JP2008154019A - 共有情報の管理方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】送信器10から受信器20へ原乱数により変調された単一光子パルスを伝送すると共にフレームパルスを通常光パルスにより伝送する。フレームパルスにより規定されるフレーム単位でビット・基底照合が実行され、送信器10および受信器20のそれぞれでファイル化された選別鍵が生成される。選別鍵はファイル単位でエラー訂正、秘匿増強およびファイル共有処理が実行され、送信器10および受信器20において共通の暗号鍵が同期して蓄積される。生成された暗号鍵は、鍵管理部107および207により暗号鍵と復号鍵とに分けて管理され、蓄積量が少ない方に優先的に割り当てられる。
【選択図】図2
Description
QKD技術は、通常の光通信とは異なり、1ビットあたりの光子数を1個として乱数を伝送することにより、送信装置と受信装置との間で共通鍵を生成し共有することができる。このQKD技術は、従来のように計算量に基づく安全性ではなく、1度観測されてしまった光子を完全に観測前の量子状態に戻すことができないという量子力学の原理に基づく安全性を有している。
単一光子伝送では、前述したとおり、1ビットあたりの光子数を1個とした微弱光により乱数を量子チャネルを通して伝送する。QKD方式としては、いくつかの提案があるが、たとえば4つの量子状態を用いたBB84方式が広く知られている(非特許文献1)。送信器は、量子の状態を表す2通りの基底(D,R)と2値の乱数データ(0,1)との組み合わせによる計4通りの情報を用いて光子を位相変調し送信する。受信器では、送信器とは独立した基底(D,R)で光子を受信し、受信器が受信できたビットを生鍵と言う。送信器が送信した乱数のうち、その大部分は伝送路の損失等によって失われる。
次に、光子伝送を行う伝送路(量子チャネル)とは異なる通常光の通信チャネル(古典チャネル)を用いてビット照合および基底照合を行う。受信器は、受信できたビットのビット番号と受信基底とを古典チャネルを介して送信器に通知する。送信器は受け取ったビット番号の受信基底とそのビットを送るときに用いた送信基底とを照合し、送信基底と受信基底とが一致するビットのみを篩い分ける。この篩い分けられたビット列を選別鍵(sifted key)という。
このようにして生成された選別鍵は、通信誤りを含んでいる可能性があるので、送信器と受信器とで完全に一致した乱数列であるとは限らない。そこで、送信器と受信器の持つ選別鍵が一致するまでエラー訂正処理を繰り返す。エラー訂正処理の手法としては、従来の通信でも使用されているBCH符号やLDPC(low-density parity-check code)符号などが用いられる。
しかしながら、上記1.3)で訂正した誤りは、伝送路損失のみによるものとは断定できない。QKD技術では、常に盗聴者の存在を想定しており、盗聴者が存在すれば、誤り率に反映される。そこで、盗聴行為を無効にするため、一致した選別鍵に対して秘匿増強処理を行う(たとえば非特許文献2)。秘匿増強処理では、別途用意した乱数を用いて選別鍵をシャッフルする。このように誤り訂正された選別鍵に対して秘匿増強処理を施すことで最終的に得られた鍵を最終鍵という。
さらに、QKD技術によって生成した鍵を、解読不可能なことが証明されているワンタイムパッド(one-time-pad)暗号の鍵として使用することで、絶対安全な暗号通信を提供することが可能となる。ワンタイムパッド暗号では、送信器が暗号化に用いた暗号鍵は受信器では必ず復号のために用い、受信器が暗号化に用いた暗号鍵は送信器では必ず復号のために用いなければならない。すなわち、送信側と受信側との間で暗号鍵を暗号/復号の何れの用途に用いるかを予め決定しておく必要がある。さらに、ワンタイムパッド暗号では、一度使用されると破棄されるので、鍵の生成および消費を管理する技術が重要となる。
図2は本実施形態による暗号鍵生成方法を示す概略的フローチャートである。既に述べたように暗号鍵生成には、基本的に、単一光子伝送、基底照合、エラー訂正および秘匿増強を実行するが、本実施形態では、単一光子伝送および基底照合がフレームパルスを基準としてフレーム単位で実行され、こうして得られた選別鍵がある蓄積量を基準にしてファイル化され、ファイル単位でエラー訂正および秘匿増強処理が実行される。
まず、送信器10は鍵の素となる原乱数をメモリ106に格納すると共に、1ビット当たりの光子数が1フォトン以下の光パルスを用いて量子チャネル30を通して受信器20へ送信する。単一光子は、伝送路の損失により途中で消失するため、受信器20は原乱数の一部のみを受信し、受信ビット列を生鍵としてメモリ206に格納する。
続いて、送信器10の鍵生成部105と受信器20の鍵生成部205とは、データ通信チャネル50を通して互いのビット・基底照合をフレーム単位で実行する(TXST1、RXST1)。すなわち、ひとつのフレームのビット・基底照合が完了するまでは、次のフレームのビット・基底照合は行われない。鍵生成部105はFPカウンタ109を、鍵生成部205はFPカウンタ209をそれぞれ参照しながら、データ通信チャネル50、データ通信ユニット103および203を通して、対応するフレームどうしがビット・基底照合処理されるように監視する。
選別鍵ファイルKSTおよびKSRが生成されたら、次にエラー訂正処理(TXST2、RXST2)および秘匿増強処理(TXST3、RXST3)を行う。エラー訂正処理および秘匿増強処理はファイル単位で実行され、ひとつのファイルに対する処理が終了するまでは、次のファイルに対する処理は行わない。
続いて、鍵管理部107および鍵管理部207は、データ通信チャネル50を通したデータ通信機能を用いて、当該ファイルの最終鍵Kを互いに暗号用/復号用の何れの種類に用いるかを決定し、それぞれ対応する種類に従ってファイル番号と共にHDD108およびHDD208に蓄積する(TXST4、RXST4)。
図3は図2におけるビット・基底照合処理により選別鍵を共有する手順を示すフローチャートである。ここでは送信器10および受信器20の間のデータ通信を含めてそれぞれの手順が図示されている。
図4は受信ビット番号シフトおよび受信ビット照合について説明するための模式的なタイムチャートであり、(A)は送信器が送信する原乱数ビット列を示し、(B)は受信器が受信した生鍵ビット列およびそのビット番号シフトを示す。ここでは、説明を簡略化するために、1フレームでN個の原乱数が送信され、受信側で受信された生鍵データのずれnは1ビットであるものと仮定する。
図5は図2におけるエラー訂正・秘匿増強・ファイル共有処理により暗号鍵を共有する手順を示すフローチャートである。ここでは送信器10および受信器20の間のデータ通信を含めてそれぞれの手順が図示されている。
まず、受信器20では、選別鍵KSRがファイル単位でメモリ206に蓄積されている。この段階の選別鍵は、通信誤りを含むため、送信器10と受信器20とで全く同じ乱数列とは限らない。そこで、鍵生成部205は、メモリ206から現時点で最も古い選別鍵ファイルKSRを読み出し(ステップRXST2−1)、エラー訂正を行う(ステップRXST2−2)。同様に、送信器10では、選別鍵KSTがファイル単位でメモリ106に蓄積されている。鍵生成105は、メモリ106から現時点で最も古い選別鍵ファイルKSTを読み出し(ステップTXST2−1)、エラー訂正を行う(ステップTXST2−2)。
次に、受信器20の鍵生成部205は秘匿増強処理を行う(ステップRXST3)。秘匿増強処理では別途用意した乱数を用いて、誤り訂正後の選別鍵をシャッフルし、最終鍵Kを得る。送信器10でも同様に、鍵生成部105は秘匿増強処理を行い(ステップTXST3)、最終鍵Kを得る。鍵生成部105および205で実行される秘匿増強処理は、同じ秘匿増強処理アルゴリズムを用いる。上述したように、エラー訂正後の選別鍵は送信器10と受信器20で一致した乱数データであるから、送信器10および受信器20が同じ秘匿増強処理アルゴリズムで秘匿増強処理をそれぞれ独立に実行しても、同じ最終鍵Kを生成しているはずである。
次に、ファイル共有処理により、上述した手順で順次生成された最終鍵Kを送信器10と受信器20との間で一対の暗号鍵および復号鍵として対応付ける。上述したワンタイムパッド暗号のような暗号化方式では、送信側である乱数列Kを用いて暗号化した時には、受信側では同じ乱数列Kを用いて復号する必要があるからである。ここでは、送信器10と受信器20との間でそれぞれ独立に生成された最終鍵Kを順次対応付ける処理をファイル共有処理(あるいはファイル同期処理)という。
量子暗号システムでは、このように生成され蓄積された最終鍵を用いて暗号化通信を行うことができる。暗号化方式にワンタイムパッド暗号を用いるとすれば、ある最終鍵Kを送信器10のHDD108に暗号鍵として、受信器20のHDD208に復号鍵として格納する。この場合、送信器10の制御部104は、HDD108に格納された暗号鍵Kを用いて送信すべきデータを暗号化し、データ通信ユニット103からデータ通信チャネル50を通して受信器20へ送信する。受信器20の制御部204は、データ通信ユニット203で暗号化データを受信すると、HDD208に格納された復号鍵Kを用いて受信データを復号化する。
20 受信器
30 量子チャネル
40 同期チャネル
50 データ通信チャネル
101 量子ユニット
102 同期ユニット
103 データ通信ユニット
104 制御部
105 鍵生成部
106 メモリ
107 鍵管理部
108 ハードディスクドライブ
109 フレームパルスカウンタ
110 フレームパルス生成部
201 量子ユニット
202 同期ユニット
203 データ通信ユニット
204 制御部
205 鍵生成部
206 メモリ
207 鍵管理部
208 ハードディスクドライブ
209 フレームパルスカウンタ
Claims (28)
- 通信装置間で共有情報を生成する通信システムにおける共有情報管理方法において、
各通信装置が前記共有情報を生成し、
一の通信装置が当該一の通信装置で生成された一の共有情報を特定する情報を他の通信装置へ通知することで、前記一の通信装置と前記他の通信装置との間で同一の共有情報を対応付け、
各通信装置が前記対応付けられた共有情報をそれぞれ格納手段に蓄積する、
ことを特徴とする共有情報管理方法。 - 前記通信装置間で通信が実行されるとき、それぞれの格納手段に蓄積された対応する共有情報が消費されることを特徴とする請求項1に記載の共有情報管理方法。
- 各通信装置において生成される共有情報の生成量と共有情報の消費量とに基づいて、当該格納手段の共有情報の蓄積量を管理することを特徴とする請求項2に記載の共有情報管理方法。
- 前記通信システム起動時に、前記一の通信装置が他の通信装置との間で共有情報が対応付けられているか否かを判定することを特徴とする請求項1に記載の共有情報管理方法。
- 前記通信システム終了時に、各通信装置の格納手段に蓄積された共有情報を全て削除することを特徴とする請求項1に記載の共有情報管理方法。
- 前記一の通信装置は、当該一の通信装置で生成された一の共有情報を暗号鍵および復号鍵のいずれか一方で使用することを他の通信装置へ通知することで、前記一の通信装置と前記他の通信装置との間で同一の共有情報を一方で暗号鍵、他方で復号鍵として対応付けることを特徴とする請求項1−5のいずれか1項に記載の共有情報管理方法。
- 各通信装置は暗号鍵と復号鍵とを別々に管理することを特徴とする請求項6に記載の共有情報管理方法。
- 前記一の通信装置は、当該格納手段に蓄積された前記暗号鍵および前記復号鍵のそれぞれの蓄積量を監視し、当該一の通信装置で生成された一の共有情報を前記暗号鍵および前記復号鍵のいずれか蓄積量の少ない方に優先的に割り当てることを特徴とする請求項7に記載の共有情報管理方法。
- 前記一の通信装置と前記他の通信装置との間で同一の共有情報を用いて暗号化通信を実行したとき、当該使用された共有情報は二度と暗号化通信に使用されないことを特徴とする請求項7または8に記載の共有情報管理方法。
- 通信装置間で共有情報を生成する通信システムにおける共有情報管理方法において、
一の通信装置が他の通信装置へ原情報を第1データ処理単位で送信し、
前記他の通信装置が前記一の通信装置から第1データ処理単位で受信した情報に基づいて、前記一の通信装置と前記他の通信装置との間で前記共有情報を第2データ処理単位で生成して第1格納手段に蓄積し、
第1通信装置が当該第1通信装置で生成された一の共有情報を特定する情報を第2通信装置へ通知することで、前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で同一の共有情報を対応付け、
各通信装置が前記対応付けられた共有情報をそれぞれ第2格納手段に蓄積する、
ことを特徴とする共有情報管理方法。 - 前記第1通信装置は、当該第1通信装置で生成された一の共有情報を暗号鍵および復号鍵のいずれか一方で使用することを前記第2通信装置へ通知することで、前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で同一の共有情報を一方で暗号鍵、他方で復号鍵として対応付けることを特徴とする請求項10に記載の共有情報管理方法。
- 各通信装置は暗号鍵と復号鍵とを別々に管理することを特徴とする請求項11に記載の共有情報管理方法。
- 前記第1通信装置は、当該第2格納手段に蓄積された前記暗号鍵および前記復号鍵のそれぞれの蓄積量を監視し、当該第1通信装置で生成された一の共有情報を前記暗号鍵および前記復号鍵のいずれか蓄積量の少ない方に優先的に割り当てることを特徴とする請求項12に記載の共有情報管理方法。
- 前記共有情報は第2データ処理単位でワンタイムパッド暗号方式の暗号鍵に使用されることを特徴とする請求項12または13に記載の共有情報管理方法。
- 通信装置間で共有する情報を管理する共有情報管理システムにおいて、
各通信装置は、
他の通信装置との間で共有情報を生成する生成手段と、
前記共有情報を蓄積する第1格納手段と、
一の共有情報を特定する情報を前記他の通信装置との間で送信あるいは受信することで、当該他の通信装置との間で同一の共有情報を対応付ける管理手段と、
前記対応付けられた共有情報を蓄積する第2格納手段と、
を有することを特徴とする共有情報管理システム。 - 前記通信装置間で通信が実行されるとき、各通信装置の前記管理手段は前記第2格納手段に蓄積された対応する共有情報を消費することを特徴とする請求項15に記載の共有情報管理システム。
- 各通信装置の前記管理手段は、前記生成手段により生成される共有情報の生成量と共有情報の消費量とに基づいて、前記第2格納手段の共有情報の蓄積量を管理することを特徴とする請求項16に記載の共有情報管理システム。
- 前記システム起動時に、一の通信装置の前記管理手段は他の通信装置との間で共有情報が対応付けられているか否かを判定することを特徴とする請求項15に記載の共有情報管理システム。
- 前記システム終了時に、各通信装置の前記管理手段は、前記第2格納手段に蓄積された共有情報を全て削除することを特徴とする請求項15に記載の共有情報管理システム。
- 一の通信装置の前記管理手段は前記生成手段が生成した一の共有情報を暗号鍵および復号鍵のいずれか一方の鍵として使用することを他の通信装置へ通知し、当該通知を受けた前記他の通信装置の前記管理手段は同一の共有情報を前記一の通信装置とは異なる鍵として使用することを特徴とする請求項15−19のいずれか1項に記載の共有情報管理システム。
- 各通信装置の前記管理手段は前記第2格納手段に蓄積される暗号鍵と復号鍵とを別々に管理することを特徴とする請求項20に記載の共有情報管理システム。
- 前記一の通信装置の前記管理手段は、前記第2格納手段に蓄積された前記暗号鍵および前記復号鍵のそれぞれの蓄積量を監視し、前記生成手段が生成した一の共有情報を前記暗号鍵および前記復号鍵のうち蓄積量の少ない方に優先的に割り当てることを特徴とする請求項21に記載の共有情報管理システム。
- 前記一の通信装置と前記他の通信装置との間で同一の共有情報を用いて暗号化通信を実行したとき、前記一の通信装置および前記他の通信装置のそれぞれの管理手段は、当該使用された共有情報を二度と暗号化通信に使用しないことを特徴とする請求項21または22に記載の共有情報管理システム。
- 他の通信装置との間で共有する情報を管理する通信装置において、
前記他の通信装置との間で共有情報を生成する生成手段と、
前記共有情報を蓄積する第1格納手段と、
一の共有情報を特定する情報を前記他の通信装置から受信することで、当該他の通信装置との間で同一の共有情報を対応付ける管理手段と、
前記対応付けられた共有情報を蓄積する第2格納手段と、
を有することを特徴とする通信装置。 - 他の通信装置との間で共有する情報を管理する通信装置において、
前記他の通信装置との間で共有情報を生成する生成手段と、
前記共有情報を蓄積する第1格納手段と、
一の共有情報を特定する情報を前記他の通信装置へ送信することで、当該他の通信装置との間で同一の共有情報を対応付ける管理手段と、
前記対応付けられた共有情報を蓄積する第2格納手段と、
を有することを特徴とする通信装置。 - コンピュータに他の通信装置との間で共有する情報の管理を実行させるプログラムにおいて、
前記他の通信装置との間で共有情報を生成して第1格納手段に格納し、
一の共有情報を特定する情報を前記他の通信装置から受信すると、それと同一の共有情報を特定し、
前記特定された共有情報を第2格納手段に蓄積する、
ことを特徴とするプログラム。 - コンピュータに他の通信装置との間で共有する情報の管理を実行させるプログラムにおいて、
前記他の通信装置との間で共有情報を生成して第1格納手段に格納し、
一の共有情報を特定して第2格納手段に蓄積し、
前記一の共有情報を特定する情報を前記他の通信装置へ送信する、
ことを特徴とするプログラム。 - 第1通信装置と第2通信装置とが暗号化通信を行うための通信システムにおいて、
前記第1通信装置は、
前記第2通信装置との間で共有すべき秘密情報を生成する第1生成手段と、
前記秘密情報を蓄積する第1格納手段と、
一の秘密情報を特定する情報を前記第2通信装置へ送信することで、前記第2通信装置との間で同一の秘密情報を対応付け、前記対応付けられた秘密情報を第2格納手段に蓄積する第1管理手段と、
を有し、
前記第2通信装置は、
前記第1通信装置との間で共有すべき前記秘密情報を生成する第2生成手段と、
前記秘密情報を蓄積する第3格納手段と、
前記一の共有情報を特定する情報を前記第1通信装置から受信することで、当該第1通信装置との間で同一の秘密情報を対応付け、前記対応付けられた秘密情報を第4格納手段に蓄積する第2管理手段と、
を有する
ことを特徴とする通信システム。
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