JP2023149074A - Encryption key sharing system - Google Patents

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雅英 佐々木
Masahide Sasaki
寛之 遠藤
Hiroyuki Endo
幹生 藤原
Mikio Fujiwara
敦 間宮
Atsushi Mamiya
賢太郎 田中
Kentaro Tanaka
紗織 横手
Saori Yokote
将之 野々山
Masayuki Nonoyama
洋介 須藤
Yosuke Sudo
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National Institute of Information and Communications Technology
Sky Perfect Jsat Corp
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National Institute of Information and Communications Technology
Sky Perfect Jsat Corp
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    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/12Transmitting and receiving encryption devices synchronised or initially set up in a particular manner

Abstract

To provide an encryption key sharing system in which distance over which encryption keys can be shared is long and a large amount of encryption keys can be shared.SOLUTION: An encryption key sharing system 1 includes: a low orbit satellite 3A; a geostationary satellite 2 that shares keys K1 and K2 of the low orbit satellite 3A and a ground station 3B by line-of-sight communication quantum key distribution or physical layer encryption, obtains calculation data for decrypting the key K1 of the low orbit satellite 3A by exclusive OR of the keys K1 and K2, and transmits the calculation data to the ground station 3B via an authenticated public channel 5; and the ground station 3B that decrypts the key K1 of the low orbit satellite 3A by exclusive OR of the received calculation data and the key K2 of the ground station 3B.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、暗号鍵共有システムに関する。 The present invention relates to an encryption key sharing system.

量子鍵配送では、情報理論的に安全な暗号鍵の共有が可能であり、ワンタイムパッドに基づく正しい使い方をしている限り、暗号鍵の安全性は物理法則によって保証される。また、量子鍵配送では、光の伝送路として、光ファイバの他、自由空間における光ビームの伝搬も想定されている。なお、情報理論的に安全とは、情報理論に基づいて、盗聴者が無限の計算能力を持っていると仮定した場合でも暗号文の解読が不可能であることが数学的に証明されていることを意味する。 Quantum key distribution makes it possible to share cryptographic keys that are information-theoretically secure, and as long as one-time pads are used correctly, the security of cryptographic keys is guaranteed by the laws of physics. Furthermore, in quantum key distribution, in addition to optical fibers, propagation of light beams in free space is also assumed as a light transmission path. Information-theoretically secure means that it has been mathematically proven, based on information theory, that it is impossible for an eavesdropper to decipher the ciphertext, even if it is assumed that the eavesdropper has infinite computing power. It means that.

ここで、光ファイバを用いた量子鍵配送では、光の伝送に伴う損失のために、暗号鍵の共有が可能な距離が100km程度に制限されてしまう。従って、地上の量子鍵配送では、数百kmから数千km離れてしまうと、暗号鍵の共有が困難であった。 In quantum key distribution using optical fibers, the distance over which encryption keys can be shared is limited to about 100 km due to losses associated with optical transmission. Therefore, in terrestrial quantum key distribution, it is difficult to share encryption keys at distances of several hundred to several thousand kilometers.

そこで、低軌道衛星を利用した量子鍵配送に関する従来技術が提案されている(例えば、特許文献1,2及び非特許文献1~4)。これら従来技術では、第1地上局と低軌道衛星との間で第1暗号鍵の共有を行い(第1ステップ)、第2地上局と当該低軌道衛星との間で第2暗号鍵の共有を行う(第2ステップ)。そして、これら従来技術では、例えば、低軌道衛星が再び第1地上局の視野に入ったときに、通常のデータ通信回線を利用して、低軌道衛星から第1地上局に対して、第2暗号鍵を第1暗号鍵で秘匿化(排他的論理和を計算)したデータを送信する(第3ステップ)。このようにして、これら従来技術では、離れた距離にある第1地上局及び第2地上局との間で、第2暗号鍵を最終的に共有できる。 Therefore, conventional techniques related to quantum key distribution using low orbit satellites have been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 to 4). In these conventional technologies, a first encryption key is shared between the first ground station and the low orbit satellite (first step), and a second encryption key is shared between the second ground station and the low orbit satellite. (second step). In these conventional technologies, for example, when the low-orbit satellite enters the field of view of the first ground station again, the low-orbit satellite sends a second signal to the first ground station using a normal data communication line. Data obtained by anonymizing the encryption key with the first encryption key (calculating exclusive OR) is transmitted (third step). In this way, with these conventional techniques, the second encryption key can ultimately be shared between the first ground station and the second ground station that are located far apart.

中国特許出願公開第112054852号明細書China Patent Application Publication No. 112054852 中国特許出願公開第111431623号明細書China Patent Application Publication No. 111431623

J. Yin, et al.,”Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers” , Science 356, pp. 1140-1144, 2017.J. Yin, et al., “Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers”, Science 356, pp. 1140-1144, 2017. S. K. Liao, et al., “Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication”, Nat. Photon. 11, 509, 2017.S. K. Liao, et al., “Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication”, Nat. Photon. 11, 509, 2017. S. K. Liao, et al., “Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network”, Phys. Rev. Lett., 120(3), 030501, 2018.S. K. Liao, et al., “Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network”, Phys. Rev. Lett., 120(3), 030501, 2018. Y. A. Chen, et al., “Satellite testing of a gravitationally induced quantum decoherence model”, Nature 589, pp. 214-219, 2021.Y. A. Chen, et al., “Satellite testing of a gravitationally induced quantum decoherence model”, Nature 589, pp. 214-219, 2021.

しかし、前記した従来技術では、低軌道衛星が上空を高速で移動するため、地上局との間の1回あたりの交信時間が最長でも10分程度に制限されてしまう。このため、前記した従来技術では、暗号鍵を生成するために充分な交信時間を確保できず、共有できる暗号鍵の量(暗号鍵のビット数)が極めて少なくなってしまう。 However, in the above-mentioned conventional technology, since the low orbit satellite moves in the sky at high speed, the time for each communication with the ground station is limited to about 10 minutes at the maximum. For this reason, in the conventional technology described above, sufficient communication time cannot be secured to generate an encryption key, and the amount of encryption keys that can be shared (the number of bits of the encryption key) becomes extremely small.

そこで、本発明は、暗号鍵を共有可能な距離が長く、かつ、多量の暗号鍵を共有できる暗号鍵共有システムを提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an encryption key sharing system that allows encryption keys to be shared over a long distance and in which a large amount of encryption keys can be shared.

前記課題を解決するため、本発明に係る暗号鍵共有システムは、静止衛星によって中継された見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、第1ノードと第2ノードとの間で暗号鍵を共有するための暗号鍵共有システムであって、静止衛星は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、第1ノードと第2ノードとの間でそれぞれ第1暗号鍵及び第2暗号鍵を共有し、第1暗号鍵と第2暗号鍵との排他的論理和で計算し、計算結果を、認証付き公開通信路を介して第2ノードに送信し、第2ノードは、計算結果と第2暗号鍵との排他的論理和を計算することで、第1暗号鍵を復号する構成とした。 In order to solve the above problems, an encryption key sharing system according to the present invention shares an encryption key between a first node and a second node using line-of-sight quantum key distribution or physical layer encryption relayed by a geostationary satellite. A cryptographic key sharing system for a geostationary satellite, wherein a geostationary satellite shares a first cryptographic key and a second cryptographic key between a first node and a second node, respectively, by line-of-sight quantum key distribution or physical layer cryptography, A calculation is performed using the exclusive OR of the first encryption key and the second encryption key, and the calculation result is transmitted to a second node via an authenticated public communication channel, and the second node receives the calculation result and the second encryption key. The configuration is such that the first encryption key is decrypted by calculating the exclusive OR with the first encryption key.

かかる構成によれば、暗号鍵共有システムは、静止衛星を介した見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号を利用することで、静止衛星と各ノードとの間での暗号鍵の共有を可能にする。これにより、暗号鍵の共有が可能な距離、すなわち、第1ノードと第2ノードとの距離を長くすることができる。ここで、静止衛星とノードとの間で充分に長い交信時間を確保できるため、共有可能な暗号鍵の量が多くなる。 According to this configuration, the cryptographic key sharing system makes it possible to share cryptographic keys between the geostationary satellite and each node by using line-of-sight quantum key distribution or physical layer cryptography via the geostationary satellite. . This makes it possible to increase the distance at which encryption keys can be shared, that is, the distance between the first node and the second node. Here, since a sufficiently long communication time can be secured between the geostationary satellite and the node, the amount of encryption keys that can be shared increases.

本発明によれば、暗号鍵を共有可能な距離が長く、かつ、多量の暗号鍵を共有できる。 According to the present invention, the distance over which encryption keys can be shared is long, and a large amount of encryption keys can be shared.

(a)~(c)は第1実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。(a) to (c) are schematic diagrams of an encryption key sharing system according to the first embodiment. 第1実施形態において、暗号鍵共有システムの第1のサブシステムの構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a first subsystem of the encryption key sharing system in the first embodiment. 第1実施形態において、(a)は受信光学部の構成を示すブロック図であり、(b)は送信光学部の構成を示すブロック図である。In the first embodiment, (a) is a block diagram showing the configuration of a receiving optical section, and (b) is a block diagram showing the configuration of a transmitting optical section. 第1実施形態において、暗号鍵共有システムの第2のサブシステムの構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a second subsystem of the encryption key sharing system in the first embodiment. 第1実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。FIG. 2 is a sequence diagram showing the operation of the encryption key sharing system according to the first embodiment. (a)~(c)は第2実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。(a) to (c) are schematic diagrams of an encryption key sharing system according to a second embodiment. 第2実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。FIG. 7 is a sequence diagram showing the operation of the encryption key sharing system according to the second embodiment. (a)及び(b)は第3実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。(a) and (b) are schematic diagrams of an encryption key sharing system according to a third embodiment. 第3実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。FIG. 7 is a sequence diagram showing the operation of the encryption key sharing system according to the third embodiment. 第3実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。FIG. 7 is a sequence diagram showing the operation of the encryption key sharing system according to the third embodiment. (a)~(c)は第4実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。(a) to (c) are schematic diagrams of an encryption key sharing system according to a fourth embodiment. 第4実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。FIG. 7 is a sequence diagram showing the operation of the encryption key sharing system according to the fourth embodiment. 第4実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。FIG. 7 is a sequence diagram showing the operation of the encryption key sharing system according to the fourth embodiment. 第5実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。FIG. 3 is a schematic diagram of an encryption key sharing system according to a fifth embodiment. 第5実施形態において、暗号鍵共有システムの第3のサブシステムの構成を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a third subsystem of the cryptographic key sharing system in the fifth embodiment. 第5実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。FIG. 7 is a sequence diagram showing the operation of the encryption key sharing system according to the fifth embodiment.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、以下に説明する各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。例えば、静止衛星と、低軌道衛星や地上局等の各ノードを、見通し通信の受信側として利用するか、それとも送信側として利用するかについては、実際の状況に依存してあらゆる可能な組み合わせが想定される。また、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, each embodiment described below is for embodying the technical idea of the present invention, and unless there is a specific description, the present invention is not limited to the following. For example, all possible combinations of geostationary satellites and nodes such as low-orbit satellites and ground stations are used as receivers or transmitters for line-of-sight communications, depending on the actual situation. is assumed. Further, the same means may be denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted.

(第1実施形態)
[暗号鍵共有システムの概要]
図1を参照し、第1実施形態に係る暗号鍵共有システム1の概要について説明する。
暗号鍵共有システム1は、静止衛星2によって中継された見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、低軌道衛星3Aと地上局3Bとの間で暗号鍵を共有するものである。図1(a)に示すように、暗号鍵共有システム1は、静止衛星2と、ノード3として、低軌道衛星3A(第1ノード)と、地上局3B(第2ノード)とを備える。また、図1には、見通し通信路4と、認証付き公開通信路5と、地球Eとを図示した。
(First embodiment)
[Overview of encryption key sharing system]
With reference to FIG. 1, an overview of an encryption key sharing system 1 according to the first embodiment will be described.
The cryptographic key sharing system 1 shares cryptographic keys between the low orbit satellite 3A and the ground station 3B using line-of-sight quantum key distribution or physical layer cryptography relayed by the geostationary satellite 2. As shown in FIG. 1(a), the encryption key sharing system 1 includes a geostationary satellite 2, a low orbit satellite 3A (first node) as a node 3, and a ground station 3B (second node). Further, in FIG. 1, a line-of-sight communication channel 4, an authenticated public communication channel 5, and the earth E are illustrated.

静止衛星2は、赤道上の高度36,000kmの静止軌道を周回する通信衛星である。ここで、静止衛星2は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、第1ノードと第2ノードとの間でそれぞれ第1暗号鍵及び第2暗号鍵を共有する。また、静止衛星2は、第1暗号鍵と第2暗号鍵との排他的論理和で計算し、計算結果を、認証付き公開通信路5を介して第2ノードに送信する。 The geostationary satellite 2 is a communication satellite orbiting in a geostationary orbit at an altitude of 36,000 km above the equator. Here, the geostationary satellite 2 shares a first encryption key and a second encryption key between the first node and the second node, respectively, by line-of-sight quantum key distribution or physical layer cryptography. Furthermore, the geostationary satellite 2 performs a calculation using the exclusive OR of the first encryption key and the second encryption key, and transmits the calculation result to the second node via the authenticated public communication channel 5.

第1ノード及び第2ノードは、第1暗号鍵を共有した後で、第1暗号鍵を用いて、データを秘匿化して通信を行う。このとき、第2ノードは、静止衛星2からの計算結果と第2暗号鍵との排他的論理和を計算することで、第1暗号鍵を復号する。例えば、一般に、ノード3としては、1機以上の地上局3B、低軌道衛星3A、後記する海上局又は航空局の何れかがあげられる。 After the first node and the second node share the first encryption key, the first node uses the first encryption key to anonymize data and communicate. At this time, the second node decrypts the first encryption key by calculating the exclusive OR of the calculation result from the geostationary satellite 2 and the second encryption key. For example, in general, the node 3 includes one or more ground stations 3B, low orbit satellites 3A, and either a maritime station or an aviation station described later.

低軌道衛星3Aは、例えば、高度400~1200km程度の低軌道を周回する通信衛星であり、ノード3としての機能を有する。
地上局3Bは、地上に配置されたノード3である。例えば、地上局3Bは、地上の所定位置に固定された固定局、又は、移動する車両などに搭載された移動局である。
The low orbit satellite 3A is, for example, a communication satellite orbiting in a low orbit at an altitude of about 400 to 1200 km, and has a function as a node 3.
The ground station 3B is a node 3 placed on the ground. For example, the ground station 3B is a fixed station fixed at a predetermined position on the ground, or a mobile station mounted on a moving vehicle.

見通し通信路4は、見通し通信を行うための通信路である。ここで、見通し通信とは、静止衛星2及びノード3の間に遮蔽物がなく、互いに見通せる状態の通信のことである。例えば、見通し通信としては、低軌道衛星-地上局間光通信、高高度の静止軌道衛星-地上局間光通信などがあげられる。 The line-of-sight communication channel 4 is a communication line for performing line-of-sight communication. Here, line-of-sight communication refers to communication in a state where there is no obstruction between the geostationary satellite 2 and the node 3 and they can see each other. For example, line-of-sight communication includes optical communication between a low-orbit satellite and a ground station, and optical communication between a high-altitude geostationary orbit satellite and a ground station.

見通し通信路4では指向性の高いレーザ光が用いられるため、送受信者から発見されることなく、盗聴者が光ビームの中心に盗聴装置を設置し、すべての光信号を受信後になんらかの処理を施して再送信するというような能動的な攻撃を行うことは、実質的には極めて困難である。また、見通し通信量子鍵配送や物理レイヤ暗号は、自由空間における見通し通信路4を伝搬する光ビームを利用し、情報理論的に安全な暗号鍵を共有するものであり、量子鍵配送に比べて、暗号鍵の生成速度が速く、遠距離への暗号鍵の配送が可能という利点を有する。 Because line-of-sight communication channel 4 uses highly directional laser light, an eavesdropper can install a wiretapping device in the center of the light beam and perform some processing on all optical signals after receiving them, without being detected by the sender and receiver. In practice, it is extremely difficult to carry out an active attack such as retransmission. In addition, line-of-sight quantum key distribution and physical layer cryptography use light beams propagating through line-of-sight channels 4 in free space to share information-theoretically secure cryptographic keys, and are more secure than quantum key distribution. , has the advantage that the encryption key generation speed is fast and encryption keys can be distributed over long distances.

認証付き公開通信路5は、認証付きの公開通信路である。例えば、認証付き公開通信路5は、見通し通信路4の状態、鍵蒸留処理の結果、暗号鍵同士の排他的論理和の計算データ、及び、有意情報に対する秘匿化データを送受信するために利用する。 The authenticated public communication channel 5 is an authenticated public communication channel. For example, the authenticated public communication channel 5 is used to send and receive the state of the line-of-sight channel 4, the result of key distillation processing, calculation data of exclusive OR of encryption keys, and anonymized data for significant information. .

なお、物理レイヤ暗号については、一般的なものであるため、詳細な説明を省略する(参考文献1~4)。
参考文献1:Z. Pan et al., “Secret-key distillation across a quantum wiretap channel under restricted eavesdropping,” Phys. Rev. Applied, vol. 14, no. 2, 024044, 2020.
参考文献2:H.Endo, et al., OSA Continuum 3 pp. 2525-2543, 2020.
参考文献3:欧州特許第3337063号
参考文献4:国際公開第2019/139544号
Note that physical layer cryptography is common, so a detailed explanation will be omitted (References 1 to 4).
Reference 1: Z. Pan et al., “Secret-key distillation across a quantum wiretap channel under restricted eavesdropping,” Phys. Rev. Applied, vol. 14, no. 2, 024044, 2020.
Reference 2: H.Endo, et al., OSA Continuum 3 pp. 2525-2543, 2020.
Reference 3: European Patent No. 3337063 Reference 4: International Publication No. 2019/139544

以下、暗号鍵共有システム1での暗号通信について説明する。
まず、図1(a)に示すように、暗号鍵共有システム1は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、静止衛星2と低軌道衛星3Aとの間で鍵K(第1暗号鍵)を生成して共有する。また、暗号鍵共有システム1は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、静止衛星2と地上局3Bとの間で鍵K(第2暗号鍵)を生成して共有する。つまり、静止衛星2は、見通し通信路4を介して、鍵K,Kを共有する。
Encrypted communication in the encryption key sharing system 1 will be described below.
First, as shown in FIG. 1(a), the cryptographic key sharing system 1 uses line-of-sight quantum key distribution or physical layer encryption to exchange a key K1 (first cryptographic key) between a geostationary satellite 2 and a low-orbit satellite 3A. ) to generate and share. Furthermore, the cryptographic key sharing system 1 generates and shares a key K 2 (second cryptographic key) between the geostationary satellite 2 and the ground station 3B using line-of-sight quantum key distribution or physical layer cryptography. That is, the geostationary satellite 2 shares the keys K 1 and K 2 via the line-of-sight channel 4 .

次に、図1(b)に示すように、暗号鍵共有システム1は、静止衛星2において、鍵K,Kの排他的論理和を計算し、認証付き公開通信路5を介して、計算データαとして地上局3Bに送信する。そして、暗号鍵共有システム1は、地上局3Bにおいて、計算データαと地上局3Bの鍵Kとの排他的論理和を計算することによって、低軌道衛星3Aの鍵Kを復号する。これにより、暗号鍵共有システム1は、低軌道衛星3Aと地上局3Bとの間で鍵Kを共有できる。その結果、図1(c)に示すように、暗号鍵共有システム1は、この鍵Kを暗号鍵として用いて、低軌道衛星3Aと地上局3Bとの間で暗号通信を行うことができる。 Next, as shown in FIG. 1(b), the encryption key sharing system 1 calculates the exclusive OR of the keys K 1 and K 2 on the geostationary satellite 2, and via the authenticated public communication channel 5, The calculated data α is transmitted to the ground station 3B. Then, the cryptographic key sharing system 1 decrypts the key K1 of the low orbit satellite 3A by calculating the exclusive OR of the calculation data α and the key K2 of the ground station 3B at the ground station 3B. Thereby, the encryption key sharing system 1 can share the key K1 between the low orbit satellite 3A and the ground station 3B. As a result, as shown in FIG. 1(c), the encryption key sharing system 1 can use this key K1 as an encryption key to perform encrypted communication between the low orbit satellite 3A and the ground station 3B. .

[暗号鍵共有システムの構成]
<静止衛星>
図2~図4を参照し、暗号鍵共有システム1の構成について説明する。なお、図2では、静止衛星2と低軌道衛星3Aとの組を暗号鍵共有サブシステム10として抜粋した。
図2に示すように、静止衛星2は、見通し通信部20と、鍵管理部21と、データ通信部22とを備える。
[Configuration of encryption key sharing system]
<Geostationary satellite>
The configuration of the encryption key sharing system 1 will be explained with reference to FIGS. 2 to 4. In FIG. 2, a combination of the geostationary satellite 2 and the low orbit satellite 3A is extracted as the cryptographic key sharing subsystem 10.
As shown in FIG. 2, the geostationary satellite 2 includes a line-of-sight communication section 20, a key management section 21, and a data communication section 22.

見通し通信部20は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、第1暗号鍵及び第2暗号鍵を共有する一般的なものである。本実施形態では、見通し通信部20は、低軌道衛星3Aとの間で鍵Kを共有し、地上局3Bとの間で鍵Kを共有する。また、見通し通信部20は、受信光学部200と、鍵蒸留部210と、通信路状態モニタリング部220とを備える。 The line-of-sight communication unit 20 is a general unit that shares a first encryption key and a second encryption key using line-of-sight communication quantum key distribution or physical layer cryptography. In this embodiment, the line-of-sight communication unit 20 shares a key K1 with the low orbit satellite 3A, and shares a key K2 with the ground station 3B. Further, the line-of-sight communication section 20 includes a reception optical section 200, a key distillation section 210, and a communication channel state monitoring section 220.

受信光学部200は、見通し通信路4を介して、送信光学部300から光信号40を受信し、受信した光信号40から乱数ビットを復号する。図3(a)に示すように、受信光学部200は、光信号40を受光する受光部201と、光信号を電気信号に変換する光電気202と、電気信号を復号する復号部203とを備える。 The receiving optical section 200 receives the optical signal 40 from the transmitting optical section 300 via the line-of-sight channel 4, and decodes random number bits from the received optical signal 40. As shown in FIG. 3A, the receiving optical unit 200 includes a light receiving unit 201 that receives an optical signal 40, an opto-electrical unit 202 that converts the optical signal into an electrical signal, and a decoding unit 203 that decodes the electrical signal. Be prepared.

鍵蒸留部210は、認証付き公開通信路5を介した鍵蒸留処理により、受信光学部200の乱数ビット系列から暗号鍵を生成する。本実施形態では、鍵蒸留部210は、鍵蒸留処理により鍵K,Kを生成し、生成した鍵K,Kを鍵管理部21に出力する。 The key distillation unit 210 generates an encryption key from the random number bit sequence of the receiving optical unit 200 by key distillation processing via the authenticated public communication channel 5. In this embodiment, the key distillation unit 210 generates keys K 1 and K 2 by key distillation processing, and outputs the generated keys K 1 and K 2 to the key management unit 21 .

なお、鍵蒸留処理とは、受信光学部200及び送信光学部300のビット列から相等しく安全な暗号鍵を生成するために、認証付き公開通信路5で情報を交換しながら実施する処理のことである。この鍵蒸留処理自体は、一般的なものであるため、これ以上の説明を省略する。 Note that the key distillation process is a process performed while exchanging information over the authenticated public communication channel 5 in order to generate equally secure encryption keys from the bit strings of the receiving optical unit 200 and the transmitting optical unit 300. be. Since this key distillation process itself is common, further explanation will be omitted.

通信路状態モニタリング部220は、見通し通信路4の状態(例えば、図4の大気ゆらぎ42)を測定する一般的なものである。ここで、通信路状態モニタリング部220は、後記する通信路状態モニタリング部320が照射した十分な強度のレーザビーム(プローブ光41)を観測することで、見通し通信路4の状態を測定する。また、通信路状態モニタリング部220は、プローブ光を通信路状態モニタリング部320に照射してもよい。 The channel condition monitoring unit 220 is a general unit that measures the condition of the line-of-sight channel 4 (for example, the atmospheric fluctuation 42 in FIG. 4). Here, the communication channel state monitoring unit 220 measures the state of the line-of-sight communication channel 4 by observing a sufficiently intense laser beam (probe light 41) irradiated by a communication channel state monitoring unit 320, which will be described later. Further, the communication channel state monitoring section 220 may irradiate the communication channel state monitoring section 320 with probe light.

鍵管理部21は、第1暗号鍵と第2暗号鍵との排他的論理和の計算データを求める。本実施形態では、鍵管理部21は、鍵蒸留部210から入力された鍵K,Kを記憶し、鍵K,Kの排他的論理和を計算する。そして、鍵管理部21は、その計算結果である計算データαをデータ通信部22に出力する。 The key management unit 21 obtains calculation data for the exclusive OR of the first encryption key and the second encryption key. In this embodiment, the key management unit 21 stores the keys K 1 and K 2 input from the key distillation unit 210, and calculates the exclusive OR of the keys K 1 and K 2 . Then, the key management unit 21 outputs calculation data α, which is the calculation result, to the data communication unit 22.

データ通信部22は、認証付き公開通信路5を介して、鍵管理部21が求めた計算データαを第2ノード(地上局3B)に送信する。 The data communication unit 22 transmits the calculation data α obtained by the key management unit 21 to the second node (ground station 3B) via the authenticated public communication channel 5.

<低軌道衛星>
図2に示すように、低軌道衛星3Aは、見通し通信部30と、鍵管理部31と、データ通信部32とを備える。
<Low orbit satellite>
As shown in FIG. 2, the low orbit satellite 3A includes a line-of-sight communication section 30, a key management section 31, and a data communication section 32.

見通し通信部30は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、静止衛星2との間で第1暗号鍵(低軌道衛星3Aの鍵K)を共有する一般的なものである。また、見通し通信部30は、送信光学部300と、鍵蒸留部310と、通信路状態モニタリング部320とを備える。 The line-of-sight communication unit 30 is a general unit that shares a first encryption key (key K 1 of the low orbit satellite 3A) with the geostationary satellite 2 by line-of-sight communication quantum key distribution or physical layer cryptography. Further, the line-of-sight communication unit 30 includes a transmission optical unit 300, a key distillation unit 310, and a communication path status monitoring unit 320.

送信光学部300は、乱数ビットを光信号40に符号化し、見通し通信路4を介して、符号化した光信号40を予め設定した強度で送信する。図3(b)に示すように、送信光学部300は、発光する発光部301と、光信号40の強度を調整する光強度調整部302と、乱数ビットを光信号40に符号化する符号化部303と、光信号40を送光する送光部304とを備える。 The transmission optical unit 300 encodes the random number bits into an optical signal 40 and transmits the encoded optical signal 40 via the line-of-sight channel 4 at a preset intensity. As shown in FIG. 3B, the transmission optical unit 300 includes a light emitting unit 301 that emits light, a light intensity adjustment unit 302 that adjusts the intensity of the optical signal 40, and an encoder that encodes random number bits into the optical signal 40. section 303 and a light transmitting section 304 that transmits the optical signal 40.

鍵蒸留部310は、認証付き公開通信路5を介した鍵蒸留処理により、送信光学部300の乱数ビット系列から第1暗号鍵(低軌道衛星3Aの鍵K)を生成する。また、鍵蒸留部310は、生成した第1暗号鍵を送信光学部300及び鍵管理部31に出力する。 The key distillation unit 310 generates a first encryption key (the key K 1 of the low orbit satellite 3A) from the random number bit sequence of the transmission optical unit 300 by a key distillation process via the authenticated public communication channel 5. Further, the key distillation unit 310 outputs the generated first encryption key to the transmission optical unit 300 and the key management unit 31.

通信路状態モニタリング部320は、プローブ光41を通信路状態モニタリング部220に照射する一般的なものである。また、通信路状態モニタリング部320は、通信路状態モニタリング部220が照射したプローブ光を観測することで、見通し通信路4の状態を測定してもよい。 The communication channel state monitoring section 320 is a general one that irradiates the communication channel state monitoring section 220 with the probe light 41. Further, the communication channel state monitoring unit 320 may measure the state of the line-of-sight communication channel 4 by observing the probe light emitted by the communication channel state monitoring unit 220.

鍵管理部31は、鍵蒸留部310から入力された鍵Kを記憶する。例えば、鍵管理部31は、図示を省略したメモリに鍵Kを記憶する。 The key management unit 31 stores the key K1 input from the key distillation unit 310. For example, the key management unit 31 stores the key K1 in a memory (not shown).

データ通信部32は、認証付き公開通信路5を介して、静止衛星2から計算データαを受信する。 The data communication unit 32 receives calculation data α from the geostationary satellite 2 via the authenticated public communication channel 5.

<地上局>
図4に示すように、地上局3Bは、低軌道衛星3Aと同様の構成であり、見通し通信部30Bと、鍵管理部31Bと、データ通信部32とを備える。なお、図4では、静止衛星2と地上局3Bとの組を暗号鍵共有サブシステム11として抜粋した。
<Ground station>
As shown in FIG. 4, the ground station 3B has the same configuration as the low orbit satellite 3A, and includes a line-of-sight communication section 30B, a key management section 31B, and a data communication section 32. In addition, in FIG. 4, the combination of the geostationary satellite 2 and the ground station 3B is extracted as the cryptographic key sharing subsystem 11.

見通し通信部30Bは、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、静止衛星2との間で第2暗号鍵(地上局3Bの鍵K)を共有する一般的なものである。また、見通し通信部30は、送信光学部300と、鍵蒸留部310Bと、通信路状態モニタリング部320とを備える。 The line-of-sight communication unit 30B is a general unit that shares a second encryption key (the key K 2 of the ground station 3B) with the geostationary satellite 2 by line-of-sight communication quantum key distribution or physical layer cryptography. Further, the line-of-sight communication section 30 includes a transmission optical section 300, a key distillation section 310B, and a communication channel state monitoring section 320.

鍵蒸留部310Bは、認証付き公開通信路5を介した鍵蒸留処理により、送信光学部300の乱数ビット系列から第2暗号鍵(地上局3Bの鍵K)を生成する。また、鍵蒸留部310は、生成した暗号鍵を送信光学部300及び鍵管理部31に出力する。 The key distillation unit 310B generates a second encryption key (key K 2 of the ground station 3B) from the random number bit sequence of the transmission optical unit 300 by key distillation processing via the authenticated public communication channel 5. Further, the key distillation section 310 outputs the generated encryption key to the transmission optical section 300 and the key management section 31.

鍵管理部31Bは、第2暗号鍵、すなわち、鍵蒸留部310Bから入力された鍵Kを記憶する。また、鍵管理部31Bは、データ通信部32が受信した計算データと第2暗号鍵との排他的論理和を計算することによって、第1暗号鍵を復号する。本実施形態では、鍵管理部31Bは、計算データαと地上局3Bの鍵Kとの排他的論理和を計算することによって、低軌道衛星3Aの鍵Kを復号する。 The key management unit 31B stores the second encryption key, that is, the key K2 input from the key distillation unit 310B. Further, the key management unit 31B decrypts the first encryption key by calculating the exclusive OR of the calculation data received by the data communication unit 32 and the second encryption key. In this embodiment, the key management unit 31B decrypts the key K1 of the low orbit satellite 3A by calculating the exclusive OR of the calculation data α and the key K2 of the ground station 3B.

[暗号鍵共有システムの動作]
図5を参照し、暗号鍵共有システム1の動作について説明する。
図5に示すように、ステップS1において、低軌道衛星3Aは、見通し通信路4により乱数ビットを静止衛星2に送信する。なお、図5のステップS1は、見通し通信路4を利用していることを表すため、太線矢印で図示した。
ステップS2において、静止衛星2及び低軌道衛星3Aは、鍵蒸留処理により安全な鍵Kを生成、共有する。
ステップS3において、低軌道衛星3Aは、鍵Kを記憶する。
ステップS4において、静止衛星2は、鍵Kを記憶する。
[Operation of encryption key sharing system]
The operation of the encryption key sharing system 1 will be explained with reference to FIG.
As shown in FIG. 5, in step S1, the low orbit satellite 3A transmits random number bits to the geostationary satellite 2 via the line-of-sight channel 4. Note that step S1 in FIG. 5 is illustrated with a thick arrow to indicate that the line-of-sight communication channel 4 is used.
In step S2, the geostationary satellite 2 and the low orbit satellite 3A generate and share a secure key K1 through key distillation processing.
In step S3, the low orbit satellite 3A stores the key K1 .
In step S4, the geostationary satellite 2 stores the key K1 .

ステップS5において、地上局3Bは、見通し通信路4により乱数ビットを静止衛星2に送信する。
ステップS6において、静止衛星2及び地上局3Bは、鍵蒸留処理により安全な鍵Kを生成、共有する。
ステップS7において、静止衛星2は、鍵Kを記憶する。
ステップS8において、地上局3Bは、鍵Kを記憶する。
In step S5, the ground station 3B transmits random number bits to the geostationary satellite 2 via the line-of-sight channel 4.
In step S6, the geostationary satellite 2 and the ground station 3B generate and share a secure key K2 by key distillation processing.
In step S7, the geostationary satellite 2 stores the key K2 .
In step S8, the ground station 3B stores the key K2 .

ステップS9において、静止衛星2は、ステップS4,S7で記憶した鍵K,Kの排他的論理和を計算データαとして求める。
ステップS10において、静止衛星2は、認証付き公開通信路5を介して、計算データαを地上局3Bに送信する。なお、静止衛星2がステップS10の処理で動作を終了するので、“×”を図示した。
ステップS11において、地上局3Bは、計算データαとステップS8で記憶した鍵Kとの排他的論理和を計算することによって、低軌道衛星3Aの鍵Kを復号する。
ステップS12において、地上局3Bは、低軌道衛星3Aの鍵Kを記憶する。
ステップS13において、地上局3Bは、鍵Kの共有完了を低軌道衛星3Aに通知する。
In step S9, the geostationary satellite 2 obtains the exclusive OR of the keys K 1 and K 2 stored in steps S4 and S7 as calculation data α.
In step S10, the geostationary satellite 2 transmits the calculation data α to the ground station 3B via the authenticated public communication channel 5. Note that an "x" is shown because the geostationary satellite 2 ends its operation in step S10.
In step S11, the ground station 3B decrypts the key K1 of the low orbit satellite 3A by calculating the exclusive OR of the calculation data α and the key K2 stored in step S8.
In step S12, the ground station 3B stores the key K1 of the low orbit satellite 3A.
In step S13, the ground station 3B notifies the low orbit satellite 3A of the completion of sharing the key K1 .

その後、暗号鍵共有システム1では、低軌道衛星3Aと地上局3Bとの間で、鍵Kを用いてデータを秘匿化して暗号通信を行うことができる。 Thereafter, in the encryption key sharing system 1, the data can be anonymized and encrypted communication can be performed between the low orbit satellite 3A and the ground station 3B using the key K1 .

[作用・効果]
以上のように、暗号鍵共有システム1は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号を利用することによって、赤道上の高度36,000kmの静止衛星2と、低軌道衛星3A又は地上局3Bとの間で暗号鍵を共有できる。ここで、暗号鍵共有システム1は、充分に長い交信時間を確保できるので、静止衛星2と低軌道衛星3A又は地上局3Bとの間で、多くの暗号鍵を共有することができる。このため、暗号鍵共有システム1は、静止衛星2を中継点として、低軌道衛星3Aと地上局3Bとの間で共有可能な暗号鍵の量を増やすことができる。
[Action/Effect]
As described above, the cryptographic key sharing system 1 uses line-of-sight quantum key distribution or physical layer cryptography to communicate between the geostationary satellite 2 at an altitude of 36,000 km above the equator and the low-orbit satellite 3A or ground station 3B. Encryption keys can be shared between users. Here, since the encryption key sharing system 1 can secure a sufficiently long communication time, many encryption keys can be shared between the geostationary satellite 2 and the low orbit satellite 3A or the ground station 3B. Therefore, the encryption key sharing system 1 can increase the amount of encryption keys that can be shared between the low orbit satellite 3A and the ground station 3B using the geostationary satellite 2 as a relay point.

すなわち、暗号鍵共有システム1は、1回の通過当り最大でも10分程度に限られていた従来技術の制約を緩和し、長時間にわたって安定的に多くの鍵を低軌道衛星3Aと地上局3Bとの間で共有できる。これによって、暗号鍵共有システム1は、地球Eの表面から静止衛星軌道までを含む広い範囲において、暗号鍵を容易に共有できる。 In other words, the encryption key sharing system 1 alleviates the limitations of the conventional technology, which was limited to about 10 minutes at most per pass, and stably shares many keys over a long period of time between the low orbit satellite 3A and the ground station 3B. can be shared between Thereby, the encryption key sharing system 1 can easily share encryption keys in a wide range including from the surface of the earth E to the orbit of a geostationary satellite.

なお、暗号鍵共有システム1では、低軌道衛星3Aが共有される暗号鍵の送り手(第1ノード)であり、地上局3Bが共有される暗号鍵の受け手(第2ノード)であることとして説明したが、これに限定されない。つまり、暗号鍵共有システム1では、低軌道衛星3Aが共有される暗号鍵の受け手であり、地上局3Bが共有される暗号鍵の送り手であってもよい。 In addition, in the encryption key sharing system 1, the low orbit satellite 3A is the sender (first node) of the shared encryption key, and the ground station 3B is the receiver (second node) of the shared encryption key. Although described above, the invention is not limited thereto. That is, in the encryption key sharing system 1, the low orbit satellite 3A may be the recipient of the shared encryption key, and the ground station 3B may be the sender of the shared encryption key.

(第2実施形態)
[暗号鍵共有システムの概要]
図6を参照し、第2実施形態に係る暗号鍵共有システム1Bの概要について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図6(a)に示すように、暗号鍵共有システム1Bは、共有される暗号鍵の受け手として、図1の地上局3Bの代わりに低軌道衛星3Dを備える点が、第1実施形態と異なる。つまり、暗号鍵共有システム1Bは、静止衛星2と、低軌道衛星3Cと、低軌道衛星3Dとを備える。
(Second embodiment)
[Overview of encryption key sharing system]
With reference to FIG. 6, an outline of an encryption key sharing system 1B according to the second embodiment will be explained, and the points that are different from the first embodiment will be described.
As shown in FIG. 6(a), the encryption key sharing system 1B differs from the first embodiment in that it includes a low orbit satellite 3D instead of the ground station 3B in FIG. 1 as a recipient of the shared encryption key. . That is, the encryption key sharing system 1B includes a geostationary satellite 2, a low orbit satellite 3C, and a low orbit satellite 3D.

ここで、低軌道衛星3Cの暗号鍵を鍵Kとし、低軌道衛星3Dの暗号鍵を鍵Kと記載する。なお、暗号鍵共有システム1Bでの暗号通信は、鍵Kの代わりに鍵Kを利用し、鍵Kの代わりに鍵Kを利用する以外、第1実施形態と同様なので、説明を省略する。また、低軌道衛星3Cの構成は図2の低軌道衛星3Aと同様であり、低軌道衛星3Dの構成は図4の地上局3Bと同様のため、説明を省略する。 Here, the encryption key for the low orbit satellite 3C is referred to as a key K3 , and the encryption key for the low orbit satellite 3D is referred to as a key K4 . Note that the encrypted communication in the encryption key sharing system 1B is the same as in the first embodiment except that the key K 3 is used instead of the key K 1 and the key K 4 is used instead of the key K 2 , so the explanation will be omitted. Omitted. Further, the configuration of the low orbit satellite 3C is the same as the low orbit satellite 3A in FIG. 2, and the configuration of the low orbit satellite 3D is the same as the ground station 3B in FIG. 4, so a description thereof will be omitted.

[暗号鍵共有システムの動作]
図7を参照し、暗号鍵共有システム1Bの動作について説明する。
なお、図7では、静止衛星2と低軌道衛星3Dとの組を暗号鍵共有サブシステム10Bとして図示した。
[Operation of encryption key sharing system]
The operation of the encryption key sharing system 1B will be explained with reference to FIG.
In addition, in FIG. 7, the set of the geostationary satellite 2 and the low orbit satellite 3D is illustrated as the encryption key sharing subsystem 10B.

図7に示すように、ステップS20において、低軌道衛星3Cは、見通し通信路4により乱数ビットを静止衛星2に送信する。
ステップS21において、静止衛星2及び低軌道衛星3Cは、鍵蒸留処理により安全な鍵Kを生成、共有する。
ステップS22において、低軌道衛星3Cは、鍵Kを記憶する。
ステップS23において、静止衛星2は、鍵Kを記憶する。
As shown in FIG. 7, in step S20, the low orbit satellite 3C transmits random number bits to the geostationary satellite 2 via the line-of-sight channel 4.
In step S21, the geostationary satellite 2 and the low orbit satellite 3C generate and share a secure key K3 through key distillation processing.
In step S22, the low orbit satellite 3C stores the key K3 .
In step S23, the geostationary satellite 2 stores the key K3 .

ステップS24において、低軌道衛星3Dは、見通し通信路4により乱数ビットを静止衛星2に送信する。
ステップS25において、静止衛星2及び低軌道衛星3Dは、鍵蒸留処理により安全な鍵Kを生成、共有する。
ステップS26において、静止衛星2は、鍵Kを記憶する。
ステップS27において、低軌道衛星3Dは、鍵Kを記憶する。
In step S24, the low orbit satellite 3D transmits random number bits to the geostationary satellite 2 via the line-of-sight channel 4.
In step S25, the geostationary satellite 2 and the low orbit satellite 3D generate and share a secure key K4 through key distillation processing.
In step S26, the geostationary satellite 2 stores the key K4 .
In step S27, the low orbit satellite 3D stores the key K4 .

ステップS28において、静止衛星2は、ステップS23,S26で記憶した鍵K,Kの排他的論理和を計算データαとして求める。
ステップS29において、静止衛星2は、認証付き公開通信路5を介して、計算データαを低軌道衛星3Dに送信する。
ステップS30において、低軌道衛星3Dは、計算データαとステップS27で記憶した鍵Kとの排他的論理和を求め、低軌道衛星3Cの鍵Kを復号する。
ステップS31において、低軌道衛星3Dは、低軌道衛星3Cの鍵Kを記憶する。
ステップS32において、低軌道衛星3Dは、鍵Kの共有完了を低軌道衛星3Cに通知する。
In step S28, the geostationary satellite 2 obtains the exclusive OR of the keys K 3 and K 4 stored in steps S23 and S26 as calculation data α.
In step S29, the geostationary satellite 2 transmits the calculation data α to the low orbit satellite 3D via the authenticated public communication channel 5.
In step S30, the low orbit satellite 3D calculates the exclusive OR of the calculation data α and the key K4 stored in step S27, and decrypts the key K3 of the low orbit satellite 3C.
In step S31, the low orbit satellite 3D stores the key K3 of the low orbit satellite 3C.
In step S32, the low orbit satellite 3D notifies the low orbit satellite 3C of the completion of sharing the key K3 .

その後、暗号鍵共有システム1Bでは、鍵Kを暗号鍵として用いて、低軌道衛星3C,3Dの間で暗号通信を行うことができる。 Thereafter, the encryption key sharing system 1B can perform encrypted communication between the low orbit satellites 3C and 3D using the key K3 as an encryption key.

[作用・効果]
以上のように、暗号鍵共有システム1Bは、距離の離れた2機の低軌道衛星3C,3Dの間で、多量の暗号鍵を共有できる。すなわち、暗号鍵共有システム1Bは、通信成立条件が限定的であった低軌道衛星3C,3Dの間でも安定的に暗号鍵を共有できる。これにより、暗号鍵共有システム1Bは、多くの低軌道衛星間で暗号鍵を共有でき、衛星コンステレーション上での大容量の秘匿通信が可能となる。
[Action/Effect]
As described above, the encryption key sharing system 1B can share a large amount of encryption keys between the two low-orbit satellites 3C and 3D that are far apart. That is, the encryption key sharing system 1B can stably share encryption keys even between the low orbit satellites 3C and 3D, which have limited communication establishment conditions. As a result, the cryptographic key sharing system 1B can share cryptographic keys among many low orbit satellites, making it possible to perform large-capacity confidential communications on the satellite constellation.

(第3実施形態)
[暗号鍵共有システムの概要]
図8を参照し、第3実施形態に係る暗号鍵共有システム1Cの概要について説明する。
図8に示すように、暗号鍵共有システム1Cは、前記した暗号鍵共有サブシステム11Bを組み合わせたものである。なお、低軌道衛星3Aは、暗号鍵共有サブシステム11Bで共用することとする。また、図8では、図面を見やすくするため、2機の静止衛星2(2A,2B)の図示を省略した。
(Third embodiment)
[Overview of encryption key sharing system]
With reference to FIG. 8, an overview of an encryption key sharing system 1C according to the third embodiment will be described.
As shown in FIG. 8, the encryption key sharing system 1C is a combination of the above-mentioned encryption key sharing subsystem 11B. Note that the low orbit satellite 3A is shared by the encryption key sharing subsystem 11B. Furthermore, in FIG. 8, illustration of the two geostationary satellites 2 (2A, 2B) is omitted to make the drawing easier to read.

つまり、暗号鍵共有システム1Cでは、図8(a)に示すように、まず低軌道衛星3Aと地上局3Bとの間で静止衛星2Aを介して鍵Kを共有し、次に低軌道衛星3A,3Cの間で静止衛星2Bを介して鍵Kを共有する。これによって、暗号鍵共有システム1Cは、図8(b)に示すように、鍵Kを用いて、所望の送信データS(例えば、センサによる観測データ)を低軌道衛星3Cから低軌道衛星3Aまで秘匿送信する。次に、暗号鍵共有システム1Cは、鍵Kを用いて、送信データSを低軌道衛星3Aから地上局3Bまで秘匿送信できる。 That is, in the cryptographic key sharing system 1C, as shown in FIG. 8(a), the key K1 is first shared between the low orbit satellite 3A and the ground station 3B via the geostationary satellite 2A, The key K3 is shared between 3A and 3C via the geostationary satellite 2B. As a result, as shown in FIG. 8(b), the encryption key sharing system 1C uses the key K3 to transmit desired transmission data S (for example, observation data by a sensor) from the low orbit satellite 3C to the low orbit satellite 3A. Send confidentially to Next, the encryption key sharing system 1C can secretly transmit the transmission data S from the low orbit satellite 3A to the ground station 3B using the key K1 .

[暗号鍵共有システムの動作]
図9,図10を参照し、暗号鍵共有システム1Cの動作について説明する。
ステップS20,S21の処理は、図7と同様のため、説明を省略する。
ステップS1,S2の処理は、図5と同様のため、説明を省略する。
[Operation of encryption key sharing system]
The operation of the encryption key sharing system 1C will be explained with reference to FIGS. 9 and 10.
The processing in steps S20 and S21 is the same as that in FIG. 7, so a description thereof will be omitted.
The processing in steps S1 and S2 is the same as that in FIG. 5, so a description thereof will be omitted.

ステップS22~S32の処理は、図7と同様のため、説明を省略する。なお、図9,図10では、鍵K,Kの排他的論理和で求めた計算データをαとして図示した。
ステップS3~S13の処理は、図5と同様のため、説明を省略する。なお、鍵K,Kの排他的論理和で求めた計算データをαとして図示した。
The processing in steps S22 to S32 is the same as that in FIG. 7, so a description thereof will be omitted. In addition, in FIG. 9 and FIG. 10, the calculation data obtained by the exclusive OR of the keys K 3 and K 4 is shown as α 1 .
The processing in steps S3 to S13 is the same as that in FIG. 5, so a description thereof will be omitted. Note that the calculation data obtained by the exclusive OR of the keys K 1 and K 2 is shown as α 2 .

ステップS33において、低軌道衛星3Cは、送信データSと鍵Kとの排他的論理和で秘匿化データβを求める。
ステップS34において、低軌道衛星3Cは、秘匿化データβを低軌道衛星3Aに送信する。
In step S33, the low orbit satellite 3C obtains anonymized data β1 by exclusive ORing the transmission data S and the key K3 .
In step S34, the low orbit satellite 3C transmits the concealed data β1 to the low orbit satellite 3A.

ステップS35において、低軌道衛星3Aは、秘匿化データβとステップS31で記憶した鍵Kとの排他的論理和を求め、送信データSを復号する。さらに、低軌道衛星3Aは、送信データSと鍵Kとの排他的論理和で秘匿化データβを求める。 In step S35, the low orbit satellite 3A calculates the exclusive OR of the anonymized data β 1 and the key K 3 stored in step S31, and decrypts the transmission data S. Furthermore, the low orbit satellite 3A obtains anonymized data β 2 by exclusive ORing the transmission data S and the key K 1 .

ステップS36において、低軌道衛星3Aは、秘匿化データβを地上局3Bに送信する。
ステップS37において、地上局3Bは、秘匿化データβとステップS12で記憶した鍵Kとの排他的論理和を求め、送信データSを復号する。
In step S36, the low orbit satellite 3A transmits the concealed data β2 to the ground station 3B.
In step S37, the ground station 3B calculates the exclusive OR of the anonymized data β 2 and the key K 1 stored in step S12, and decrypts the transmission data S.

[作用・効果]
このように、暗号鍵共有システム1Cでは、2つの低軌道衛星3A,3C及び地上局3Bの間で安定的に鍵を共有できるので、衛星コンステレーションと地上局3Bとの間で大容量の秘匿通信が可能となる。その結果、暗号鍵共有システム1Cでは、観測・監視衛星上の大量のセンサデータを秘匿に地上局へ送信できる。すなわち、暗号鍵共有システム1Cでは、暗号通信によるデータ中継を低軌道衛星コンステレーション上で行うことで、地上局3Bに安全なデータ通信を行うことができる。
[Action/Effect]
In this way, in the cryptographic key sharing system 1C, keys can be stably shared between the two low orbit satellites 3A and 3C and the ground station 3B, so a large amount of secrecy can be achieved between the satellite constellation and the ground station 3B. Communication becomes possible. As a result, the encryption key sharing system 1C can secretly transmit a large amount of sensor data on the observation/monitoring satellite to the ground station. That is, in the encryption key sharing system 1C, safe data communication can be performed to the ground station 3B by relaying data using encryption communication on the low orbit satellite constellation.

さらに、暗号鍵共有システム1Cでは、衛星コンステレーション上において、光通信を用いることでRF通信よりも高速でデータ中継を行うことができる。
また、暗号鍵共有システム1Cでは、低軌道衛星3A,3Cと地上局3Bとの間において、気象条件の影響を受けにくいRF通信を行うことで、可用性の高いデータダウンリンクを実現できる。
Furthermore, in the encryption key sharing system 1C, by using optical communication on the satellite constellation, data can be relayed at a higher speed than RF communication.
Furthermore, in the encryption key sharing system 1C, a highly available data downlink can be realized by performing RF communication that is less susceptible to weather conditions between the low orbit satellites 3A, 3C and the ground station 3B.

なお、暗号鍵共有システム1Cでは、低軌道衛星の台数を3機以上に増やすこともできる。また、図9,図10では、暗号鍵共有サブシステム11Bそれぞれの静止衛星2A,2Bを図示したが、1機の静止衛星2を共用してもよい。 Note that in the encryption key sharing system 1C, the number of low orbit satellites can be increased to three or more. Further, although FIGS. 9 and 10 illustrate the geostationary satellites 2A and 2B of the cryptographic key sharing subsystem 11B, one geostationary satellite 2 may be shared.

(第4実施形態)
[暗号鍵共有システムの概要]
図11を参照し、第4実施形態に係る暗号鍵共有システム1Dの概要について説明する。
この暗号鍵共有システム1Dは、図8の暗号鍵共有システム1Cによる鍵共有をさらに応用したものである。図11に示すように、暗号鍵共有システム1Dは、静止衛星2と、1機の第1ノード(ノード3)と、n-1機でグループを構成する第2ノード(ノード3~3)とを備える(但し、nは2以上の自然数)。本実施形態では、ノード3が低軌道衛星であり、ノード3が地上局であり、ノード3が海上局であり、ノード3が航空局であることとする。なお、ノード3の構成は、同一であることとする(図2,図4参照)。
(Fourth embodiment)
[Overview of encryption key sharing system]
An overview of the encryption key sharing system 1D according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. 11.
This cryptographic key sharing system 1D is a further application of the key sharing performed by the cryptographic key sharing system 1C shown in FIG. As shown in FIG. 11, the encryption key sharing system 1D includes a geostationary satellite 2, one first node (node 3 1 ), and second nodes (nodes 3 2 to 3 n ) (where n is a natural number of 2 or more). In this embodiment, it is assumed that the node 3 1 is a low orbit satellite, the node 3 2 is a ground station, the node 3 3 is a maritime station, and the node 3 n is an air station. Note that the configurations of the nodes 3 are assumed to be the same (see FIGS. 2 and 4).

海上局とは、海上に配置されたノード3である。例えば、海上局は、海上の所定位置に固定された固定局、又は、移動する船舶などに搭載された移動局である。
航空局とは、飛行機や気球に搭載されたノード3である。
A sea station is a node 3 located on the sea. For example, the marine station is a fixed station fixed at a predetermined location on the ocean, or a mobile station mounted on a moving ship or the like.
The aviation station is a node 3 mounted on an airplane or balloon.

図11(a)に示すように、暗号鍵共有システム1Dは、静止衛星2とノード3~3との間で、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、ノード3~3の鍵K~Kをそれぞれ共有する。 As shown in FIG . 11(a), the cryptographic key sharing system 1D uses line-of-sight communication quantum key distribution or physical layer encryption between the geostationary satellite 2 and the nodes 3 1 to 3 n . Each of the keys K 1 to K n is shared.

次に、図11(b)に示すように、暗号鍵共有システム1Dは、静止衛星2において、乱数Rを生成し、生成した乱数Rをn-1個複製する。また、暗号鍵共有システム1Dは、それぞれの乱数Rを鍵K~Kで秘匿化(例えば、ワンタイムパッド暗号化)し、グループを構成するノード3~3に送信する。ノード3~3は、乱数Rをグループ鍵として共有する。 Next, as shown in FIG. 11(b), the encryption key sharing system 1D generates a random number R and copies n-1 copies of the generated random number R on the geostationary satellite 2. Further, the encryption key sharing system 1D encrypts each random number R using keys K 2 to K n (for example, one-time pad encryption) and transmits it to the nodes 3 2 to 3 n forming the group. Nodes 3 2 to 3 n share random number R as a group key.

次に、図11(c)に示すように、暗号鍵共有システム1Dは、ノード3において、送信データSを鍵Kで秘匿化(例えば、ワンタイムパッド暗号化)し、静止衛星2に送信する。また、暗号鍵共有システム1Dは、静止衛星2において、受信した送信データSを復号した後、グループ鍵Rで秘匿化し、ノード3~3にマルチキャストで送信する。 Next, as shown in FIG. 11(c), the encryption key sharing system 1D encrypts the transmission data S with the key K1 (for example, one-time pad encryption) at the node 31 , and sends it to the geostationary satellite 2. Send. Further, the cryptographic key sharing system 1D decrypts the received transmission data S on the geostationary satellite 2, anonymizes it using the group key R, and transmits it to the nodes 3 2 to 3 n by multicast.

[暗号鍵共有システムの動作]
図12,図13を参照し、暗号鍵共有システム1Dの動作について説明する。
ステップS40~S43の処理は、及び、ステップS44~S47の処理は、それぞれ、図5のステップS1~S4と同様のため、説明を省略する。
[Operation of encryption key sharing system]
The operation of the encryption key sharing system 1D will be explained with reference to FIGS. 12 and 13.
The processing in steps S40 to S43 and the processing in steps S44 to S47 are the same as steps S1 to S4 in FIG. 5, respectively, so their explanations will be omitted.

ステップS48において、静止衛星2の鍵管理部21は、グループ鍵Rを乱数で生成する。
ステップS49において、静止衛星2の鍵管理部21は、生成したグループ鍵Rとノード3の鍵Kとの排他的論理和で計算データαを求める。
ステップS50において、静止衛星2は、認証付き公開通信路5を介して、計算データαをノード3に送信する。
In step S48, the key management unit 21 of the geostationary satellite 2 generates a group key R using a random number.
In step S49, the key management unit 21 of the geostationary satellite 2 obtains calculation data α n using the exclusive OR of the generated group key R and the key K n of the node 3 n .
In step S50, the geostationary satellite 2 transmits the calculation data α n to the node 3 n via the authenticated public communication channel 5.

ステップS51において、ノード3は、計算データαとステップS47で記憶した鍵Kとの排他的論理和を求め、グループ鍵Rを復号する。
ステップS52において、ノード3は、グループ鍵Rの共有完了を静止衛星2に通知する。
In step S51, the node 3 n calculates the exclusive OR of the calculation data α n and the key K n stored in step S47, and decrypts the group key R.
In step S52, the node 3n notifies the geostationary satellite 2 of the completion of sharing the group key R.

ステップS53において、ノード3は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、鍵Kで送信データSを秘匿化する。なお、鍵Kで秘匿化した送信データSを秘匿化データβとする。
ステップS54において、ノード3は、認証付き公開通信路5を介して、秘匿化データβを静止衛星2に送信する。
In step S53, the node 31 conceals the transmission data S using the key K1 using line-of-sight quantum key distribution or physical layer cryptography. Note that the transmission data S anonymized using the key K1 is assumed to be anonymized data β3 .
In step S54, the node 31 transmits the anonymized data β3 to the geostationary satellite 2 via the authenticated public communication channel 5.

ステップS55において、静止衛星2の鍵管理部21は、秘匿化データβとステップS43で記憶した鍵Kとの排他的論理和を求め、送信データSを復号する。さらに、静止衛星2の鍵管理部21は、送信データSとステップS48で記憶したグループ鍵Rとの排他的論理和で秘匿化データβを求める。 In step S55, the key management unit 21 of the geostationary satellite 2 calculates the exclusive OR of the anonymized data β 3 and the key K 1 stored in step S43, and decrypts the transmission data S. Further, the key management unit 21 of the geostationary satellite 2 obtains anonymized data β 4 by exclusive ORing the transmission data S and the group key R stored in step S48.

ステップS56において、静止衛星2は、認証付き公開通信路5を介して、秘匿化データβをノード3に送信する。
ステップS57において、ノード3は、計算データαとグループ鍵Rとの排他的論理和を求め、送信データSを復号する。
In step S56, the geostationary satellite 2 transmits the anonymized data β 4 to the node 3 n via the authenticated public communication channel 5.
In step S57, the node 3 n calculates the exclusive OR of the calculation data α n and the group key R, and decrypts the transmission data S.

[作用・効果]
以上のように、暗号鍵共有システム1Dは、第1実施形態と同様、暗号鍵を共有可能な距離が長く、多量の暗号鍵を共有できる。さらに、暗号鍵共有システム1Dは、ノード3が有する送信データSをノード3~3で安全に共有できる。
[Action/Effect]
As described above, similarly to the first embodiment, the encryption key sharing system 1D has a long distance over which encryption keys can be shared, and can share a large amount of encryption keys. Furthermore, the encryption key sharing system 1D can safely share the transmission data S possessed by the node 3 1 among the nodes 3 2 to 3 n .

(第5実施形態)
[暗号鍵共有システムの概要]
図14を参照し、第5実施形態に係る暗号鍵共有システム1Eについて説明する。
図14に示すように、暗号鍵共有システム1Eは、3機の静止衛星2(2A,2C,2B)を中継することで、全地球規模で鍵共有を実現したものである。具体的には、暗号鍵共有システム1Eは、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって地上局3E,3Fの間を複数の静止衛星2A,2C,22Bで中継し、静止衛星2A~2Cの間でも鍵Kを秘匿化して送受信するための鍵鍵K,Kを共有することで、地上局3Fにおいて、鍵Kを復号する。
(Fifth embodiment)
[Overview of encryption key sharing system]
Referring to FIG. 14, an encryption key sharing system 1E according to the fifth embodiment will be described.
As shown in FIG. 14, the encryption key sharing system 1E realizes key sharing on a global scale by relaying three geostationary satellites 2 (2A, 2C, 2B). Specifically, the cryptographic key sharing system 1E uses a plurality of geostationary satellites 2A, 2C, and 22B to relay between the ground stations 3E and 3F using line-of-sight quantum key distribution or physical layer cryptography, and transmits data between the geostationary satellites 2A to 2C. However, by sharing the keys K 2 and K 3 for transmitting and receiving the key K 1 in secret, the key K 1 is decrypted at the ground station 3F.

地球Eの反対側に位置する地上局3E,3Fの間では、海底光ケーブルを介した通信が必要となるが、中継増幅器を備えているために光の量子状態が破壊されてしまい、量子鍵配送が機能しない。また、量子中継器が実現できれば、海底光ケーブルを介した鍵共有が可能になるが、量子中継器の実用化時期は見通せていない。 Communication between ground stations 3E and 3F, which are located on opposite sides of Earth E, is required via submarine optical cables, but because they are equipped with repeater amplifiers, the quantum state of light is destroyed and quantum key distribution is not possible. doesn't work. Additionally, if quantum repeaters can be realized, it will be possible to share keys via submarine optical cables, but it is unclear when quantum repeaters will be put into practical use.

そこで、暗号鍵共有システム1Eは、中継用の静止衛星2Cをさらに配置し、第3実施形態と同様、2つの暗号鍵共有システム1を組み合わせることで、全地球規模で鍵共有を実現している。図14に示すように、暗号鍵共有システム1Eは、静止衛星2A~2Cと、地上局3E,3Fとを備える。 Therefore, the encryption key sharing system 1E further arranges a relaying geostationary satellite 2C, and as in the third embodiment, by combining the two encryption key sharing systems 1, key sharing is realized on a global scale. . As shown in FIG. 14, the encryption key sharing system 1E includes geostationary satellites 2A to 2C and ground stations 3E and 3F.

[暗号鍵共有システムの構成]
図15を参照し、暗号鍵共有システム1Eの構成について説明する。なお、図15では、中継用の静止衛星2Cと静止衛星2A,2Bとの組を暗号鍵共有サブシステム12として抜粋した。なお、地上局3E,3Fの構成は、図4の地上局3Bと同様のため、説明を省略する。
[Configuration of encryption key sharing system]
The configuration of the encryption key sharing system 1E will be described with reference to FIG. 15. In addition, in FIG. 15, a set of the relay geostationary satellite 2C and the geostationary satellites 2A and 2B is extracted as the encryption key sharing subsystem 12. Note that the configurations of the ground stations 3E and 3F are similar to the ground station 3B in FIG. 4, and therefore the description thereof will be omitted.

<中継用の静止衛星>
図15に示すように、静止衛星2Cは、図4の地上局3Bと同様の構成であり、見通し通信部30Eと、鍵管理部31Bと、データ通信部32とを備える。
また、見通し通信部30Eは、送信光学部300と、鍵蒸留部310Bと、通信路状態モニタリング部320Eとを備える。
<Geostationary satellite for relay>
As shown in FIG. 15, the geostationary satellite 2C has the same configuration as the ground station 3B in FIG. 4, and includes a line-of-sight communication section 30E, a key management section 31B, and a data communication section 32.
Further, the line-of-sight communication section 30E includes a transmission optical section 300, a key distillation section 310B, and a communication channel state monitoring section 320E.

通信路状態モニタリング部320Eは、プローブ光41を通信路状態モニタリング部220に照射する一般的なものである。また、通信路状態モニタリング部320Eは、通信路状態モニタリング部220Eが照射したプローブ光41Eを観測することで、見通し通信路4の状態を測定する。 The communication path state monitoring section 320E is a general one that irradiates the communication path state monitoring section 220 with the probe light 41. Further, the communication channel state monitoring unit 320E measures the state of the line-of-sight communication channel 4 by observing the probe light 41E emitted by the communication channel state monitoring unit 220E.

<静止衛星>
図15に示すように、静止衛星2A,2Bは、図2の静止衛星2と同様の構成であり、見通し通信部20Eと、鍵管理部21と、データ通信部22とを備える。
また、見通し通信部30Eは、受信光学部200と、鍵蒸留部210と、通信路状態モニタリング部220Eとを備える。
<Geostationary satellite>
As shown in FIG. 15, the geostationary satellites 2A and 2B have the same configuration as the geostationary satellite 2 in FIG. 2, and include a line-of-sight communication section 20E, a key management section 21, and a data communication section 22.
Further, the line-of-sight communication section 30E includes a reception optical section 200, a key distillation section 210, and a communication channel state monitoring section 220E.

通信路状態モニタリング部220Eは、プローブ光41Eを通信路状態モニタリング部320Eに照射する一般的なものである。また、通信路状態モニタリング部220Eは、通信路状態モニタリング部220Eが照射したプローブ光41を観測することで、見通し通信路4の状態を測定する。 The communication channel state monitoring section 220E is a general one that irradiates the communication channel state monitoring section 320E with the probe light 41E. Furthermore, the communication channel state monitoring unit 220E measures the state of the line-of-sight communication channel 4 by observing the probe light 41 irradiated by the communication channel state monitoring unit 220E.

[暗号鍵共有システムの動作]
図16を参照し、暗号鍵共有システム1Eの動作について説明する。
図16に示すように、ステップS60において、静止衛星2Cは、見通し通信路4により乱数ビットを静止衛星2Aに送信する。
ステップS61において、静止衛星2A,2Cは、鍵蒸留処理により安全な鍵Kを生成、共有する。
ステップS62において、静止衛星2Aは、鍵Kを記憶する。
ステップS63において、静止衛星2Cは、鍵Kを記憶する。
[Operation of encryption key sharing system]
The operation of the encryption key sharing system 1E will be explained with reference to FIG. 16.
As shown in FIG. 16, in step S60, the geostationary satellite 2C transmits random number bits to the geostationary satellite 2A via the line-of-sight channel 4.
In step S61, the geostationary satellites 2A and 2C generate and share a safe key K2 through key distillation processing.
In step S62, the geostationary satellite 2A stores the key K2 .
In step S63, the geostationary satellite 2C stores the key K2 .

ステップS64において、地上局3Fは、見通し通信路4により乱数ビットを静止衛星2Bに送信する。
ステップS65において、静止衛星2B及び地上局3Fは、鍵蒸留処理により安全な鍵Kを生成、共有する。
ステップS66において、静止衛星2Bは、鍵Kを記憶する。
ステップS67において、地上局3Fは、鍵Kを記憶する。
In step S64, the ground station 3F transmits random number bits to the geostationary satellite 2B via the line-of-sight channel 4.
In step S65, the geostationary satellite 2B and the ground station 3F generate and share a secure key K4 through key distillation processing.
In step S66, the geostationary satellite 2B stores the key K4 .
In step S67, the ground station 3F stores the key K4 .

ステップS68~S71の処理は、ステップS64~S67の処理と同様のため、説明を省略する。なお、静止衛星2Aと地上局3Eとの間で共有する暗号鍵を鍵Kとする。
ステップS72~S75の処理は、ステップS60~S62の処理と同様のため、説明を省略する。なお、静止衛星2B,2Cの間で共有する暗号鍵を鍵Kとする。
The processing in steps S68 to S71 is similar to the processing in steps S64 to S67, so the description thereof will be omitted. Note that the encryption key shared between the geostationary satellite 2A and the ground station 3E is key K1 .
The processing in steps S72 to S75 is similar to the processing in steps S60 to S62, so the description thereof will be omitted. Note that the encryption key shared between the geostationary satellites 2B and 2C is key K3 .

ステップS76において、静止衛星2Aは、ステップS62,S71で記憶した鍵K,Kの排他的論理和を計算データKとして求める。
ステップS77において、静止衛星2Aは、認証付き公開通信路5を介して、計算データKを静止衛星2Cに送信する。
In step S76, the geostationary satellite 2A obtains the exclusive OR of the keys K 1 and K 2 stored in steps S62 and S71 as calculation data K A.
In step S77, the geostationary satellite 2A transmits the calculation data KA to the geostationary satellite 2C via the authenticated public communication channel 5.

ステップS78において、静止衛星2Cは、計算データKとステップS63で記憶した鍵Kとの排他的論理和を計算することによって、地上局3Eの鍵Kを復号する。さらに、静止衛星2Cは、鍵KとステップS74で記憶した鍵Kの排他的論理和を計算データKとして求める。
ステップS79において、静止衛星2Cは、認証付き公開通信路5を介して、計算データKを静止衛星2Bに送信する。
In step S78, the geostationary satellite 2C decrypts the key K1 of the ground station 3E by calculating the exclusive OR of the calculation data KA and the key K2 stored in step S63. Furthermore, the geostationary satellite 2C obtains the exclusive OR of the key K1 and the key K3 stored in step S74 as calculation data KB .
In step S79, the geostationary satellite 2C transmits the calculation data KB to the geostationary satellite 2B via the authenticated public communication channel 5.

ステップS80において、静止衛星2Bは、計算データKとステップS75で記憶した鍵Kとの排他的論理和を計算することによって、地上局3Eの鍵Kを復号する。さらに、静止衛星2Cは、鍵KとステップS66で記憶した鍵Kの排他的論理和を計算データKとして求める。
ステップS81において、静止衛星2Bは、認証付き公開通信路5を介して、計算データKを地上局3Fに送信する。
In step S80, the geostationary satellite 2B decrypts the key K1 of the ground station 3E by calculating the exclusive OR of the calculation data KB and the key K3 stored in step S75. Furthermore, the geostationary satellite 2C obtains the exclusive OR of the key K1 and the key K4 stored in step S66 as calculation data K.sub.C.
In step S81, the geostationary satellite 2B transmits the calculation data KC to the ground station 3F via the authenticated public communication channel 5.

ステップS82において、地上局3Fは、計算データKとステップS67で記憶した鍵Kとの排他的論理和を計算することによって、地上局3Eの鍵Kを復号する。
ステップS83において、地上局3Fは、鍵Kを記憶する。
ステップS84において、地上局3Fは、鍵Kの共有完了を地上局3Eに通知する。
In step S82, the ground station 3F decrypts the key K1 of the ground station 3E by calculating the exclusive OR of the calculation data K C and the key K4 stored in step S67.
In step S83, the ground station 3F stores the key K1 .
In step S84, the ground station 3F notifies the ground station 3E of completion of sharing the key K1 .

[作用・効果]
以上のように、暗号鍵共有システム1Eでは、鍵K~Kを用いて、地上局3Eの鍵Kを秘匿化して3ホップでリレーすることで、地球Eの反対側に位置する地上局3Fまで送信できる。これにより、暗号鍵共有システム1Eでは、地上局3E,3Fの間で鍵Kを共有できる。低軌道衛星を暗号鍵リレーする場合に比べて、暗号鍵共有システム1Eは、地球Eの反対側にある地上局3E,3Fの間でも、はるかに安定的に大量の鍵を配送できる。
[Action/Effect]
As described above, in the cryptographic key sharing system 1E, the keys K 2 to K 4 are used to anonymize the key K 1 of the ground station 3E and relayed in three hops to the ground station located on the opposite side of the earth E. Can transmit up to station 3F. Thereby, in the cryptographic key sharing system 1E, the key K1 can be shared between the ground stations 3E and 3F. Compared to the case where cryptographic keys are relayed using low-orbit satellites, the cryptographic key sharing system 1E can distribute a large amount of keys much more stably even between the ground stations 3E and 3F on the opposite side of the earth E.

各実施形態に係る暗号鍵共有システム1~1Eによれば、様々な軌道上の衛星からなる衛星コンステレーションと、地上局、海上局、航空局などからなるグローバルネットワーク上において、特に効果を発揮する。各実施形態に係る暗号鍵共有システム1~1Dを各衛星本体に適用することで、衛星本体のTTC(Telemetry,Tracking&Control)や宇宙からの観測データ、宇宙での保管データ、宇宙経由のデータの安全な秘匿通信のための鍵共有を、打ち上げ後においてもセキュリティレベルに応じて柔軟に設定できる。さらに、機能を集約的に管理する静止衛星を用いて、様々な軌道上の衛星からなる衛星コンステレーションのTTCや各種データの安全な秘匿通信のための鍵共有も統括できる。 The encryption key sharing systems 1 to 1E according to each embodiment are particularly effective on a global network consisting of a satellite constellation made up of satellites in various orbits, and ground stations, maritime stations, aviation stations, etc. . By applying the cryptographic key sharing systems 1 to 1D according to each embodiment to each satellite main body, the security of the TTC (Telemetry, Tracking & Control) of the satellite main body, observation data from space, data stored in space, and data transmitted through space can be improved. Key sharing for secure communications can be flexibly set according to the security level even after launch. Furthermore, by using geostationary satellites that centrally manage functions, it is possible to supervise TTC of satellite constellations made up of satellites in various orbits and key sharing for secure confidential communication of various data.

さらに、前記の宇宙からの観測データには、地球観測データの他、惑星観測データ、宇宙状況監視データが含まれるものとしてもよい。また前記の安全な秘匿通信の対象となる各種データには、宇宙からの観測データの他、宇宙での保管データ、宇宙経由のデータが含まれるものとしてもよい。 Furthermore, the observation data from space may include planetary observation data and space situation monitoring data in addition to earth observation data. Further, the various types of data subject to the safe confidential communication may include observation data from space, data stored in space, and data transmitted via space.

1 暗号鍵共有システム
2 静止衛星
3 ノード
3A 低軌道衛星
3B 地上局
4 見通し通信路
5 認証付き公開通信路
20 見通し通信部
21 鍵管理部
22 データ通信部
30 見通し通信部
31 鍵管理部
32 データ通信部
1 Encryption key sharing system 2 Geostationary satellite 3 Node 3A Low orbit satellite 3B Ground station 4 Line-of-sight communication channel 5 Public communication channel with authentication 20 Line-of-sight communication section 21 Key management section 22 Data communication section 30 Line-of-sight communication section 31 Key management section 32 Data communication Department

Claims (6)

静止衛星によって中継された見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、第1ノードと第2ノードとの間で暗号鍵を共有するための暗号鍵共有システムであって、
前記静止衛星は、前記見通し通信量子鍵配送又は前記物理レイヤ暗号によって、前記第1ノードと前記第2ノードとの間でそれぞれ第1暗号鍵及び第2暗号鍵を共有し、前記第1暗号鍵と第2暗号鍵との排他的論理和で計算し、計算結果を、認証付き公開通信路を介して前記第2ノードに送信し、
前記第2ノードは、前記計算結果と前記第2暗号鍵との排他的論理和を計算することで、前記第1暗号鍵を復号することを特徴とする暗号鍵共有システム。
A cryptographic key sharing system for sharing cryptographic keys between a first node and a second node by line-of-sight quantum key distribution or physical layer cryptography relayed by a geostationary satellite, the system comprising:
The geostationary satellite shares a first encryption key and a second encryption key between the first node and the second node, respectively, by the line-of-sight quantum key distribution or the physical layer encryption, and and a second encryption key, and transmitting the calculation result to the second node via an authenticated public communication channel,
The encryption key sharing system, wherein the second node decrypts the first encryption key by calculating an exclusive OR of the calculation result and the second encryption key.
前記第1ノード及び前記第2ノードのそれぞれは、1機以上の地上局、低軌道衛星、海上局、航空局の何れかであることを特徴とする請求項1に記載の暗号鍵共有システム。 2. The encryption key sharing system according to claim 1, wherein each of the first node and the second node is one or more of a ground station, a low orbit satellite, a maritime station, or an aviation station. 前記見通し通信量子鍵配送又は前記物理レイヤ暗号によって前記第1ノードと前記第2ノードとの間を複数の前記静止衛星で中継し、前記静止衛星の間でも前記第1暗号鍵を秘匿化して送受信するための暗号鍵を共有することで、前記第2ノードにおいて、前記第1暗号鍵を復号することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の暗号鍵共有システム。 The communication between the first node and the second node is relayed by the plurality of geostationary satellites using the line-of-sight communication quantum key distribution or the physical layer encryption, and the first encryption key is concealed and transmitted and received between the geostationary satellites. 3. The cryptographic key sharing system according to claim 1, wherein the second node decrypts the first cryptographic key by sharing a cryptographic key for decrypting the first cryptographic key. 前記第1ノードは、前記見通し通信量子鍵配送又は前記物理レイヤ暗号によって前記静止衛星との間で共有した暗号鍵を用いて送信データを秘匿化して、前記静止衛星に送信し、
前記静止衛星は、前記暗号鍵を用いて前記送信データを復号し、グループ鍵を乱数で生成し、復号された前記送信データを前記グループ鍵で秘匿化して、前記認証付き公開通信路を介して、グループを構成する各第2ノードに送信し、
前記静止衛星は、前記各第2ノードとの間で共有された前記第2暗号鍵を用いて前記グループ鍵を秘匿化し、秘匿化されたグループ鍵を、前記認証付き公開通信路を介して前記各第2ノードに送信し、
前記各第2ノードは、前記秘匿化されたグループ鍵と前記第2暗号鍵との排他的論理和を用いて前記グループ鍵を復号し、復号した前記グループ鍵と秘匿化された前記送信データとの排他的論理和で前記送信データを復号することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の暗号鍵共有システム。
The first node conceals the transmission data using the encryption key shared with the geostationary satellite by the line-of-sight quantum key distribution or the physical layer encryption, and transmits the data to the geostationary satellite;
The geostationary satellite decrypts the transmission data using the encryption key, generates a group key with a random number, anonymizes the decrypted transmission data with the group key, and transmits the data via the authenticated public communication channel. , to each second node constituting the group,
The geostationary satellite conceals the group key using the second encryption key shared with each of the second nodes, and transmits the concealed group key to the public communication channel with authentication. to each second node,
Each of the second nodes decrypts the group key using an exclusive OR of the anonymized group key and the second encryption key, and combines the decrypted group key with the anonymized transmission data. 3. The cryptographic key sharing system according to claim 1, wherein the transmitted data is decrypted using an exclusive OR of the following.
前記静止衛星は、
前記見通し通信量子鍵配送又は前記物理レイヤ暗号により、前記第1暗号鍵及び前記第2暗号鍵を共有する見通し通信部と、
前記第1暗号鍵と前記第2暗号鍵との排他的論理和の計算データを求める鍵管理部と、
前記認証付き公開通信路を介して、前記鍵管理部が求めた計算データを前記第2ノードに送信するデータ通信部と、
を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の暗号鍵共有システム。
The geostationary satellite is
a line-of-sight communication unit that shares the first encryption key and the second encryption key by the line-of-sight communication quantum key distribution or the physical layer encryption;
a key management unit that obtains calculation data for an exclusive OR of the first encryption key and the second encryption key;
a data communication unit that transmits the calculation data obtained by the key management unit to the second node via the authenticated public communication channel;
The cryptographic key sharing system according to claim 1 or claim 2, comprising:
前記第2ノードは、
見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、前記静止衛星との間で前記第2暗号鍵を共有する見通し通信部と、
前記認証付き公開通信路を介して、前記第1暗号鍵と前記第2暗号鍵との排他的論理和の計算データを前記静止衛星から受信するデータ通信部と、
前記データ通信部が受信した計算データと前記第2暗号鍵との排他的論理和で前記第1暗号鍵を復号する鍵管理部と、
を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の暗号鍵共有システム。
The second node is
a line-of-sight communication unit that shares the second encryption key with the geostationary satellite by line-of-sight communication quantum key distribution or physical layer encryption;
a data communication unit that receives calculation data of an exclusive OR of the first encryption key and the second encryption key from the geostationary satellite via the authenticated public communication channel;
a key management unit that decrypts the first encryption key using an exclusive OR of the calculation data received by the data communication unit and the second encryption key;
The cryptographic key sharing system according to claim 1 or claim 2, comprising:
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