについて説明する。

（ａ）暗号機能無の個別通信の場合
通信装置Ａ１２３は暗号機能を有しているが、通信装置Ｃ１２５は暗号機能を有していない。この場合の通信について説明する。

１）ホームコントローラ１２１より通信装置Ｃ１２５宛に送信要求１２７が発生する。

２）通信装置Ａ１２２は、内部に記憶しているテーブル情報から通信装置Ｃ１２５は暗号機能を有していないことを知り、図３の制御コード２の暗号電文であることを示す暗号化識別子を”０”にして、暗号のためのスクランブル をかけずに平文で通信装置Ｃ１２５宛に電文１２８を送信する。

３）通信装置Ｃ１２５は、前記電文１２８を受信し、アクノリッジ信号（以下ＡＣＫと呼ぶ）１２９を送信し、エアコン１２６に電文１３０を送信する。
（ｂ）暗号機能有の個別通信の場合
通信装置Ａ１２２及び通信装置Ｂ１２３は共に暗号機能を有している場合の通信について説明する。

１）ホームコントローラ１２１より通信装置Ｂ１２３宛に送信要求１３１が発生する。

２）通信装置Ａ１２２は、内部に記憶しているテーブル情報から通信装置Ｂ１２３は暗号機能を有していることを知り、図３の制御コード２の暗号電文であることを示す暗号化識別子を”０”にして、平文で通信装置Ｂ１２３宛に１６ビットの公開鍵を要求する電文１３２を送信する。

３）通信装置Ｂ１２３は、前記１６ビットの公開鍵を要求する信号１３２を受信すると、図３の制御コード２の暗号電文であることを示す暗号化識別子を”０”にして、平文でランダムに発生させた１６ビットの公開鍵付与電文１３３を通信装置Ａ１２２宛に送信する。

４）通信装置Ａ１２２は、前記１６ビットの公開鍵付与電文１３３を受信すると、１６ビットの公開鍵を取得する。そして、あらかじめ持っている秘密鍵と前記公開鍵を用いてすでに説明した方法により暗号化符号を作成し、送信したいデータを暗号化する。そして図３の制御コード２の暗号電文であることを示す暗号化識別子を”１”にして、前記暗号化した暗号電文１３４を通信装置Ｂ１２３宛に送信する。

５）通信装置Ｂ１２３は、前記暗号電文１３４を所定時間以内に受け取った場合は、あらかじめ持っている秘密鍵と前記公開鍵を用いてすでに説明した方法により暗号化符号を作成し、受信したデータの暗号化を解く。そして、ＡＣＫ１３５を返信し、センサー１２
４に受信電文１３６を送信する。上記動作において、暗号電文１３４を所定時間以降に受け取った場合は、第３者が成りすましている可能性があるとして受信データを破棄する。

受信側から通信に先立ち、公開鍵を取得する手順により、第３者の成りすましを防ぐ効果が高まることとなる。

暗号電文１３４に１６ビットの公開鍵情報を挿入して伝送する構成も可能である。この場合、挿入する１６ビットの公開鍵部分は暗号化されず平文のまま送られることになる。このように構成すれば、通信装置Ｂ１２３から公開鍵をもらう必要がない。すなわち、通信装置Ａ１２２自身でランダムに発生させた１６ビットの公開鍵を用いて暗号化を行い、前記公開鍵を暗号電文１３４に乗せて送るため、受信側である通信装置Ｂ１２３は、暗号電文１３４に乗って送られてくる公開鍵を用いて暗号を解読することができる。

同報通信は、通信相手が複数であるため受信側から公開鍵をもらうことができない。そのため、暗号電文に公開鍵を乗せて伝送する方法は、特に同報通信において有益である。

図４の登録手順において用いられる暗号機能の有無を示す識別子と、図５の通信で用いられる暗号電文であることを示す暗号化識別子を制御コード２のひとつのビットで共用することが可能である。上記二つの識別子を共用することにより制御コード２のビットに余裕を持たせることができ、他の機能を制御コード２に付加できる。

なお、図１の構成のすべてあるいは一部をコンピュータ上のプログラムで実行させることも可能である。

なお、本実施の形態では、通信装置Ａ（第１の通信機）、通信装置Ｂ（第２の通信機）で説明したが、親通信機と子通信機に応用してもよい。

以上のように本発明にかかる通信装置、通信システム及びプログラムは、簡単な構成で暗号化を実現できる。

本発明の実施の形態１における通信装置のブロック図 本発明の実施の形態１における通信装置を用いた通信システム図 本発明の実施の形態１における通信装置が送信するデータフォーマット図 本発明の実施の形態１における通信装置の登録動作を示すシーケンス図 本発明の実施の形態１における通信装置の通信シーケンス図 従来の通信装置のブロック図

符号の説明

１０１ アンテナ
１０２ 送信手段
１０３ 受信手段
１０４ 符号生成手段
１０５ 符号解読手段
１０６ 無線通信部
１０７ 識別子検出手段
１０８ 暗号化制御手段
１０９ 識別子付与手段
１１０ 通信装置
１１１ 家電機器

Claims (11)

1. あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と送信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を暗号化された送信データとしたことを特徴とする通信装置。
2. あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と受信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を復号化された受信データとしたことを特徴とする通信装置。
3. 第１の通信機は、あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と送信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を暗号化された送信データとし、第２の通信機は、あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と前記第１の通信機からの受信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を復号化された受信データとしたことを特徴とする通信システム。
4. データの送信に先立ち、第１の通信機は、第２の通信機に対して公開鍵を要求する鍵要求信号を送信し、第２の通信機から前記公開鍵を受け取る構成とした請求項１記載の通信装置。
5. データの受信に先立ち、第２の通信機は、第１の通信機からの公開鍵を要求する鍵要求信号に対して、公開鍵を第１の通信機に送信した後、所定時間以内に第１の通信機からの信号を受信した場合は、前記公開鍵を用いて受信データを復号する構成とした請求項２記載の通信装置。
6. 前記暗号化された送信データに公開鍵情報を付加したものを送信データとした請求項１、３、４記載のいずれか１項に記載の通信装置。
7. 前記受信データはパリティビットを有し、前記受信データを復号化した後のパリティに誤りがない場合に正しいデータを受信したと判定する請求項２、３、５記載のいずれか１項に記載の通信装置。
8. 前記送信データ或いは前記受信データはＢＣＨ符号化されたデータであり、前記モジュロ演算処理は前記ＢＣＨ符号化或いは復号化するときの処理と共有したことを特徴とする請求項１〜７記載のいずれか１項に記載の通信装置。
9. あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と送信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を暗号化された送信データとしたことを特徴とする通信方法。
10. あらかじめ所有している秘密鍵と、通信ごとに設定される公開鍵と、秘密鍵と公開鍵を用いてモジュロ演算を行い余り或いは商を求め、前記余り或いは商と受信データとの間で排他的論理和演算を行い、前記排他的論理和出力を復号化された受信データとしたことを特徴とする通信方法。
11. 請求項１〜８のいずれか１項記載の通信装置の機能の少なくとも一部をコンピュータに実現させるためのプログラム。

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