JP4943071B2

JP4943071B2 - 無線通信方法

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Publication number: JP4943071B2
Application number: JP2006179550A
Authority: JP
Inventors: 伸佳竹内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: JP2008011176A

Description

本発明は、データを暗号化して無線により送受信する無線通信方法に関し、特に、データの暗号化に使用する鍵を所定の周期で変更して、セキュリティの高い無線通信を行なう方法に関するものである。

近年、様々な情報の漏えいのリスクが高まる中、セキュリティの高い通信技術がかつてないほど望まれている。特に、データの無線通信を行なう場合には、電波を介して通信を行なうため、その通信が第三者から傍受され、通信の内容が盗聴されるリスクが高い。

そのため、データの無線通信を行なう際には、データをそのまま（平文で）送受信するのではなく、送信する前に暗号化を行ない、それを受信側で復号することが望ましい。例えば、ＤＥＳのような共通鍵暗号方式が周知である。このような暗号化の技術を用いれば、送信者と受信者の双方がそれぞれ同じ鍵を持つことにより、送信者が鍵を用いて暗号化して送信したデータを、受信者が予め受け取っていた送信者と同じ鍵を用いて復号できる。

しかしながら、最近のコンピュータ等を用いた暗号解読技術の発達により、強度の低い暗号化の技術については、暗号化されたデータを多く収集し解析することで鍵を推定したり、鍵に対して総あたり攻撃を試みることにより鍵を割り出したりして、暗号を解読することができる場合もある。

このような問題に対処するには、例えば、３ＤＥＳのような暗号化強度の高い暗号化アルゴリズムを用いたり、または暗号化に用いる鍵のビット数を増やすなど複雑な鍵を用いたりするという方法がある。

しかしながら、暗号化強度の高い暗号化アルゴリズムは、より複雑で解析され難いアルゴリズムを用いるのが一般的である。よって、このようなアルゴリズムを用いてデータの暗号化および復号を行なうと、それらの処理も複雑になるため、一般的に処理に時間を要する。鍵を推定され難くするために、ビット数の多い複雑な鍵を用いる場合もまた同じ問題がある。すなわち、強度の高い暗号化を行なうほど、それだけ処理には時間を要するという問題がある。

このような問題を解決し得るものとして、暗号化に用いるアルゴリズムまたは鍵がそれほど強度の高いものでなくとも、通信中に比較的頻繁にそのアルゴリズムや鍵を変更することにより、通信のセキュリティを高めるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に開示の技術を適用すれば、例えば図７（ａ）に示すように、基地局５１と無線端末５２とを無線チャネルを介して接続して、暗号鍵Ａを用いてデータを暗号化して無線通信を開始した後、所定の暗号鍵更新タイミングで、図７（ｂ）に示すように、データ通信を一旦切断して、暗号鍵を受け渡すためのシーケンスにより次に使用する新しい暗号鍵Ｂを準備し、その後、図７（ｃ）に示すように、基地局５１と無線端末５２との間で暗号鍵Ｂを用いる暗号化データの通信を再開することができる。

このような手順を繰り返して暗号鍵を順次更新することにより、暗号化されたデータが第三者に盗聴されても、また、ある時点の暗号鍵が第三者に推定されても、通信しているデータそのものが第三者に解読される可能性を極めて低くすることができる。

特開２００３−１７９５９５号公報

しかしながら、このような方法においては、鍵の変更を通信中に行なわなければならないため、鍵の変更に必要な情報を送受信している間は、暗号化されたデータ本体の通信を行なうことは不可能である。したがって、セキュリティを高めるために鍵の更新を頻繁に行なうと、それだけ暗号化されたデータの通信が中断される回数が多くなる。そのため、このような通信方法は、特にＶｏＩＰやテレビ電話のようなデータの連続性を必要とする通信においては、データの遅延やパケットロスが生じて、音声品質や画像品質が劣化するため、不向きである。

したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、基地局と無線端末との間で無線通信を行なう際に、データの連続性を損なうことなくデータの暗号化に使用する暗号鍵を更新でき、セキュリティの高い通信を行なうことができる無線通信方法を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る無線通信方法の発明は、基地局と無線端末との間で無線により送受信するデータを暗号化する暗号鍵を所定の周期で変更する無線通信方法であって、前記基地局と前記無線端末との間で第１の無線チャネルを介して第１の暗号鍵を用いてデータを暗号化して送受信しながら、前記基地局と前記無線端末との間に第２の無線チャネルを確立し、該第２の無線チャネルを介して前記基地局と前記無線端末との間で第２の暗号鍵を用いてデータを暗号化して送受信を開始した後、前記第２の無線チャネルを介しての前記第２の暗号鍵を用いたデータの送受信が正常に行われていることを確認して前記第１の無線チャネルを切断することを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、基地局と無線端末との間で無線により送受信するデータを暗号化する暗号鍵を所定の周期で変更する無線通信方法であって、前記基地局と前記無線端末との間で第１の無線チャネルを介して第１の暗号鍵を用いてデータを暗号化して送受信しながら、暗号鍵を変更する際に、前記基地局と前記端末との間の無線リソースに前記第１の無線チャネルと同等の通信品質が確保できる無線チャネルを新たに形成する余裕があるか否かを判定し、前記基地局と前記無線端末との間の無線リソースに前記第１の無線チャネルと同等の通信品質を確保できる無線チャネルを新たに形成する余裕があると判定された場合には、前記基地局と前記無線端末との間に、前記第１の無線チャネルと同等の通信品質が確保できる第２の無線チャネルを確立し、該第２の無線チャネルを介して前記基地局と前記無線端末との間で第２の暗号鍵を用いてデータの送受信を開始した後、前記第１の無線チャネルを切断し、前記基地局と前記無線端末との間の無線リソースに前記第１の無線チャネルと同等の通信品質を確保できる無線チャネルを新たに形成する余裕がないと判定された場合には、前記基地局と前記無線端末との間に、前記第１の無線チャネルよりも通信品質の低い第３の無線チャネルを確立し、該第３の無線チャネルを介して前記基地局および前記無線端末に対して第２の暗号鍵を設定して、前記第１の無線チャネルを介して送受信するデータの暗号化に用いる鍵を前記第１の暗号鍵から前記第２の暗号鍵に変更した後、前記第３の無線チャネルを切断することを特徴とするものである。

本発明によれば、暗号鍵を所定の周期で変更しながらデータを中断することなく送受信することができる。したがって、データの連続性を損なうことなくセキュリティの高い通信を行なうことができると共に、暗号鍵として比較的暗号化強度の低い鍵を用いることができ、処理コストを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る無線通信システムの一例の要部構成を示すブロック図である。この無線通信システムは、ネットワークに接続された基地局１と、基地局１と無線により通信可能な、例えば携帯電話からなる無線端末２とを有している。なお、基地局１は、複数台の無線端末２と通信可能になっているが、図１においては１台の無線端末２として示してある。本実施の形態では、無線通信の暗号方式として、共通鍵暗号方式を採用するものとする。

基地局１は、少なくとも、ネットワークとの間で、例えばＶｏＩＰ等のデータを送受信するデータ送受信部１１と、このデータ送受信部１１からの送信データを共通鍵により暗号化するデータ暗号化部１２と、暗号化したデータをアンテナから無線端末２に無線送信する無線制御部１３と、この無線制御部１３が無線端末２から受信した暗号化されたデータを復号してデータ送受信部１１に供給するデータ復号部１４と、データ暗号化部１２およびデータ復号部１４と共通鍵の受け渡しをする共通鍵制御部１５とを有している。

無線端末２は、例えばＶｏＩＰ等のデータを送受信するデータ送受信部２１と、このデータ送受信部２１からの送信データを共通鍵により暗号化するデータ暗号化部２２と、暗号化したデータをアンテナから基地局１に無線送信する無線制御部２３と、この無線制御部２３が基地局１から受信した暗号化されたデータを復号してデータ送受信部２１に供給するデータ復号部２４と、データ暗号化部２２およびデータ復号部２４と共通鍵の受け渡しをする共通鍵制御部２５とを有している。

ここで、基地局１と無線端末２とが、共通鍵暗号方式によりデータを暗号化して送受信する際には、例えば、まず基地局１の共通鍵制御部１５が所定の共通鍵を設定し、これをデータ暗号化部１２およびデータ復号部１４に供給してこの鍵を用いてデータを暗号化および復号するように設定すると共に、さらに無線制御部１３を経て、無線端末２にもこの鍵を送信する。無線端末２では、無線制御部２３を経て、共通鍵制御部２５がこの共通鍵を受信し、共通鍵制御部２５は、データ暗号化部２２およびデータ復号部２４に共通鍵を供給し、この鍵を用いてデータを暗号化および復号するように設定する。これにより、基地局１と無線端末２との間でデータを暗号化する通信を行なう準備が完了する。

基地局１と無線端末２との間のデータの送受信においては、例えば、基地局１のデータ送受信部１１で、ネットワークからのデータを受け取り、それがデータ暗号化部１２に供給される。データ暗号化部１２では、設定された共通鍵を用いてデータが暗号化され、それが無線制御部１３に供給される。無線制御部１３では、アンテナを介して無線端末２に暗号化されたデータが送信される。無線端末２では、アンテナを経て無線制御部２３が暗号化されたデータを受信し、そのデータはデータ復号部２４に供給されて、データ復号部２４では、設定された共通鍵を用いて、暗号化されたデータが復号される。復号されたデータはデータ送受信部２１に供給され、このデータは、例えばスピーカのような機器（不図示）より音声として出力されるなど、ユーザにその内容が認識できるようになっている。

無線端末２では、例えば、マイクロフォンのような機器に入力される音声等のデータがデータ送受信部２１に供給されて、設定された共通鍵を用いてデータ暗号化部２２により暗号化され、暗号化されたデータは無線制御部２３に供給されて、アンテナを介して基地局１に送信される。基地局１では、アンテナを介して無線制御部１３により暗号化されたデータを受信し、このデータはデータ復号部１４に供給されて、設定された共通鍵を用いて復号され、データ送受信部１１を経てネットワークに送信される。

以下、図２に示すシーケンス図および図３（ａ）〜（ｄ）に示す状態図を参照して、基地局１と無線端末２との間のＶｏＩＰデータ送受信中に共通鍵を更新する場合の動作について説明する。

図２に示すように、まず、基地局１と無線端末２とが、それぞれ予め同じ暗号鍵である共通鍵Ａを保有し、それぞれが暗号化および復号に共通鍵Ａを使用する設定になっており、その共通鍵Ａを用いて第１のＶｏＩＰ用チャネル（例えばＱｏＳチャネル）を介してＶｏＩＰデータの通信が行われている（図３（ａ）参照）。ここで、基地局１と無線端末２との間では、送信側は共通鍵Ａを用いてデータを暗号化してから、第１のＶｏＩＰ用チャネルを経て送信し、受信側は、受信したデータを共通鍵Ａにより復号することにより通信を行なう。

基地局１と無線端末２との間のデータ通信が行われている間に所定の共通鍵更新タイミングに達したら、基地局１は、現在データ通信を行っているＶｏＩＰ用データ通信のチャネル以外に、第１のＶｏＩＰ用チャネルと同一通信品質の第２のチャネルである、他のＶｏＩＰ用チャネルの接続要求を無線端末２に出す。この際、基地局１と無線端末２との間で、第２のチャネルによるデータ通信に用いる第２の暗号鍵である共通鍵Ｂの受け渡し、および切り替えタイミング等の接続の切り替えに必要な情報の交換を行なう。接続要求を受けた無線端末２は、ＶｏＩＰ用チャネル接続の応答を基地局１に返信する。これにより、基地局１と無線端末２との間で、新たなＶｏＩＰ用データ通信チャネルである第２のチャネルが確立される（図３（ｂ）参照）。

第２のチャネルの接続が正常に完了したら、基地局１および無線端末２は、切り替えタイミングに従って、共通鍵ＡによるＶｏＩＰ用データ通信を行なう第１のチャネルから、共通鍵Ｂによる新たなＶｏＩＰ用データ通信を行なう第２のチャネルに、データ通信のチャネルの切り替えを行なう（図３（ｃ）参照）。

その後、基地局１は、第２のチャネルによるＶｏＩＰデータの送受信が正常に行なわれているかどうかをチェックし、データの送受信が正常に行なわれていることを確認したら、第１のチャネルの切断を無線端末２に要求する。切断要求を受けた無線端末２は、第１のチャネルの切断の応答を基地局１に返信する。これにより共通鍵ＡによるＶｏＩＰデータ通信を行なっていた第１のチャネルは切断され、共通鍵ＢによるＶｏＩＰデータ通信を行なう新たな第２のチャネルのみが残り、以後、このチャネルを用いて暗号化したデータの通信を継続して行なうことができる（図３（ｄ）参照）。

このようにすることで、暗号鍵の変更を行なう際でも暗号化データ通信をしているチャネルを切断することなくデータの送受信を行なうことが可能となる。上記動作を共通鍵を更新しながら繰り返すことで、暗号化データ通信がＶｏＩＰデータのような大量のデータを継続して送受信する場合でも、ＶｏＩＰデータの遅延やパケットロスが発生せずに、高品質のデータ通信を途切れることなく行なうことが可能となる。

なお、上記実施の形態では、基地局１は、チャネルの切り替えが終了したら、第２のチャネルによるＶｏＩＰデータの送受信が正常に行なわれているか否かをチェックし、正常に行なわれている場合に第１のチャネルを切断するようにしたが、ＶｏＩＰデータの送受信が正常に行なわれているか否かをチェックせずに、チャネルの切り替えが終了した後、瞬時に、または所定のタイミングで第１のチャネルを切断するようにもできる。

（第２実施の形態）
本実施の形態は、上記第１実施の形態において、基地局１と無線端末２との間のデータ通信が行われている最中に所定の共通鍵更新タイミングに達した際に、基地局１において、第１のチャネルと同一通信品質の第２のチャネルである他のＶｏＩＰ用チャネルを形成できるほどは無線リソースに余裕がない場合、または極力少ない無線リソースを用いて鍵の変更を行なう無線通信が所望される場合に共通鍵の更新を行なうものである。

以下、図４に示すシーケンス図および図５（ａ）〜（ｄ）に示す状態図を参照して、本発明の第２実施の形態に係る共通鍵の更新の動作について説明する。

図４に示すように、本実施の形態においては、基地局１と無線端末２との間で共通鍵Ａを用いてＶｏＩＰ用チャネル（例えばＱｏＳチャネル）を介してＶｏＩＰデータの通信を行ないながら（図５（ａ）参照）、基地局１と無線端末２との間に新たなチャネルを形成する際に、基地局１は、ＶｏＩＰ用チャネルよりも少ない無線リソースで済む、ＱｏＳが保証されないようなｎｏｎ−ＶｏＩＰ用チャネル（第３のチャネル、例えば制御チャネル）の接続要求を無線端末２に出す。この際、基地局１と無線端末２との間では、第２の暗号鍵である共通鍵Ｂの受け渡し、および切り替えタイミング等の鍵の更新に必要な情報の交換を行なう。接続要求を受けた無線端末２は、ｎｏｎ−ＶｏＩＰ用チャネル接続の応答を基地局１に返信する。これにより、基地局１と無線端末２との間に、ｎｏｎ−ＶｏＩＰ用のデータ通信チャネルが確立される（図５（ｂ）参照）。

ｎｏｎ−ＶｏＩＰ用チャネルの接続が正常に完了したら、基地局１および無線端末２は、共通鍵切り替えタイミングに従って、共通鍵Ａを用いて行なっていたＶｏＩＰ用チャネルの暗号化データ通信の暗号鍵を、共通鍵Ａから共通鍵Ｂに変更する。この変更は、共通鍵切り替えタイミングに従って、基地局１と無線端末２との間で同時に行われるため、共通鍵が変更されても、それまで行なっていたＶｏＩＰ用チャネルの暗号化されたデータ通信は途切れない。（図５（ｃ）参照）。

共通鍵の更新が完了したら、基地局１は、暗号鍵の受け渡し等に用いたｎｏｎ−ＶｏＩＰ用チャネルの切断を無線端末２に要求する。切断要求を受けた無線端末２は、ｎｏｎ−ＶｏＩＰ用チャネルの切断の応答を基地局１に返信する。これにより暗号鍵の受け渡し等に用いたｎｏｎ−ＶｏＩＰ用チャネルは切断され、共通鍵Ｂを用いたＶｏＩＰ用チャネルのみが残り、これにより更新した共通鍵Ｂを用いて暗号化したデータの通信を継続して行なうことができる（図５（ｄ）参照）。

このようにすることで、基地局１に新たなＶｏＩＰ用チャネルを形成するほどの無線リソースの余裕がない場合であっても、共通鍵の更新を行なう際に、暗号化したＶｏＩＰデータ通信をしているチャネルを切断することなくデータの送受信を継続して行なうことが可能となる。上記動作を共通鍵を更新しながら繰り返すことで、暗号化データ通信がＶｏＩＰデータのような大量のデータを継続して送受信する場合でも、ＶｏＩＰデータの遅延やパケットロスが発生せずに、高品質のデータ通信を途切れることなく行なうことが可能となる。

（第３実施の形態）
本実施の形態では、基地局１と無線端末２との間でＶｏＩＰデータ通信が行われている最中に所定の共通鍵更新タイミングに達した際に、基地局１において、第１のチャネルと同一通信品質の第２のチャネルである他のＶｏＩＰ用チャネルを形成できるほどに無線リソースに余裕があるか否かを判定し、その判定結果に基づいて、形成するチャネルの品質を選択する。

図６は、本発明の第３実施の形態に係る無線通信システムの一例の要部構成を示すブロック図である。この無線通信システムは、基地局１にリソース状態判定部１６を設けた以外は、第１実施の形態に係る無線通信システムと同じである。このリソース状態判定部１６は、共通鍵の更新時に基地局１の共通鍵制御部１５からリソース判定要求を受けて、基地局１と無線端末２との間の通信を行なうための無線リソースに新たなＶｏＩＰ用チャネルを確保できる余裕があるか否かを判定し、その結果を共通鍵制御部１５に返信する。

本実施の形態では、基地局１と無線端末２との間のデータ通信が行われている最中に所定の共通鍵更新タイミングに達した際に、基地局１のリソース状態判定部１６によって、第１のチャネルと同一通信品質の第２のチャネルである他のＶｏＩＰ用チャネルを形成できると判定された場合には、上記第１実施の形態と同様にして、第２のチャネルとして新たなＶｏＩＰ用チャネルを形成した後、データ通信のチャネルを第１のチャネルから第２のチャネルに切り替えて、チャネルおよび鍵を更新して通信を継続する。

これに対し、リソース状態判定部１６において、無線リソースに新たなＶｏＩＰ用チャネルを形成する余裕がないと判定された場合には、上記第２実施の形態と同様にして、第２のチャネルとして制御チャネルのようなｎｏｎ−ＶｏＩＰ用チャネルを形成した後、共通鍵および鍵の更新に必要な情報の交換のみを行ない、ＶｏＩＰ用チャネルはもとの第１のチャネルとしたまま、共通鍵のみを更新して通信を継続する。

なお、本発明は、上述した実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変更または変形が可能である。例えば、暗号化して送受信するデータはＱｏＳが確保されたＶｏＩＰのデータに限定されるものではなく、テレビ電話に用いるような、継続した送受信が必要な映像および音声データなどとすることもできる。

また、上記実施の形態では、第２のチャネルを確立した際に、新たな暗号鍵に加えて切り替えタイミングの受け渡しも行ない、この切り替えタイミングに従って、チャネルの切り替えまたは鍵の変更を行なったが、無線端末からの応答があった瞬間にチャネルの切り替えまたは鍵の変更が行なわれるような構成にすることもできる。

さらに、上記実施の形態においては、無線通信を行なう際の暗号方式を共通鍵暗号方式としたが、例えば公開鍵暗号方式等の他の暗号方式を用いてデータの暗号化を行なうこともできることは勿論である。

本発明の第１実施の形態に係る無線通信システムの概略ブロック図である。本発明の第１実施の形態に係る基地局と無線端末との間の無線通信のシーケンス図である。本発明の第１実施の形態に係る基地局と無線端末との間の通信の状態図である。本発明の第２実施の形態に係る基地局と無線端末との間の無線通信のシーケンス図である。本発明の第２実施の形態に係る基地局と無線端末との間の通信の状態図である。本発明の第３実施の形態に係る無線通信システムの概略ブロック図である。従来の暗号化無線通信の無線端末と基地局との通信の状態図である。

符号の説明

１基地局
２無線端末
１１データ送受信部
１２データ暗号化部
１３無線制御部
１４データ復号部
１５共通鍵制御部
１６リソース状態判定部
２１データ送受信部
２２データ暗号化部
２３無線制御部
２４データ復号部
２５共通鍵制御部
５１基地局
５２無線端末

Claims

基地局と無線端末との間で無線により送受信するデータを暗号化する暗号鍵を所定の周期で変更する無線通信方法であって、
前記基地局と前記無線端末との間で第１の無線チャネルを介して第１の暗号鍵を用いてデータを暗号化して送受信しながら、前記基地局と前記無線端末との間に第２の無線チャネルを確立し、該第２の無線チャネルを介して前記基地局と前記無線端末との間で第２の暗号鍵を用いてデータを暗号化して送受信を開始した後、前記第２の無線チャネルを介しての前記第２の暗号鍵を用いたデータの送受信が正常に行われていることを確認して前記第１の無線チャネルを切断することを特徴とする無線通信方法。
基地局と無線端末との間で無線により送受信するデータを暗号化する暗号鍵を所定の周期で変更する無線通信方法であって、
前記基地局と前記無線端末との間で第１の無線チャネルを介して第１の暗号鍵を用いてデータを暗号化して送受信しながら、暗号鍵を変更する際に、前記基地局と前記端末との間の無線リソースに前記第１の無線チャネルと同等の通信品質が確保できる無線チャネルを新たに形成する余裕があるか否かを判定し、
前記基地局と前記無線端末との間の無線リソースに前記第１の無線チャネルと同等の通信品質を確保できる無線チャネルを新たに形成する余裕があると判定された場合には、前記基地局と前記無線端末との間に、前記第１の無線チャネルと同等の通信品質が確保できる第２の無線チャネルを確立し、該第２の無線チャネルを介して前記基地局と前記無線端末との間で第２の暗号鍵を用いてデータの送受信を開始した後、前記第１の無線チャネルを切断し、
前記基地局と前記無線端末との間の無線リソースに前記第１の無線チャネルと同等の通信品質を確保できる無線チャネルを新たに形成する余裕がないと判定された場合には、前記基地局と前記無線端末との間に、前記第１の無線チャネルよりも通信品質の低い第３の無線チャネルを確立し、該第３の無線チャネルを介して前記基地局および前記無線端末に対して第２の暗号鍵を設定して、前記第１の無線チャネルを介して送受信するデータの暗号化に用いる鍵を前記第１の暗号鍵から前記第２の暗号鍵に変更した後、前記第３の無線チャネルを切断することを特徴とする無線通信方法。