JP4112623B2

JP4112623B2 - 電気通信網における無線トラフィック暗号化方法および装置

Info

Publication number: JP4112623B2
Application number: JP51254398A
Authority: JP
Inventors: ルネ，ヨハン
Original assignee: テレフオンアクチーボラゲットエルエムエリクソン（パブル）
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: AU718924B2; EP0923827A1; CN1236517A; CN1123159C; DE69733262D1; AU3955697A; US5850444A; KR20000068513A; DE69733262T2; EP0923827B1; CA2264809A1; TW395106B; CA2264809C; WO1998010561A1; JP2001500327A

Description

発明の背景
発明の技術分野
本発明は一般的にワイヤレス無線通信の分野に関し、特に、端末と移動無線網間の無線トラフィックの暗号化方法および装置に関する。
関連技術の説明
電気通信網におけるモビリティおよび融通性を高める必要性から、ネットワークはより大きい地理的エリアをカバーしてより広範な電気通信サービスを加入者へ提供する必要がある。これらの電気通信サービスにはテレサービスおよびベアラーサービスが含まれる。テレサービスは別の加入者（例えば、端末、等）と通信を行う加入者に必要なハードウェアおよびソフトウェアを提供する。ベアラーサービスはネットワークとのインターフェイスを提供する２つのアクセスポイント（例えば、ポート）間で適切な信号を送信するのに必要な容量を提供する。電気通信サービスは、例えば、公衆陸上移動電気通信網（ＰＬＭＮ）、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）、統合デジタル通信サービス（ＩＳＤＮ）、いわゆる“インターネット”アクセス網、ビデオオンデマンド（ＶＯＤ）網、その他適切なサービス網、等のいくつかのサービス網により加入者へ提供される。
モビリティおよび融通性を高める必要性に応えて、新しい移動無線電気通信網が開発されており、それはサービス網加入者をその地理的位置に無関係にそのサービス網に接続できる汎用（ｇｅｎｅｒｉｃ）インターフェイスを有している。この汎用アクセス網は“ＧｅｎｅｒｉｃＡｃｃｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋ”（ＧＡＮ）といわれる。主として端末とＧＡＮとの間の通信トラフィックの暗号化に関係する本発明をより容易に理解するために、次に図１に関してこのようなＧＡＮについて簡単に説明する。
図１は複数のサービス網およびサービス網加入者に接続された典型的なＧＡＮの斜視図である。図１に示すＧＡＮ（１０）はトランスポート網と相互接続されたアクセス網を含んでいる。アクセス網は複数の基地局（例えば、ＢＳ１およびＢＳ２）を含んでいる。各基地局は各地理的エリア（例えば、いわゆるセル、Ｃ１およびＣ２）に対する通信カバレッジを提供する無線送信機および受信機を含んでいる。基地局は無線網コントローラ（ＲＮＣ）１２に接続されている。明示はしないが、ある基地局はＲＮＣ１２（例えば、ＢＳ１およびＢＳ２）に接続することができ、別の基地局は１つ以上の他のＲＮＣに接続することができる。複数のＲＮＣを相互接続してその間に通信パスを提供することができる。
複数のサービス網（例えば、ＶＯＤ網、ＰＬＭＮ、ＰＳＴＮ、インターネット）が各アクセス入力ポート（１４，１６，１８，２０，２２，２４および２６）を介してＧＡＮ１０のアクセス網に接続される。各サービス網はそれ自体の標準シグナリングプロトコルを使用してその内部シグナリングノード間で通信を行う。例えば、欧州中で実際に使用されているデジタルセルラーＰＬＭＮであるＧｌｏｂａｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＭｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＧＳＭ）はＭｕｌｔｉｐｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰａｒｔ（ＭＡＰ）シグナリングプロトコルを使用している。図１に示すように、アクセス網内のＲＮＣは少なくとも１つのアクセス入力ポートを介してサービス網に接続されている。図からお判りのように、ＲＮＣ１２はそれぞれアクセスポート２０および２４を介してＰＬＭＮおよびＰＳＴＮサービス網に接続されている。
ＧＡＮ１０の無線カバレッジエリア内に移動端末２８および３０があってアクセス網内の各基地局（例えば、ＢＳ２）との接続を確立する。これらの移動端末は、例えば、セルラー電話機、移動無線電話機、恐らくはデジタルセルラー電話機に接続されたパソコン（ノートブック、ラップトップ、等）、もしくは移動テレビ受像機（ＶＯＤに対する）とすることができる。移動端末と選択されたサービス網間の信号転送は特定の信号キャリアを介して行われる。例えば、信号はセルラー電話機（２８）とＰＬＭＮサービス網との間を信号キャリアＳＣ１およびＳＣ２を介して転送される。
移動端末（例えば、２８および３０）はアクセス部およびサービス網部を含んでいる。移動端末のアクセス部はアクセス網の論理部であり、移動端末とＲＮＣ１２との間に信号キャリア（例えば、ＳＣ２およびＳＣ４）を確立するのに必要なシグナリングを処理する。移動端末のサービス網部はその端末のユーザが加入するサービス網の論理部である。移動端末のサービス網部は、その関連するサービス網の特定標準に従って、確立された信号キャリアＳＣ１およびＳＣ２（もしくはＳＣ４）を介して信号を送受信する。信号キャリアＳＣ２およびＳＣ４（移動端末および基地局間）の無線インターフェイス部は時分割多元接続（ＴＤＭＡ）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）、もしくは任意他種の多元接続インターフェイスとすることができる。
サービス網加入者はＧＡＮを介してその各サービス網へアクセスすることができる。ＧＡＮは移動端末のサービス網部とそのサービス網との間で信号キャリア（例えば、ＳＣ１およびＳＣ２）を介してメッセージをトランスペアレントに転送することができる信号キャリアインターフェイスを提供する。ＧＡＮはそれに接続する全てのサービス網のシグナリングコネクションおよびトラフィックコネクションの特性を整合させてこの機能を達成する。したがって、ＧＡＮは既存のサービス網のカバレッジを拡張しかつ加入者のモビリティを高めることができる。
ＧＡＮの独特な特徴はそれ自体の加入者を持たないことである。ＧＡＮのモバイルユーザはそれら自体のサービス網への永続的な加入者ではあるが、ＧＡＮの一時的なユーザであるにすぎない。したがって、ＧＡＮはこれらのユーザのアイデンティティを知らない（あるいは、知る必要がない）。しかしながら、移動端末とＧＡＮとの間の無線トラフィックを暗号化しようとすると問題が生じる。
移動端末と基地局間の無線トラフィック（例えば、音声情報やデータ）は、通過される情報が秘密のままとされることを保証するために典型的に暗号化される。あるサービス網（例えば、ＧＳＭ）はトラフィックを暗号化するが、他の大概のサービス網は暗号化しない。したがって、ＧＡＮはその能力のないサービス網に対するトラフィックを暗号化できなければならない。しかしながら、ＧＡＮはそのユーザ（サービス網加入者）のアイデンティティを知らないため、加入者端末のアイデンティティや認証を知らずに生成される暗号鍵を使用して無線トラフィックを暗号化できなければならない。残念ながら、既存の大概の移動無線網は認証パラメータを使用して暗号鍵を生成する暗号技術を使用している。言い換えれば、従来の移動通信網で無線トラフィックを暗号化するには、ユーザ端末のアイデンティティを知らなければならない。
発明の要約
ネットワークが端末のアイデンティティを知る必要なしに、移動端末と通信網間の通信を暗号化することが本発明の目的である。
ネットワークが各端末に対する個別の暗号鍵を維持する必要なしに、複数の移動端末と通信網間の通信を暗号化することも本発明の目的である。
端末が秘密暗号鍵を永続的に保存する必要なしに、移動端末と通信網間の通信を暗号化することが本発明のもう１つの目的である。
移動端末と通信網間の通信を暗号化しながら、呼開設時間を最小限に抑え、伝送遅延を最小限に抑え、かつデータスループットを最大限とすることが本発明のさらにもう１つの目的である。
本発明の１つの特徴に従って、ネットワークに関連する公開鍵を端末において保存し、端末において秘密鍵（ｓｅｃｒｅｔｋｅｙ）を生成し、端末において保存した公開鍵により秘密鍵を暗号化し、暗号化した秘密鍵を端末から送信し、暗号化した秘密鍵を端末において受信し、受信した暗号化した秘密鍵をプライベート鍵（ｐｒｉｖａｔｅｋｅｙ）により復号し、プライベート鍵は公開鍵に関連しており、後続トラフィックを秘密鍵により暗号化することにより通信網と通信端末間の通信を暗号化する方法が提供される。公開鍵が端末に保存されていない場合、端末は公開鍵の要求をネットワークへ送る。このようにして、ネットワークは端末との暗号化した通信を維持するために端末のアイデンティティを知る必要がない。
本発明のもう１つの特徴に従って、前記した目的およびその他の目的はネットワークから（非対称）公開鍵をブロードキャストして通信網と通信端末間のトラフィックを暗号化する方法および装置により達成される。公開鍵は端末により受信される。ネットワークは公開鍵により暗号化した情報を復号するのに使用できるプライベート鍵を維持する。端末は自然発生乱数を秘密セション（対称）鍵として生成かつ保存し、対称セション鍵を公開鍵により暗号化し、暗号化したセション鍵をネットワークへ送る。ネットワークはプライベート鍵によりセション鍵を復号し、ネットワークおよび端末は共に後続通信を秘密セション鍵により暗号化する。ここでも、通信網は端末との暗号化した通信を維持するために端末のアイデンティティを知る必要がない。
【図面の簡単な説明】
添付図と共に以下の詳細説明を読めば本発明の方法および装置をより完全に理解することができ、ここに、
図１は複数のサービス網およびサービス網加入者に接続された典型的な汎用アクセス網の斜視図。
図２は、本発明の好ましい実施例に従って、サービス網とサービス網加入者との間の無線トラフィックを暗号化する方法を実施することができる汎用アクセス網のトップレベル略ブロック図。
図３は図２に示すアクセス網の略ブロック図。
図４は、本発明の好ましい実施例に従って、汎用アクセス網と端末間の無線通信を暗号化するのに使用できる方法を示すシーケンス図。
図５は、本発明の好ましい実施例に従って、公開鍵の認証および鍵の所有者をデジタル署名により証明するのに使用できる方法のブロック図。
図面の詳細な説明
本発明の好ましい実施例およびその利点は図１−図５を見ればよく理解することができ、さまざまな図面において同様な対応する部品には同じ番号が付けられている。
本質的に、本発明の好ましい実施例に従って、移動端末は少なくとも１つの公開鍵をそれに関連する少なくとも１つのＧＡＮの一意的な識別キャラクタと共にメモリ位置に保存する。ＧＡＮはそれに接続された全てのセルへその一意的な識別キャラクタをブロードキャストする。端末とそのＧＡＮとの間にコンタクトが開始されると、端末は受信した識別子を格納された識別子と比較し、一致すればランダム秘密鍵を生成し、そのＧＡＮの識別子に関連する公開鍵により秘密鍵を暗号化し、暗号化した秘密鍵を送信する。ＧＡＮは公開鍵に関連するプライベート鍵を使用して秘密鍵を復号する。その後秘密鍵は後続無線トラフィックを暗号化および復号するために端末およびＧＡＮにより使用される。ＧＡＮは端末のアイデンティティを知ることなく端末との安全な通信を確保できることがお判りであろう。さらに、ＧＡＮはこのような端末のアイデンティティを知る必要がないため、個別の端末暗号鍵のデータベースを維持する必要がない。さらに、端末は各通信セションに対する新しい秘密鍵を生成できるため、それ自体の秘密鍵を保存する必要がない。
図２は、本発明の好ましい実施例に従って、サービス網とサービス網加入者間の無線トラフィックを暗号化する方法を実施することができる汎用アクセス網のトップレベル略ブロック図である。ＧＡＮ１００が図示されており、アクセス網１０４と相互接続されたトランスポート網１０２を含んでいる。複数のサービス網（例えば、ＰＬＭＮ，ＩＳＤＮ，ＰＳＴＮ，ＩＮＴＥＲＮＥＴ，ＶＯＤ）がそれぞれのアクセスポート（例えば、１０６，１０８，１１０，１１２，１１４）を介してトランスポート網１０２およびアクセス網１０４に接続されている。アクセス網１０４は複数のＲＮＣおよび関連する基地局（例えば、ＲＮＣ（１）−ＲＮＣ（Ｎ））を含んでいる。複数のＲＮＣおよび関連する基地局は各無線インターフェイスにより複数の移動トランシーバ（端末）１１６，１１８，１２０および１２２に接続されている。各移動端末のユーザは少なくとも１つのサービス網ＰＬＭＮ等への加入者である。移動端末は図１に関して前記した方法でそれらの各サービス網と通信することができる。特に、ＲＮＣは端末とそれらの各サービス網間の通信を制御する。図２には複数の移動端末（１１６，等）が図示されているが、それは単なる説明用にすぎない。１つ以上の固定無線端末もＧＡＮ１００に接続することができ、したがって少なくとも１つのサービス網と通信することができる。
図３は図２に示すアクセス網１０４の略ブロック図である。アクセス網１０４は複数のＲＮＣ（例えば、ＲＮＣ（１）−ＲＮＣ（Ｎ））を含んでいる。本実施例には複数のＲＮＣが図示されているが、本発明は１つだけのＲＮＣで実施することができる。少なくとも１つのサービス網（例えば、１３０，１３２，１３４）が少なくとも１つの各アクセスポート（例えば、ＡＰ１，ＡＰ（Ｎ−１），ＡＰ（Ｎ））を介して少なくとも１つのＲＮＣに接続されている。少なくとも１つの基地局（例えば、ＢＳ（１），ＢＳ（Ｎ））が各ＲＮＣ（例えば、ＲＮＣ（１），ＲＮＣ（Ｎ））に接続されている。複数の基地局が図示されているが、本発明は１つだけの基地局で実施することができる。
移動端末（例えば、セルラー電話機１１８）が無線インターフェイスにより基地局ＢＳ（１）に接続されている。１台の端末（１１８）は単なる説明用であってさらに１台以上の端末を図示できることが容易にお判りであろう。ＲＮＣ（例えば、ＲＮＣ（１）−ＲＮＣ（Ｎ））はその間の通信のために通信回線（１３６，１３８）により相互接続されている。したがって、端末１１８はアクセス網１０４およびＧＡＮ１００（図２）を介して任意のサービス網（例えば、１３０，１３２，１３４）との通信を確立することができる。アクセス網１０４のさまざまなアクセスポートへ切り替えることにより各サービス網に対して提供されるカバレッジを拡張できることがお判りであろう。すなわち、端末１１８はＲＮＣ（１）、相互接続回線１３６およびＲＮＣ（Ｎ−１）を介してサービス網１３２と通信することができる。あるいは、サービス網１３２がアクセスポートＡＰ（１）に切り替えられると、端末１１８はＲＮＣ（１）を介してサービス網１３２と通信することができる。
図４は、本発明の好ましい実施例に従って、汎用アクセス網と端末間の無線通信を暗号化するのに使用できる方法を示すシーケンス図である。通信暗号化方法２００はＧＡＮもしくは端末において開始することができる。例えば、本実施例では、ステップ２０４においてＧＡＮ（例えば、１００）はそれに接続された全てのセル内の一意的な識別キャラクタを連続的にブロードキャストする。端末（例えば、１１８）はそのＧＡＮ部に配置された非揮発性メモリを含んでいる。端末は少なくとも１つの公開鍵を非揮発性メモリ内に保存している。各公開鍵と共に、端末は鍵の各期限、およびその鍵に関連する特定のＧＡＮを識別するＧＡＮ識別キャラクタも保存している。すなわち、端末のメモリ内に保存された各公開鍵は特定のＧＡＮと関連ずけられる。端末はＧＡＮに登録する（必ずしも呼を開設しない）ことによりコンタクトを開始する。端末内のプロセッサは受信したＧＡＮ識別子を保存された識別子と比較し、一致すれば（かつ、鍵の期限が切れていない）、プロセッサは識別されたＧＡＮに関連する保存された公開鍵を検索する。しかしながら、一致しなければ、端末はＧＡＮへ公開鍵送信要求を送る。送信された公開鍵（および、その期限日付）は端末内に保存されて現在および後続通信セション内の秘密鍵を暗号化するのに使用することができる。
ステップ２０６において、端末は（対称）秘密鍵を生成する（後述する）。ステップ２０８において、端末は検索した公開鍵を使用して秘密鍵を暗号化する。ステップ２１０において、端末は暗号化した秘密鍵を識別されたＧＡＮへ送る。ステップ２１２において、ＧＡＮは秘密鍵を復号し、それはステップ２１４において後続通信セション中にトラフィックを暗号化するためにＧＡＮおよび端末により使用される（後述）。
あるいは、ＧＡＮとのセションの終わりに、端末はそのセションに使用した公開鍵を保存する。端末もしくはＧＡＮが新しい通信セションを開始すると、端末はＧＡＮとの最終セションから保存された公開鍵を検索し、その公開鍵を使用して後続セションに使用される秘密鍵を暗号化する。その保存された公開鍵の使用が不成功である場合には、端末はＧＡＮへ新しい公開鍵要求を送る。ネットワークチャネルは公開鍵の送信に占有されないため、この技術によりネットワークスループットが有利に増大する。しかしながら、特定のＧＡＮとの過去のセションから公開鍵が保存されていない場合には、端末はまだＧＡＮへ要求して公開鍵を受信することができ、それを使用して後続セションに使用される秘密鍵を暗号化することができる。いずれにせよ、比較的大きい（ビットワイズ：ｂｉｔ−ｗｉｓｅ）公開鍵をＧＡＮから送信するのではなく端末内に保存することにより、無線伝送遅延を著しく低減し、相当な量のネットワーク伝送時間を節減し、データスループットを増大することができる。
図４には、本発明のもう１つの実施例に従って、汎用アクセス網と移動端末間の無線通信を暗号化するのに使用できる方法も図示されている。例えば、サービス網と端末（例えば、ＰＬＭＮと端末１１８）間で通信したい場合には、サービス網もしくは端末が呼開設メッセージとの通信を開始することができる。ステップ２０２において、ＧＡＮと端末間の初期接続が確立されると、サービス網は後続トラフィックが暗号化されることを要求することができる。そうであれば、ステップ２０４において、まだ初期呼開設プロセス中に端末は１つ以上の基地局（例えば、ＢＳ（１）−ＢＳ（Ｎ））から連続的にブロードキャストされる公開鍵を受信する。
本実施例では、全てのＲＮＣが少なくとも１つの公開鍵／プライベート鍵対（各ＲＮＣ内の同じ対）をメモリ記憶位置に維持することができる。ＧＡＮによりブロードキャストされた公開鍵はそのＧＡＮとのコンタクトを開始した端末（１１８）により受信される。好ましくは、呼開設手順および公開鍵転送手順は共にＲＮＣにより実施され、それはアクセスポートを介して当該サービス網（例えば、ＲＮＣ（１）からＡＰ（１）からＰＬＭＮ１３０）に接続されている。あるいは、基地局（例えば、ＢＳ１）は公開／プライベート鍵対を維持して公開鍵を端末へブロードキャストその他で転送するように構成することができる。
ＲＮＣはそのカバレッジエリア内の全てのセル内に公開鍵をブロードキャストすることができる。したがって、ＧＡＮは端末にＧＡＮから鍵を要求させるのではなく公開鍵をブロードキャストするため、端末はより高速にＧＡＮに登録することができ、かなり短時間内で呼を開設することができる。あるいは、複数のセル内に公開鍵をブロードキャストする替わりに、ＲＮＣは端末とのコンタクトを確立している基地局を介して直接公開鍵を転送することができる。しかしながら、呼開設の前に複数のセル内へ公開鍵をブロードキャストする方法により、ＧＡＮの専用トラフィックチャネルのロードを有利に減少することができる。
全ての実施例に対して、端末がＧＡＮに登録されるかぎり、同じ鍵がＧＡＮおよび端末に保存されるため、そのＧＡＮとの全ての後続通信に同じ公開鍵を使用することができる。あるいは、所定の方式やアルゴリズムに従って、もしくはＧＡＮオペレータの思いつきで、公開鍵を周期的に変えることができる。オペレータが公開鍵を周期的に変えたい場合には、各公開鍵の期限日付を端末に格納するとそれに関したそれらの使用が容易になる。さらに、好ましい実施例では、公開鍵が変えられると、所定期間ＧＡＮによりブロードキャストされて、端末の新しい公開鍵に対する要求数を最小限に抑えることができる。
前記したように、ステップ２０２において、ＧＡＮは１つ以上の非対称公開鍵／プライベート鍵対を維持することができる。その場合、いわゆる“ＲＳＡアルゴリズム”を使用して公開鍵／プライベート鍵対を生成することができる。ＲＳＡアルゴリズムは素数の因数分解の困難さと大きい素数を発生する（確率アルゴリズムを使用して）容易さとを組み合わせて暗号鍵を公開部および非公開部へ分離する。
特に、文字ＰおよびＱが素数を表し、文字Ｍが非暗号化メッセージを表し、文字ＣがＭの暗号化形式を表すものとすると、ＲＳＡアルゴリズムは次式で表すことができる。
Ｍ^EｍｏｄＰＱ＝＞Ｃ（暗号化メッセージＭ）（１）
Ｃ^DｍｏｄＰＱ＝＞Ｍ（復号メッセージＣ）（２）
ここに、（ＤＥ−１）項は（Ｐ−１）（Ｑ−１）の倍数である。本実施例では、指数Ｅは３に設定される。公開およびプライベート鍵は各々が２つの数字で構成されている。例えば、（ＰＱ，Ｄ）で表される数字がプライベート鍵を構成し、（ＰＱ，Ｅ）で表される数字が公開鍵を構成する。Ｅに対する同じ値が一貫して使用されるため、数字のＰＱ部だけを要求に応じて送出するもしくはブロードキャストして公開鍵に使用することができる（例えば、ステップ２０４において）。プライベート鍵を知ることにより、公開鍵で暗号化されたいかなるメッセージも復号することができる。
図４に戻って、ステップ２０６において、端末（１１８）は非対称公開鍵を受信および／もしくは保存する。端末はランダム対称秘密鍵を生成する。通信を完全なセションに対して好ましく暗号化するのに使用されるランダム秘密鍵は４つの方法の中の少なくとも１つの方法で生成することができる。１つの方法を使用して、端末は受信信号の強度測定値からいくつかのサンプルを取り出し、その下位ビットを連接し、結果を処理して乱数を作り出す。受信信号の下位ビットは十分そのノイズレベル内にあるため、自然に生じる真の乱数が発生される。第２の乱数発生方法はマイクロホンに接続されたＡ／Ｄコンバータの入力に生成されるランダムノイズ信号を使用することである。ここでも、この方法を使用して、秘密鍵に対して自然に生じる真の乱数を発生することができる。第３の乱数発生方法は端末に対して受信信号の位相測定値からサンプルを採り、その下位ビットを連接し、結果を処理して乱数を作り出すことである。第４の乱数発生方法は端末に対して音声コーディックの符号化部からサンプルを採り、その下位ビットを連接し、結果を処理して乱数を作り出すことである。
あるいは、端末において発生された乱数を擬似乱数発生器用シードとして使用することができる。シードはＧＡＮからの公開鍵により暗号化され、ＧＡＮへ送られる。シードはＧＡＮおよび端末内で同時に使用されて擬似乱数を発生する。このように発生される擬似乱数をＧＡＮおよび端末が後続通信セションのための秘密鍵として使用することができる。
セション鍵は擬似乱数列内の異なる数字へ周期的に変えることができる。例えば、セション鍵は所定量のデータが暗号化された後やトラフィックが所定量の時間暗号化された後等の、いくつかの理由に対して変えることができる。端末もしくはＧＡＮは秘密鍵の変化を開始することができ、あるいは所定の方式やアルゴリズムに従って鍵を変えることができる。例えば、秘密セション鍵を変える要求は“セション鍵変化要求”メッセージを送るか、あるいは送られたメッセージのヘッダー内に“セション鍵変化要求”ビットを設定して実施することができる。
さらに、前記した擬似乱数発生方法により、より短いセション鍵を生成しより複雑ではない暗号化アルゴリズムを使用することができる。したがって、ＧＡＮ特に端末において相当な量の処理能力を節減することができる。セキュリティと計算要求との間のトレードオフを行うために、端末は使用されるセション鍵の長さを選択するように構成することができる。例えば、端末のプロセッサはその長さでセション鍵を生成するか、あるいは擬似乱数発生器の出力から使用されるビット数を指定することにより秘密セション鍵の長さを選択することができる。あるいは、端末は擬似乱数発生器の出力範囲を指定して所定長を設定することができる。
別の方法を使用して秘密セション鍵に対する擬似乱数を発生することができる。例えば、“遅延フィボナッチ”（ＬａｇｇｅｄＦｉｂｏｎａｃｃｉ）型の擬似乱数発生器を使用して、擬似乱数列内の第ｎ番数字Ｎ_nを次のように計算することができる。
Ｎ_n＝（Ｎ_n-k−Ｎ_n-l）ｍｏｄＭ（３）
ここに、ｋおよびｌはいわゆる遅延であり、Ｍは発生される擬似乱数の範囲を規定する。最適結果に対して、最大遅延は１０００と１００００の間でなければならない。比較的長い鍵が望まれる場合には、式３により作り出された複数の擬似乱数を連接してより長い鍵を作り出すことができる。式３により作り出された擬似乱数が０と１との間の浮動小数点数字である場合には、Ｍを１に設定することができる。このような浮動小数点擬似乱数のビットパターンは対称暗号鍵として使用することができる。
秘密セション鍵を生成するのに使用できるもう１つの擬似乱数発生器は０と１との間に均一に分布された擬似乱数を作り出すアルゴリズムに基づいている。特に、擬似乱数Ｎ_nのシードＸ₀，Ｙ₀およびＺ₀は１と３００００との間の整数値に初期設定される。次に、擬似乱数は次のように計算される。
Ｘ_n＝１７１^*（Ｘ_n-1ｍｏｄ１７７）−（２^*Ｘ_n-1／１７７）（４）
Ｙ_n＝１７２^*（Ｙ_n-1ｍｏｄ１７６）−（３５^*Ｙ_n-1／１７６）（５）
Ｚ_n＝１７０^*（Ｚ_n-1ｍｏｄ１７８）−（６３^*Ｚ_n-1／１７８）（６）
Ｘ_n，Ｙ_nおよびＺ_nのいずれの値も、それぞれ、ゼロよりも小さい場合には、Ｘ_nはＸ_n＋３０２６９に等しく設定され、Ｙ_nはＹ_n＋３０３０７に等しく設定され、あるいはＺ_nがＺ_n＋３０３２３に等しく設定される。擬似乱数Ｎ_nは（（Ｘ_n／３０２６９＋Ｙ_n／３０３０７＋Ｚ_n／３０３２３）ａｍｏｄ１）に等しくなり、Ｘ_n，Ｙ_nおよびＺ_nは浮動小数点数字であり、“ａｍｏｄ”はこれらの数字を因数分解できることを意味する。このアルゴリズムにより発生される浮動小数点数字は対称暗号鍵として使用するのに適したビットパターンを形成する。このような鍵の長さは発生された複数の擬似乱数を連接して延長することができる。
図４に示す方法に戻って、ステップ２０８において、好ましくは前記したＲＳＡアルゴリズムを使用して端末は秘密対称鍵を公開鍵により暗号化する。例えば、端末において生成された秘密対称鍵は文字ＳＫで表されるものとする。ＲＳＡアルゴリズムの式１を使用して、秘密鍵は次のように暗号化される。
Ｍ^EｍｏｄＰＱ＝＞Ｃ
ここに、（ＰＱ，Ｅ）は公開鍵を表し、ＭはＳＫに等しく、ＣはＳＫの暗号化バージョンである。指数Ｅは３に等しい。
好ましい実施例では、端末は暗号化した秘密鍵をメッセージフォーマット化し、それにはヘッダーおよびメッセージフィールドが含まれる。ヘッダーはメッセージフィールド内で後に続く暗号化した秘密鍵に関連する制御情報を提供する。ヘッダー内の１ビットはヘッダーに続くメッセージフィールドが暗号化されることを表示するように設定することができる。すなわち、メッセージの秘密鍵フィールドしか暗号化されない。メッセージのヘッダーは普通文で送られる。したがって、ヘッダーは後続メッセージフィールドが暗号化されるかどうかを表示し、暗号化される場合にはメッセージのその部分しか復号されないため、ＲＮＣにおいて相当な量のネットワーク処理時間を節減することができる。
ステップ２１０において、端末（１１８）は暗号化した秘密鍵（Ｃ）をコンタクトした基地局（例えば、ＢＳ（１））を介してＧＡＮへ送る。好ましい実施例では、この秘密鍵は後続通信のために使用される。あるいは、後続通信セション中の任意の時間に、端末は新しい秘密鍵を生成し、それを公開鍵により暗号化し、新しい暗号化した秘密鍵をＧＡＮへ送ることができる。特定の秘密鍵がセションのために使用される時間量を低減することにより、秘密鍵が許可されないユーザにより壊される尤度も低減されるため、セションのセキュリティが高められる。
ステップ２１２において、ＲＮＣ（例えば、ＲＮＣ（１））は基地局から暗号化した秘密鍵（Ｃ）を受信し、ＲＳＡアルゴリズムのプライベート鍵部を使用して秘密鍵を復号する。例えば、ＲＳＡアルゴリズムの式２（前記）を使用して、受信した暗号化した秘密鍵（Ｃ）は次のように復号される。
Ｃ^DｍｏｄＰＱ＝＞Ｍ
ここに、（ＰＱ，Ｄ）はプライベート鍵を表し、ＭはＳＫ（秘密鍵）に等しい。
ステップ２１４において、ＲＮＣと端末間の後続無線トラフィックが秘密鍵により暗号化および復号され、それはＲＮＣと端末の両方にとって現在既知である。既知の対称暗号化アルゴリズムを使用して、例えば、１，２もしくは３パスＤａｔａＥｎｃｒｙｐｔｉｏｎＳｔａｎｄａｒｄ（ＤＥＳ）アルゴリズム、もしくはＦａｓｔＥｎｃｉｐｈｅｒｍｅｎｔＡｌｇｒｏｒｉｔｈｍ（ＦＥＡＬ）等の秘密鍵により後続無線トラフィックを暗号化および復号することができる。
さらにもう１つの暗号化として、ＲＳＡアルゴリズムを使用して公開／プライベート鍵対を生成する替わりに、いわゆるディフィ−ヘルマン“指数鍵交換”アルゴリズムを使用して端末およびＧＡＮに秘密セション鍵を承諾させることができる。この暗号化方式を使用する時は、２つの数字（α，ｑ）がＧＡＮにおいて保存される。通信セションの開始時に、ＲＮＣは２つの数字を直接端末へ送る（もしくは、数字をブロードキャストする）。数字αおよびｑは次の基準に合致する必要がある。ｑは（ガロア）有限体ＧＦ（ｑ）＝１，２，．．．，ｑ−１を定義する大きい素数であり、αはＧＦ（ｑ）の固定原始元（ｐｒｉｍｉｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔ）である。すなわち、（α^Xｍｏｄｑ）の指数（Ｘ）はＧＦ（ｑ）の全ての元１，２，．．．，ｑ−１を作り出す。秘密セション鍵の承諾を発生するために、２つの数字（α，ｑ）はＧＡＮから端末へ直接へ送られる（もしくは、ブロードキャストされる）。あるいは、２つの数字は端末の非揮発性メモリ内に既に常駐することができる。端末（１１８）は乱数Ｘ_T（１＜Ｘ_T＜ｑ−１）を発生し、Ｙ_T＝α^X _Tｍｏｄｑの値を計算する。ＧＡＮ（例えば、ＲＮＣもしくは基地局）は乱数ＸＧ（１＜Ｘ_G＜ｑ−１）を発生し、Ｙ_G＝α^X _Gｍｏｄｑの値を計算する。乱数は自然発生、真の乱数発生に関して前記した方法を使用して端末において発生することができる。
Ｙ_TおよびＹ_Gは暗号化されずに各ＧＡＮおよび端末へ転送される。数字Ｙ_Gを受信すると、端末はＫ_S＝Ｙ_G ^X _Tｍｏｄｑ＝α^X _G ^X _Tｍｏｄｑの値を計算する。数Ｙ_Tを受信すると、ＧＡＮはＫ_S＝Ｙ_T ^X _Gｍｏｄｑ＝α^X _T ^X _Gｍｏｄｑの値を計算する。Ｘ_Tの数字は端末において秘密のままとされ、Ｘ_Gの数字はＧＡＮにおいて秘密のままとされるが、Ｋ_Sの値は今や端末およびＧＡＮの両方で既知である。したがって、Ｋ_Sの数字は両者により通信セション暗号鍵として使用される。許可されないユーザはＸ_TもしくはＸ_Gのいずれかを知らずＹ_TおよびＹ_Gから鍵Ｋ_Sを計算しなければならず、それは手に負えない計算過程である。指数鍵交換アルゴリズムを使用することの著しいセキュリティ上の利点は、ＧＡＮが秘密プライベート鍵データを永久ベースで維持する必要がないことである。
要約すれば、通信セションが最初にＧＡＮと端末との間で開始されると、端末はＧＡＮにより連続的にブロードキャストされ、端末の内部メモリから検索され、あるいはＧＡＮから要求されている非対称公開鍵を受信する。ＧＡＮは公開鍵により暗号化された情報を復号するのに使用できるプライベート鍵を維持する。端末は自然発生乱数を秘密セション（対称）鍵として生成して保存し、対称セション鍵を公開鍵により暗号化し、暗号化したセション鍵をＧＡＮへ送る。ＧＡＮはセション鍵をプライベート鍵により復号し、ＧＡＮおよび端末の両方が後続通信を秘密セション鍵により暗号化する。通信開始時にＧＡＮから端末へ公開鍵を転送することの主要な技術的利点は、ＧＡＮが端末との通信を暗号化させるのに端末のアイデンティティを知る必要がないことである。しかしながら、許可されないユーザがＧＡＮを装って端末へ公開鍵を送ろうとすると問題が生じる。その場合には、後述するように、端末は受信した公開鍵およびＧＡＮのアイデンティティを認証するように構成することができる。
例えば、ＧＡＮから端末へ公開鍵が転送される時は、鍵は公開鍵“証明書”により転送することができる。この証明書は関連する公開鍵およびその所有者が本物であるという証拠となる。“信頼された”サードパーティが公開鍵を証明書と一緒に発行することができ、それにはサードパーティのアイデンティティおよび公開鍵を認証する“デジタル署名”が含まれている。証明書は、また、ＧＡＮのアイデンティティおよび証明書に期限がある場合にはそれも含むことができる。
本発明の１つの局面において、ＧＡＮは証明書および公開鍵を端末へ送る。その場合、サードパーティの公開鍵は加入端末に予め保存される（先験的）。
図５は、本発明に従って、公開鍵およびその所有者の認証をデジタル署名により証明するのに使用することができる方法のブロック図である。公開鍵証明書にデジタル署名してその認証を検証する方法（３００）はステップ３０２で開始される。ステップ３０２において、端末へ転送される公開鍵の所有者に関する暗号化されていない情報を含む“証明書”が信頼されたサードパーティにより準備される。暗号化されていない情報には公開鍵および証明書の期限も含まれる。ステップ３０４において、“未署名”証明書が取消し不可アルゴリズム（例えば、ハッシングアルゴリズム）により処理されステップ３０６においてメッセージダイジェストが作り出され、それは証明書上に含まれる情報のダイジェストすなわち短縮バージョンである。ステップ３０８において、ダイジェスト情報は異なる公開／プライベート鍵対のプライベート鍵により暗号化される。好ましくは、前記式１および式２と同様なＲＳＡアルゴリズムを使用してこの鍵対が導出される。したがって、ステップ３１０において、元の暗号化されていない情報（通信セションに使用される公開鍵を含む）および、証明書発行者のプライベート鍵により現在暗号化されているダイジェスト情報を含むデジタル署名済み公開鍵証明書が作り出される。次に、デジタル署名済み公開鍵証明書はＧＡＮとのコンタクトを開始している端末へ転送される。
ステップ３１２において、デジタル署名済み証明書を受信すると、端末のプロセッサはドキュメントの暗号化されていない部分および暗号化された部分を解析する。ステップ３１４において、暗号化されていない情報はステップ３０４で使用したハッシングアルゴリズムと同じアルゴリズムを使用して処理される。ステップ３１６において、暗号化されていない情報の第２のダイジェストバージョンが端末において作り出される。ステップ３１８において、端末のプロセッサは予め保存された証明書発行者の公開鍵をメモリから検索し、ＲＳＡアルゴリズムを使用して証明書からの暗号化されたダイジェスト情報を復号する。したがって、ステップ３２０において、暗号化されていないダイジェストされた情報のもう１つのバージョンが作り出される。ステップ３２２において、端末は暗号化されていないダイジェストされた情報の２つのバージョンを比較し、比較した情報が同じであれば証明書の署名およびセション公開鍵は本物と推定される。証明された公開鍵は端末が秘密セション鍵を暗号化するのに使用することができる。
本発明の方法および装置の好ましい実施例を添付図に示し前記詳細な説明で説明してきたが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、請求の範囲に明記された発明の精神を逸脱することなくさまざまな再構成、修正および置換が可能である。

Claims

移動通信網と通信端末間の通信トラフィックを暗号化する方法であって、
該方法は、
公開鍵および前記移動通信網に関連する第１の識別子を前記通信端末に保存するステップと、
前記通信端末に保存された前記第１の識別子を前記移動通信網から受信した第２の識別子と比較し、前記第１の識別子が前記第２の識別子と一致するとき第１の結果を作り出し、前記第１の識別子が前記第２の識別子と一致しないとき第２の結果を作り出すステップと、
前記通信端末において秘密鍵を生成するステップと、
前記比較するステップが前記第２の結果を作り出すとき、前記通信端末からの公開鍵要求を受信した場合に、前記移動通信網から新たな公開鍵を送信するステップと、
前記通信端末において前記秘密鍵を前記保存された公開鍵又は前記移動通信網からの前記新たな公開鍵により暗号化するステップと、
前記暗号化された秘密鍵を前記通信端末から送信するステップと、
前記移動通信網において前記暗号化された秘密鍵を受信するステップと、
前記公開鍵に関連するプライベート鍵により前記受信した暗号化された秘密鍵を復号するステップと、
前記通信トラフィックを前記秘密鍵により暗号化するステップと、
前記移動通信網が前記通信端末の識別子を知らなくても、前記移動通信網と前記通信端末との間の暗号化された前記通信トラフィックを維持するステップと、
を含む通信トラフィック暗号化方法。
請求項１記載の方法であって、前記公開鍵を保存するステップは、前記公開鍵を先験的に予め保存するステップを含む方法。
請求項１記載の方法であって、前記公開鍵を送信するステップは、さらに、前記公開鍵を認証する情報を送信するステップを含む方法。
請求項１記載の方法であって、前記暗号化された秘密鍵を受信して復号するステップは、前記移動通信網内の無線基地局において実施される方法。
請求項１記載の方法であって、前記受信した暗号化された秘密鍵を復号するステップは、前記移動通信網内の無線網コントローラにおいて実施される方法。
請求項１記載の方法であって、前記移動通信網は汎用通信網を含む方法。
請求項１記載の方法であって、前記通信端末は移動端末を含む方法。