JP6037223B2 - 通信システム、送信機、受信機、および暗号化通信方法 - Google Patents
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Description
図1に本実施形態に係る通信システムの構成が示されている。図10に示す従来のY−00暗号通信システムとの構成上の差異は、送信機101にルックアップテーブル106(第1のメモリ)を、受信機151にルックアップテーブル156(第2のメモリ)を付加したことにある。ここでいうルックアップテーブル106,156とは、演算処理を単純な配列の参照処理に置換して効率化を図るために設計されたメモリ配列等のデータ構造をいう。これらルックアップテーブル106,156のデータ構造については後述する。なお、ルックアップテーブル106,156は、計算式による演算に置き換えてもよい。
以下に本実施形態に係る通信システムの動作について詳細に説明する。上記構成において、送信機101は、信号発信器105が出力する信号を、通信基底選択部104の出力、ならびにルックアップテーブル106の出力を元に決定する。ルックアップテーブル106の出力は、送信データ102と、擬似乱数生成器103の出力を元に決定される。また、受信機151は、受信データ出力部155の出力を、ルックアップテーブル156の出力によって決定する。ルックアップテーブル156の出力は、信号識別部154と擬似乱数生成器153の出力により決定される。送信機101が持つルックアップテーブル106および受信機151が持つルックアップテーブル156のデータ構造により、攻撃者による通信路100途中でのビット反転攻撃に対する耐性が決定される。以下に、そのデータ構造を実施例1〜実施例5として例示し、それぞれのビット反転攻撃に対する耐性を説明する。
実施例1に係るルックアップテーブル106およびルックアップテーブル156のデータ構造が図2に示されている。実施例1では、ルックアップテーブル106,156には、同一内容が記憶され、Z=4、およびM=1024とする。まず、正規ユーザーが用いる送信機101がどのような信号を出力するかについて、強度変調方式を使ったY−00暗号通信システムを例示して説明する。
Signal Strength Indication)を検出する。また、信号識別部154は、例えば、以下の演算式(2)(3)(4)を用いて閾値を設定し、RSSIがどの区間に存在するかを判定する。
mod 24=8の場合と比較すれば、q=00の値を一意に復元することができる。
24=0やk mod 24=12だった場合、攻撃者は、信号位相を1MΔθだけ増加させなければならないし、k mod 24=4やk mod 24=20の場合には2MΔθだけ増加させなければq'=01は得られない。したがって、攻撃者は、q=00をq'=01にビット反転することに高い確率で失敗する。雑音の確率分布の99.7%信頼区間が24Δθ以上である場合、特に、攻撃者は、約2/3の確率でビット反転に失敗する。
図3に示すルックアップテーブル106(156)を使用した通信システムを実施例2として以下に説明する。図3に示すデータ構造を有するルックアップテーブル106(156)によれば、例えば、q=00をq'=11またはq'=10にビット反転する場合には失敗する確率が1/2になる。しかし、q=00をq'=01にビット反転する場合には、間違いなく成功してしまう。したがって、実施例1のほうが好適である。つまり、送信信号qに対するLT(q,k)の値がルックアップテーブル106,156中に全て網羅されるように、4の階乗通りの並び替えが配列されていることが望ましい。例えば、qがZ値の送信データの場合にはZの階乗通りを網羅すると良い。
追加の2値擬似乱数bを送信機101と受信機151で共有する場合には、図4に示すルックアップテーブル106(156)を使用してもよい。図4に示すルックアップテーブル106(156)を使用した通信システムを実施例3として以下に説明する。実施例1では、強度変調の場合(Zの階乗)ΔS、位相変調の場合(Zの階乗)Δθだけ雑音の確率分布の99.7%信頼区間が必要であったのに対し、実施例3では、強度変調の場合(Zの階乗/2)ΔS、位相変調の場合(Zの階乗/2)Δθとなり、したがって、量子雑音が小さい場合でも容易に実現できる。
図6に、実施例4に係るルックアップテーブル106(156)の構造が示されている。図6において、xは2値の送信データ、rは送信機101のみが持つ2値擬似乱数である。ここでは、Z=4およびM=1024とする。この場合、ルックアップテーブル106,156は、それぞれが図6(a)、図6(b)に示すように、異なっていてもよいが、送信機101と受信機151とを一体化した通信機である場合には、図6(a)のルックアップテーブルに統一したほうが好適である。
但し、追加の2値擬似乱数bを送信機101と受信機151で共有する場合には、ルックアップテーブル106,156のそれぞれを、図7(a)、図7(b)に示すデータ構造にしてもよい。このルックアップテーブル106,156を有する通信システムを実施例5として以下に説明する。
以上説明のように、本実施形態に係る通信システムによれば、通信路の途中にいる攻撃者は、約1/3の確率で信号のビット反転に失敗する。これは攻撃者が特に目論みのないビット反転を行う場合でも同じである。上記したように、従来の光位相変調方式のY−00暗号通信システムでは、攻撃者にとってビット反転の方法が1通りしかないため、ほぼ100%の確率でビット反転に成功する。一方、従来の光強度変調方式のY−00暗号通信システムでは、攻撃者にとってビット反転の方法が2通り存在しうるため、ある程度の確率で攻撃者はビット反転に失敗する。そこで本発明の実施形態に係る通信システムによれば、より多くの選択肢を攻撃者に与えることで、ビット反転攻撃に対する耐性を強化したY−00暗号通信システムを実現することができる。
Claims (12)
- 共通鍵と、3以上の整数Zに対して互いに異なるZ種類の信号で一組を構成する通信基底と、前記Z以上の整数Mに対してM値擬似乱数列を前記共通鍵から出力する擬似乱数生成器と、前記M値擬似乱数列の出力を基に前記通信基底から1つの信号を発信する信号発信器と、を備えた送信機、ならびに、通信路を介して伝送された前記信号を受信する信号検出器と、前記共通鍵と、前記共通鍵を元に前記M値擬似乱数列と同一の擬似乱数列を生成する擬似乱数生成器と、前記M値擬似乱数列を基に前記通信基底を構成する信号のうちいずれが受信されたのかを識別する信号識別部と、を備えた受信機、からなる通信システムにおいて、
前記送信機に、
前記M値擬似乱数列を基に入力された送信データと前記Z種類の信号との対応付けを2通り以上に切り替える第1のメモリまたは第1の演算部を更に備え、
前記受信機に、
前記M値擬似乱数列を基に前記信号識別部の出力を受信データに対応させる第2のメモリまたは第2の演算部を更に備えること、
を特徴とする通信システム。 - 前記M値擬似乱数列のMは少なくともZの階乗以上であり、
前記M値擬似乱数列を基に前記送信機に入力された送信データとZ種類の信号との対応付けを前記Zの階乗通り以下に切り替える前記第1のメモリまたは前記第1の演算部を前記送信機に備えること、
を特徴とする請求項1記載の通信システム。 - 前記M値擬似乱数列のMは少なくともZの階乗以上であり、
前記M値擬似乱数列を基に前記送信機に入力された送信データとZ種類の信号との対応付けを前記Zの階乗通り以下のz通りに切り替える前記第1のメモリまたは前記第1の演算部を前記送信機に備え、
前記送信機が送信する前記信号が持つ雑音の確率分布の99.7%信頼区間に前記z種類以上の信号が属すること、
を特徴とする請求項1記載の通信システム。 - 前記M値擬似乱数列のMは少なくとも前記Zの階乗以上であり、
前記送信機は、
前記M値擬似乱数列とは別の2以上のYに対するY値擬似乱数列と、
前記M値擬似乱数列および前記Y値擬似乱数列を基に前記送信機に入力された送信データと前記Z種類の信号との対応付けを前記Zの階乗通り以下のz通りに切り替える前記第1のメモリまたは前記第1の演算部とを備え、
前記送信機が送信する信号が持つ雑音の確率分布の99.7%信頼区間にz/Y種類以上の信号が属すること、
を特徴とする請求項1記載の通信システム。 - 前記通信基底をなす前記Z種類の信号のうち同一の送信データに対応する信号が2つ以上あり、
前記第1のメモリまたは前記第1の演算部は、
同一の送信データに対応する複数の信号のうちいずれか一つを選択すること、
を特徴とする請求項1記載の通信システム。 - 前記通信基底をなす前記Z種類の信号のうち同一の送信データに対応する信号が2つ以上あり、
Z/2以下の最大の整数をFとして、
前記M値擬似乱数列の前記Mは少なくともZCF以上であり、
前記M値擬似乱数列を基に前記送信機に入力された送信データとZ種類の信号との対応付けをZCF通り以上に切り替える前記第1のメモリまたは前記第1の演算部を前記送信機に備え、
前記第1のメモリまたは第1の演算部は、
同一の送信データに対応する複数の信号のうちいずれか一つを選択すること、
を特徴とする請求項1記載の通信システム。 - 前記通信基底をなす前記Z種類の信号のうち同一の送信データに対応する信号が2つ以上あり、
Z/2以下の最大の整数をFとして、
前記M値擬似乱数列の前記Mは少なくともZCF以上であり、
前記M値擬似乱数列を基に前記送信機に入力された送信データとZ種類の信号との対応付けをZCF通り以上のc通りに切り替える前記第1のメモリまたは前記第1の演算部を前記送信機に備え、
前記第1のメモリまたは前記第1の演算部は、
同一の送信データに対応する複数の信号のうちいずれか一つを選択し、
前記送信機が送信する信号が持つ雑音の確率分布の99.7%信頼区間にc種類以上の信号が属すること、
を特徴とする請求項1記載の通信システム。 - 前記通信基底をなす前記Z種類の信号のうち同一の送信データに対応する信号が2つ以上あり、
Z/2以下の最大の整数をFとして、
前記M値擬似乱数列の前記Mは少なくともZCF以上であり、
前記送信機は、
前記M値擬似乱数列とは別の2以上のYに対するY値擬似乱数列と、
前記M値擬似乱数列および前記Y値擬似乱数列を基に前記送信機に入力された送信データとZ種類の信号との対応付けをZCF通り以上のc通り以上に切り替える前記第1のメモリまたは前記第1の演算部とを備え、
前記第1のメモリまたは前記第1の演算部は、
同一の送信データに対応する複数の信号のうちいずれか一つを選択し、
前記送信機が送信する信号が持つ雑音の確率分布の99.7%信頼区間にc/Y種類以上の信号が属すること、
を特徴とする請求項1記載の通信システム。 - 前記信号発信器はコヒーレント光発生器であり、
前記通信基底をなす信号はコヒーレント光の強度または位相のいずれかひとつ以上で表現されていること、
を特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載の通信システム。 - 通信路を介して伝送された信号を受信する信号検出器と、共通鍵と、前記共通鍵を元にM値擬似乱数列と同一の擬似乱数列を生成する擬似乱数生成器と、前記M値擬似乱数列を基に通信基底を構成する信号のうちいずれが受信されたのかを識別する信号識別部と、前記M値擬似乱数列を基に前記信号識別部の出力を受信データに対応させる第2のメモリまたは第2の演算部と、を備えた受信機、とは前記通信路を介して通信する送信機であって、
前記共通鍵と、
3以上の整数Zに対して互いに異なるZ種類の信号で一組を構成する通信基底と、
前記Z以上の整数Mに対してM値擬似乱数列を前記共通鍵から出力する擬似乱数生成器と、
前記M値擬似乱数列の出力を基に前記通信基底から1つの信号を発信する信号発信器と、
前記M値擬似乱数列を基に入力された送信データと前記Z種類の信号との対応付けを2通り以上に切り替える第1のメモリまたは第1の演算部と、
を備えたことを特徴とする送信機。 - 共通鍵と、3以上の整数Zに対して互いに異なるZ種類の信号で一組を構成する通信基底と、前記Z以上の整数Mに対してM値擬似乱数列を前記共通鍵から出力する擬似乱数生成器と、前記M値擬似乱数列の出力を基に通信基底から1つの信号を発信する信号発信器と、前記M値擬似乱数列を基に入力された送信データとZ種類の信号との対応付けを2通り以上に切り替える第1のメモリまたは第1の演算部と、を備えた送信機とは通信路を介して通信する受信機であって、
前記通信路を介して伝送された前記信号を受信する信号検出器と、
前記共通鍵と、
前記共通鍵を元に前記M値擬似乱数列と同一の擬似乱数列を生成する擬似乱数生成器と、
前記M値擬似乱数列を基に前記通信基底を構成する信号のうちいずれが受信されたのかを識別する信号識別部と、
前記M値擬似乱数列を基に前記信号識別部の出力を受信データに対応させる第2のメモリまたは第2の演算部と、
を備えたこと、を特徴とする受信機。 - 共通鍵と、3以上の整数Zに対して互いに異なるZ種類の信号で一組を構成する通信基底と、Z以上の整数Mに対してM値擬似乱数列を前記共通鍵から出力する擬似乱数生成器と、前記M値擬似乱数列の出力を基に通信基底から1つの信号を発信する信号発信器と、を備えた送信機、ならびに、通信路を介して伝送された前記信号を受信する信号検出器と、前記共通鍵と、前記共通鍵を元に前記M値擬似乱数列と同一の擬似乱数列を生成する擬似乱数生成器と、前記M値擬似乱数列を基に前記通信基底を構成する信号のうちいずれが受信されたのかを識別する信号識別部と、を備えた受信機、からなる通信システムの暗号化通信方法であって、
前記送信機が、
前記M値擬似乱数列を基に前記送信機に入力された送信データとZ種類の信号との対応付けを2通り以上に切り替える第1のメモリまたは第1の演算部により前記送信データを暗号化し、前記通信路を介して送信するステップと、
前記受信機が、
前記M値擬似乱数列を基に前記信号識別部の出力を受信データに対応させる第2のメモリまたは第2の演算部により前記暗号化された前記送信データを復号化するステップと、
を有することを特徴とする暗号化通信方法。
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