JP2009065625A - 暗号化データ通信方法と暗号化データ通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】データ通信に影響を与えずに暗号鍵を自動的に交換する。
【解決手段】送信装置１０は、受信装置２０との間でパケットデータを暗号化するための共通の暗号鍵を定期的に更新する鍵交換制御部１４と、送信データＳＤを更新前の暗号鍵ＫＹＡを用いて暗号化する暗号部１２ａと、同じ送信データＳＤを更新後の暗号鍵ＫＹＢを用いて暗号化する暗号部１２ｂを有している。更に、鍵交換制御部１４は、暗号鍵を更新した後の所定の期間内は暗号部１２ａ，１２ｂで暗号化されたパケットデータを受信装置２０に同時送信し、この所定の期間が経過した後は暗号部１２ｂで暗号化されたパケットデータのみを受信装置２０に送信するように、スイッチ１１ａ，１１ｂを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、共有する暗号用の秘密鍵を、人手を介することなく通信網を介して交換する暗号化データ通信方法と暗号化データ通信システムに関するものである。

インターネット等の通信網を介してデータを送受信する場合、機密性保護のためにデータを暗号化することが一般的である。暗号化データの通信では、送信側と受信側の双方で共有する秘密鍵を用いて暗号化や複号化を行う必要があるが、常時同じ秘密鍵を使用していると、第三者に解読される危険性が大きくなる。このため、共有する暗号用の秘密鍵を、人手を介することなく通信網を介して交換する自動鍵交換プロトコルの一例として、ＩＫＥ(Internet Key Exchange)が有る。

ＩＫＥのセッションは、フェーズ１とフェーズ２に分けられている。フェーズ１は、ＳＡ(Security Association:セキュリティのコネクション)を生成するための下準備で、ＩＫＥ自身が安全に情報のやり取りをするために、ＩＳＡＫＭＰ(Internet Security and Key Management Protocol)というＳＡを生成する処理が行われる。フェーズ２は、クイック・モードとも呼ばれ、暗号とメッセージの認証アルゴリズムをネゴシエーションして、安全な通信に使用できる必要な共有鍵（秘密鍵）を確立し、ここで、初めて暗号化通信が開始される。

一般に、ＩＫＥを用いたシステムでは、ＩＳＡＫＭＰ−ＳＡで秘密鍵の有効期限が設定され、その有効期限の少し前に、新しい秘密鍵の交換を行うようにしている。交換した際に、古い秘密鍵と新しい秘密鍵が存在するが、それを切り替えるタイミングは、各装置に任されている。このため、例えば装置のメーカーが異なる場合等に、送信側と受信側で秘密鍵を切り替えるタイミングが異なり、受信側で正しくデータの復号ができなくなるという課題があった。特に、ＶｏＩＰ(Voice on Internet Protocol)のようなストリーミング・データでは、エラーチェックによる再送が行われないので、音声が途切れてしまうという問題があった。

下記特許文献１には、送信装置が有効期限直前の暗号鍵を受信装置に送信した後、暗号鍵の更新が発生した場合に受信装置で暗号化データを正しく復号できなくなるという問題を解決するための暗号鍵の更新方法が記載されている。

図２は、下記特許文献１に記載された従来の暗号鍵の更新方法を示す説明図である。
この暗号鍵の更新方法は、ＤＴＣＰ(Digital Transmission Content Protection)規格に対応するもので、送信装置１００が、暗号化データの送信完了（時刻Ｔ１）から第１の所定時間（２時間）内に暗号化データが送信されたか、及び、第１の所定時間よりも短い第２の所定時間（１時間５５分）経過後に認証及び鍵交換が行われたかを判断する。第１の所定時間（時刻Ｔ３）内に次の暗号化データが送信されず、かつ、第２の所定時間（時刻Ｔ２）経過後に認証及び鍵交換が行われない場合は、この第１の所定時間が経過した時点で暗号鍵の更新を行う。一方、第１の所定時間内に次の暗号化データが送信されなかったが、第２の所定時間経過後に認証及び鍵交換が行われた場合には、その認証及び鍵交換の際に暗号鍵の更新を行って新しい暗号鍵を受信装置２００に送信する。これにより、送信装置１００と受信装置２００の暗号鍵の不一致が無くなり、データを正しく復号できるとされている。

特開２００７−１０４４３０号公報

しかしながら、前記特許文献１の暗号鍵の更新方法は、暗号鍵の更新周期が長く、かつ、一連のデータ通信中には暗号鍵の更新を行わないことを前提としている。従って、データ通信中に頻繁に暗号鍵を更新する必要があるシステムに適用することは不可能で、第三者に解読される危険性が大きいという課題が有った。

本発明は、一連のデータ通信中に、データ通信に影響を与えずに暗号鍵を自動的に交換することを目的としている。

本発明は、送信側と受信側の間でパケットデータを暗号化して送受信する暗号化データ通信方法であって、前記送信側と受信側において、パケットデータを暗号化するための共通の暗号鍵をそれぞれ更新する処理と、前記送信側では、前記暗号鍵を更新した後の所定の期間内は、送信すべきパケットデータを更新前の暗号鍵を用いて暗号化すると共に更新後の暗号鍵を用いて暗号化し、暗号化した２つのパケットデータを同時送信する処理と、該所定の期間が経過した後は、該送信すべきパケットデータを更新後の暗号鍵のみを用いて暗号化して送信する処理とを行い、前記受信側では、前記送信側から送られてきた前記暗号化されたパケットデータを前記共通の暗号鍵を用いて復号する処理を行うことを特徴としている。

また、本発明の暗号化データ通信システムは、送信装置と受信装置の間でパケットデータを暗号化して送受信するもので、前記送信装置は、前記受信装置との間でパケットデータを暗号化するための共通の暗号鍵を定期的に更新する鍵交換手段と、送信すべきパケットデータを前記更新前の暗号鍵を用いて暗号化する第１の暗号化手段と、前記送信すべきパケットデータを前記更新後の暗号鍵を用いて暗号化する第２の暗号化手段と、前記暗号鍵を更新した後の所定の期間内は前記第１及び第２の暗号化手段で暗号化されたパケットデータを前記受信装置に同時送信し、該所定の期間が経過した後は該第２の暗号化手段で暗号化されたパケットデータのみを該受信装置に送信する送信制御手段とを備えたことを特徴としている。

本発明では、送信側と受信側で共通の暗号鍵をそれぞれ更新した後の所定の期間内、送信側では送信すべきパケットデータを更新前と更新後の２つの暗号鍵を用いてそれぞれ暗号化して、受信側に送信するようにしている。一方、受信側では、受信したパケットデータを、更新した暗号鍵を用いて復号し、正しく復号できなかったパケットデータを廃棄するようにしている。これにより、２種類の暗号鍵で暗号化されたパケットデータの内で、受信側の暗号鍵と同一の暗号鍵で暗号化されたパケットデータのみが受信側で受信される。従って、受信側の暗号鍵の更新タイミングに左右されず、一連のデータ通信中に、データ通信に影響を与えずに暗号鍵を自動的に交換することができるという効果がある。

この発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、次の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。但し、図面は、もっぱら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。

図１は、本発明の実施例を示す暗号化データ通信システムの構成図である。
この暗号化データ通信システムは、送信データＳＤをパケット単位に暗号化して送信する送信装置１０と、暗号化されたデータをパケット単位に復号して平文の受信データＲＤを出力する受信装置２０と、これらの送信装置１０と受信装置２０の間を接続するインターネット等の通信網３０で構成されている。

送信装置１０は、２組の暗号化回路を有しており、平文の送信データＳＤは、スイッチ１１ａを介して暗号部１２ａに与えられると共に、スイッチ１１ｂを介して暗号部１２ｂに与えられている。暗号部１２ａは、与えられた送信データＳＤを鍵レジスタ１３ａに格納された暗号鍵ＫＹＡを用いてパケット単位に暗号化するもので、暗号部１２ｂは、与えられた送信データＳＤを鍵レジスタ１３ｂに格納された暗号鍵ＫＹＢを用いてパケット単位に暗号化するものである。これらの暗号鍵ＫＹＡ，ＫＹＢは、鍵交換制御部１４で生成されて鍵レジスタ１３ａ，１３ｂに格納されるようになっている。

鍵交換制御部１４は、タイマ１５に従って、一定周期で暗号鍵を更新して鍵レジスタ１３ａ，１３ｂに交互に格納すると共に、更新した新しい暗号鍵を通信網３０を介して受信装置２０に転送するものである。更に、鍵交換制御部１４は、暗号鍵の更新に従ってスイッチ１１ａ，１１ｂに対する制御信号Ｓａ，Ｓｂを生成するものである。即ち、鍵交換制御部１４は、暗号鍵を更新した時点から一定の期間だけ送信データＳＤを暗号部１２ａ，１２ｂの両方に与え、その後、新しい暗号鍵に対応する暗号部にのみ送信データＳＤを与えるための制御信号Ｓａ，Ｓｂを出力するようになっている。暗号部１２ａ，１２ｂ及び鍵交換制御部１４は、送受信部１６を介して通信網３０に接続されている。

受信装置２０は、通信網３０に接続するための送受信部２１と、この送受信部２１に接続された鍵交換制御部２２と復号部２４を有している。鍵交換制御部２２は、ＩＳＡＫＭＰやクイック・モードでのパラメータを使用して暗号鍵を生成し、鍵レジスタ２３に格納することによって古い暗号鍵から新しい暗号鍵に変更するものである。

復号部２４は、送信装置１０側の暗号部１２ａ，１２ｂから送られてきた暗号化されたデータＣＤＡ，ＣＤＢを、鍵レジスタ２３に格納された暗号鍵ＫＹを使用してパケット単位に復号するものである。復号部２４によるデータＣＤＡ，ＣＤＢの復号結果は、判定部２５に与えられている。判定部２５は、復号部２４によって正しく平文に復号されたデータを、受信データＲＤとして出力するものである。正しい平文に復号されなかったデータは、判定部２５によって廃棄され、受信データＲＤとして出力されないようになっている。

図３は、図１の動作を示す説明図である。
図３の時刻ｔ０において、送信装置１０の鍵交換制御部１４と受信装置２０の鍵交換制御部２２の間で、ＩＫＥのＩＳＡＫＭＰ処理が行われて暗号鍵ＫＹＡが生成され、生成された暗号鍵ＫＹＡが、鍵交換制御部１４によって鍵レジスタ１３ａに格納される。更に、鍵交換制御部１４の制御信号Ｓａにより、スイッチ１１ａはオン状態に設定される。このとき、スイッチ１１ｂは、制御信号Ｓｂによってオフ状態に設定される。一方、受信装置２０でも、暗号鍵ＫＹＡが生成され、鍵交換制御部２２によって鍵レジスタ２３に格納される。

その後、送信データＳＤが送信装置１０に与えられると、送信データＳＤはオン状態のスイッチ１１ａを介して暗号部１２ａに与えられ、鍵レジスタ１３ａに格納された暗号鍵ＫＹＡを用いてパケット単位に暗号化される。暗号部１２ａで生成された暗号化されたデータＣＤＡ１，ＣＤＡ２，…，ＣＤＡｎは、送受信部１６から通信網３０を介して受信装置２０に順次伝送される。

受信装置２０では、送信装置１０から受信したデータＣＤＡ１，ＣＤＡ２，…，ＣＤＡｎが復号部２４に順次与えられ、鍵レジスタ２３に格納された暗号鍵ＫＹＡを用いて復号されて判定部２５に与えられる。このとき、送信装置１０と受信装置２０で使用している暗号鍵ＫＹＡは同一であるので、正しく復号される。これにより、復号部２４で復号されたデータは、判定部２５から受信データＲＤ１，ＲＤ２，…，ＲＤｎとして順次出力される。

時刻ｔ０から一定の期間Ｐ１が経過して時刻ｔ１になると、送信装置１０のタイマ１５によって鍵交換制御部１４が起動され、受信装置２０の鍵交換制御部２２との間で、ＩＫＥのＩＳＡＫＭＰ処理が行われ、鍵交換制御部１４で生成された新しい暗号鍵ＫＹＢが鍵レジスタ１３ｂに格納される。更に、鍵交換制御部１４の制御信号Ｓｂにより、スイッチ１１ｂはオン状態に設定される。このとき、スイッチ１１ａは、制御信号Ｓａによってオン状態に設定されたままである。一方、受信装置２０でも、新しい暗号鍵ＫＹＢが鍵交換制御部２２で生成され、鍵レジスタ２３に格納される。

その後、送信データＳＤが送信装置１０に与えられると、送信データＳＤはオン状態のスイッチ１１ａ，１１ｂを介して、暗号部１２ａ，１２ｂに共通に与えられる。暗号部１２ａでは、鍵レジスタ１３ａに格納された暗号鍵ＫＹＡを用いて暗号化されたデータＣＤＡｎ＋１が生成される。一方、暗号部１２ｂでは、鍵レジスタ１３ｂに格納された暗号鍵ＫＹＢを用いて暗号化されたデータＣＤＢｎ＋１が生成される。データＣＤＡｎ＋１，ＣＤＢｎ＋１は、送受信部１６から通信網３０を介して受信装置２０に順次伝送される。

受信装置２０では、送信装置１０から受信したデータＣＤＡｎ＋１，ＣＤＢｎ＋１が順次復号部２４に与えられ、鍵レジスタ２３に格納された暗号鍵を用いて復号されて判定部２５に与えられる。このとき、鍵レジスタ２３に古い暗号鍵ＫＹＡが格納されていれば、データＣＤＡｎ＋１が正しく復号され、データＣＤＢｎ＋１は正しく復号されない。従って、判定部２５において、データＣＤＢｎ＋１の復号結果は廃棄され、データＣＤＡｎ＋１の復号結果が受信データＲＤｎ＋１として出力される。

次の送信データＳＤも、送信装置１０の２つの暗号部１２ａ，１２ｂで暗号化され、２つの暗号化されたデータＣＤＡｎ＋２，ＣＤＢｎ＋２が順次受信装置２０に伝送される。このとき、受信装置２０の鍵レジスタ２３の内容が新しい暗号鍵ＫＹＢに書き換えられていると、データＣＤＢｎ＋２が正しく復号され、データＣＤＡｎ＋２は正しく復号されない。従って、判定部２５において、データＣＤＡｎ＋２の復号結果は廃棄され、データＣＤＢｎ＋２の復号結果が受信データＲＤｎ＋２として出力される。これ以降は、新しい暗号鍵ＫＹＢで暗号化されたデータＣＤＢｎ＋３，…，ＣＤＢｍの復号結果が、受信データＲＤｎ＋３，…，ＲＤｍとして順次出力される。

時刻ｔ１から所定の期間Ｐ２（但し、Ｐ２＜Ｐ１）が経過して時刻ｔ２になると、送信装置１０の鍵交換制御部１４から、スイッチ１１ａをオフ状態にするための制御信号Ｓａが出力される。このとき、スイッチ１１ｂはオン状態のままである。これにより、送信装置１０に与えられた送信データＳＤは、オン状態のスイッチ１１ｂを介して暗号部１２ｂに与えられ、鍵レジスタ１３ｂに格納された暗号鍵ＫＹＢを用いてパケット単位に暗号化される。暗号部１２ｂで生成された暗号化されたデータＣＤＢｍ＋１，ＣＤＢｍ＋２，ＣＤＢｍ＋３，…は、送受信部１６から通信網３０を介して受信装置２０に順次伝送される。

受信装置２０では、送信装置１０から受信したデータＣＤＢｍ＋１，ＣＤＢｍ＋２，ＣＤＢｍ＋３，…が復号部２４に与えられ、鍵レジスタ２３に格納された暗号鍵ＫＹＢを用いて復号されて判定部２５に与えられる。このとき、送信装置１０と受信装置２０で使用している暗号鍵ＫＹＢは同一であるので、これらのデータは正しく復号される。これにより、復号部２４で復号されたデータは、判定部２５から受信データＲＤｍ＋１，ＲＤｍ＋２，ＲＤｍ＋３，…として出力される。

更に、時刻ｔ１から一定の期間Ｐ１が経過して時刻ｔ３になると、送信装置１０のタイマ１５によって鍵交換制御部１４が起動され、受信装置２０の鍵交換制御部２２との間で、ＩＫＥのＩＳＡＫＭＰ処理が行われ、鍵交換制御部１４で生成された次の新しい暗号鍵ＫＹＡ１が鍵レジスタ１３ａに格納される。更に、鍵交換制御部１４の制御信号Ｓａにより、スイッチ１１ａはオン状態に設定される。このとき、スイッチ１１ｂは、制御信号Ｓｂによってオン状態に設定されたままである。一方、受信装置２０でも、次の新しい暗号鍵ＫＹＡ１が鍵交換制御部２２で生成され、鍵レジスタ２３に格納される。

これにより、送信データＳＤはオン状態のスイッチ１１ａ，１１ｂを介して、暗号部１２ａ，１２ｂに共通に与えられる。暗号部１２ａでは、鍵レジスタ１３ａに格納された暗号鍵ＫＹＡ１を用いて送信データＳＤが暗号化され、暗号部１２ｂでは、鍵レジスタ１３ｂに格納された暗号鍵ＫＹＢを用いて送信データＳＤが暗号化される。そして、暗号化されたデータが、送受信部１６から通信網３０を介して受信装置２０に順次伝送される。

受信装置２０の復号部２４では、２種類の暗号鍵（ＫＹＡ１，ＫＹＢ）で暗号化されたデータの内、鍵レジスタ２３に格納されているものと同一の暗号鍵で暗号化されたデータが正しく復号され、判定部２５から受信データＲＤとして出力される。

時刻ｔ３から所定の期間Ｐ２が経過して時刻ｔ４になると、送信装置１０の鍵交換制御部１４から、スイッチ１１ｂをオフ状態にするための制御信号Ｓｂが出力される。これにより、暗号部１２ｂへの送信データＳＤの入力は停止され、暗号鍵ＫＹＢで暗号化されたデータの出力は停止される。

このように、送信装置１０では、一定の期間Ｐ１毎に暗号鍵が更新され、暗号鍵が更新された直後の所定の期間Ｐ２は、更新前と更新後の２種類の暗号鍵を用いて同一の送信データＳＤを暗号化し、２つの暗号化されたデータを順次送信する。そして、所定の期間Ｐ２が経過した後、更新後の暗号鍵だけを使用して送信データＳＤを暗号化する。一方、受信装置２０でも、送信装置１０に同期して一定の期間Ｐ１毎に暗号鍵が更新され、送信装置１０から送られてくる暗号化されたデータを復号し、正しく復号できたものを受信データＲＤとして受信する。

以上のように、本実施例の暗号鍵交換システムは、送信装置では、暗号鍵を更新した直後の所定の期間内は、更新前と更新後の２つの暗号鍵を用いて同一の送信データを暗号化して同時送信し、受信装置では、送信装置１０から与えられた暗号化されたデータを復号し、正しく復号できたものを受信データとして受信するようにしている。これにより、受信装置では、暗号鍵が更新された後の所定の期間内に、復号用の暗号鍵を新しい暗号鍵に変更すれば常に正しく復号された受信データを得ることができる。従って、データ通信に影響を与えずに暗号鍵を自動的に交換することができるという利点がある。

なお、本発明は、上記実施例に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば、次のようなものがある。
（ａ） 図１の構成は一例であり、同様の機能を有する構成に置き換えることができる。例えば、暗号部１２ａ，１２ｂの入力側にスイッチ１１ａ，１１ｂを設けているが、この暗号部１２ａ，１２ｂの出力側にスイッチを設けても良い。
（ｂ） 図１は、各構成要素をハードウエアで構成した場合の構成図であるが、同様の要素をプロセッサとソフトウエアで構成することもできる。

本発明の実施例を示す暗号化データ通信システムの構成図である。 従来の暗号鍵の更新方法を示す説明図である。 図１の動作を示す説明図である。

符号の説明

１０ 送信装置
１１ａ，１１ｂ スイッチ
１２ａ，１２ｂ 暗号部
１３ａ，１３ｂ，２３ 鍵レジスタ
１４，２２ 鍵交換制御部
１５ タイマ
１６，２１ 送受信部
２０ 受信装置
２４ 復号部
２５ 判定部

Claims (3)

1. 送信側と受信側の間でパケットデータを暗号化して送受信する暗号化データ通信方法であって、
   前記送信側と受信側において、パケットデータを暗号化するための共通の暗号鍵をそれぞれ更新する処理と、
   前記送信側では、前記暗号鍵を更新した後の所定の期間内は、送信すべきパケットデータを更新前の暗号鍵を用いて暗号化すると共に更新後の暗号鍵を用いて暗号化し、暗号化した２つのパケットデータを同時送信する処理と、該所定の期間が経過した後は、該送信すべきパケットデータを更新後の暗号鍵のみを用いて暗号化して送信する処理とを行い、
   前記受信側では、前記送信側から送られてきた前記暗号化されたパケットデータを前記共通の暗号鍵を用いて復号する処理を行う、
   ことを特徴とする暗号化データ通信方法。
2. 送信装置と受信装置の間でパケットデータを暗号化して送受信する暗号化データ通信システムにおいて、
   前記送信装置は、
   前記受信装置との間でパケットデータを暗号化するための共通の暗号鍵を定期的に更新する鍵交換手段と、
   送信すべきパケットデータを前記更新前の暗号鍵を用いて暗号化する第１の暗号化手段と、
   前記送信すべきパケットデータを前記更新後の暗号鍵を用いて暗号化する第２の暗号化手段と、
   前記暗号鍵を更新した後の所定の期間内は前記第１及び第２の暗号化手段で暗号化されたパケットデータを前記受信装置に同時送信し、該所定の期間が経過した後は該第２の暗号化手段で暗号化されたパケットデータのみを該受信装置に送信する送信制御手段とを、
   備えたことを特徴とする暗号化データ通信システム。
3. 前記受信装置は、前記送信装置から送られてきた前記暗号化されたパケットデータを前記共通の暗号鍵を用いて復号することを特徴とする請求項２記載の暗号化データ通信システム。

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