JP2015177535A - 受信機、送信機、通信システムおよび通信方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態の受信機は、複数の送信機と、光子列を光子タイムスロットによる時分割多重で受信する光子通信チャネル、およびデータ通信をするデータ通信チャネルで接続され、各送信機との間でそれぞれ同一の暗号鍵を共有する受信機であって、第1量子鍵共有手段と、第1鍵蒸留手段と、第1データ通信制御手段と、算出手段と、を備える。第1量子鍵共有手段は、送信機との量子鍵配送により共有ビット列を生成する。第1鍵蒸留手段は、鍵蒸留処理により暗号鍵を生成する。第1データ通信制御手段は、送信機から暗号鍵の情報である第1情報を受信する。算出手段は、第1情報で光子タイムスロットを算出する。第1データ通信制御手段は、算出された光子タイムスロットを送信機に送信する。
【選択図】図3
Description
図1は、通信システムの構成例を示す図である。まず、図1を参照しながら、1台の送信機と、1台の受信機とで構成された通信システム100を例にして、送信機、受信機および光ファイバリンクの機能を中心に説明する。
送信機1の光データ通信部15は、受信機2へ送信する上りデータを取得すると、自身のバッファに蓄積する。
受信機2の光データ通信制御部28は、各送信機1に対して、順次、送信許可を指示するGATEフレームを送信する。例えば、光データ通信制御部28は、定期的に、各送信機1に対して、送信許可を指示するGATEフレームを送信する。なお、GATEフレームは、下り方向光データ通信チャネル31、光ファイバリンク3(3a〜3d)上の別のチャネル、または、光ファイバリンク3(3a〜3d)とは異なる通信回線を介して、送信機1に送信されるものとすればよい。
送信機1の光データ通信制御部18は、受信機2から送信許可を指示するGATEフレームを受信すると、現在、光データ通信部15のバッファに蓄積されている上りデータのデータ量を示す情報を含むREPORTフレームを、受信機2に対して送信する。なお、REPORTフレームは、上り方向光データ通信チャネル32、光ファイバリンク3(3a〜3d)上の別のチャネル、または、光ファイバリンク3(3a〜3d)とは異なる通信回線を介して、受信機2に送信されるものとすればよい。
光データ通信制御部28は、送信機1から蓄積されている上りデータのデータ量を示す情報(第2情報)を含むREPORTフレームを受信する。受信機2の算出部29は、REPORTフレームに含まれる蓄積されている上りデータのデータ量、および、現在の各送信機1に割り当てられているデータタイムスロットの情報に基づいて、REPORTフレームを送信した送信機1に割り当てるデータタイムスロットを算出する。
光データ通信制御部28は、算出部29により算出されたデータタイムスロットの情報を含むGATEフレームを、REPORTフレームを送信した送信機1に対して、送信する。なお、GATEフレームは、下り方向光データ通信チャネル31、光ファイバリンク3(3a〜3d)上の別のチャネル、または、光ファイバリンク3(3a〜3d)とは異なる通信回線を介して、送信機1に送信されるものとすればよい。
データタイムスロットの情報を含むGATEフレームを受信した送信機1の光データ通信制御部18は、そのデータタイムスロットが示す送信開始時刻および送信可能期間に従って、光データ通信部15に対して、上り方向光データ通信チャネル32を介して上りデータを受信機2(光データ通信制御部28)に送信させる。
量子鍵共有部11は、例えば、乱数によって発生させたビット列に対して、ランダムに発生させた基底情報に基づく状態とした単一光子から構成される光子ビット列を、光子通信チャネル30を介して、受信機2の量子鍵共有部21に送信する。この際、量子鍵共有部11は、光子通信制御部17から割り当てられた光子タイムスロットに従って、光子ビット列を受信機2に送信する。この光子タイムスロットの算出および割り当て動作については、後述する。量子鍵共有部21は、光子通信チャネル30を介して、量子鍵共有部11から光子ビット列を受信し、ランダムに発生させた基底情報に基づいて、光子ビット列を読み取る。
量子鍵共有部11は、量子鍵共有部21が、受信した光子ビット列を読み取るためにランダムに発生させた基底情報を、下り方向光データ通信チャネル31を介して受信する。そして、量子鍵共有部11は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部21から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。量子鍵共有部11は、生成した共有ビット列を、鍵蒸留部12に渡す。なお、ここで説明したシフティングは一例である。
量子鍵共有部21は、量子鍵共有部11が光子ビット列を送信するためにランダムに発生させた基底情報を、上り方向光データ通信チャネル32を介して受信する。そして、量子鍵共有部21は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部11から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。量子鍵共有部21は、生成した共有ビット列を、鍵蒸留部22に渡す。なお、ここで説明したシフティングは一例である。
鍵蒸留部12は、下り方向光データ通信チャネル31および上り方向光データ通信チャネル32を介して、鍵蒸留部22と交換したEC情報に基づいて、共有ビット列のビット誤りを訂正し、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部12が生成した訂正後ビット列は、後述する鍵蒸留部22が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。
鍵蒸留部22は、下り方向光データ通信チャネル31および上り方向光データ通信チャネル32を介して、鍵蒸留部12と交換したEC情報に基づいて、共有ビット列のビット誤りを訂正し、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部22が生成した訂正後ビット列は、鍵蒸留部12が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。
鍵蒸留部12は、下り方向光データ通信チャネル31を介して、鍵蒸留部22から受信したPA情報(乱数および暗号鍵の長さ等)に基づいて、訂正後ビット列に対して、訂正した誤りの数から、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビットを打ち消すための鍵圧縮処理を行い、暗号鍵(鍵ビット列)を生成する。具体的には、鍵蒸留部12は、図8に示すように、生成した訂正後ビット列の長さnと、PA情報に含まれる乱数と、暗号鍵の長さsとからn×sの行列であるハッシュ関数を生成する。そして、鍵蒸留部12は、訂正後ビット列にハッシュ関数を乗じることによって、長さsの暗号鍵(鍵ビット列)を生成する。鍵蒸留部12は、生成した暗号鍵を、鍵管理・提供部13に渡す。なお、鍵圧縮処理の方法は、上述のようなハッシュ関数を用いたものに限定するものではなく、その他の方法によって実現するものとしてもよい。
鍵蒸留部22は、下り方向光データ通信チャネル31を介して、PA情報を生成して鍵蒸留部12に送信し、このPA情報に基づいて、訂正後ビット列に対して、訂正した誤りの数から、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビットを打ち消すための鍵圧縮処理を行い、暗号鍵(鍵ビット列)を生成する。具体的には、鍵蒸留部22は、鍵蒸留部12と同様の方法で、鍵圧縮処理を行い、暗号鍵(鍵ビット列)を生成する。鍵蒸留部22は、生成した暗号鍵を、鍵管理・提供部23に渡す。
鍵管理・提供部13は、鍵蒸留部12によって生成された暗号鍵を、ストレージ14に保存して管理する。ストレージ14に保存された暗号鍵は、鍵管理・提供部13により必要に応じて取得され、外部のアプリケーションに提供される。
鍵管理・提供部23は、鍵蒸留部22によって生成された暗号鍵を、ストレージ24に保存して管理する。ストレージ24に保存された暗号鍵は、鍵管理・提供部23により必要に応じて取得され、外部のアプリケーションに提供される。
送信機1の鍵管理・提供部13は、現在、自身が必要な暗号鍵の量を取得する。必要な暗号鍵の量の取得方法としては、例えば、暗号化を要求しているデータの蓄積量、暗号鍵を利用して動作するアプリケーションから要求される暗号鍵の量、または、現在ストレージ14に蓄積されている暗号鍵の残量、に基づいて必要な暗号鍵の量を算出する方法が挙げられる。
受信機2の光データ通信制御部28は、各送信機1に対して、順次、送信許可を指示するGATEフレームを送信する。例えば、光データ通信制御部28は、定期的に、各送信機1に対して、送信許可を指示するGATEフレームを送信する。なお、GATEフレームは、下り方向光データ通信チャネル31、光ファイバリンク3(3a〜3d)上の別のチャネル、または、光ファイバリンク3(3a〜3d)とは異なる通信回線を介して、送信機1に送信されるものとすればよい。
送信機1の光データ通信制御部18は、受信機2から送信許可を指示するGATEフレームを受信すると、鍵管理・提供部13により取得された必要な暗号鍵の量を示す情報(第1情報)を含むREPORTフレームを、受信機2に対して送信する。なお、REPORTフレームには、現在のストレージ14に蓄積されている暗号鍵の量、または暗号鍵を必要とするアプリケーションの数等の統計情報を含むものとしてもよい。また、REPORTフレームは、上り方向光データ通信チャネル32、光ファイバリンク3(3a〜3d)上の別のチャネル、または、光ファイバリンク3(3a〜3d)とは異なる通信回線を介して、受信機2に送信されるものとすればよい。
光データ通信制御部28は、送信機1から必要な暗号鍵の量を示す情報を含むREPORTフレームを受信する。受信機2の算出部29は、REPORTフレームに含まれる必要な暗号鍵の量、REPORTフレームを送信した送信機1との間で現在共有されている暗号鍵の量、および現在の各送信機1に割り当てられている光子タイムスロットの情報に基づいて、REPORTフレームを送信した送信機1に割り当てる光子タイムスロットを算出する。
光データ通信制御部28は、算出部29により算出された光子タイムスロットの情報を含むGATEフレームを、REPORTフレームを送信した送信機1に対して、送信する。なお、GATEフレームは、下り方向光データ通信チャネル31、光ファイバリンク3(3a〜3d)上の別のチャネル、または、光ファイバリンク3(3a〜3d)とは異なる通信回線を介して、送信機1に送信されるものとすればよい。
光子タイムスロットの情報を含むGATEフレームを受信した送信機1の光子通信制御部17は、その光子タイムスロットが示す送信開始時刻および送信可能期間に従って、量子鍵共有部11に対して、光子通信チャネル30を介して光子ビット列を受信機2(量子鍵共有部21)に送信させる。
本実施形態に係る通信システムの動作について、第1の実施形態に係る通信システム100aと相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、送信機1および受信機2のブロック構成は、第1の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第1の実施形態と同様である。
送信機1の光データ通信部15は、受信機2へ送信する上りデータを取得すると、自身のバッファに蓄積する。送信機1の鍵管理・提供部13は、現在、自身が必要な暗号鍵の量を取得する。必要な暗号鍵の量の取得方法としては、例えば、暗号化を要求しているデータの蓄積量、暗号鍵を利用して動作するアプリケーションから要求される暗号鍵の量、または、現在ストレージ14に蓄積されている暗号鍵の残量、に基づいて必要な暗号鍵の量を算出する方法が挙げられる。
受信機2の光データ通信制御部28は、各送信機1に対して、順次、送信許可を指示するGATEフレームを送信する。例えば、光データ通信制御部28は、定期的に、各送信機1に対して、送信許可を指示するGATEフレームを送信する。なお、GATEフレームは、下り方向光データ通信チャネル31、光ファイバリンク3(3a〜3d)上の別のチャネル、または、光ファイバリンク3(3a〜3d)とは異なる通信回線を介して、送信機1に送信されるものとすればよい。
送信機1の光データ通信制御部18は、受信機2から送信許可を指示するGATEフレームを受信すると、現在、光データ通信部15のバッファに蓄積されている上りデータのデータ量を示す情報、および、鍵管理・提供部13により取得された必要な暗号鍵の量を示す情報を含むREPORTフレームを、受信機2に対して送信する。なお、REPORTフレームには、現在のストレージ14に蓄積されている暗号鍵の量、または暗号鍵を必要とするアプリケーションの数等の統計情報を含むものとしてもよい。また、REPORTフレームには、暗号化を要求しているデータの蓄積量、暗号鍵を利用して動作するアプリケーションから要求される暗号鍵の量、または、現在ストレージ14に蓄積されている暗号鍵の残量の情報を含むものとしてもよい。なお、REPORTフレームは、上り方向光データ通信チャネル32、光ファイバリンク3(3a〜3d)上の別のチャネル、または、光ファイバリンク3(3a〜3d)とは異なる通信回線を介して、受信機2に送信されるものとすればよい。
光データ通信制御部28は、送信機1から蓄積されている上りデータのデータ量を示す情報、および、必要な暗号鍵の量を示す情報を含むREPORTフレームを受信する。受信機2の算出部29は、REPORTフレームに含まれる蓄積されている上りデータのデータ量、および必要な暗号鍵の量、ならびに、現在の各送信機1に割り当てられているデータタイムスロットの情報、REPORTフレームを送信した送信機1との間で現在共有されている暗号鍵の量、および現在の各送信機1に割り当てられている光子タイムスロットの情報に基づいて、REPORTフレームを送信した送信機1に割り当てるデータタイムスロットを算出する。なお、REPORTフレームに、暗号化を要求しているデータの蓄積量、暗号鍵を利用して動作するアプリケーションから要求される暗号鍵の量、または、現在ストレージ14に蓄積されている暗号鍵の残量の情報を含む場合、これらの情報をデータタイムスロットの算出に用いてもよい。さらに、算出部29は、算出したデータタイムスロットと同一の光子タイムスロットを求める。
光データ通信制御部28は、算出部29により算出されたデータタイムスロットおよび光子タイムスロットの情報を含むGATEフレームを、REPORTフレームを送信した送信機1に対して、送信する。なお、GATEフレームは、下り方向光データ通信チャネル31、光ファイバリンク3(3a〜3d)上の別のチャネル、または、光ファイバリンク3(3a〜3d)とは異なる通信回線を介して、送信機1に送信されるものとすればよい。
データタイムスロットの情報を含むGATEフレームを受信した送信機1の光データ通信制御部18は、GATEフレームに含まれるデータタイムスロットが示す送信開始時刻および送信可能期間に従って、光データ通信部15に対して、上り方向光データ通信チャネル32を介して上りデータを受信機2(光データ通信制御部28)に送信させる。
データタイムスロットの情報を含むGATEフレームを受信した送信機1の光子通信制御部17は、GATEフレームに含まれる光子タイムスロットが示す送信開始時刻および送信可能期間に従って、量子鍵共有部11に対して、光子通信チャネル30を介して光子ビット列を受信機2(量子鍵共有部21)に送信させる。これによって、図11に示すように、各送信機1に割り当てられたデータタイムスロットおよび光子タイムスロットは、タイミング(送信開始時刻)と長さ(送信開始期間)とが一致する。すなわち、図2に示す送信機1aに割り当てられたデータタイムスロットA1dと光子タイムスロットA1qとが一致し、送信機1bに割り当てられたデータタイムスロットA2dと光子タイムスロットA2qとが一致し、送信機1cに割り当てられたデータタイムスロットA3dと光子タイムスロットA3qとが一致する。
本実施形態に係る通信システムの動作について、第1の実施形態に係る通信システム100aと相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、送信機1および受信機2のブロック構成は、第1の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第1の実施形態と同様である。
本実施形態に係る通信システムの動作について、第1の実施形態に係る通信システム100aと相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、送信機1および受信機2のブロック構成は、第1の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第1の実施形態と同様である。
本実施形態に係る通信システムの動作について、第1の実施形態に係る通信システム100aと相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、送信機1および受信機2のブロック構成は、第1の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第1の実施形態と同様である。
2 受信機
3、3a〜3d 光ファイバリンク
4 光学機器
10 波長多重処理部
11 量子鍵共有部
12 鍵蒸留部
13 鍵管理・提供部
14、14a〜14c ストレージ
15 光データ通信部
16 同期制御部
17 光子通信制御部
18 光データ通信制御部
20 波長多重処理部
21 量子鍵共有部
22 鍵蒸留部
23 鍵管理・提供部
24 ストレージ
25 光データ通信部
26 同期制御部
27 光子通信制御部
28 光データ通信制御部
29 算出部
30 光子通信チャネル
31 下り方向光データ通信チャネル
32 上り方向光データ通信チャネル
80 CPU
81 ROM
82 RAM
83 通信I/F
84 外部記憶装置
85 バス
86 光回路装置
100、100a 通信システム
500〜502、500a〜503a、503c アプリケーション
600a〜600c 暗号鍵
A1d〜A3d データタイムスロット
A1q〜A3q 光子タイムスロット
Claims (15)
- 複数の送信機と、光子列を光子タイムスロットによる時分割多重で受信するための光子通信チャネル、およびデータ通信をするためのデータ通信チャネルで接続され、前記各送信機との間でそれぞれ同一の暗号鍵を生成して共有する受信機であって、
前記光子通信チャネルを介した前記送信機との量子鍵配送によって、共有ビット列を生成する第1量子鍵共有手段と、
前記共有ビット列から、鍵蒸留処理によって、前記暗号鍵を生成する第1鍵蒸留手段と、
前記データ通信チャネルを介して、前記送信機から前記暗号鍵の情報である第1情報を受信する第1データ通信制御手段と、
少なくとも前記第1情報に基づいて前記光子タイムスロットを算出する算出手段と、
を備え、
前記第1データ通信制御手段は、前記算出手段によって算出された前記光子タイムスロットを前記送信機に送信する受信機。 - 前記第1データ通信制御手段は、
前記送信機から、前記データ通信チャネルを介して、データタイムスロットによる時分割多重でデータを受信し、
前記送信機から、前記データ通信チャネルを介して、該送信機が送信するデータのデータ量の情報である第2情報を受信し、
前記算出手段は、少なくとも前記第2情報に基づいて前記データタイムスロットを算出し、
前記第1データ通信制御手段は、前記算出手段によって算出された前記データタイムスロットを前記送信機に送信する請求項1に記載の受信機。 - 前記算出手段は、少なくとも前記第1情報および前記第2情報に基づいて、同一の前記光子タイムスロットおよび前記データタイムスロットを算出する請求項2に記載の受信機。
- 前記第1情報は、前記暗号鍵の蓄積量を含む請求項1に記載の受信機。
- 前記第1情報は、前記送信機が送信するデータのデータ量のうち、暗号化を行う必要があるデータ量の情報を含む請求項2に記載の受信機。
- 前記算出手段は、少なくとも前記第1情報および前記第2情報に基づいて、前記光子タイムスロットと、前記データタイムスロットとを別個に算出する請求項2に記載の受信機。
- 前記光子通信チャネルおよび前記データ通信チャネルは、同一の光通信路において形成され、
前記算出手段は、前記複数の送信機それぞれについて、前記光子タイムスロットが示す期間と、前記データタイムスロットが示す期間とが重複しないように、該光子タイムスロットおよび該データタイムスロットを算出する請求項2または6に記載の受信機。 - 前記複数の送信機に対応するそれぞれの前記光子通信チャネルのエラー率を測定し、該エラー率が所定の閾値を超えるか否かを判定する第1光子通信制御手段をさらに備え、
前記光子通信チャネルおよび前記データ通信チャネルは、同一の光通信路において形成され、
前記算出手段は、前記第1光子通信制御手段により前記エラー率が前記所定の閾値を超えると判定された前記光子通信チャネルに対応する前記送信機の前記光子タイムスロットが示す期間と、前記複数の送信機すべての前記データタイムスロットが示す期間とが重複しないように、該光子タイムスロットおよび該データタイムスロットを算出する請求項2または6に記載の受信機。 - 前記複数の送信機に対応するそれぞれの前記光子通信チャネルのエラー率を測定し、該エラー率が所定の閾値を超えるか否かを判定する第1光子通信制御手段をさらに備え、
前記光子通信チャネルおよび前記データ通信チャネルは、同一の光通信路において形成され、
前記算出手段は、前記複数の送信機それぞれの前記光子タイムスロットが示す期間が、前記複数の送信機すべての前記データタイムスロットが示す期間と重複しないように、該光子タイムスロットおよび該データタイムスロットを算出する請求項2または6に記載の受信機。 - 受信機と、光子列を光子タイムスロットによる時分割多重で送信するための光子通信チャネル、およびデータ通信をするためのデータ通信チャネルで接続され、同一の暗号鍵を生成して共有する送信機であって、
前記光子通信チャネルを介した前記受信機との量子鍵配送によって、共有ビット列を生成する第2量子鍵共有手段と、
前記共有ビット列から、鍵蒸留処理によって、前記暗号鍵を生成する第2鍵蒸留手段と、
前記データ通信チャネルを介して、前記受信機へ前記暗号鍵の情報である第1情報を送信する第2データ通信制御手段と、
前記受信機により少なくとも前記第1情報に基づいて算出された前記光子タイムスロットを受信し、前記光子通信チャネルを介して該光子タイムスロットに従って前記光子列を前記受信機へ送信する第2光子通信制御手段と、
を備えた送信機。 - 前記第2データ通信制御手段は、
前記受信機へ、前記データ通信チャネルを介して、送信するデータのデータ量の情報である第2情報を送信し、
前記受信機により少なくとも前記第2情報に基づいて算出された前記データタイムスロットを受信し、
前記受信機へ、前記データ通信チャネルを介して、該受信機により算出された前記データタイムスロットによる時分割多重でデータを送信する請求項10に記載の送信機。 - 前記第1情報は、前記暗号鍵の蓄積量を含む請求項10に記載の送信機。
- 前記第1情報は、前記受信機へ送信されるデータのデータ量のうち、暗号化を行う必要があるデータ量の情報を含む請求項11に記載の送信機。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の受信機と、
複数の請求項10〜13のいずれか一項に記載の送信機と、
を備え、
前記受信機は、前記光子通信チャネルおよび前記データ通信チャネルによって前記複数の送信機それぞれと接続された通信システム。 - 受信機と、複数の送信機とが、光子列を光子タイムスロットによる時分割多重で送受信するための光子通信チャネル、およびデータ通信をするためのデータ通信チャネルで接続され、同一の暗号鍵を生成して共有する通信システムの通信方法であって、
前記光子通信チャネルを介した前記受信機と前記送信機との量子鍵配送によって、共有ビット列を生成する量子鍵共有ステップと、
前記受信機および前記送信機において、前記共有ビット列から、鍵蒸留処理によって、前記暗号鍵を生成する鍵蒸留ステップと、
前記データ通信チャネルを介して、前記送信機から前記暗号鍵の情報である第1情報を前記受信機へ送信させる第1送信ステップと、
少なくとも前記第1情報に基づいて前記光子タイムスロットを算出する算出ステップと、
前記受信機から、算出した前記光子タイムスロットを前記送信機へ送信させる第2送信ステップと、
前記送信機に、前記光子通信チャネルを介して、算出した前記光子タイムスロットに従って前記光子列を前記受信機へ送信させる第3送信ステップと、
を有する通信方法。
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