JP2016514914A - 衛星システムにおける鍵配布 - Google Patents

Abstract

第１のデバイスにおいてセッション鍵を得ること、第１のデバイスの秘密鍵、及び、第２のデバイスの公開鍵に基づいて、セッション鍵を保護すること、並びに、第１のデバイスから第２のデバイスに保護セッション鍵を送信することによって、衛星システムにおいて、セッション鍵が配布され得る。第２のデバイスは第１のデバイスから保護セッション鍵を受信し、第１のデバイスの公開鍵及び第２のデバイスの秘密鍵に基づいて、保護セッション鍵から第２の鍵を得ることができる。セッション鍵が以前に送信されているか否かを判定するために、リプレイ検出情報が保護セッション鍵とともに送信され得る。【選択図】図１

Description

発明の分野

本発明は、衛星システムにおける鍵配布に関する。特に、本発明は、公開鍵暗号化を使用することによって衛星システムにおいて鍵を配布することに関する。

発明の背景

衛星は、広範な用途に使用されている。数例として、通信衛星は、テレビ放送、又は、電話、ビデオ若しくは無線通信のような他のサービスを提供することができ、地球観測衛星は、地表の詳細なリアルタイム画像化を可能にすることができ、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）における測位衛星は、受信者の位置が三角法によって正確に計算されることを可能にすることができる。

任意のタイプの衛星について、衛星と安全に通信することができることは特に重要である。許可されていない第三者が衛星からの送信を受信及び解読することを防止し、攻撃者が自身の制御信号を衛星に送信することによって衛星の制御を掌握することを防止するために、対称暗号化が使用されることが多い。対称暗号化方式は、同じセッション鍵が、衛星自体、制御局、及び、衛星からの送信を受信する必要がある任意のエンドユーザのような、衛星システム内の任意の許可されたデバイスに提供されることを必要とする。システム内の許可されたデバイスは、セッション鍵を用いてメッセージを暗号化し、暗号化メッセージを送信すること、並びに、同じセッション鍵を使用して受信された暗号化メッセージを解読及び／又は認証することによって、安全に通信することができる。

許可されていないパーティがセッション鍵を得ることができたとすると、このシステムの安全性は損なわれることになる。この攻撃に対して防御するために、セッション鍵は定期的に失効され、新たなセッション鍵と交換される。従来のシステムにおいては、衛星システム内のデバイスに新たな鍵を配布するためには複雑な鍵管理インフラストラクチャが必要とされる。各デバイスは、ルート鍵暗号化鍵（ＫＥＫ）を事前にロードされていなければならず、信頼できる第三者である鍵管理システムが、システム内のすべてのデバイスのルートＫＥＫを格納する。鍵管理システムはその後、更新されたセッション鍵を各デバイスに、そのデバイスのルートＫＥＫを使用して定期的に配布することができる。

本発明は、この配布の文脈において行われる。

本発明によれば、第１のデバイス及び第２のデバイスを備える衛星システムにおいてセッション鍵を送信する方法が提供され、第１のデバイス及び第２のデバイスのうちの一方が衛星であり、第１のデバイス及び第２のデバイスのうちの他方が、衛星に信号を送信し、及び／又は、衛星から信号を受信するように構成されているデバイスであり、方法が、第１のデバイスにおいてセッション鍵を得るステップと、第１のデバイスの秘密鍵及び第２のデバイスの公開鍵に基づいて、第１のデバイスにおいてセッション鍵を保護するステップと、保護セッション鍵を第１のデバイスから第２のデバイスに送信するステップと、を含む。

保護セッション鍵を送信するステップが、保護セッション鍵、及び、保護セッション鍵が以前に送信されているか否かを判定するためのリプレイ検出情報を送信するステップを含むことができる。

保護セッション鍵及びリプレイ検出情報が、鍵配布メッセージに含まれ得、又は、第２のデバイスが衛星であり、第１のデバイスが衛星にコマンドメッセージを送信するための制御局であるとき、リプレイ検出情報が、保護セッション鍵を含む鍵配布メッセージに結合されているコマンドメッセージに含まれ得る。コマンドメッセージが、ＣＣＳＤＳ ＴＣプロトコルにおいて定義されているものとしてのテレコマンド（ＴＣ）であることができる。

第１のデバイスが衛星であることができ、第２のデバイスが衛星から信号を受信するように構成されているデバイスであることができ、方法が、衛星から第２のデバイスにデータストリームを送信するステップをさらに含むことができ、データストリームが複数の所定部分を含み、保護セッション鍵を送信するステップが、保護セッション鍵の所定バイト数を複数の所定部分の各々に挿入することによって、データストリームを通じて保護セッション鍵を送信するステップを含むことができる。データストリームが、宇宙データシステム諮問委員会（ＣＣＳＤＳ）ＴＭプロトコルにおいて定義されているものとしてのテレメトリ（ＴＭ）データストリームであることができる。

得られたセッション鍵が、現在のセッションに後続する次のセッションに使用するための次のセッション鍵であることができ、方法が、現在のセッションに使用するための現在のセッション鍵を得るステップと、衛星の秘密鍵及び第２のデバイスの公開鍵に基づいて、衛星において現在のセッション鍵を保護するステップと、データストリームを通じて現在のセッション鍵を送信するステップと、データストリームを通じて有効性情報を送信するステップであって、有効性情報が、現在のセッション鍵が有効である期間及び次のセッション鍵が有効である期間を規定する、送信するステップとをさらに含むことができる。

第１のデバイスが衛星であることができ、方法が、衛星において、１つ又は複数の所定の鍵失効規則に従って、送信されたセッション鍵をいつ失効させるかを決定するステップをさらに含むことができる。

本発明によれば、第１のデバイス及び第２のデバイスを備える衛星システムにおいてセッション鍵を得る方法も提供され、第１のデバイス及び第２のデバイスのうちの一方が衛星であり、第１のデバイス及び第２のデバイスのうちの他方が、衛星に信号を送信し、及び／又は、衛星から信号を受信するように構成されているデバイスであり、方法が、第２のデバイスにおいて、第１のデバイスから保護セッション鍵を受信するステップと、第１のデバイスの公開鍵及び第２のデバイスの秘密鍵に基づいて、第２のデバイスにおいて、受信された保護セッション鍵からセッション鍵を得るステップとを含む。

方法が、保護セッション鍵が送信されたときの第１のデバイスの予測位置に関する情報を得るステップと、保護セッション鍵がそこから受信された位置が所定の誤差範囲内で第１のデバイスの予測位置と一致する場合には、受信された保護セッション鍵が真正であると判定するステップとをさらに含むことができる。

方法が、保護セッション鍵が以前に送信されているか否かを判定するためのリプレイ検出情報を受信するステップをさらに含むことができる。

第１のデバイスから保護セッション鍵を受信するステップは、コマンドメッセージに結合されている鍵配布メッセージにおいて保護セッション鍵を受信するステップを含むことができ、コマンドメッセージにはリプレイ検出情報が含まれており、方法が、鍵配布メッセージに結合されているコマンドメッセージが以前に送信されていないことをリプレイ検出情報が示す場合には、保護セッション鍵が以前に送信されていないと判定するステップをさらに含むことができる。

第１のデバイスが衛星であることができ、第２のデバイスが衛星から信号を受信するように構成されているデバイスであることができ、第１のデバイスから保護セッション鍵を受信するステップが、第２のデバイスにおいて衛星からデータストリームを受信するサブステップであって、データストリームは複数の所定部分を含む、受信するサブステップと、複数の所定部分の各々から保護セッション鍵の所定バイト数を抽出するサブステップと、保護セッション鍵の抽出されたバイトを結合して、保護セッション鍵を得るサブステップと、を含むことができる。

得られたセッション鍵が、現在のセッションに後続する次のセッションに使用するための次のセッション鍵であることができ、方法が、データストリームを通じて、現在のセッションに使用するための現在の保護セッション鍵、及び、現在のセッション鍵が有効である期間及び次のセッション鍵が有効である期間を規定する有効性情報を受信するステップと、衛星の公開鍵及び第２のデバイスの秘密鍵に基づいて、第２のデバイスにおいて現在の保護セッション鍵から現在のセッション鍵を得るステップと、データストリームを通じて保護データが送信された時刻に関する情報を得るステップと、得られた情報が、現在のセッション鍵が有効である期間の間に保護データが送信されたことを示す場合、現在のセッション鍵に基づいて保護データにアクセスするか、又は、得られた情報が、次のセッション鍵が有効である期間の間に保護データが送信されたことを示す場合、次のセッション鍵に基づいて保護データにアクセスするステップとをさらに含むことができる。

コンピュータ可読記憶媒体が、デバイスによって実行されると、デバイスに本方法を実施させるコンピュータプログラムを格納するように構成され得る。

本発明によれば、第１のデバイスも提供され、セッション鍵を得るように構成されている鍵取得モジュールと、第１のデバイスの秘密鍵、及び、保護されたセッション鍵が送信されるべき第２のデバイスの公開鍵に基づいて、得られたセッション鍵を保護するように構成されている鍵保護モジュールと、保護セッション鍵を第２のデバイスに送信するように構成されている送信機とを備え、第１のデバイス及び／又は第２のデバイスが衛星である。

第１のデバイスが、保護セッション鍵が以前に送信されているか否かを判定するためのリプレイ検出情報を生成するように構成されているリプレイ情報生成器をさらに備えることができ、送信機が、保護セッション鍵及びリプレイ検出情報を第２のデバイスに送信するように構成され得る。

第１のデバイスが、第２のデバイスにデータストリームを送信するように構成されている衛星であることができ、データストリームが複数の所定部分を含み、送信機が、保護セッション鍵の所定バイト数を複数の所定部分の各々に挿入することによって、データストリームを通じて保護セッション鍵を送信するように構成され得る。

代替的に、第２のデバイスが衛星であることができ、第１のデバイスが、コマンドメッセージを衛星に送信するための制御局であることができ、送信機が、保護セッション鍵を含む鍵配布メッセージに結合されているコマンドメッセージにリプレイ検出情報を含めるように構成され得る。

本発明によれば、第２のデバイスから信号を受信するための第１のデバイスも提供され、第１のデバイスが、第２のデバイスから保護セッション鍵を受信するように構成されている受信機と、第１のデバイスの秘密鍵、及び、保護セッション鍵がそこから受信される第２のデバイスの公開鍵に基づいて、保護セッション鍵からセッション鍵を得るように構成されている鍵抽出モジュールとを備える。

ここで例示のみを目的として、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

本発明の一実施形態による、衛星と、衛星と通信するためのデバイスとを含むシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による、図１のシステムにおいて対称鍵を提供する方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、衛星システムにおいて対称鍵配布を管理する方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、衛星システムにおいて対称鍵を失効させる方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、衛星システムにおいて対称鍵を配布するための鍵配布メッセージを示す図である。 本発明の一実施形態による、宇宙データシステム諮問委員会（ＣＣＳＤＳ）パケットテレコマンド規格に従って動作するシステムにおける鍵配布メッセージを示す図である。 本発明の一実施形態による、ＣＣＳＤＳテレメトリストリームを通じた鍵配布メッセージの送信を示す図である。 本発明の一実施形態による、衛星システムにおいて対称鍵を受信する方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、リプレイ検出情報を使用する方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、衛星システムにおいて対称鍵を送信するためのデバイスを示す図である。 本発明の一実施形態による、衛星システムにおいて対称鍵を受信するためのデバイスを示す図である。 本発明の一実施形態による、受信されたセッション鍵を認証する方法を示す図である。

詳細な説明

ここで図１を参照すると、本発明の一実施形態による、衛星と、衛星と通信するためのデバイスとを含むシステムが示されている。システム１００は、衛星システムとして参照され得る。本実施形態において、デバイス１０１は、信号の送信と受信の両方を行うように構成されている地上の制御局であり、それによって、制御局１０１は、衛星１０２に信号１０３を送信し、また、衛星１０２から信号１０４を受信することが可能である。しかしながら、別の実施形態において、デバイス１０１は、衛星に信号を送信するようにのみ構成されてもよく、又は、衛星から信号を受信するようにのみ構成されてもよい。たとえば、デバイス１０１は、衛星１０２からテレビ放送信号又は他のタイプの信号を受信するための受信専用アンテナであってもよく、又は、別の衛星であってもよい。本発明の実施形態は、限定ではないが、通信衛星、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）に使用するための測位衛星、科学観測衛星、又は地球観測衛星を含む任意のタイプの衛星との通信に適用することができる。図１は、１つの他のデバイスと通信する衛星を示しているが、本発明の実施形態は、任意の数のデバイス、たとえば、任意の数の衛星、地上局、受信アンテナなどを含むことができる。

本実施形態のシステム１００において、制御局１０１は、衛星１０２に制御信号１０３を送信し、衛星１０２から戻ってくるテレメトリ信号１０４を受信するように構成されている。制御局１０１によって送信することができる制御信号１０３の例は、衛星１０２の位置及び／又は向きに調整を行い、衛星１０２を新たな軌道に動かすためのテレコマンドを含む。テレメトリ信号１０４は、衛星１０２の現在の状態、たとえば、衛星構成、電力、又は熱監視データに関する情報を提供することができる。

従来のシステムと同様に、アップリンクチャネル１０３及びダウンリンクチャネル１０４の両方での送信が、許可されていないユーザが衛星を制御するか、又は衛星からテレメトリデータを得ることを防止するために、セッション鍵を使用して暗号化される。セッション中、送信は、送信機及び受信機（複数可）に知られている現在のセッション鍵を使用して暗号化される。セッションの終わりに、現在のセッション鍵は失効され、その後の送信は、次のセッション鍵を使用して暗号化される。しかしながら、新たなセッション鍵が信頼できる第三者によって定期的に配布されることを必要とする従来のシステムとは対照的に、本実施形態において、更新されたセッション鍵の配布は、別個の鍵管理インフラストラクチャを必要とすることなく、デバイス１０１及び／又は衛星１０２によって、公開鍵暗号法を使用して処理することができる。

公開鍵暗号法の基本原理は既知であり、ここでは詳細には説明しない。簡潔には、図１の衛星システム１００内のデバイス１０１及び衛星１０２のような、衛星システム内の各デバイスに秘密鍵及び公開鍵が生成される。デバイス１０１及び衛星１０２は各々、それ自体の秘密鍵、及び、他方のデバイス１０１、１０２の公開鍵を格納するように構成されている。一般的に、衛星システム内の各デバイスの公開鍵は、衛星システム内の任意の他のデバイスにとって利用可能にされる。

本発明の実施形態において、衛星システム内のデバイスは、デバイス自体の秘密鍵、及び、意図されている受信者の公開鍵に基づいてセッション鍵を保護し、保護セッション鍵を送信することによってセッション鍵を配布することができる。セッション鍵に与えることができるタイプの保護の例は、公開鍵暗号化及び／又は認証を含む。公開鍵暗号化は、共有秘密を真正に導き出すのに使用することができ、パディングを用いる高度暗号化規格（ＡＥＳ）鍵ラップのようなアルゴリズムが、共有秘密を使用して、共有秘密に機密性及び完全性をもたらすことができる。

暗号化は、セッション鍵又は他の暗号化データが許可されていない第三者に露出することを防止することによって、機密性をもたらす。認証は、送信が信頼できるソースから入来することの保証をもたらす。暗号化アルゴリズムの一例が、高度暗号化規格暗号ブロック連鎖（ＡＥＳ−ＣＢＣ）アルゴリズムであり、暗号化認証アルゴリズムの一例が、高度暗号化規格の暗号に基づくメッセージ認証コード（ＡＥＳ−ＣＭＡＣ）アルゴリズムである。ＣＢＣ−ＭＡＣを用いる高度暗号化規格カウンタ（ＡＥＳ−ＣＣＭ）アルゴリズムは、暗号化及び認証の両方を可能にする。暗号化又は認証のいずれか、又は、暗号化及び認証の両方を可能にする他のアルゴリズムも、当該技術分野において既知である。

セッション鍵を解読又は暗号化するために、デバイスは、必要に応じて、それ自体の秘密鍵及び送信者又は受信者の公開鍵に基づいて共有秘密を導き出す。共有秘密はその後、セッション鍵を暗号化するか、又は、受信された暗号化セッション鍵を解読するのに使用することができる。共有秘密は、鍵暗号化鍵、すなわち、セッション鍵を暗号化するのに使用される鍵として参照され得る。共有秘密を導き出すための例示的なメカニズムは、楕円曲線ディフィー−ヘルマン（ＥＣＤＨ）法及び高性能安全ディフィー ヘルマンプロトコル（ＨＭＱＶ）を含む。秘密鍵はデバイス間で共有されないため、暗号化セッション鍵は、その公開鍵がメッセージを暗号化するのに使用されたデバイス１０１、１０２のみによって解読することができる。

セッション鍵を送信する制御局の例において、認証は暗号化とともに、又は、暗号化なしで使用され得る。認証は、衛星が、受信されたセッション鍵が信頼できるソースから入来していることを検証することを可能にする。別の例において、衛星は、認証とともに、又は、認証なしで暗号化を使用してセッション鍵を送信することができる。この例において、認証は、衛星からの信号のなりすましが困難であることに起因して、必要とされない場合がある。詳細には、衛星からの信号になりすますには、攻撃者は、衛星と同じ位置から信号を送信しなければならないことになり、目下実行不可能である。同時に、暗号化は、衛星から信号を受信する任意の許可されていない第三者によってセッション鍵が得られるのを防止する。

公開鍵暗号法を使用して保護されている、受信されたセッション鍵を解読及び／又は認証するために、受信機は、いずれの公開鍵を解読／認証に使用すべきかを知っている必要があることが理解されよう。２つのデバイスのみを含む衛星システムにおいて、各デバイスは、他方のデバイスの公開鍵である１つの公開鍵だけ格納すればよい。そのようなシステムにおいて、各デバイスは、任意の受信されたメッセージがシステム内の唯一の他のデバイスから入来していると仮定し、格納されている他方のデバイスの公開鍵を使用して、任意の受信されたメッセージを解読することができる。しかしながら、３つ以上のデバイスを含む衛星システムにおいて、各デバイスは、複数の公開鍵、詳細には、システム内の他のデバイス毎に１つの公開鍵を格納し得る。そのような実施形態において、デバイスが公開鍵暗号法を使用してメッセージ、たとえば、鍵配布メッセージを送信するとき、デバイスは、送信がそこに由来する発信元デバイスを識別するための識別子も送信することができる。その後、メッセージを受信する、システム内の任意のデバイスが、含まれている識別子に基づいて発信元デバイスを識別し、メッセージ内に含まれるセッション鍵を解読及び／又は認証するために、識別されたデバイスに対応する公開鍵を選択することができる。受信デバイスが、発信元デバイスの公開鍵を使用する必要なしに識別子を得ることができるように、識別子は、公開鍵保護なしで送信されるべきである。

代替形態として、セッション鍵は、識別子なしで送信されてもよい。この場合、受信機は、システム内の可能性のある送信機の各々と関連付けられるセキュリティ属性の各セットを用いて鍵配布メッセージを解読及び／又は認証するよう試行することによって、トライアルアンドエラーによって適切な公開鍵を識別し、解読及び／又は認証に成功したものを処理し得る。代替的に、デバイスは、送信機の物理的位置、又は、それを通じてメッセージが受信された特定のアンテナのような、何らかの他の既知のパラメータに基づいてセキュリティ属性の適切なセットを選択してもよい。

本実施形態において、デバイス１０１及び衛星１０２のいずれか一方が、衛星システム１００におけるセッション鍵配布の役割を担い得る。詳細には、デバイス１０１、１０２のうちの一方が、上述したように公開鍵暗号化を使用して新たなセッション鍵を暗号化し、暗号化セッション鍵を他方のデバイス１０１、１０２に送信することができる。このように、両方のデバイス１０１、１０２が同じセッション鍵を得ることができ、その後、公開鍵暗号化よりも効率的である対称鍵暗号化を使用して通信することができる。同時に、セッション鍵を送信するために公開鍵暗号化を使用することによって、許可されていない第三者がセッション鍵を得ることが防止される。

ここで、「セッション」という用語は、対称鍵暗号化のための同じセッション鍵を使用してデバイス間で１つ又は複数の通信が交換される規定の期間を指す。現在のセッション中に使用中のセッション鍵は「現在のセッション鍵」として参照され得、後続のセッションに使用するためのセッション鍵は「次のセッション鍵」として参照され得る。

任意の所与のセッションの持続時間はシステムアーキテクチャによって事前に規定することができ、時間又は任意の他の適切な変数に関連して規定される期間とすることができる。たとえば、一実施形態において、現在のセッション鍵は、所定数のテレコマンドが送信された後に失効し、次のセッション鍵と交換され得る。この場合、各セッションは、所定数のテレコマンドが送信される期間として規定することができる。別の実施形態において、各セッションは、所定の期間、たとえば、１日、１週間、又は１ヶ月とすることができる。各所定の期間の終わりに、セッションは終了し、現在のセッション鍵は失効され、次のセッションにおいてデバイスは、次のセッション鍵を使用して通信する。セッションが規定され得る方法の他の例は、送信されるデータが所定の制限、たとえば、２５０メガバイト（ＭＢ）、又は、衛星の所定数のオーバーヘッドパスに達することを含む。さらなる例として、１人又は複数のユーザ又はユーザグループに画像を送信する地球観測衛星の場合、各セッションは、所定数の画像にわたって継続することができる。セッションにおいて所定数の画像が送信された後、現在のセッション鍵は失効され、次のセッションが開始し、デバイスは、次のセッション鍵を使用して通信する。

衛星システム内のデバイスは各々、上述した規則のような、その特定のシステム内でのセッションの持続時間を規定する１つ又は複数の所定の規則を与えられ得、いつ各セッションが終了し、次のセッションが開始するかを各デバイスが独立して決定することを可能にする。代替的に、いつ１つのセッションが終了し、次のセッションが開始するかを１つのデバイスが決定してもよく、このデバイスは、各セッションの終わりをシステム内の他のデバイスに信号伝達することができ、それによって、他のデバイスは、いつ現在のセッション鍵を失効させて、通信における次のセッション鍵の使用を開始すべきかを知る。

ここで、図１のシステムにおいてセッション鍵を配布する方法を、図２を参照してより詳細に説明する。セッション鍵を送信する役割を担うデバイスが以降、第１のデバイスとして参照され、セッション鍵を受信するデバイスを第２のデバイスとして参照される。たとえば、図１のシステムにおいて、衛星１０２及び制御局１０１のいずれか一方が第１のデバイスになり得、衛星１０２及び制御局１０１の他方が第２のデバイスになる。一般的に、本方法は、衛星システム内の任意の他のデバイスにセッション鍵を提供するために、衛星システム内の任意のデバイスが使用することができる。たとえば、デバイスが衛星から信号を受信することが可能である場合には、衛星が、そのデバイスにセッション鍵を提供するために本方法を使用することができ、又は、デバイスが衛星に信号を送信することが可能である場合には、デバイスが、衛星にセッション鍵を提供するために本方法を使用することができる。

第１のステップＳ２０１において、送信されるべきセッション鍵が得られる。ここで、セッション鍵は、第１のデバイスによって生成することができ、又は、鍵生成器として参照され得る別個のソースから第１のデバイスによって得ることができる。本実施形態において、セッション鍵は、セッション鍵を配布するのに使用されることになる同じデバイス、すなわち、第１のデバイスによって生成される。

セッション鍵が得られた後、ステップＳ２０２において、第１のデバイスは、それ自体の秘密鍵、及び、第２のデバイスの公開鍵、すなわち、セッション鍵が送信されるべきデバイスの公開鍵に基づいてセッション鍵を保護する。セッション鍵を保護するために、第１のデバイスは公開鍵暗号化及び／又は認証を使用することができる。その後、ステップＳ２０３において、第１のデバイスは、セッション鍵を保護するときにその公開鍵が使用されたデバイスである第２のデバイスに保護セッション鍵を送信する。暗号化が使用されるとき、暗号化セッション鍵はシステム内の複数のデバイスにブロードキャストされ得るが、第２のデバイスの秘密鍵を使用することによってのみ、解読することができる。それゆえ、たとえシステム内の他のデバイスが暗号化セッション鍵を受信しても、受信された信号を解読してセッション鍵を得ることは、第２のデバイスにしかできない。認証が使用されるとき、第１のデバイスの公開鍵を使用した認証が成功すると、第２のデバイスのみが受信されたセッション鍵を受理することができる。

ここで図３を参照すると、本発明の一実施形態による、衛星システムにおいて鍵配布を管理する方法が示されている。図２と同様に、セッション鍵を得て配布する役割を担うデバイスが第１のデバイスとして参照され得、セッション鍵を受信する衛星システム内の任意のデバイスが第２のデバイスとして参照され得る。本実施形態において、第１のデバイスは図１の制御局１０１であり、第２のデバイスは図１の衛星１０２である。しかしながら、一般的に、本発明の実施形態において、衛星システムにおけるセッション鍵配布を管理する作業は、システム内の他のデバイスにデータを送信することが可能である、システム内の任意のデバイス、たとえば、衛星又は制御局のような地上施設に割り当てることができる。

最初に、ステップＳ３０１において、制御局及び衛星は、現在のセッションにわたって有効であるセッション鍵である、現在のセッション鍵を使用して通信する。現在のセッション鍵は、図２に示す方法のような方法、又は異なる方法を使用して以前に配布された鍵であり得る。たとえば、衛星及び制御局は、衛星が打ち上げられる前に、衛星システムの設定中に１つ又は複数の初期セッション鍵を事前にロードされ得る。しかしながら、本発明の実施形態において、衛星が軌道に乗るとセッション鍵は安全に配布することができるため、事前ロードは必須ではない。上述したように、制御局は、現在のセッション鍵を使用してデータを暗号化し、暗号化データを衛星に送信することによって衛星と通信することができ、衛星はその後、同じ現在のセッション鍵を使用して暗号化データを解読することができる。同様に、衛星は、現在のセッション鍵を使用して暗号化されたデータを送信することによって制御局と通信することができる。

本実施形態において、デバイスはステップＳ３０１において現在のセッション鍵を使用して通信するが、状況によっては、デバイスは最初に、現在のセッション鍵を知らない可能性がある。たとえば、デバイスが一定期間にわたって非アクティブであった後に電源投入されるとき、デバイスは、現在のセッション鍵を用いて更新されていない場合がある。同様に、システム内に新たなデバイスが追加されるとき、たとえば、新たなユーザが衛星サービスを受信するために加入したとき、デバイスは、現在のセッション鍵を知らないことになる。この問題に対処するために、本発明のいくらかの実施形態において、鍵配布の役割を担うデバイスが、現在のセッション鍵及び次のセッション鍵の両方を含む鍵配布メッセージを定期的に送信することができる。これによって、現在のセッション鍵の予備知識がないデバイスが、次のセッションが開始するのを待つ必要なく現在のセッションの間に通信を受信することが可能になることが保証される。

次に、ステップＳ３０２において、制御局が、次のセッションにおいて有効になる次のセッション鍵である、第２のセッション鍵を得る。図２のステップＳ２０１と同様に、次のセッション鍵は、制御局によって生成することができ、又は、たとえば別のソース、たとえば、第三者の鍵提供者から得ることができる。本実施形態では、ステップＳ３０２において、次のセッション鍵が制御局から生成される。次のセッション鍵は、いつでも制御局から得ることができる。

次のセッション鍵が得られた後、ステップＳ３０３において、制御局は、制御局の秘密鍵、及び、次のセッション鍵が送信されることになるデバイス、この場合は衛星の公開鍵を使用して次のセッション鍵を保護する。本実施形態において、制御局は、鍵暗号化アルゴリズムと併せて公開／秘密鍵確立メカニズムを使用して、機密性、完全性、及び信頼性の保護をセッション鍵に与える。他の実施形態において、鍵確立メカニズムは、別個の鍵暗号化アルゴリズムを使用することなく、セッション鍵の直接の保護を与えることができる。次に、ステップＳ３０４において、次の保護セッション鍵が衛星に送信される。ステップＳ３０３及びＳ３０４は、図２の方法のステップＳ２０２及びＳ２０３と同様に実施することができる。

ステップＳ３０４において次の保護セッション鍵が衛星に送信された後の任意の時点において、ステップＳ３０５において現在のセッション鍵が失効され得る。ここで、「失効」とは、現在のセッション鍵がもはや、第１のデバイスと第２のデバイスとの間の通信に使用することができないことを意味する。たとえば、失効したセッション鍵は、メモリから消去することができるか、又は、保持されるが、将来その鍵が使用されることを防止するために「失効」としてフラグ付けされ得る。上述したように、デバイスは、いつ１つのセッションが終了し、別のセッションが開始するかを規定する所定の規則に従って、いつセッション鍵を失効させるべきかを決定することができる。現在のセッション鍵は現在のセッションの終わりに失効され、次のセッションが開始すると次のセッション鍵が使用される。次のセッションは、現在のセッションが終了した直後に開始してもよく、又は、現在のセッションが終了した後の何らかの時点において開始してもよい。

現在のセッション鍵は失効されているが、この時点で両方のデバイスが、ステップＳ３０４において以前に送信された次のセッション鍵鍵を有している。それゆえ、ステップＳ３０６において、第１のデバイス及び第２のデバイスは、次のセッション鍵を使用して通信を暗号化することによって、次のセッションにおいて通信し続けることができる。それゆえ、衛星システム内のデバイスは、図３の方法を使用して、第三者の鍵管理インフラストラクチャを必要とすることなく、安全な方法で新たなセッション鍵を定期的に配布することができる。暗号化に使用されるセッション鍵を定期的に変更することによって、同じ鍵によって暗号化されるデータの量が制御され、攻撃者が総当たり攻撃に使用するのに所与の時間内で利用可能なデータの量が低減するため、さらなる安全性がもたらされる。

図３の方法は上記において、制御局と衛星との間の通信に関連して説明されているが、他の実施形態では、方法は、衛星システム内の任意のデバイスによって使用されてもよい。

鍵失効は、必ずしも新たなセッション鍵を配布する役割を担う同じデバイスである必要がない、衛星システム内の任意のデバイスによって処理することができる。本実施形態では、鍵失効は衛星によって処理され、鍵配布は制御局によって処理される。鍵失効の役割を衛星が担うようにすることによって、衛星が、衛星へのセキュリティアクセスを強化することが可能になる。ここで、衛星システムにおいてセッション鍵を失効させる方法を、図４を参照して説明する。

最初にステップＳ４０１において、デバイスが、衛星システム内の通信を暗号化するために現在のセッション鍵の使用を開始する。たとえば、デバイスは、図３を参照して上述したように、以前のセッション鍵が失効した後に現在のセッション鍵の使用を開始することができる。

現在のセッション鍵が使用されている間、デバイスは、所定の規則に基づいて新たなセッションを開始すべきか否かを繰り返しチェックすることができる。本実施形態において、所定の規則は、複数の使用状況指標に対する所定の制限を規定し、所定の制限のいずれかに達したか、又は超えた場合に、デバイスは、現在のセッション鍵が失効され、新たなセッションが開始されるべきであると判定する。たとえば、デバイスは、定期的にチェックを実施することができ、及び／又は、現在のセッション鍵を使用して暗号化データが送信又は受信される度毎にチェックを実施することができる。本実施形態において、使用状況指標は、現時点までに現在のセッション鍵を用いて暗号化されたデータの量、及び、現在のセッション鍵が使用された合計期間を含むが、異なる使用状況指標が使用されてもよい。他の実施形態において、異なる所定の規則又は複数の規則が使用されてもよい。

詳細には、ステップＳ４０２において、デバイスは、現在のセッション鍵を使用して送受信されたデータの総量が所定のデータ制限に達したか又は超えたか否かチェックし、そうでない場合、ステップＳ４０３において、デバイスは、現在のセッション鍵が所定の期間にわたって使用されたか否かをチェックする。両方のチェックの結果が否である場合、デバイスはステップＳ４０１に戻り、現在のセッション鍵を使用し続ける。一方、いずれかのチェックの結果が是である場合、デバイスは、ステップＳ４０４において現在のセッション鍵を失効させる。

現在のセッション鍵を使用して暗号化された総データ量は、デバイスによって受信されたデータ及びデバイスによって送信されたデータを含むことができる。一例として、デバイスが、テレコマンドとして参照される場合もあるコマンドメッセージを衛星に送信するように構成されている制御局であるとき、現在のセッション鍵を使用して暗号化されたコマンドメッセージの総量が、総データ量として記録され得る。別の例として、デバイスが、データストリームを通じて地球観測データを地上のユーザに送信するように構成されている地球観測衛星であるとき、総データ量は、現在のセッション鍵を使用してデータストリームを通じて送信されているデータの総量であり得る。

たとえば、総当たり手法を使用して暗号化を破る第三者によってセッション鍵が損なわれる危険性は、現在のセッション鍵を使用してより多くのデータが暗号化及び送信されるとき、並びに、現在のセッション鍵がより長い期間にわたって使用されるときに増大するおそれがある。それゆえ、図４に示すもののような方法は、セキュリティ違反の危険性が高くなりすぎる前に、現在のセッション鍵が失効され、新たなセッション鍵と交換されることを保証することができる。

ここで図５を参照すると、本発明の一実施形態による、衛星システムにおいてセッション鍵を配布するための鍵配布メッセージが示されている。鍵配布メッセージ５００は、鍵データ部分５０１と、完全性部分５０２とを含む。他の実施形態において、完全性部分５０２は省かれてもよい。鍵データ部分５０１は、ユーザ識別子（ＩＤ）５０３と、短期データ５０４と、保護鍵データ５０５とを含む。短期データ５０４は、使用される暗号アルゴリズムに応じて変わり、共有秘密を導き出すのに使用するための短期鍵を含み得る。

本実施形態において、保護鍵データ５０５は、送信されているセッション鍵に関するセキュリティ属性５０６、及び、セッション鍵自体５０７を保持する。他の実施形態において、セキュリティ情報５０６は省かれてもよく、暗号化鍵データ５０５は、暗号化鍵５０７のみを含んでもよい。セキュリティ属性は、暗号化又は解読のようなセキュリティ機能又はサービスを有効にするために使用することができる。鍵配布メッセージ５００において送信することができるセキュリティ属性の例は、次のセッション鍵、完全性検証情報、鍵が有効である期間を規定するための鍵有効性情報、及び、鍵が以前に使用されていなかったことを保証するためのリプレイ検出情報を含む。セキュリティ属性は、ユーザの役割と関連付けられる権限、及び、異なるユーザの公開鍵とともに格納することができる異なるユーザのアクセス権限のような、他の情報も含むことができる。これらの情報は、たとえば、衛星に命令すること、衛星上の暗号モジュールを制御すること、他のユーザの公開鍵をアップロード又は消去することなどを許可されているユーザを識別するために使用することができる。

本実施形態において、受信デバイスは、衛星システム内の複数の他のデバイスの公開鍵を格納する。受信デバイス、たとえば、図１の衛星又は制御局は、受信されたデータから鍵配布メッセージ５００を得て、ユーザ識別子５０３に基づいて鍵配布メッセージ５００の発信元を識別し、暗号化鍵データ５０５を解読するために、ユーザと関連付けられる共有秘密を導き出す。このように、デバイスは、共有秘密を使用してセキュリティ属性５０６及びセッション鍵５０７を得ることができる。非対称暗号化が使用されるため、鍵配布メッセージ５００が意図されているデバイスのみがセキュリティ属性５０６及びセッション鍵５０７を得ることが可能である。共有秘密を導き出すための例示的なメカニズムは、ＥＣＤＨ及びＨＭＱＶを含む。セキュリティ属性は、たとえば、パディングを用いる高度暗号化規格（ＡＥＳ）鍵ラップを使用することによって得ることができる。

衛星システムにおけるセッション鍵配布の役割を担うデバイスは、衛星システム内の複数の異なるデバイスの別個のセキュリティ属性を格納することができる。他の各デバイスに対して格納することができるセキュリティ属性の例は、他のデバイスのユーザＩＤ、他のデバイスの公開鍵、リプレイ検出情報、他のデバイスによって現在使用されているセッション鍵、及び、現在のセッション鍵が有効である期間を規定する鍵有効性情報を含む。

リプレイ検出情報は、鍵配布メッセージ５００を受信するデバイスによって、同じ鍵配布メッセージ５００が以前に送信されているか否かを判定するために使用することができ、この情報は、受信されたメッセージが、攻撃者によってたとえば、受信デバイスをだまして誤ったセッション鍵を使用させるために再生されているものであることの指標となり得る。メッセージが再生されている場合、これは、鍵配布メッセージ５００に含まれる暗号化セッション鍵５０７が以前に送信されていることを意味する。鍵配布メッセージがいつ再生されたかを検出するために、新たなセッション鍵を配布する役割を担うデバイスは、鍵配布メッセージが送信される度毎に、固有のリプレイ検出情報をメッセージ内に含めることができる。

リプレイ検出情報は、予測可能な様式で１つのメッセージから次のメッセージへと変化する。リプレイ検出情報の一例が、カウンタ、すなわち、鍵配布メッセージの所定の位置に含まれる数値である。カウンタの値は、１つの鍵配布メッセージから次の鍵配布メッセージへと増分される。たとえば、システムが始動された後に送信される第１のメッセージはカウンタ値１を含むことができ、第２のメッセージはカウンタ値２を含むことができ、第３のメッセージはカウンタ値３を含むことができ、以下同様である。リプレイ検出情報の一例に過ぎず、別の例として、送信者及び受信者の両方に知られているアルゴリズムによって得られる擬似乱数（ＰＲＮ）が挙げられ得ることが理解されよう。リプレイ検出情報の使用は、図９を参照してより詳細に後述する。

鍵配布メッセージの１つの例示的な構造が図５に示されているが、本発明はこの特定の構造には限定されず、本発明の他の実施形態において、異なるメッセージ構造が鍵配布メッセージに使用されてもよいことが理解されよう。たとえば、特定の通信規格との互換性が必要とされる場合、本発明の実施形態は、その規格において規定されているメッセージ構造を、鍵配布メッセージとして構成してもよい。

ここで図６を参照すると、本発明の一実施形態による、宇宙データシステム諮問委員会（ＣＣＳＤＳ）規格に従って動作するシステムにおける鍵配布メッセージが示されている。本実施形態において、図５の鍵配布メッセージ５００が、暗号化転写層テレコマンド６００に追加され、ＣＣＳＤＳ符号化層データ６０１として送信される。この送信手法は、たとえば、衛星を制御するためにテレコマンドを衛星に送信するように構成されている制御局によって使用することができる。同様の手法がまた、ＣＣＳＤＳ以外のプロトコルに従って動作するシステムにおいて鍵配布メッセージを送信するのに使用することもでき、スタック内の異なる位置にある他のセキュリティ層に適用することができることが理解されよう。

衛星が、テレコマンドメッセージ６００に結合されている鍵配布メッセージ５００を含む図６に示す送信を受信すると、衛星は、衛星と、送信がそこから受信された発信元デバイスとの間の送信に現在有効である現在のセッション鍵を使用して、テレコマンドメッセージ６００を解読する。現在のセッション鍵は、以前に受信されており、テレコマンド６００が受信された期間中に有効であるものとすることができ、又は、受信されたテレコマンド６００に追加されている鍵配布メッセージ５００において規定されている新たなセッション鍵とすることができる。本発明の一実施形態において、制御局は、新たなセッションを開始するときに衛星に鍵配布メッセージを送信するようにのみ構成されている。この実施形態において、衛星は、以前のセッション鍵を失効させ、受信されたセッション鍵を現在のセッション鍵として使用することによって、鍵配布メッセージに応答するように構成されている。それゆえ、新たなセッションの開始は、鍵配布メッセージの存在によって伝達され、これは、各セッション鍵が有効である期間を規定する有効性情報をも送信する必要はないことを意味する。

本実施形態において、リプレイ検出情報は、図５を参照して上述したように鍵配布メッセージ５００に含まれている。衛星は、受信されたリプレイ検出情報をチェックして、鍵配布メッセージ５００が真正であるか否かを判定することができる。

鍵配布メッセージ５００も、図６に示すようにテレコマンド６００に結合され得る。これによって、衛星が、鍵配布メッセージ５００も真正であると判定される場合に、テレコマンド６００が真正であると判定することが可能になる。鍵配布メッセージ５００及びテレコマンド６００の信頼性が確認されると、テレコマンド６００は、宇宙船内のその宛先機能、たとえば、宇宙船コンピュータ、観測機器、又は暗号コントローラに渡され得る。

別の実施形態において、リプレイ検出情報は、鍵配布メッセージ５００の代わりにテレコマンド６００に含まれる。衛星は、リプレイ検出情報を使用して、テレコマンドが真正であるか否かを判定することができ、テレコマンドが真正であると判定される場合、鍵配布メッセージ及びその中に含まれる鍵も有効であると仮定される。

鍵配布メッセージ５００がテレコマンド６００に結合されているとき、リプレイ検出情報は、鍵配布メッセージ５００とテレコマンド６００との間で共有することができる。それゆえ、鍵配布メッセージ５００及びテレコマンド６００の両方にリプレイ検出情報を含む必要はない。

本実施形態が、テレコマンドメッセージを衛星に送信する制御局に関連して説明されているが、他の実施形態において、図６において使用されているものと同様の手法が、テレコマンドであり得るか又は任意の他のタイプのメッセージであり得る別のメッセージに結合されている鍵配布メッセージを送信することによって、衛星システムにおける任意の２つのデバイスの間の通信に適用され得る。

ここで図７を参照すると、本発明の一実施形態による、ＣＣＳＤＳテレメトリストリームを通じた鍵配布メッセージの送信が示されている。衛星からのＣＣＳＤＳテレメトリストリームが、衛星の状態を監視するために、たとえば、制御局のような地上施設によって受信され得る。本実施形態はＣＣＳＤＳテレメトリストリームに関連して説明されているが、本発明はＣＣＳＤＳ規格には限定されず、実施形態は、任意のタイプのデータストリームを通じてセッション鍵を配布するのに使用することができることが理解されよう。

図７に示すように、ＣＣＳＤＳテレメトリデータストリーム７１０は、各々が転送フレーム一次ヘッダ及び転送フレームデータを含む、複数の転送フレームに分割される。転送フレームデータは、本実施形態においてはテレメトリデータであるが、一般的には任意のタイプのデータであってもよい、データストリームを通じて送信されているデータのバイトを保持する。転送フレーム一次ヘッダは、ＣＣＳＤＳ規格において規定される標準的な転送フレームヘッダである。

加えて、本実施形態において、各転送フレームは、鍵配布ストリームを１つ又は複数の受信機に提供するのに使用される転送フレーム二次ヘッダ７１１を含む。特に、各転送フレーム二次ヘッダ７１１は、ヘッダＩＤ７１２と、タイムスタンプ（ＴＳ）７１３と、鍵配布ストリーム７１５の所定バイト数を保持する鍵配信部分７１４とを含む。このように、鍵配布ストリーム７１５は、部分整流されて、テレメトリストリーム７１０になる。テレメトリデータストリーム７１０を受信するデバイスは、各フレームの転送フレーム二次ヘッダ７１１から鍵配信バイト７１４を抽出し、抽出されたバイトを組み合わせることによって、鍵配布ストリーム７１５を再構築することができる。

鍵配信バイト７１４及び転送フレームデータは、関連するパーティの公開／秘密鍵を使用して保護され、受信者は、ＴＳ７１３を使用して、転送フレームデータを解読及び／又は認証するためにいずれのセッション鍵を使用すべきかを識別することができる。詳細には、ＴＳ７１３は、衛星がその転送フレームを送信した時刻を示し、それゆえ、転送フレーム内のデータを保護するために衛星がいずれのセッション鍵を使用したかを判定する。

たとえば、衛星は、ユーザＡ向けの鍵配布メッセージ及びユーザＢ向けの鍵配布メッセージを含むテレメトリストリームを送信し得る。各鍵配布メッセージは、下記に示すように、現在のセッション鍵及び次のセッション鍵、並びに、各鍵が有効である期間を規定する有効性情報を含む。
ユーザＡ鍵配布メッセージ：
鍵１、ユーザＡ向けに暗号化、１２：００〜１４：５９の間有効
鍵２、ユーザＡ向けに暗号化、１５：００〜１７：５９の間有効
ユーザＢ鍵配布メッセージ：
鍵１、ユーザＢ向けに暗号化、１２：００〜１４：５９の間有効
鍵２、ユーザＢ向けに暗号化、１５：００〜１７：５９の間有効

有効期間は、衛星の内部クロックを参照して規定される。たとえば、受信者の内部クロックが１４：５９の時刻を示すときに１５：００のタイムスタンプを有する転送フレームが受信された場合、受信者は、たとえ受信者の内部クロックが、現在のセッション鍵が実際には鍵１であることを示すように見えるとしても、受信されたタイムスタンプに基づいて鍵２が現在のセッション鍵であると判定する。

上記の例において、ユーザＡがタイムスタンプ「１２：２０」を含む転送フレームを受信した場合、受信者は、現在のセッション鍵が、１２：００〜１４：５９の間有効な鍵１であると判定することができる。それゆえ、受信者は、鍵１を使用して、現在の転送フレーム内の鍵配信バイト及び転送フレームデータを解読及び／又は認証する。しかしながら、ユーザＡが後にタイムスタンプ「１５：００」を含む転送フレームを受信すると、受信者は、この時点では鍵２が現在のセッション鍵であると判定し、したがって、鍵２を使用して鍵配信バイト及び転送フレームデータを解読及び／又は認証する。

また、タイムスタンプが１４：５９から１５：００へと回るとき、又はその後、鍵配布メッセージの内容は、以下のように、新たな「現在の」及び「次の」セッション鍵を反映するように変化する。
ユーザＡ鍵配布メッセージ：
鍵２、ユーザＡ向けに暗号化、１５：００〜１７：５９の間有効
鍵３、ユーザＡ向けに暗号化、１８：００〜２０：５９の間有効
ユーザＢ鍵配布メッセージ：
鍵２、ユーザＢ向けに暗号化、１５：００〜１７：５９の間有効
鍵３、ユーザＢ向けに暗号化、１８：００〜２０：５９の間有効

本実施形態において、タイムスタンプ及び有効期間は時間及び分単位で規定されているが、他の実施形態において、タイムスタンプ及び有効期間は、たとえば、任意のカウンタを使用して規定されてもよい。

また、本実施形態において、受信者は、転送フレーム内のタイムスタンプを使用して、その転送フレームにいずれのセッション鍵を使用すべきかを決定するが、他の実施形態において、タイムスタンプは省かれてもよい。たとえば、受信者は、たとえば、全地球測位システム（ＧＰＳ）の測位を得るときに計算される時間のずれから、受信者の内部クロックと衛星の内部クロックとの間のズレに関する情報を得ることができる。受信者はその後、転送フレームが受信されたローカル時間、受信者クロックと衛星クロックとの間のずれ、及び、信号の推定移動時間を使用して、衛星のクロックによる、転送フレームが送信された時刻を推定することができる。

図７に示すように、鍵配布ストリーム７１５は、複数のユーザグループ向けの鍵配布メッセージ７００を含む。各ユーザグループは、単一のユーザを表してもよく、又は、同じセッション鍵を共有し、したがって、同じデータにアクセスすることができる複数のユーザを含んでもよい。各鍵配布メッセージ７００は、たとえば、図５に示すようにフォーマット化することができる。図７に示すストリーム７１０のようなデータストリームにおいて、異なるユーザ向けに意図されているデータは、異なる対称鍵を使用して暗号化され、データストリームを通じて送信され得る。複数の異なるユーザグループ向けに別個の鍵配布メッセージを提供することによって、各ユーザグループは、１つのグループからのユーザが別のユーザグループ向けに意図されているデータにアクセスすることを防止しながら、それ自体のデータを解読するためにそれ自体の対称鍵を供給され得る。各ユーザグループの鍵は、定期的に失効され、更新された鍵と交換され得る。

図７に示す手法は、複数の地上ターミナルのための帯域幅効率的な鍵配信メカニズムを提供し、ＣＣＳＤＳパケットテレメトリ規格のような既存のプロトコルを使用して実施することができる。詳細には、各ダウンリンクフレームにおいて鍵配布ストリームの少数のバイトしか渡されないため、テレメトリデータストリーム内の帯域幅が節約される。本実施形態はそれゆえ、本実施形態においてはテレメトリデータである主要な転送ストリームデータにとって利用可能な帯域幅に何ら大きな影響を与えることなく、１人又は複数のエンドユーザにセッション鍵を供給することができる。本手法は、受信専用機能を有する衛星システム内のターミナルに鍵を配布するのに使用することができ、そのため、それらのターミナルが使用するためにそれらのターミナルが鍵をアップロードすることができるメカニズムを有しない。たとえば、地球観測衛星は、図７に示す手法を使用して、データストリームを通じて、許可されたユーザによって操作される複数の地上の受信機にセッション鍵を配布することができる。

一例として、ダウンリンクが１６キロビット（Ｋｂｉｔｓ）のフレームで１５０メガビット毎秒（Ｍｂｐｓ）で動作している一般的な地球観測システムにおいて、タイムスタンプは５日ごとにラップすることになる。各鍵が１０２４ビットサイズであり、５００のエンドユーザがあるとすると、各ユーザが自身の現在の鍵及び次の鍵を受信するには３秒超しかかからないことになる。別の例において、ダウンリンクが４Ｋｂｉｔｓのフレームサイズで６４キロビット毎秒（Ｋｂｐｓ）で動作している一般的なテレメトリ追跡及びコマンド（ＴＴ＆Ｃ）通信システムにおいて、タイムスタンプは８．５年ごとにラップすることになり、３人のエンドユーザでは、ユーザが自身の現在の鍵及び次の鍵を受信するには約１２秒かかることになる。

本実施形態では、複数のフレームを含むＣＣＳＤＳテレメトリストリームを通じて配布されるが、他の実施形態では、セッション鍵は、たとえば、その実施形態のために選択される特定の規格によるフレーム又はパケットとして参照され得る複数の所定部分に分割される任意のデータストリームを通じて配布されてもよい。鍵配布メッセージの所定バイト数をデータストリームの各部分に含めることによって、鍵配布メッセージは、部分整流を使用してデータストリームに含まれ得る。

ここで図８を参照すると、本発明の一実施形態による、衛星システムにおいてセッション鍵を受信する方法が示されている。方法は、限定ではないが、衛星又は他の宇宙船、制御局、及びエンドユーザ受信機（たとえば、テレビ放送受信機）を含む、衛星システム内の任意のデバイスによって使用することができる。

最初にステップＳ８０１において、保護セッション鍵が受信される。たとえば、セッション鍵は暗号化及び／又は認証を使用して保護することができる。セッション鍵は、図５に示すもののような鍵配布メッセージにおいて受信されてもよく、図６に示すようなテレコマンドに結合されて、又は、図７に示すようなテレメトリデータストリームを通じて受信されてもよい。

次に、ステップＳ８０２において、保護セッション鍵が、受信者の秘密鍵及び送信者の公開鍵に基づいて認証及び／又は解読される。たとえば、共有秘密が、ＥＣＤＨ又はＨＭＱＶを使用して得られ、セッション鍵を解読するのに使用され得る。受信されたセッション鍵が解読及び／又は認証されると、セッション鍵は、衛星システム内の２つのデバイス間の後続の通信に使用することができる。

ここで図９を参照すると、本発明の一実施形態による、リプレイ検出情報を使用する方法が示されている。図８の方法と同様に、図９の方法は、衛星システム内の任意のデバイスによって使用することができる。

最初に、ステップＳ９０１において、リプレイ検出情報が、暗号化セッション鍵とともに受信される。本実施形態において、リプレイ検出情報は、図６に示すように暗号化セッション鍵に結合されているコマンドに含まれている。一方、別の実施形態において、リプレイ検出情報は、図５に示すように鍵配布メッセージ内に暗号化鍵とともに含まれていてもよい。リプレイ検出情報が受信されると、その後、ステップＳ９０２において、受信デバイスは、受信されたリプレイ検出情報の値を、以前に受信された値、すなわち、現在の鍵配布メッセージに先行する最後の成功したメッセージ内のリプレイ検出情報の値と比較する。

ステップＳ９０３において、所定条件が満たされているか否かがチェックされる。所定条件の一例は、リプレイ検出情報の現在の値が以前の値よりも大きいか否かであり得る。現在の値がより大きい場合、メッセージは再生されていないと仮定される。一方、現在の値が以前の値以下である場合、メッセージは再生済みである以前のメッセージであると判定される。代替的な条件は、リプレイ検出情報の受信された値が、既知のシーケンス内の次の値である、予測値と一致するか否かであり得る。所定条件のまた別の例は、現在の値が、以前の値よりも大きいが、以前の値の特定の範囲内に入る許容可能値の所定の窓内に入るか否かであり得る。

所定条件が満たされる場合、ステップＳ９０４において、受信された鍵配布メッセージに結合されているコマンドメッセージが再生されておらず、それゆえ、鍵配布メッセージも再生されていないと判定される。したがって、受信された暗号化セッション鍵は真正であり、使用することができると判定され、リプレイ検出情報の格納されている以前の値が現在の値と置き換えられる。他方、所定条件が満たされていない場合、ステップＳ９０５において、受信されたコマンドメッセージ及び結合されている暗号化セッション鍵が再生されており、使用すべきではないと判定される。

図９に示すようにリプレイ検出情報を使用することによって、メッセージが攻撃者によって、システムを危険に晒そうとする試みにおいていつ再生されたかを検出することによって、衛星システムのセキュリティを向上することができる。

ここで図１０を参照すると、本発明の一実施形態による、衛星システムにおいてセッション鍵を送信するためのデバイスが示されている。本実施形態において、デバイス１０００は衛星であるが、他の実施形態において、デバイス１０００は、図１に示す制御局のような地上施設であってもよい。

衛星１０００は、セッション鍵を得るように構成されている鍵取得モジュール１００１と、たとえば、暗号化及び／又は認証を適用することによって、衛星の秘密鍵、及び、セッション鍵が送信されるべきデバイスの公開鍵に基づいて、得られたセッション鍵を保護するように構成されている鍵保護モジュール１００２と、保護セッション鍵をデバイスに送信するように構成されている送信機モジュール１００３とを備える。また、本実施形態において、衛星１０００は、リプレイ検出情報を生成するためのリプレイ検出情報生成器１００４を含む。送信機モジュール１００３は、鍵保護モジュール１００２から保護セッション鍵を受信し、リプレイ検出情報生成器１００４からリプレイ検出情報を受信し、保護セッション鍵及びリプレイ検出情報を、コマンドメッセージに結合されている鍵配布メッセージとして、又は、データストリームを通じて、衛星システム内の別のデバイスに送信する。リプレイ検出情報が必要とされない場合には、他の実施形態において、リプレイ検出情報生成器１００４は省かれてもよい。

ここで図１１を参照すると、本発明の一実施形態による、衛星システムにおいてセッション鍵を受信するためのデバイスが示されている。本実施形態において、デバイス１１００は衛星であるが、他の実施形態において、デバイス１１００は、図１に示す制御局のような地上施設であってもよい。

衛星１１００は、衛星システム内の別のデバイスから保護セッション鍵を受信するように構成されている受信機モジュール１１０１を備える。たとえば、保護セッション鍵は、図６に示すようにテレコマンドに結合されている鍵配布メッセージとして受信されてもよく、又は、図７に示すようにテレメトリデータストリームを通じて受信されてもよい。衛星１１００は、たとえば、衛星の秘密鍵、及び、セッション鍵がそこから受信されたデバイスの公開鍵に基づいて、保護セッション鍵を暗号化及び／又は認証することによって、受信されたメッセージからセッション鍵を抽出するように構成されている鍵抽出モジュール１１０３をさらに備える。加えて、本実施形態において、衛星１１００は、受信機モジュール１１０１からリプレイ検出情報を受信するように構成されているリプレイ検出モジュール１１０２をさらに備え、リプレイ検出モジュール１１０２は、受信された鍵配布メッセージ又はテレコマンドからリプレイ検出情報を抽出することができる。リプレイ検出モジュール１１０２は、図９を参照して上述したように、受信されたリプレイ検出情報を、リプレイ検出情報の予測値と比較する。図９のステップＳ９０３を参照して上述したように、受信されたリプレイ検出情報が所定条件を満たす場合、リプレイ検出モジュール１１０２は鍵抽出モジュール１１０３に、受信されたセッション鍵が真正であり、必要に応じてデバイス１１００内の他の機能に安全に渡すことができることを伝達する。他の実施形態において、リプレイ検出が必要とされない場合には、リプレイ検出モジュール１１０２は省かれてもよい。

ここで図１２を参照すると、本発明の一実施形態による、受信されたセッション鍵を認証する方法が示されている。図１２の方法は、受信されたセッション鍵が暗号化を使用して保護されているだけである実施形態に使用するのに特に適している。最初にステップＳ１２０１において、保護セッション鍵が受信される。次に、ステップＳ１２０２において、保護セッション鍵が送信された時点における送信機の予測位置に関する情報が得られる。ステップＳ１２０３において、予測位置が、たとえば、指向性アンテナによって検出されるものとしての、セッション鍵がそこから受信された検出位置と比較される。保護セッション鍵が静止軌道内の衛星から受信されるとき、予測位置は、衛星の既知の位置であり得る。他方、非静止軌道内の衛星について、予測位置は、衛星の軌道、保護セッション鍵が受信された時刻、及び、衛星から受信者への信号の推定移動時間に関する情報に基づいて求めることができる。保護セッション鍵が静止送信者、たとえば、地上の制御局から受信されるとき、予測位置は、送信者の既知の位置であり得る。

その後、ステップＳ１２０４において、検出位置が、所定の誤差範囲内で予測位置と一致するか否かがチェックされる。検出位置が予測位置と一致する場合、ステップＳ１２０５において、受信されたセッション鍵が真正であり、受理することができると仮定される。他方、検出位置が予測位置と一致しない場合、ステップＳ１２０６において、受信されたセッション鍵は廃棄される。

衛星システムにおけるセッション鍵配布が衛星システム内のデバイス、たとえば、衛星又は制御局のような地上の施設によって処理される、本発明の実施形態が説明された。衛星システムの動作中の任意の段階において、鍵配布の役割を担うデバイスに新たなデバイスの公開鍵を送信することによって、新たなデバイスがシステムに追加され得る。その後、上述した方法のいずれかを使用して、新たなデバイスの公開鍵を使用してセッション鍵を暗号化することによって、セッション鍵が新たなデバイスに配布され得る。同様に、衛星システムの動作中の任意の段階において、デバイスがシステムから、鍵配布の役割を担うデバイスから上記デバイスの公開鍵を消去することによって除去され得る。これによって、除去されたデバイスが任意の新たな対称鍵を発行されることが防止される。

本発明の特定の実施形態が図面を参照して上記で説明されたが、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更及び改変が可能であることを当業者は理解しよう。

Claims (15)

1. 第１のデバイス及び第２のデバイスを備える衛星システムにおいてセッション鍵を送信する方法であって、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスのうちの一方が衛星であり、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスのうちの他方が、前記衛星に信号を送信し、及び／又は、前記衛星から信号を受信するように構成されているデバイスであり、前記方法が、
   前記第１のデバイスにおいて前記セッション鍵を得るステップと、
   前記第１のデバイスの秘密鍵及び前記第２のデバイスの公開鍵に基づいて、前記第１のデバイスにおいて前記セッション鍵を保護するステップと、
   前記保護セッション鍵を前記第１のデバイスから前記第２のデバイスに送信するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記保護セッション鍵を送信するステップが、前記保護セッション鍵、及び、前記保護セッション鍵が以前に送信されているか否かを判定するためのリプレイ検出情報を送信するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記保護セッション鍵及び前記リプレイ検出情報が、鍵配布メッセージに含まれるか、又は
   前記第２のデバイスが前記衛星であり、前記第１のデバイスが前記衛星にコマンドメッセージを送信するための制御局であり、前記リプレイ検出情報が、前記保護セッション鍵を含む鍵配布メッセージに結合されているコマンドメッセージに含まれる、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１のデバイスが衛星であり、前記第２のデバイスが前記衛星から信号を受信するように構成されている前記デバイスであり、当該方法が、
   前記衛星から前記第２のデバイスにデータストリームを送信するステップであって、前記データストリームが複数の所定部分を含む、ステップ
   をさらに含み、
   前記保護セッション鍵を送信するステップが、前記保護セッション鍵の所定バイト数を前記複数の所定部分の各々に挿入することによって、前記データストリームを通じて前記保護セッション鍵を送信するステップを含む、請求項１、２又は３に記載の方法。
5. 前記得られたセッション鍵が、現在のセッションに後続する次のセッションに使用するための次のセッション鍵であり、前記方法が、
   前記現在のセッションに使用するための現在のセッション鍵を得るステップと、
   前記衛星の秘密鍵及び前記第２のデバイスの公開鍵に基づいて、前記衛星において前記現在のセッション鍵を保護するステップと、
   前記データストリームを通じて前記現在のセッション鍵を送信するステップと、
   前記データストリームを通じて有効性情報を送信するステップであって、前記有効性情報が、前記現在のセッション鍵が有効である期間及び前記次のセッション鍵が有効である期間を規定する、送信するステップと、
   をさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 第１のデバイス及び第２のデバイスを備える衛星システムにおいてセッション鍵を得る方法であって、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスのうちの一方が衛星であり、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスのうちの他方が、前記衛星に信号を送信し、及び／又は、前記衛星から信号を受信するように構成されているデバイスであり、当該方法が、
   前記第２のデバイスにおいて、前記第１のデバイスから保護セッション鍵を受信するステップと、
   前記第１のデバイスの公開鍵及び前記第２のデバイスの秘密鍵に基づいて、前記第２のデバイスにおいて、前記受信された保護セッション鍵から前記セッション鍵を得るステップと、
   を含む、方法。
7. 前記保護セッション鍵が送信されたときの前記第１のデバイスの予測位置に関する情報を得るステップと、
   前記保護セッション鍵が受信された位置が所定の誤差範囲内で前記第１のデバイスの前記予測位置と一致する場合には、前記受信された保護セッション鍵が真正であると判定するステップと、
   をさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１のデバイスから前記保護セッション鍵を受信するステップは、コマンドメッセージに結合されている鍵配布メッセージにおいて前記保護セッション鍵を受信するステップを含み、前記コマンドメッセージが、前記保護セッション鍵が以前に送信されているか否かを判定するためのリプレイ検出情報を含み、当該方法が、
   前記鍵配布メッセージに結合されている前記コマンドメッセージが以前に送信されていないことを前記リプレイ検出情報が示す場合には、前記保護セッション鍵が以前に送信されていないと判定するステップをさらに含む、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記第１のデバイスが前記衛星であり、前記第２のデバイスが前記衛星から信号を受信するように構成されている前記デバイスであり、前記衛星から前記保護セッション鍵を受信するステップが、
   前記第２のデバイスにおいて前記衛星からデータストリームを受信するサブステップであって、前記データストリームは複数の所定部分を含む、サブステップと、
   前記複数の所定部分の各々から前記保護セッション鍵の所定バイト数を抽出するサブステップと、
   前記保護セッション鍵の前記抽出されたバイトを結合して、前記保護セッション鍵を得るサブステップと、
   を含む、請求項６又は７に記載の方法。
10. 前記得られたセッション鍵が、現在のセッションに後続する次のセッションに使用するための次のセッション鍵であり、当該方法が、
    前記データストリームを通じて、前記現在のセッションに使用するための現在の保護セッション鍵、及び、前記現在のセッション鍵が有効である期間及び前記次のセッション鍵が有効である期間を規定する有効性情報を受信するステップと、
    前記衛星の公開鍵及び前記第２のデバイスの秘密鍵に基づいて、前記第２のデバイスにおいて前記現在の保護セッション鍵から前記現在のセッション鍵を得るステップと、
    前記データストリームを通じて保護データが送信された時刻に関する情報を得るステップと、
    前記得られた情報が、前記現在のセッション鍵が有効である前記期間の間に前記保護データが送信されたことを示す場合、前記現在のセッション鍵に基づいて前記保護データにアクセスするか、又は、前記得られた情報が、前記次のセッション鍵が有効である前記期間の間に前記保護データが送信されたことを示す場合、前記次のセッション鍵に基づいて前記保護データにアクセスするステップと、
    をさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. コンピュータプログラムを格納するように構成されているコンピュータ可読記憶媒体であって、前記コンピュータプログラムは、デバイスによって実行されると、前記デバイスに、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法を実施させる、コンピュータ可読記憶媒体。
12. 第１のデバイスであって、
    セッション鍵を得るように構成されている鍵取得モジュールと、
    前記第１のデバイスの秘密鍵、及び、保護されたセッション鍵が送信されるべき第２のデバイスの公開鍵に基づいて、前記得られたセッション鍵を保護するように構成されている鍵保護モジュールと、
    前記保護セッション鍵を前記第２のデバイスに送信するように構成されている送信機と、
    を備え、
    前記第１のデバイス及び／又は前記第２のデバイスが衛星である、第１のデバイス。
13. 前記第１のデバイスが、前記保護セッション鍵が以前に送信されているか否かを判定するためのリプレイ検出情報を生成するように構成されているリプレイ情報生成器をさらに備え、
    前記送信機が、前記保護セッション鍵及び前記リプレイ検出情報を前記第２のデバイスに送信するように構成されている、請求項１２に記載の第１のデバイス。
14. 前記第１のデバイスが、前記第２のデバイスにデータストリームを送信するように構成されている衛星であり、前記データストリームが複数の所定部分を含み、前記送信機が、前記保護セッション鍵の所定バイト数を前記複数の所定部分の各々に挿入することによって、前記データストリームを通じて前記保護セッション鍵を送信するように構成されているか、又は
    前記第２のデバイスが前記衛星であり、前記第１のデバイスが、コマンドメッセージを前記衛星に送信するための制御局であり、前記送信機が、前記保護セッション鍵を含む鍵配布メッセージに結合されているコマンドメッセージに前記リプレイ検出情報を含めるように構成されている、請求項１２又は１３に記載の第１のデバイス。
15. 第２のデバイスから信号を受信するための第１のデバイスであって、前記第１のデバイスが、
    前記第２のデバイスから保護セッション鍵を受信するように構成されている受信機と、
    前記第１のデバイスの秘密鍵、及び、前記保護セッション鍵が受信された前記第２のデバイスの公開鍵に基づいて、前記保護セッション鍵から前記セッション鍵を得るように構成されている鍵抽出モジュールと、
    を備え、
    前記第１のデバイス及び／又は前記第２のデバイスが衛星である、第１のデバイス。

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