JP5826202B2

JP5826202B2 - 符号化装置、復号装置、符号化方法、復号方法及びプログラム

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Publication number: JP5826202B2
Application number: JP2013057291A
Authority: JP
Inventors: 淳栗原; 三宅　優; 優三宅
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: JP2014068337A

Description

本発明は、分散ストレージ技術、つまり、保存すべきデータから、当該保存すべきデータを復元できる、分散して保存する複数のデータを生成する技術に関する。

分散ストレージ技術は、保存すべきデータを複数の記憶装置に分散して保存する技術であり、記憶装置の障害により、当該記憶装置が保存していたデータが破壊されたとしても、元のデータや、当該記憶装置が保存していたデータを復元できる様に、例えば、分散ストレージ符号化技術の一種である再生成符号が使用される。非特許文献１は、再生成符号の一例であり、図３に再生成符号を用いた分散ストレージの概略を示す。

図３において、再生成符号化装置は、保存すべき情報に対応するデータから、符号化データ＃１から＃５をそれぞれ生成している。この符号化データ＃１から＃５を、例えば、５つの異なる記憶装置に保存しておく。また、図３の再生成符号の例においては、元のデータを復元するのに符号化データ＃１から＃５の総てを必要とはせず、その内の３つの符号化データがあれば元のデータを再現できる。よって、図３では、符号化データ＃１から＃３のみを再生成復号装置に入力して、元のデータを復元している。

分散ストレージには、誤り訂正符号も利用できる。しかしながら、誤り訂正符号を使用することと比較し、再生成符号を使用する場合には、記憶装置が故障した場合において、当該記憶装置が保存していた符号化データの復元が容易になるという利点がある。具体的には、例えば、図３において、符号化データ＃５を保存している記憶装置が故障し、符号化データ＃５が消失又は損傷したものとする。この場合、復元装置で符号化データ＃１から＃４に基づき符号化データ＃５を復元するが、再生成符号を使用していると、符号化データ＃１から＃４をそのまま復元装置に送信する必要はなく、符号化データ＃１から＃４のそれぞれから生成した、より小さい量のデータを復元装置に送信することで符号化データ＃５を復元することができる。

さらに、非特許文献２及び非特許文献３は、個々の記憶装置が保存している符号化データが流出することを考慮した再生成符号を提案している（以下、セキュア再生成符号と呼ぶ。）。具体的には、通常の再生成符号では、各符号化データは、元のデータの一部分をそのまま含むが、セキュア再生成符号では、各符号化データが元のデータをそのまま含むことが無いようにし、これにより情報が漏洩することを防いでいる。

Ａ. Ｇ. Ｄｉｍａｋｉｓ，ｅｔａｌ．， "Ｎｅｔｗｏｒｋｃｏｄｉｎｇｆｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｓ，" ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ.５６，ｎｏ.９，ｐｐ．４５３９−４５５１，２０１０年９月Ｓ．Ｐａｗａｒ，ｅｔａｌ．， "ＳｅｃｕｒｉｎｇＤｙｎａｍｉｃＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍｓａｇａｉｎｓｔＥａｖｅｓｄｒｏｐｐｉｎｇａｎｄＡｄｖｅｒｓａｒｉａｌＡｔｔａｃｋｓ，" ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．５７，ｎｏ.１０，ｐｐ.６７３４−６７５３，２０１０年９月Ｍ．Ｋｕｒｉｈａｒａ， "ＯｎＳｅｃｒｅｔＳｈａｒｉｎｇＳｃｈｅｍｅｓｂａｓｅｄｏｎＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇＣｏｄｅ，" Ｐｒｏｃ．ｏｆ２０１２ＩＥＩＣＥＧｅｎｅｒａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＡＳ−２−１，ｐｐ．Ｓ１７−Ｓ１８，２０１２年３月Ｅ．Ｍ．Ｇａｂｉｄｕｌｉｎ， "Ｔｈｅｏｒｙｏｆｃｏｄｅｓｗｉｔｈｍａｘｉｍｕｍｒａｎｋｄｉｓｔａｎｃｅ，" ＰｒｏｂｌｅｍｓｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｖｏｌ．２１，ｎｏ．１, ｐｐ．１−１２，１９８５年

現在提案されているセキュア再生成符号は、セキュアではない通常の再生成符号をカスタマイズして実現している。したがって、符号化のパラメータの自由度が制限され、より効率的な再生成符号への適用を行うことができない。また、データが漏洩した記憶装置の数が閾値以内であったとしもて、所定数の記憶装置からデータが漏洩すると、元のデータの一部が漏れる可能性がある。

本発明は、任意の分散ストレージ符号を使用でき、かつ、データが漏洩した記憶装置の数が閾値以内であると、元のデータを曖昧に保つことができる符号化装置と、復号装置、符号化方法、復号方法及びプログラムを提供するものである。

本発明の一態様によると、符号化装置は、保存すべきデータを誤り訂正符号化処理して得る、前記保存すべきデータに対応するデータ部分及び誤り訂正のための冗長部分を含む符号語から、前記データ部分を除去した残存部分を出力する第１の符号化手段と、前記残存部分を分散ストレージ符号化処理し、複数の符号化データを生成する第２の符号化手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明の一態様によると、保存すべきデータを誤り訂正符号化処理して得た符号語から、前記保存すべきデータに対応するデータ部分を除いた残存部分を分散ストレージ符号化処理して生成した複数の符号化データを入力し、前記残存部分を生成する第１の復号手段と、前記残存部分を誤り訂正処理して前記保存すべきデータを生成する第２の復号手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明の一態様によると、符号化方法は、保存すべきデータを誤り訂正符号化処理して得る、前記保存すべきデータに対応するデータ部分及び誤り訂正のための冗長部分を含む符号語から、前記データ部分を除去した残存部分を出力する第１の符号化ステップと、前記残存部分を分散ストレージ符号化処理し、複数の符号化データを生成する第２の符号化ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の一態様によると、復号方法は、保存すべきデータを誤り訂正符号化処理して得た符号語から、前記保存すべきデータに対応するデータ部分を除いた残存部分を分散ストレージ符号化処理して生成した複数の符号化データを入力し、前記残存部分を生成する第１の復号ステップと、前記残存部分を誤り訂正処理して前記保存すべきデータを生成する第２の復号ステップと、を有することを特徴とする。

任意の分散ストレージ符号を使用でき、かつ、データが漏洩した記憶装置の数が閾値以内であると、元のデータを曖昧に保つことができる。

一実施形態による符号化装置の概略的な構成図。一実施形態による復号装置の概略的な構成図。再生成符号の説明図。局所修復符号の説明図。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態による符号化装置１００の概略的な構成図である。まず、保存したい情報に対応するデータを、誤り訂正符号化部１１に入力する。誤り訂正符号化部１１の演算部１１１は、使用する誤り訂正符号の符号化パラメータに応じた所定長にデータを分割し、各分割したデータに対して誤り訂正のための演算を行って符号語を出力する。この場合、演算部１１１が出力する符号語は、保存すべきデータを分割して得たデータと同じ部分であるデータ部分と、誤り訂正のために付加された冗長部分とを有している。

また、他の実施形態において、演算部１１１は、分割したデータに対して、所定長の追加データを追加し、分割したデータと追加データを連結したデータに対して誤り訂正のための演算を行って符号語を出力する。この場合、演算部１１１が出力する符号語は、分割したデータと同じ部分であるデータ部分と、追加データと同じ部分である追加部分と、誤り訂正のために付加された冗長部分とを有している。なお、追加データの値は、固定的な値であっても、ランダムに生成したものであっても良い。ランダムに生成すると、分割したデータの値が同じであっても冗長部分の値を変化させることになり、各記憶装置からの情報漏洩に対して元のデータをより強く保護できることになる。

なお、追加部分の有無にかかわらず、演算部１１１は、データ部分の総てが消失しても冗長部分から、或いは、冗長部分及び追加部分からデータ部分を再現できる誤り訂正符号を使用する。つまり、符号語は、データ部分の長さのデータが消失しても、消失したデータ部分を復元可能な誤り訂正能力を有するものを使用し得る。例えば、符号語の復元可能な消失データの長さの最大値は、データ部分の長さに等しいものとすることができる。そして、除去部１１２は、符号語の内、データ部分を除去し、残りの部分、つまり、冗長部分か、冗長部分と追加部分（以後、纏めて残存部分と呼ぶ。）を出力する。

再生成符号化部１３は、任意の再生成符号を使用して、入力される残存部分を再生成符号化し、複数の再生成符号化データを出力する。送信部１４は、再生成符号化データのそれぞれを、対応する記憶装置に送信して保存させる。

図２は、本実施形態による復号装置２００の概略的な構成図である。受信部２４は、符号化装置１００が生成した再生成符号化データを保存する記憶装置の内、少なくとも、符号化装置１００が使用した再生成符号で決まる閾値に等しい記憶装置から再生成符号化データを受信する。再生成復号部２３は、受信した再生成符号化データを復号し、これにより、残存部分を得る。誤り訂正復号部２１は、残存部分から、符号化装置１００の除去部１２が除去したデータ部分を復元して出力する。

なお、例えば、１つの記憶装置に保存している再生成符号化データが破損した場合において、破損した再生成符号化データを、他の記憶装置に保存している再生成符号化データから復元する方法は、使用している再生成符号の処理に従う。

以上の構成により、データが漏洩した記憶装置の数が、使用した再生成符号のパラメータできまる閾値より少ないと、例え、残存部分の一部が復元できたとしても誤り訂正処理によりデータ部分を復元できず、よって、元のデータは秘密に保たれる。本実施形態によると、任意の再生成符号を使用することが可能であり、柔軟性の高い分散ストレージを提供できる。

以下、各部の処理の詳細について説明する。なお、以下の説明において、誤り訂正符号は、非特許文献４に記載の、ランク距離符号の一種である最大ランク距離（ＭＲＤ：ＭａｘｉｍｕｍＲａｎｋＤｉｓｔａｎｃｅ）符号であるものとして説明を行う。しかしながら、本発明は、ＭＲＤ符号を使用するものに限定されず、上記の通り、残存部分からデータ部分を復元できる誤り訂正能力を持つ、任意の誤り訂正符号、例えば、線形符号を使用することができる。なお、本発明において、使用する再生成符号についての制限はない。なお、以下の説明において、各数は、位数ｑのｍ次元拡大体の要素であるものとする。まず、符号化装置１００の誤り訂正符号化部１１は、保存すべきデータを分割して、ｌ次元の情報ベクトル｛ｓ_１，ｓ_２，・・・，ｓ_ｌ｝を生成する。なお、ｑ＝２であるものとすると、ｓ_ｉ（１≦ｉ≦ｌ）はｍビットのデータであり、情報ベクトルは、ｍ×ｌビットのデータである。

また、誤り訂正符号化部１１は、（ｎ−ｌ）次元の乱数ベクトル｛ｒ_１，ｒ_２，・・・，ｒ_ｎ−ｌ｝を生成する。なお、ｑ＝２であるものとすると、ｒ_ｉ（１≦ｉ≦ｎ−ｌ）はｍビットのデータであり、乱数ベクトルはｍ×（ｎ−ｌ）ビットのデータである。なお、ｎ≧ｌであり、ｎ＝ｌは乱数を使用しない場合に相当する。誤り訂正符号化部１１は、情報ベクトルと乱数ベクトルを結合してｎ次元ベクトルＷ＝｛ｓ_１，ｓ_２，・・・，ｓ_ｌ，ｒ_１，ｒ_２，・・・，ｒ_ｎ−ｌ｝を生成する。そして、生成行列Ｇにより、符号語ＩをＩ＝ＷＧにより求める。なお、生成行列Ｇ＝[ＩＰ]であり、ここで、Ｉはｎ行ｎ列の単位行列であり、Ｐはｎ行ｌ列の行列である。したがって、得られる符号語Ｉは｛ｓ_１，ｓ_２，・・・，ｓ_ｌ，ｃ_１，ｃ_２，・・・，ｃ_ｎ｝と、最初のｌ個の数は元のデータに対応するデータ部分Ｄであり、後ろのｎ個の数は、追加部分と冗長部分を結合したものとなる。具体的には、残存部分Ｒ＝｛ｃ_１，ｃ_２，・・・，ｃ_ｎ｝の最初の（ｎ−ｌ）個の数は｛ｒ_１，ｒ_２，・・・，ｒ_ｎ−ｌ｝と同じであり、残りのｌ個の数が冗長部分に対応する。誤り訂正符号化部１１は、残存部分Ｒのみを再生符号化部１３に出力する。なお、生成行列をＰとして冗長部分のみを計算し、追加部分と結合して出力する構成とすることもできる。

この様にして生成した残存部分Ｒを任意の再生成符号により符号化して複数の記憶装置に保存する。以下に、再生成符号化部１３での処理の一例について説明する。残存部分Ｒは、の各数ｃ_ｉ（１≦ｉ≦ｎ）は、それぞれｍ次元のベクトルとして表すことができる。つまり、残存部分はｎ個のｍ次元ベクトルと看做すことができる。再生成符号化部１３は、まず、このｎ個のｍ次元ベクトルの同じ位置の要素を集めてｍ個のｎ次元ベクトルを生成し、ｍ個のｎ次元ベクトルのそれぞれを前記再生成符号化処理して、ｍ個のＮ次元ベクトル（Ｎはｎより大きい整数）を生成する。そして、ｍ個のＮ次元ベクトルの同じ位置の要素を集めてＮ個のｍ次元ベクトルを生成し、前記Ｎ個のｍ次元ベクトルのそれぞれをＮ個の記憶装置に保存することができる。この構成により、情報をより漏れにくくすることができる。

なお、再生成符号化されたデータの復元方法は、使用する再生成符号に従い、各種のＭＲＤ復号方法に従い復号することができる。

＜第二実施形態＞
続いて、第二実施形態について、第一実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、第一実施形態の再生成符号に代えて、分散ストレージ符号の一種である局所修復符号（ＬｏｃａｌｌｙＲｅｐａｉｒａｂｌｅＣｏｄｅ）を使用する。以下、図４を用いて局所修復符号について説明する。

図４において、局所修復符号化装置は、保存すべき情報に対応するデータから、符号化データ＃１から＃６をそれぞれ生成している。この符号化データ＃１から＃６を、例えば、６つの異なる記憶装置に保存しておく。また、図４の局所修復符号の例においては、元のデータを復元するのに符号化データ＃１から＃６の総てを必要とはせず、その内の４つの符号化データがあれば元のデータを再現できる。よって、図４では、符号化データ＃１から＃４のみを局所修復復号装置に入力して、元のデータを復元している。なお、元のデータの再現に必要な符号化データの数は、再生成符号と同様にパラメータにより決定される。

局所修復符号においては、再生成符号とは異なり、グループの概念が導入されている。例えば、図４において、符号化データ＃３を保存している記憶装置が故障し、符号化データ＃３が消失又は損傷したものとする。この場合、図示しない復元装置では、例えば、同じグループ＃１の符号化データ＃１及び＃２から生成したデータに基づき符号化データ＃３を再現することができる。また、グループ＃２の符号化データのいずれかが消失又は損傷した場合には、グループ＃２内の他の符号化データから生成したデータに基づき、消失又は損傷した符号化データを再現することができる。なお、グループ内の１つの符号化データを復元するために必要な、同じグループの他の符号化データの数は、パラメータにより調整できる。

この様に局所修復符号では、消失又は損傷した符号化データを再現するために必要な符号化データの数が、再生成符号と比較して少ないという特徴がある。したがって、例えば、消失又は損傷した符号化データを再現するために送受信すべきデータ量よりも、符号化データを保存しているハードディスクとの間のデータの読み書きに時間がかかる場合には、再生成符号より局所修復符号を使用することが有利になる。なお、局所修復符号についても、再生成符号と同様に、各符号化データは、元のデータの一部分をそのまま含む。したがって、セキュア局所修復符号が提案されてはいるが、セキュアではない通常の局所修復符号をカスタマイズして実現しているため、符号化のパラメータの自由度が制限されるという問題がある。また、再生成符号と同様に、データが漏洩した記憶装置の数が閾値以内であったとしもて、所定数の記憶装置からデータが漏洩すると、元のデータの一部が漏れる可能性がある。

そのため、本実施形態では、第一実施形態の再生成符号に代えて局所修復符号を使用する。なお、本実施形態による符号化装置１００の構成は、図１の再生成符号化部１３を、局所修復符号化部１３に変更したものであり、本実施形態による復号装置２００は、図２の再生成復号部２３を局所修復復号部２３に代えたものである。なお、処理の詳細は、再生成符号に代えて局所修復符号を使用すること以外は、第一実施形態と同様であるためその詳細な説明は省略する。なお、第一実施形態と同様に、１つの記憶装置に保存している符号化データが破損した場合において、破損した符号化データを、他の記憶装置に保存している符号化データから復元する方法は、使用している局所修復符号の処理に従う。

以上の構成により、データが漏洩した記憶装置の数が、使用した局所修復符号のパラメータできまる閾値より少ないと、例え、残存部分の一部が復元できたとしても誤り訂正処理によりデータ部分を復元できず、よって、元のデータは秘密に保たれる。本実施形態によると、任意の局所修復符号を使用することが可能であり、柔軟性の高い分散ストレージを提供できる。

なお、本発明による符号化装置１００及び復号装置２００は、コンピュータを上記符号化装置１００や復号装置２００として動作させるプログラムにより実現することができる。これらコンピュータプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されて、又は、ネットワーク経由で配布が可能なものである。

Claims

保存すべきデータを誤り訂正符号化処理して得る、前記保存すべきデータに対応するデータ部分及び誤り訂正のための冗長部分を含む符号語から、前記データ部分を除去した残存部分を出力する第１の符号化手段と、
前記残存部分を分散ストレージ符号化処理し、複数の符号化データを生成する第２の符号化手段と、
を備えていることを特徴とする符号化装置。
前記第１の符号化手段は、前記保存すべきデータに、追加のデータを結合して前記誤り訂正符号化処理して得る、前記保存すべきデータに対応するデータ部分、前記追加のデータに対応する追加部分及び誤り訂正のための冗長部分を含む符号語から、前記データ部分を除去した残存部分を出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の符号化装置。
前記第１の符号化手段は、前記追加のデータの値をランダムに生成する、
ことを特徴とする請求項２に記載の符号化装置。
前記符号語は、前記データ部分の長さのデータが消失しても復元可能な誤り訂正能力を有する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の符号化装置。
前記符号語の復元可能な消失データの長さの最大値は、前記データ部分の長さに等しい、
ことを特徴とする請求項４項に記載の符号化装置。
前記分散ストレージ符号は、再生成符号である、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の符号化装置。
前記残存部分は、ｎ個（ｎは２以上の整数）のｍ次元ベクトル（ｍは２以上の整数）で表され、
前記第２の符号化手段は、ｎ個のｍ次元ベクトルの同じ位置の要素を集めてｍ個のｎ次元ベクトルを生成し、ｍ個のｎ次元ベクトルのそれぞれを前記再生成符号化処理して、ｍ個のＮ次元ベクトル（Ｎはｎより大きい整数）を生成し、ｍ個のＮ次元ベクトルの同じ位置の要素を集めてＮ個のｍ次元ベクトルを生成し、前記Ｎ個のｍ次元ベクトルを、前記複数の符号化データとして出力する、
ことを特徴とする請求項６に記載の符号化装置。
前記分散ストレージ符号は、局所修復符号である、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の符号化装置。
前記第１の符号化手段は、誤り訂正符号として線形符号を使用する、
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の符号化装置。
前記第１の符号化手段は、誤り訂正符号として最大ランク距離符号を使用する、
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の符号化装置。
保存すべきデータを誤り訂正符号化処理して得た符号語から、前記保存すべきデータに対応するデータ部分を除いた残存部分を分散ストレージ符号化処理して生成した複数の符号化データを入力し、前記残存部分を生成する第１の復号手段と、
前記残存部分を誤り訂正処理して前記保存すべきデータを生成する第２の復号手段と、
を備えていることを特徴とする復号装置。
前記残存部分は、前記誤り訂正符号化処理において、前記保存すべきデータに結合された追加データの部分と、前記保存すべきデータ及び前記追加データの誤り訂正のための冗長部分とを含む、
ことを特徴とする請求項１１に記載の復号装置。
前記分散ストレージ符号は、再生成符号である、
ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の復号装置。
前記分散ストレージ符号は、局所修復符号である、
ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の復号装置。
保存すべきデータを誤り訂正符号化処理して得る、前記保存すべきデータに対応するデータ部分及び誤り訂正のための冗長部分を含む符号語から、前記データ部分を除去した残存部分を出力する第１の符号化ステップと、
前記残存部分を分散ストレージ符号化処理し、複数の符号化データを生成する第２の符号化ステップと、
を有することを特徴とする符号化方法。
前記残存部分は、前記誤り符号化処理において、前記保存すべきデータに結合された追加データの部分と、前記保存すべきデータ及び前記追加データの誤り訂正のための冗長部分とを含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の符号化方法。
前記分散ストレージ符号は、再生成符号である、
ことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の符号化方法。
前記分散ストレージ符号は、局所修復符号である、
ことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の符号化方法。
保存すべきデータを誤り訂正符号化処理して得た符号語から、前記保存すべきデータに対応するデータ部分を除いた残存部分を分散ストレージ符号化処理して生成した複数の符号化データを入力し、前記残存部分を生成する第１の復号ステップと、
前記残存部分を誤り訂正処理して前記保存すべきデータを生成する第２の復号ステップと、
を有することを特徴とする復号方法。
前記残存部分は、前記誤り符号化処理において、前記保存すべきデータに結合された追加データの部分と、前記保存すべきデータ及び前記追加データの誤り訂正のための冗長部分とを含む、
ことを特徴とする請求項１９に記載の復号方法。
前記分散ストレージ符号は、再生成符号である、
ことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の復号方法。
前記分散ストレージ符号は、局所修復符号である、
ことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の復号方法。
請求項１から１０のいずれか１項に記載の符号化装置としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。
請求項１１から１４のいずれか１項に記載の復号装置としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。