JP2023546302A - ランダム要素のプールからの一意な暗号鍵の生成 - Google Patents

Abstract

固定文字長を有するプレーンテキストメッセージを受信することとソースから複数の乱数を受信することとによる暗号化鍵生成のためのシステムおよび方法が提供される。上記複数の乱数からマトリクスが作成され、その行数または列数の少なくとも一方が上記文字長以上である。暗号化鍵または暗号化鍵のためのシードとして使用可能な配列が、最初の要素をマトリクス内で選択し、選択手法を用いて、配列における要素の数が上記文字長と等しくなるまで、後続の要素を選択し、以前に選択された要素を配列から却下することによって、生成される。
【選択図】図１

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１９年４月５日に出願された米国特許出願第１６／３７５，９２１号に基づく優先権を主張するものであり、その開示全体が、参照により本明細書に援用される。

（発明の分野）
本発明は、通信の生成および暗号化、通信ネットワークを介したそれらの送信、ならびに、送信されたメッセージの受信および復号化に関し、より詳細には、一意な鍵の作成および使用に関する。

データストアおよびコンピューティングデバイスは、ますます、ハッカーやその他のセキュリティ脅威（故意および無意識の内部者の両方を含む）の標的となっている。基本的な防御策は、このデータのすべてとデバイス全体とを暗号化して、セキュリティ侵害されたり盗まれたりした場合にそれらが役立たなくなるようにし、データにアクセスできないようにすることである。多くの非対称鍵および対称鍵に基づいた暗号化アルゴリズムは、暗号鍵の安全な生成、配布、および保存に依存している。これらの暗号鍵は、困難と評価されるアルゴリズムと真にランダムであると考えられる数生成器とに基づいて、データを確実に暗号化および復号化するために使用される。

量子コンピュータの出現により、このアプローチの２つの欠陥が明らかになった。ほとんどのアルゴリズム、特に非対称暗号化スキームの数学的困難性は、数学の進歩によって効率的に破ることができないという厳密な数学的証明がない。さらに、ほとんどの場合、ほとんどのアルゴリズムは、十分に大きい計算リソースを有する量子コンピュータによって容易に破られる可能性がある。２つ目の欠陥は、ほとんどの乱数生成器が、真の確率的事象をサンプリングしてランダム性を証明可能な乱数を生成しているのではないことである。この問題は、抽出されたランダムのビットごとに基本的な量子効果を測定する量子乱数生成器の開発によって解決された。これは、いくつかの技術的主張の「量子性」に関する新しい論争に発展した。現代の電子機器のすべては、それらが生成するランダム性は古典的ノイズと考えられるものの、ある程度、量子的である。リスクは、量子コンピュータまたは数学的解析の進歩により、古典的ノイズのパターンが発見され、生成される鍵のスペクトルが予測されるかもしれないことである。

古典的エントロピーまたは量子エントロピーのソースからの大規模なランダム鍵生成器は、量子コンピュータや暗号技術に影響を与えるその他の科学的進歩に対する重要なセキュリティ対策である。一般に、鍵が長いほど、同様または類似のアルゴリズムの暗号強度は高くなる。クロード・シャノン（Claude Shannon）は、１９４９年、理想的な解決策は、鍵が暗号化を必要とするプレーンテキストと同じ長さであり、プレーンテキストが任意のサイズである、ワンタイムパッドとしても知られるバーナム暗号であることを証明した。しかしながら、実際には、暗号強度は、さまざまであり得、ワンタイムパッド、または高度暗号化標準（ＡＥＳ）のようなより弱いものに調整され得る。どちらにしても、適切な長さの鍵が必要であり、開示される生成器の設計によってサポートされなければならない。

本発明の目的は、暗号化鍵を生成、追跡、管理するためのシステム、デバイス、および方法を提供することである。ランダム要素の集合またはプールは、数、記号、または効率的に二進数に変換され得る一意な要素の任意の表現の集合体であり得る。このランダムプールは、任意に大きいものであり得、鍵として定義される乱数の部分集合を選択または生成するための基礎として使用され得る。上記ランダム集合よりも大きい鍵を生成するためにランダムプール全体が変換される場合もある。一実施形態では、Ｘ個のランダム要素の集合が、Ａ行およびＢ列のマトリクスＭに編成され得る。ここで、Ｂは、Ｘ個中の要素の数をＡで割ったものであり、Ａは１より大きい。Ｘ個の集合全体を使用するには、ＡとＢとが整数である必要があり、そうでなければ、Ｘ個のうちの余分な要素を使用できない場合がある。ＡおよびＢは、調節可能なパラメータであり、任意の集合Ｘに応じて異なり得る。

ワンタイムパッド（ＯＴＰ）を用いて長さＬのプレーンテキストを暗号化するために、長さＬの鍵Ｋが、マトリクスから、いくつかの別個の手順を個別または同時に用いて、抽出され得る。長さＬの線形シーケンスまたは１次元配列Ｊが、マトリクスの第１行から、１番目の要素を含む任意の要素Ｉを始まりとして、選択され得る。（Ｂ－Ｉ）がＬより小さい場合、（Ｂ－Ｉ＋１）要素の選択は、Ａの第１列から開始され、Ｌが完了するまでシーケンシャルに続けられる。線形シーケンスＪは、ＯＴＰとして使用され得る。

追加のシーケンスまたは鍵Ｋが、マトリクス内の行のいくつかまたはすべてからサンプリングされ得、同じ列Ｉから開始されてもよく、行ごとに異なって、ランダムな列から開始されてもよい。これらは、ＯＴＰとして個別に使用してもよく、全部を、または行のさまざまな組み合わせで、ＸＯＲして、長さＬの単一のＯＴＰを生成してもよい。個々の線形シーケンスは、さまざまな組み合わせを生成するために、各行から非シーケンシャルに選択されてもよい。例えば、要素をシーケンシャルに選択する代わりに、１つおきまたは２つおきの要素を使用してシーケンスＪを組み立ててもよい。この選択基準は、無作為化されていてもよく、公知の関数に基づいたものであってもよい。

乱数は、ランダム性を実証可能なランダムプロセスにより鍵を生成する量子エントロピーソースから生成され得る。これは、ある程度決定論的である疑似乱数生成器およびエントロピーの非量子的電子ノイズソースとは対照的である。数学、コンピュータサイエンス、および物理学における進歩によってこれらの疑似ランダムシステムにおける再現可能なパターンが明らかになることはないという証明や保証はない。

このマトリクスシステムは、古典的ランダムソースに無作為化を導入し、量子ランダムソースの量子ランダム性を維持する。量子と古典の両方の複数のランダムソースを組み合わせて、１つのマトリクスまたは後で組み合わされる個々のマトリクスの各行を供給することは、このシステムの当然の拡張である。さまざまなサイズの切り詰められた（truncated）鍵や１次元配列を含む、より複雑な組み合わせも同様に有効である。

本発明の一例は、暗号化鍵生成のための方法であって、固定文字長を有するプレーンテキストメッセージを受信するステップと、ソースから複数の乱数を受信するステップとを有し得る方法である。上記複数の乱数から、行数または列数のどちらかまたは両方が上記文字長以上であるマトリクスを作成することができる。配列は、最初の要素を上記マトリクス内で選択し、後続の要素を、選択手法を用いて、当該配列内の要素の数が上記文字長と等しくなるまで選択し、以前に選択された要素を当該配列から却下することによって、生成することができる。

上記配列生成ステップは、上記後続の要素を同じ行および同じ列の一方から選択することを含み得、ここで、使用される行または列は、上記文字長以上の次元（dimension）を有するものである。別の例では、上記生成ステップは、上記最初の要素の行または列の一方の最後に到達した後に、当該行または列にある上記最初の要素に折り返すことを含み得る。

他の例では、上記選択手法は、上記最初の要素からシーケンシャルに選択することであるか、または、いかなる列からも要素を再使用することなく、任意の予測可能な選択手法を用いて、上記最初の要素の行から配列を選択することであり得る。

同じ行または列から追加の配列を生成することができ、一例では、複数の上記追加の配列をＸＯＲして、１つの最終配列を作成することによって、鍵または最終配列を形成することができる。あるいは、複数のマトリクスを作成することができ、そのそれぞれを使用して複数の追加の配列を生成し、その後、これら複数の追加の配列を一緒にＸＯＲして最終配列を形成する。

上記の方法を実施するために、固定文字長を有するプレーンテキストメッセージを有し、複数の乱数を生成する乱数ソースを有するかまたは該乱数ソースにアクセスできるシステムを用いることも可能である。乱数から、行数および／または列数が上記文字長以上であるマトリクスを作成することができる。暗号化鍵は、マトリクスから取得された最初の要素と、マトリクスから取得された少なくとも１つの後続の要素と、文字長と等しい鍵長と、マトリクスから取得された繰り返さない要素と、を有し得る。乱数ソースは、ハードウェアまたはソフトウェアおよび量子乱数生成器の少なくとも１つに基づいた複数の乱数ソースであり得る。

上記システムは、上記後続の要素が上記最初の要素と同じ行から取得された要素であり得ること、かつ／または、上記後続の要素が上記最初の要素の後にシーケンシャルに続くことも可能である。別の例は、暗号化鍵の上記最初の要素と後続の要素とが、行および列のいずれかから取得された一意な要素であるというものである。他の例は、マトリクスから取得された追加の要素を有する配列と、上記追加の要素または上記追加の要素に対する数学的操作により形成された新しい要素の少なくとも一方を有する追加の暗号化鍵とを含み得る。

本発明の上記およびさらなる態様は、別の図面であっても同一の数字が同様の構造要素や特徴を示す添付の図面と併せて以下の説明を参照してさらに説明される。図面は必ずしも原寸に比例しておらず、代わりに本発明の原理を説明することに重点が置かれている。これらの図は、限定としてではなく、例としてのみ、本発明のデバイスの１つ以上の実装を示している。

図１は、例示的な暗号化通信を示す図である。 図２は、本発明のシステムの例を示すブロック図である。 図３は、マトリクスから鍵シーケンスを生成するために用いられるパターンのさまざまな例を示す図である。 図４Ａは、中間シーケンスの例を示す図である。 図４Ｂは、中間シーケンスからの鍵シーケンスの生成を示す図である。 図５は、複数の鍵と最終鍵の生成の例を示す図である。 図６は、例示的な暗号化通信の暗号化の例を示す図である。 図７は、例示的な通信を暗号化する方法の例である。 図８は、通信を暗号化する方法の追加の例を示す図である。 図９は、本発明に係る通信を暗号化するためのシステムの別の例を示す図である。

一般に、本明細書に提示される例示的なデバイス、システム、および方法は、安全でないチャネルを介した通信デバイス間の安全なエンドツーエンドのメッセージ転送を可能にすることができ、その基本構成を図１に示す。ここで、第１のユーザ１０（「アリス」）が、安全にされていないネットワーク３０（例えば、インターネット）を介して第２のユーザ２０（「ボブ」）に通信を送ろうとする。アリス１０はプレーンテキストメッセージ４０を作成し、該メッセージは暗号化鍵５０を用いて安全なメッセージ４５に暗号化される。この鍵５０は、アリスのハードウェアに存在している暗号化エンジン５５によって生成されるか、または、第三者によって供給される。暗号テキスト４５は、ネットワーク３０を介して送信され、第２の鍵５０'を用いて復号化され、ボブ２０がプレーンテキスト４０にアクセスできるようになる。第２の鍵５０'は、暗号テキスト４５を復号化するために、第１の鍵５０と同一であり得るか、または数学的に関連したもの（例えば、非対称鍵）であり得る。ボブ２０とアリス１０との間の通信は、プレーンテキスト４０を保護するために同じ鍵、異なる鍵、またはその他の任意の鍵交換を使用して継続することができる。

本発明は、任意の鍵交換方法を用いて任意のデータ交換を保護または認証するための鍵の生成に焦点を合わせている。本システムおよび方法は、鍵の長さがプレーンテキストの長さと同じであり、プレーンテキストが暗号メッセージと同じ長さであるワンタイムパッド（ＯＴＰ）方式を使用する。

図２は、ｎ個の要素Ｅを有するプレーンテキストメッセージ１００を示している。要素の数ｎは、メッセージの長さＬである。ＯＴＰ暗号化／復号化（暗号）エンジン２００がプレーンテキストメッセージ１００を受信し、暗号化プロセスを開始する。暗号エンジン２００は、乱数を生成するか、または、好ましくは量子エントロピーソース２０２から、乱数を受信する。量子エントロピーソース２０２は、米国特許第９，４２５，９５４号、米国特許第９，６６０，８０３号、および米国特許出願第１６／２８８，７２２号に記載のようなものであり得る。さらに、量子または古典的エントロピーソース、半量子または乱数生成器を用いることもでき、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの任意の組み合わせによって生成することもできる。なお、１つのソース２０２しか図示されていないが、任意の数のソースを用いることができる。さらに、乱数Ｒを、プール２０４して暗号化時に取り出すこともでき、オンデマンドで呼び出してプールすることもできる。Ｘ個の乱数Ｒが存在し得る。

暗号エンジン２００は、乱数プール２０４からＡ行２０８およびＢ列２１０のマトリクス２０６を形成する。この例では、Ａ×Ｂ＜Ｘであり、マトリクス２０６の次元はセッションの開始時に暗号化機能によって決定され得る。一例では、列２１０の数Ｂが上記文字長Ｌ以上であり行２０８の数Ａが少なくとも１であるマトリクス２０６が形成される。マトリクス２０６には、すべての乱数Ｒを使用することなく、プール２０４から線形に追加（populate）され得る。乱数は「ビット」である可能性もあり、余分なビットは、ランダムに、またはプール２０４内の離散点で、選択され、破棄され得る。マトリクス２０６は、正方行列であってもよく、非正方行列であってもよい。マトリクス２０６の各要素、各行２０８、または各列２１０へのランダム要素の追加は、シーケンシャルであってもそうでなくても、任意の規定された方法に従って行われ得る。Ａ×Ｂ個の要素を超えるプール２０４の要素Ｙはすべて破棄されてもよく、追加の操作によってマトリクスに組み込まれてもよい。例えば、余分な要素Ｙは、１番目または任意の要素から始まりすべてのＹが消費されるまで、シーケンシャルにマトリクス２０６にＸＯＲされる。プール２０４内のすべての乱数Ｒが使用されるように余分な要素Ｙをマトリクス２０６に組み込むために、数学的シーケンスまたは関数に基づいた任意のアルゴリズム的方法が用いられ得る。暗号エンジン２００は、プレーンテキスト文字列１００ごとに新しいプール２０４を形成することもでき、乱数Ｙを後で使用するためにプール２０４に保有しておくこともできる。

マトリクス２０６が形成されると、暗号エンジン２００は鍵２１２を形成することができる。一例では、鍵２１２は、新しい１次元配列を作成することによって形成される。鍵配列２１２は、最初の要素をマトリクス２０６内で選択し、この開始要素と同じ行から後続の追加の要素を選択することによって、作成可能である。他の例では、最初の要素次第では、最後の列２１０_Ｂに到達すると最初の要素の行の１番目の要素に折り返すことによって、鍵２１２が形成され得る。鍵シーケンスは、マトリクス２０６から、いかなる列２１０からも要素を再使用することなく、新しい１次元配列２１２における要素の数がプレーンテキストメッセージの文字長Ｌと等しくなるまで作成される。図２に示した例では、鍵２１２は、第１行２０８_１から形成され、第１列２１０_１から始まる。他の例として、鍵２１２のための鍵要素Ｋを、マトリクス２０６から、ここでもまた最初の要素の行２０８からのみ使用し、そして、任意の予測可能な順序付けまたは関数を使用して、いかなる列２１０からも要素を再使用することなく、選び出すことが挙げられる。したがって、一例として、シーケンスは、鍵２１２がプレーンテキストの長さＬと同じ長さになるまで、Ｋ１＝（２０８_１，２１０_２），（２０８_１，２１０_３），（２０８_１，２１０_１），（２０８_１，２１０_Ｂ）等となり得る。

図３は、マトリクス２０６の他の例と結果的に得られる鍵３１２とを示す。ここで、鍵３１２（ここでもやはり１次元配列であり得る）が、マトリクス２０６内の任意の行２０８からシーケンシャルまたは非シーケンシャルに選択される。そのため、一例では、複数の行から順序ばらばらに取得された符号Ｋ_Ａｉ～Ｋ_Ａｖで示された要素から、第１の鍵３１２Ａを作成することができる。マトリクス２０６内の残りの要素を考慮すると、例示されているように、陰影付きの領域から、シーケンシャルまたは非シーケンシャルな手法を用いて、追加の鍵３１２を形成することができる。

図４Ａは、上記の手法のいずれかを用いてマトリクス２０６から引き出された中間シーケンス２１４の形成を示す。シーケンス２１４は、Ｑ個の要素を有し得、１次元配列であり得る。シーケンス２１４は、マトリクス２０６の要素からサンプリングまたは組み立て可能である。シーケンス２１４は、鍵２１２として使用されてもよく、任意の次元の娘マトリクス（daughter matrices）２１２'および／または追加のシーケンス２１４'を作成するためのランダム要素として使用されてもよい。シーケンス２１４の長さＱは、必要とされる鍵長によって、または、ＯＴＰに基づいたシステムの場合は、暗号化が必要なプレーンテキストのサイズＬによって、１対１の対応（例えば、Ｑ＝Ｌ）で決定される。シーケンス２１４のサイズＱが算出されると、暗号化鍵への組み込み前に、または他のシーケンス２１４とのＸＯＲをとる前に、追加の操作または変換が適用され得る。

図４Ｂは、長さＬの最終鍵シーケンス４１２を生成するために一緒にＸＯＲされ得る配列／シーケンス２１４の集合を示す。個々のシーケンス２１４_ｉ～２１４_ｉｖは、すべて同じ長さであってもよく、異なっていてもよい。シーケンス２１４が不均一な長さである場合、それらは、すべてのシーケンス２１４を同じ長さＱにするために、連結されてもよく、パディングされてもよく、追加の線形操作が適用されてもよい。これらの操作は、鍵シーケンス４１２の長さが中間シーケンス２１４の長さ未満である場合にも同様に適用される。つまり、一例では、上記シーケンス２１４の集合にＸＯＲを適用する前に、すべてのシーケンス２１４を鍵シーケンス４１２の長さまで減少させなければならない。追加の操作は、個々のシーケンス２１４に対して、または最終鍵シーケンス４１２を得るためのＸＯＲ操作の中間ステップとして、有効である。例えば、第１のシーケンス２１４_ｉは、マルチパーティ暗号化鍵システム内のすべてのユーザに固有の秘密鍵と個別にＸＯＲされ得る。鍵シーケンス４１２を生成する前に、追加の要素がすべてのシーケンス２１４に末尾付加または追加されてもよい。

鍵シーケンス２１２および中間シーケンス２１４の両方の生成の追加の例として、図３は、シーケンシャルな順序付けおよび非シーケンシャルな順序付けの両方を示している。非シーケンシャルなパターンは、各行から要素Ｅを、１列おき、２列おき、または任意の予測可能な、規則的な、もしくはランダムな列の順序で順序付けることができる。シーケンス２１２および２１４を生成する際、行２０８の要素Ａはいずれも１回だけ使用できる。つまり、各要素はシーケンス２１２または２１４の次の要素を選択する前に消費済みであるとみなされなければならない。関数または公知のシーケンスの適用は、例えば、同じ行２０８の要素Ａをシーケンス２１２または２１４に配置した後、その行２０８に対して繰り返し適用され得る。シーケンス２１２または２１４への追加のために用いられる各ステップにより、要素Ａが選択される行２０８内の利用可能な要素Ａが事実上減っていく。シーケンス２１２または２１４の次の要素を選択する前に、行２０８内の残りの要素Ａに追加の混合または連結関数を適用することができる。シーケンシャルな例は行２０８_１にあり、ラップアラウンドシーケンスは行２０８_３にあり、非シーケンシャルなパターンは行２０８_４～２０８_Ａにある。

シーケンス２１２または２１４の生成の別の例は、乱数Ｒのプール２０４全体を利用するものである。この例では、Ｙ個の余分な乱数が存在する。プール２０４の全体を変換して、プール集合Ｘよりも大きいシーケンス２１２または２１４を生成することができる。一例では、Ｘ個のランダム要素の集合を、Ａ行２０８およびＢ列２１０の１つ以上のマトリクス２０６に編成することができ、ここで、ＢはＸ個中の要素の数をＡで割ったものであり、Ａは１より大きい。Ｘ個のランダム要素の集合全体を使用するには、ＡとＢとが整数である必要があり、そうでなければ、完全なプール集合Ｘにおける余分な要素Ｙを使用できない。行の長さＡおよび列の長さＢは、調節可能なパラメータであり、任意の集合Ｘに応じて異なり得る。

ワンタイムパッド（ＯＴＰ）を使用して長さＬのプレーンテキスト１００を暗号化するために、いくつかの別個の手続きを個別または同時に用いてマトリクス２０６から長さＬの鍵２１２が抽出され得る。長さＬの線形シーケンスもしくは１次元配列２１２または２１４は、マトリクスの第１行から、１番目の要素を含む任意の要素ｉから始めて、選択され得る。（Ｂ－ｉ）がＬよりも小さい場合、（Ｂ－ｉ＋１）要素の選択は当該行２０８の第１列２１０で始まり、Ｌが完了するまでシーケンシャルに継続する。線形シーケンス２１２または２１４は、ＯＴＰとして使用され得る。

図５は、マトリクス２０６および鍵集合２１２レベルでのシーケンスの概念を示している。さまざまな次元の複数のマトリクス２０６_ｉ～２０６_ｎが、ランダムプール２０４から、または以前のマトリクス２０６から操作された一連のシーケンス２１４から、個別に作成され得る。各マトリクス２０６から鍵２１２が生成され、鍵２１２は、次に、暗号化に使用される最終鍵５１２またはＯＴＰを生成するために、一緒にＸＯＲされ得る。

プール２０４を生成するために使用される古典的または量子エントロピーソース２０２は、それぞれ、個々の乱数生成器または任意の組み合わせと相関する個々のマトリクス２０６またはいくつかのマトリクス２０６に関連付けることができる。プール２０４は、事実上、乱数Ｒの大きいプールであるが、プール２０４を、量子エントロピーであれ古典的エントロピーであれ、そのエントロピー起源との複雑な関係を有するより小さい集合に細分化することができる。これらは、各マトリクス２０６と相関する個々の鍵集合２１２を生成する前に、複数のマトリクス２０６を生成するために使用され得る。各マトリクス２０６から生成された鍵集合２１２は、個々のシーケンス２１４を使用するのと同じように、最終鍵集合５１２にＸＯＲする前は、均一な長さであってもよく、不均一な長さであってもよい。

図６は、プレーンテキスト６００が「ｈｅｌｌｏ」である例を示している。プレーンテキストの文字長Ｌは５であるため、ｎ＝５である。図示の例では、暗号エンジン６００が、マトリクス６０６を、行６０８の数と列６１０の数とが等しく、よってＡ＝Ｌ、Ｂ＝Ｌである正方行列として、したがって５×５のマトリクス６０６として形成する。暗号エンジン６００は、プールからランダム要素を引き出して、マトリクス６０６を形成する。マトリクス６０６からの非シーケンシャルな選択により、単純な置換鍵６１２が形成される。シーケンシャルな鍵６１２であれば、列６０８_２からの「ＦＧＨＩＪ」であるかもしれず、一方、単一配列の非シーケンシャルな鍵は、列６０８_３からの「ＫＭＯＬＮ」であり得る。

図７および図８は、コンピュータによって実施される暗号化鍵生成のための、異なる方法を示している。本明細書において、任意のコンピューティングデバイスは、限定されるわけではないが、汎用コンピュータおよびサーバー、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサアレイおよびネットワーク、専用の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ならびに仮想マシン（ＶＭ）等を含み得る。具体的なデバイスは、携帯電話、タブレットコンピュータ、およびラップトップコンピュータ等のような可搬型電子デバイスも含み得る。いくつかの例では、プロセッサと、該プロセッサによって実行されると、エントロピーソースからプールへの乱数の操作、記録、展開、および統合、そのような統合された乱数でのマトリクスの作成、鍵または中間シーケンスの作成、ならびにシーケンスの配布を含むさまざまな操作をプロセッサが行うことを可能にする、コンピュータ実行可能な命令を格納する非一時的メモリとを備え得るコンピュータシステムを提供することができる。これは、単一のデバイス（例えば、モバイルデバイスもしくはフィールドデプロイ（field deployed）デバイスにおけるチップ上のシステム）によって、またはネットワークを通じて、行うことができる。このようなコンピュータシステムのいくつかは、物理ノードもしくは仮想化されたノードであり得る個々のノードのより大きいネットワーク構造を構築するシステム群にまとめることができる。

図７は、暗号化する固定文字長のプレーンテキストを選択すること（ステップ７００）を含む方法の例を示している。単一または複数のハードウェアおよび／またはソフトウェアエントロピーソースから乱数のソースを確立し（ステップ７０２）、それらの乱数からマトリクスを作成する（ステップ７０４）。上記のように、単一または複数のハードウェアまたはソフトウェアソース２０２は、量子乱数生成器であってもよい。

上記のように、マトリクス２０６または６０６は、２次元配列であり得、プレーンテキストメッセージ１００の長さＬ以上の数Ｂの列２１０または６１０を有し得る。なお、すべての例において、列２１０および６１０の数Ｂはプレーンテキストの長さＬと等しい数であり得るが、行２０８および６０８の数Ａは１であり得る。逆もまた真であり得、行の数Ａがプレーンテキストの長さＬ以上であり、列２１０および６１０の数Ｂが１と等しいことがあり得る。したがって、マトリクス２０６または６０６の少なくとも１つの次元ＡまたはＢがプレーンテキストの長さＬ以上であり得る。一例として、図６に戻ると、１つの考えられ得る鍵は、列６１０_３の一部である複数の行６０８から取得された「ＣＨＭＲＷ」であり得る。

図７に戻ると、本方法は、暗号化鍵２１２、５１２、もしくは６１２または中間シーケンス２１４またはワンタイムパッドを生成すること（ステップ７０６）を含み得る。これは、最初の要素Ｋ_ｉまたはＪ_ｉをマトリクス２０６または６０６内で選択し、後続の追加の各要素Ｋ_ｎまたはＪ_ｎを当該マトリクス２０６または６０６から選択すること（ステップ７０８）によって、新しい１次元配列の鍵シーケンス２１２、５１２、もしくは６１２または中間シーケンス２１４で作成することができる。

選択ステップ７０８は、最初の要素Ｋ_ｉまたはＪ_ｉを開始要素と同じ行または列から取得するサブステップ（ステップ７１０）、および／あるいは、最後の行または列に到達すると最初の要素Ｋ_ｉまたはＪ_ｉの行もしくは列における１番目の要素Ｋ_ｉまたはＪ_ｉに折り返すサブステップ（ステップ７１２）を含み得る。他のサブステップは、最初の要素Ｋ_ｉまたはＪ_ｉの後に後続の要素をシーケンシャルに選択すること（ステップ７１４）、あるいは、任意の予測可能な順序付けまたは関数を用いて行または列から最初の要素Ｋ_ｉまたはＪ_ｉを選択すること（ステップ７１６）を含む。別のステップは、以前に使用された要素をマトリクスから却下すること（ステップ７１８）であり得る。言い換えると、いかなる行および／または列からも要素を再使用することなく、新しい１次元配列／鍵シーケンス／中間シーケンスが作成される。

さらなるステップは、新しい１次元配列／鍵シーケンス２１２、５１２、もしくは６１２または中間シーケンス２１４における要素Ｋ_ｎまたはＪ_ｎの数を、いかなる列または行からも要素を再使用することなく、プレーンテキストの文字長Ｌと等しくなるように一致させること（ステップ７２０）である。

図８は、前述のステップに由来する方法のさらなる例を示しており、新しい１次元配列／鍵シーケンス２１２、３１２、５１２、もしくは６１２／中間シーケンス２１４の選択がマトリクス２０６内の任意の行２０８／列２１０から行われて、追加の暗号化鍵２１２が生成される（ステップ８００）。他の例では、次に、複数の新しい１次元配列／鍵シーケンス２１２もしくは６１２／中間シーケンス２１４を用いて、単一の最終暗号化鍵シーケンス５１２またはワンタイムパッドが生成され得る（ステップ８０２）。新しい１次元配列／鍵シーケンス２１２、５１２、もしくは６１２／中間シーケンス２１４は、上記のように、マトリクス２０６または６０６から、単一または複数のシーケンシャルまたは非シーケンシャルな手法を用いて生成することができる。これらの新しい配列／シーケンスを一緒にＸＯＲして最終鍵シーケンス５１２を形成することができる（ステップ８０４）。新しい配列／シーケンスは、複数のマトリクス２０６_ｎから生成することができ、一例では、複数のマトリクスのそれぞれが少なくとも１つの新しい１次元配列／シーケンスを生成する（ステップ８０６）。上記の通り、その後、新しい配列／シーケンスを一緒にＸＯＲして、単一の最終１次元配列／シーケンスを、新しい暗号化鍵５１２またはＯＴＰとして作成することができる。

図９は、コンピュータによって実施される暗号化鍵生成のためのシステム１０００の例を示している。暗号化のためのシステム１０００によってプレーンテキストメッセージ９００が受信され、プレーンテキスト９００は固定文字長Ｌを有している。暗号エンジン９０１が、１つ以上のエントロピー／乱数ソース９０２にアクセスして、乱数Ｒを受信する。エントロピー／乱数ソース９０２は、ハードウェアもしくはソフトウェアまたは両方の組み合わせに基づくものであり得る。乱数は、アクセス時または事前にプール９０４することができる。代替の例では、プールせずに、アクセスされた乱数Ｒを直接使用してマトリクスを形成する。マトリクス９０６は、乱数ソース９０２から生成された乱数の集合から作成することができ、プレーンテキストの文字長Ｌ以上の行９０８の数Ａおよび／または列９１０の数Ｂを有し得る。システム１０００は、マトリクス９０６から暗号化鍵９１２（ワンタイムパッドに使用可能である）を作成する。暗号化鍵９１２は、上記マトリクス内の最初の要素Ｋ_ｉから始まり、鍵の長さが少なくとも文字長Ｌと等しくなるまで後続の追加の要素が続く、１次元配列であり得る。一例では、残りの鍵要素Ｋ_ｎを、開始要素Ｋ_ｉと同じ行９０８または列９１０から抽出でき、それには、最後の行／列に到達すると行９０８または列９１０における１番目の要素に折り返すことが含まれる。マトリクス９０６の図示における他の陰影付き部分は、上述のように、異なる鍵生成法を表すものである。鍵シーケンス９１２における鍵要素Ｋ_ｎの数は、マトリクスのいかなる行９０８または列９１０からも要素を再使用することなく、上記プレーンテキストの文字長Ｌと等しくすることができる。次に、鍵９１２がプレーンテキストメッセージ９００に適用されて、暗号メッセージ９４５が形成される。次に、暗号メッセージ９４５を送信することができる。一例では、アリス１０が、ネットワーク３０（安全にされていないにせよ、そうではないにせよ）を介してボブ２０に送るプレーンテキストメッセージ９００をタイプする。システム１０００は、アリス１０からのプレーンテキスト入力を受信し、それをボブ１０に送信するのに必要な要素のすべて、または、メッセージ９４５を暗号化／復号化するのに必要な要素のみを有し得る。

次に、メッセージ９４５を復号化するためのボブ２０による鍵９１２の使用は、いくつかの公知の手段によって行うことができる。鍵９１２は、ボブ２０が使用するための任意の公知の先行技術の方法で、ボブ２０に渡すことができる。あるいは、アリス１０とボブ２０の両方がマトリクス９０６を共有することができ、アリスのシステム１０００およびボブのシステム１０００のみが、マトリクス９０６から鍵６１２を形成するためにどの手法（単一または複数、シーケンシャルまたは非シーケンシャル）を使用すべきかを知っている。マトリクス９０６は、暗号化されていない状態で渡すことも可能であり、異なる鍵を用いて暗号化して渡すことも可能である。

他の例では、単一または複数のハードウェアまたはソフトウェア乱数ソース９０２は、量子乱数生成器であり得る。鍵または中間シーケンス９１２のための後続の追加の要素は、新しい１次元配列が最初の要素Ｋ_ｉからシーケンシャルに選択されるという点で、シーケンシャルに選択することができる。新しい１次元配列は、いかなる行および／または列からも要素を再使用することなく、任意の予測可能な順序付けまたは関数を使用して、最初の要素Ｋ_ｉの行または列から選択することができる。新しい１次元配列は、追加の暗号化鍵を生成するために、上記マトリクス内の任意の行および／または列から選択することができる。別の例は、複数の新しい１次元配列をマトリクスから単一のシーケンシャルまたは非シーケンシャルな手法を用いて生成でき、これらの新しい１次元配列を一緒にＸＯＲして、単一の最終１次元配列を新しい暗号化鍵またはワンタイムパッドとして作成できるというものである。単一のマトリクスの代わりに、複数のマトリクスがそれぞれ新しい１次元配列を生成し、その後、新しい１次元配列は、一緒にＸＯＲされて、単一の最終１次元配列が新しい暗号化鍵またはワンタイムパッドとして作成される。

さらに、マトリクスは、任意の数の次元（１次元、２次元、３次元等）を有し得、ある特定の例では、次元の少なくとも１つがプレーンテキストの文字長に等しい。このことは、中間シーケンスおよび鍵シーケンスの両方にも当てはまる。

本明細書に含まれる説明は、本発明の実施形態の例であり、本発明の範囲を限定することを何ら意図するものではない。本明細書に記載されるように、本発明は、乱数の生成、収集、プーリング、マトリクスの生成、およびシーケンスの生成、追加の制御機能、追加の通信機能、本明細書に特に記載されていないエンドユーザのニーズを満たすための追加の機能、追加および／または代替の乱数ソース、ランダムビットストリームを生成するための追加および／または代替のスキームおよび手段、安全でないネットワークを介した安全な転送のために乱数を暗号化および／またはカプセル化するための追加および／または代替のスキーム、仮想エントロピーソースを作成するための追加および／または代替のスキーム等を含む、暗号化システムの多くの変形および変更を企図している。このような変更は、本発明に関する技術分野における通常の知識を有する者には明らかであり、以下の特許請求の範囲内にあることが意図される。

Claims (14)

1. 暗号化鍵生成のための方法であって、
   固定文字長を有するプレーンテキストメッセージを受信するステップと、
   ソースから複数の乱数を受信するステップと、
   前記複数の乱数から、行数および列数の少なくとも一方が前記文字長以上であるマトリクスを作成するステップと、
   配列を生成するステップと、を含み、
   前記生成するステップは、
   最初の要素を前記マトリクス内で選択するステップと、
   選択手法を用いて、前記配列における要素の数が前記文字長と等しくなるまで、後続の要素を選択するステップと、
   以前に選択された要素を前記配列から却下するステップと、を含む、方法。
2. 前記生成するステップは、前記後続の要素を同じ行および同じ列の一方から選択するステップをさらに含み、使用される前記行または前記列は、少なくとも、前記文字長以上である次元を有するものである、請求項１に記載の方法。
3. 前記生成するステップは、前記最初の要素の行または列の一方の最後に到達すると、該行または列における前記最初の要素に折り返すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記選択手法は、前記最初の要素からシーケンシャルに選択することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記配列は、いかなる列からも要素を再使用することなく、任意の予測可能な選択手法を用いて、前記最初の要素の行から選択される、請求項１に記載の方法。
6. 前記同じ行または列から追加の配列を生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 複数の前記追加の配列をＸＯＲして最終配列を作成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 複数の追加の配列を生成するためにそれぞれが使用される複数のマトリクスを作成するステップと、
   前記複数の追加の配列を一緒にＸＯＲして最終配列を作成するステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 暗号化鍵生成のためのシステムであって、
   固定文字長を有するプレーンテキストメッセージと、
   複数の乱数を生成する乱数ソースと、
   前記乱数から作成され、行および列の少なくとも一方の数が前記文字長以上であるマトリクスと、
   暗号化鍵と、を含み、
   前記暗号鍵は、
   マトリクスからの最初の要素と、
   前記マトリクスからの少なくとも１つの後続の要素と、
   前記文字長と等しい鍵長と、
   前記マトリクスからの繰り返されない要素と、を含む、システム。
10. 前記後続の要素は、前記最初の要素と同じ行からの要素をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記乱数ソースは、
    ハードウェアまたはソフトウェアの少なくとも一方に基づいた複数の乱数ソースと、
    量子乱数生成器と、を含む、請求項９に記載のシステム。
12. 前記後続の要素は、前記最初の要素の後にシーケンシャルに続く、請求項９に記載のシステム。
13. 前記暗号化鍵の前記最初の要素および後続の要素は、前記行および列のいずれかからの一意な要素である、請求項９に記載のシステム。
14. 前記マトリクスからの追加の要素を含む配列と、
    前記追加の要素または前記追加の要素に対する数学的操作によって形成された新しい要素のうちの少なくとも一方を含む追加の暗号化鍵と、をさらに含む、請求項９に記載のシステム。

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