JP6783587B2 - 軽量でサイバーセキュリティの高い双方向航空機地上間データ通信システム（ａｃａｒｓ）伝送 - Google Patents

軽量でサイバーセキュリティの高い双方向航空機地上間データ通信システム（ａｃａｒｓ）伝送 Download PDF

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Description

本発明は、広く言えば、航空機との間で、或いは航空機内で安全な方法でデータを送信することに関する。航空機及びその他の特殊な輸送機の電気システムは、一般的に列線交換ユニット（ＬＲＵ）を含む。ＬＲＵは、様々な輸送機の動作を行うモジュラー式の電子システムである。ＬＲＵは一般的に、入出力の電気接続と内部バス、典型的にはシリアルバスを有する。
航空機のＬＲＵは、それらが航空機の動作に関していかに重要であるかに応じて分類される。例えば、致命度（ｃｒｉｔｉｃａｌｉｔｙ）に応じて分類される。最も致命度の低いＬＲＵは、乗客の機内娯楽などの動作に関わるもので、一方、最も致命度の高いＬＲＵは、航空機の耐空性、例えば、飛行制御に関わるものである。例えば、航空機制御ドメイン（ＡＣＤ）ＬＲＵは最も致命度の高いＬＲＵで、航空情報システム（ＡＩＳ）ＬＲＵは中程度の致命度のＬＲＵで、機内娯楽（ＡＩＦ）ＬＲＵは最も致命度の低いＬＲＵである。民間航空では、致命度のレベルが設計保証レベル（ＤＡＬ）に階層化されている。設計保証レベルの範囲はレベルＡからレベルＥまでに及ぶ。ＡＣＤは一般的にレベルＡ又はレベルＢに分類される。ＡＩＳは一般的にレベルＣ又はレベルＤに分類される。多くのＩＦＥシステムはレベルＥに分類される。次の表はＤＡＬレベルを表わしたものである。
Figure 0006783587
航空機地上間データ通信システム（ＡＣＡＲＳ）は、航空機と地上局との間で、また、種々の航空機内ＬＲＵ間でメッセージを伝送するためのデジタルデータリンク技術並びに一連の規格である。例示的なＡＣＡＲＳ規格はＡＲＩＮＣ ４２９仕様書で、Ｒｏｃｋｗｅｌｌ Ｃｏｌｌｉｎｓより入手可能である。ＡＣＡＲＳは一方向通信で使用可能であり、或いは複数の一方向システムを使用して双方向通信でも使用可能である。ＡＣＡＲＳメッセージは一般的に、一又は複数の３２ビット“ワード”からなり、それらの各々は、データ値を含みうる一又は複数の所定のフィールドを含みうる。具体的なフォーマットは様々であるが、一般的に、ＡＣＡＲＳの各ワードは、（ワードのデータフォーマットを規定する）８ビットのラベルと（エラー検出に使用される）パリティビットを含み、メッセージ内容や他のデータに残りの２３ビットが利用できる。
ＡＣＡＲＳワードは、例えば、幾つかの送信先（ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ）ＬＲＵを特定することによって、メッセージのルーティングパラメータを規定する送信元／送信先識別子（ＳＤＩ）フィールドを含みうる。この情報は、航空機ＬＲＵトポロジー情報と共に、メッセージが送信されるＬＲＵを決定づける。地上局から航空機に送信されたＡＣＡＲＳメッセージは、例えば、最も致命度の低いＬＲＵから最も致命度の高いＬＲＵまで、多数のＬＲＵを通過しうる。ＳＤＩフィールドのデータは、メッセージが送信される予定になっている残りのＬＲＵを示すため、ＬＲＵがメッセージを次のＬＲＵに送信するたびに順次修正されうる。
ＡＣＡＲＳメッセージは、例えば、ビット指向のＷｉｌｌｉａｍｓｂｕｒｇ／Ｂｕｃｋｈｏｒｎプロトコルを利用して、バルクデータを送信するように使用されうる。このようなプロトコルは、以下のようにハンドシェイクメッセージ交換によって開始されうる。メッセージ送信側は送信要求（ＲＴＳ）ワードを送信するが、このワードは、タイムスタンプ、送信先コード、及びワード数のいずれか、またはこれらの組み合わせを含みうる。メッセージ受信側は送信可（ＣＴＳ）ワードで応答する。このワードもまた、タイムスタンプ、送信先コード、及びワード数を含む。メッセージソースがＣＴＳを受信して確認すると、バルクデータ送信を開始しうる。
現時点では、例えば、追加型式証明（ＳＴＣ）による、費用と時間のかかる連邦航空局（ＦＡＡ）の証明書更新を要求することなく、ＬＲＵとの間で送受信される暗号化された通信文を航空機が扱えるように修正する効率的な方法はない。
様々な実施例により、データを暗号化する方法が提示されている。本方法は、航空機の複数の飛行パラメータの複数の飛行パラメータ値を追跡すること、複数の飛行パラメータ値から第１の暗号化キーを生成すること、第１の暗号化キーを使用して平文を暗号化して第１の暗号文を生成すること、及び、第１の暗号文を含むメッセージを送信側から受信側へ送信することを含む。
上述の実施例の様々なオプションの特徴には、以下が含まれる。送信側は地上局を含んでよく、受信側は航空機を含んでよく、また、送信は無線送信を含みうる。送信側は第１の列線交換ユニット“ＬＲＵ”を含んでもよく、受信側は第２のＬＲＵを含んでもよい。追跡は、メッセージ中のタイムスタンプによって示された時刻に飛行パラメータ値の少なくとも一部を追跡することを含む。飛行パラメータ値は、少なくとも１つの航空機地上間データ通信システム“ＡＣＡＲＳ”メッセージからのデータを含みうる。生成することは、メッセージの複数のフィールド内の値から複数の最下位ビットを抽出することを含みうる。本方法は、地上局と航空機の双方で利用可能な複数の情報オプションから飛行パラメータを選択することを更に含みうる。本方法は、飛行パラメータ値から第２の暗号化キーを生成すること、及び、第２の暗号化キーを使用して第１の暗号文を更に暗号化して第２の暗号文を生成することを含みうる。本方法は、暗号文を復号化して平文を得ることを更に含む。暗号化は、排他的論理和“ＸＯＲ”ロジックを第１の暗号化キー及び平文に適用することを含みうる。
様々な実施例によれば、コンピュータで解釈可能な命令を含むコンピュータ可読媒体が提示される。コンピュータで可能可能な命令は、少なくとも１つの電子プロセッサによって実行されると、データを暗号化する方法であって、航空機の複数の飛行パラメータの複数の飛行パラメータ値を追跡すること、複数の飛行パラメータ値から第１の暗号化キーを生成すること、第１の暗号化キーを使用して平文を暗号化して第１の暗号文を生成すること、及び、第１の暗号文を含むメッセージを送信側から受信側へ送信することを含む方法を、少なくとも１つの電子プロセッサに実行させることができる。
上述の実施例の様々なオプションの特徴には、以下が含まれる。送信側は地上局を含んでよく、受信側は航空機を含んでよく、送信は無線送信を含みうる。送信側は第１の列線交換ユニット“ＬＲＵ”を含んでもよく、受信側は第２のＬＲＵを含んでもよい。追跡は、メッセージ中のタイムスタンプによって示された時刻に飛行パラメータ値の少なくとも一部を追跡することを含む。飛行パラメータ値は、少なくとも１つの航空機地上間データ通信システム“ＡＣＡＲＳ”メッセージからのデータを含みうる。生成することは、メッセージの複数のフィールド内の値から複数の最下位ビットを抽出することを含みうる。コンピュータ可読媒体はコンピュータで解釈可能な命令を更に含み、これが少なくとも１つの電子プロセッサによって実行されると、複数の情報オプションの中から、地上局と航空機の双方に対して利用可能な飛行パラメータを、少なくとも１つの電子プロセッサに選択させることができる。コンピュータ可読媒体はコンピュータで解釈可能な命令を更に含み、これが少なくとも１つの電子プロセッサによって実行されると、少なくとも１つの電子プロセッサは、
複数の飛行パラメータ値から第２の暗号化キーを生成し、更に第２の暗号化キーを使用して第１の暗号文を暗号化して第２の暗号文を作成することができる。コンピュータ可読媒体はコンピュータで解釈可能な命令を更に含み、これが少なくとも１つの電子プロセッサによって実行されると、少なくとも１つの電子プロセッサは、暗号文を復号化して平文を取得することができる。暗号化は、排他的論理和“ＸＯＲ”ロジックを第１の暗号化キー及び平文に適用することを含みうる。
実施例の様々な機能は、以下の詳細な説明を参照し、添付の図面との関連性を考慮することによって、更に十分に評価され、より深く理解されうる。
幾つかの実施例によるシステムの高度なレベルの概略図である。 例示的なＡＣＡＲＳ伝送を示す。 幾つかの実施例による暗号化技術を示すフロー図である。 幾つかの実施例による復号化技術を示すフロー図である。 幾つかの実施例による例示的な実装ハードウェアを示している。
添付図面に関連して示される本発明の実施例（例示的な実施形態）について、以下で詳細に言及する。可能な場合には、同一の又は類似した部品を参照するために、図面全体を通して同一の参照番号が使用される。後述の説明では、本願の一部を形成する添付図面を参照する。これらの添付図面は、本発明が実施されうる特定の例示的な実施例を説明することを目的として示されている。これらの実施例は、当業者が本発明を実施することができるよう十分に詳細に記載されており、他の実施例が利用可能であること、本発明の範囲から逸脱せずに、変更を加えうることが理解されるであろう。したがって、以下の説明は単なる例示にすぎない。
航空機との通信、並びに航空機内での通信には、航空サイバーセキュリティ上の空白が存在する。幾つかの実施例は、航空機に追加のハードウェアの実装を必要としないソフトウェアソリューションを提供することによって、このような通信のセキュリティを改善する。このソリューションは既存のハードウェアと協働するソフトウェアアップグレードとして提供されうるため、全体のコストを低く抑える。運航中の航空機にハードウェアを追加することは、一般的に、例えば、追加型式証明（ＳＴＣ）による、費用と時間のかかる連邦航空局（ＦＡＡ）の証明書更新が必要となることに留意されたい。こうすることによって、幾つかの実施例は、ＦＡＡの証明書更新の付帯費用なしで、その通信セキュリティ体制を大幅に改善する能力を現在運航中の航空機に提供している。したがって、幾つかの実施例は、航空会社及びその他の航空機供給会社に対して訴求力を有する。
図１は、幾つかの実施例によるシステムの高度なレベルの概略図である。特に、図１は、非限定的な実施例として、地上局１１６から航空機１０８へ安全に送信１１０されたＡＣＡＲＳ平文メッセージ１０２を示している。メッセージ１０２は複数を航空電子機器バスを経由しており、これらのバスの各々は種々のＬＲＵ１０４、１０６、１０８の内部にあってもよく、種々のＬＲＵ１０４、１０６、１０８の役割を果たしうることに留意されたい。
高度なレベルでは、幾つかの実施例は、ＡＣＡＲＳメッセージ１０２がターゲットＬＲＵ１０８に至るまでに経由するＬＲＵ間で幾つかのホップ１１２、１１４を利用する。各ホップ１１２、１１４は、個々の復号化キー１２４、１２６の生成に使用される飛行パラメータ情報を取得するため、クエリーが行われるＬＲＵ１０４、１０６のそれぞれのバスを利用しうる。このような復号化キー１２４、１２６はそれぞれ、メッセージレイヤを復号化するために使用される。したがって、各ホップ１１２、１１４は、関連するキー１２４、１２６を使用する復号化の付加的なレイヤに対応する。一般的に、付加的なホップは同一の致命度又はより高度なレベルの致命度に対応する。したがって、メッセージ１０２は、送信される（１１０）前に２つの暗号化レイヤを通過しているが、その後、図１に描かれているように、２つの復号化レイヤを経由する。
このように、地上システム１１６は、２つの暗号化レイヤによって暗号文メッセージ１０２を作成し、第１のＬＲＵ１０４に送信する（１１０）。次に、第１のＬＲＵ１０４は第１のキー１２４を生成し、これを使用して２つの暗号化レイヤを有する暗号文メッセージ１１８の第１のレイヤを復号化し、１つの暗号化レイヤを有する暗号文メッセージを作成する。次に、ＬＲＵ１０４は、暗号文メッセージ１２０を第２のＬＲＵ１０６に送信する（１１２）。第２のＬＲＵ１０６は第２のキー１２６を生成し、これを使用して第２のレイヤを復号化し、平文メッセージ１２２を作成して、ターゲットＬＲＵ１０８に送信する（１１４）。
より詳細には、幾つかの実施例は飛行パラメータを使用して、一又は複数の暗号化キーを生成する。このような好適な飛行パラメータには、ＡＣＡＲＳゲートアウト、ホイールオフ、ホイールオン、及びゲートイン（ＯＯＯＩ）データ、例えば、これらの最下位ビットが含まれる。このようなデータを使用することにより、実施例は非常に緻密になり、各ＡＣＡＲＳメッセージを独自のキーで暗号化することができる。暗号化及び復号化の動作は、排他的論理和（ＸＯＲ）ロジック動作をキーとメッセージに対してビット単位で適用することによって、実現されうる。暗号化及びその後の復号化では、両エンドポイント（例えば、地上局と航空機）は、各レイヤに１つ、正しい暗号化キーを取得する。
幾つかの実施例は、最初のメッセージ同期動作に対して、ＡＣＡＲＳ送信要求（ＲＴＳ）及び送信可（ＣＴＳ）メッセージタイプを利用する。これらのトランザクションは、それらに関連付けられたタイムスタンプ値を有しており、タイムスタンプ値は、各航空電子機器バスから関連する飛行パラメータ値を引き出すために使用される。すなわち、ＡＣＡＲＳメッセージであるＲＴＳ及び／又はＣＴＳのタイムスタンプは、関連する飛行パラメータ値が読み出される時刻を特定するために使用され、また、一又は複数の暗号化キーを生成するために使用されうる。
それぞれが異なるＬＲＵに対応する複数の復号化レイヤを使用することにより、幾つかの利点がもたらされる。例えば、複数のＬＲＵを使用することにより、大量のデータが同じ送信先に送信されるときに起こりうるボトルネックが緩和される。幾つかの実施例は、複数の暗号化又は複数の復号化のうちの大部分を１つのＬＲＵで行わせることを回避するように複数のＬＲＵの中の多様なルーティングを利用する。もう１つの利点は、メッセージが送信先ＬＲＵへ向かって進むにつれて、データは一般的にネットワーク内のセキュリティの低い領域からネットワーク内のセキュリティの高い領域へ移動することである。すなわち、メッセージは一般的に、致命度が低くならない（例えば、ルーティングが進むにつれて、同一又はより高い致命度の）ＬＲＵへルーティングされる。これは、暗号化レイヤが取り除かれるにつれて、その結果得られるメッセージは航空電子機器ネットワーク内のセキュリティのより高い部分へ伝送されることを意味する。
したがって、開示されている実施例は、開示されているシステム及び技術を利用して、各メッセージに対して、複数の航空機飛行パラメータベースの暗号化（及び対応する復号化）を実行する。暗号化されたメッセージの解読に要するリソースは、国家が利用しうるリソースと同等以上と推測されるため、実施例によっては提示されるリスクレベルは総じて低い。
図２は、例示的なＡＣＡＲＳ伝送を示している。図２に示した特定のフィールドは、非限定的な実施例にすぎず、実際の実施例は異なるデータフィールドを利用することがある。図２に示された各行は、１つの３２ビットＡＣＡＲＳワードを表わす。列２０２はワードの説明で、実際のメッセージには含まれていない。列２０４は８ビットの８進数ラベルの「情報識別子」で、２進化１０進数（ＢＣＤ）、２進数（ＢＮＲ）、離散データなど、表示されるデータのタイプを示している。列２０６はラベル列２０４のデータ値の説明を保持するが、実際のメッセージの一部ではない。列２０８はパリティビット用で、エラー検出に使用される。列２１０は送信元／送信先識別子（ＳＤＩ）で、当該の特定のワードに対する受信側（例えば、ＬＲＵ）の最大数を示す。航空機のＬＲＵは既知のトポロジカル配置で接続されているため、列２１０の値は当該のワードに対する送信先ＬＲＵを画定する。列２１２は列２１４の内容に適用可能なユニットの説明で、実際のワードの一部ではない。列２１４はデータ値用で、列２０４で指定されたフォーマットで表わされる。列２１６は符号／ステータス行列フィールド（ＳＳＭ）で、列２０４のデータに関連して使用され、符号（正又は負）、方位（北、南、西、東）、方向（左又は右）などの付加的なパラメータを提供する。
行２１８、すなわち、高度（ａｌｔｉｔｕｄｅ）、緯度（ｌａｔｉｔｕｄｅ）、経度（ｌｏｎｇｉｔｕｄｅ）、及び対地速度は非常に変化しやすいデータを含むことに留意されたい。本明細書に開示されているように暗号化キーを生成するため、例えば、行２１８のデータフィールドの最下位ビットが使用される。
図３は、幾つかの実施例による暗号化技術を示すフロー図である。図３の技術は、非一時的な永続メモリに保存され、一又は複数のハードウェア電子プロセッサ上で実行されるソフトウェアによって修正されるように、既存の航空電子機器及び地上局機器を使用して、実装されうる。例えば、図３の技術は、図５に示され、図５を参照して説明されるシステムを使用して実装されうる。
ブロック３０２では、地上局（例えば、図５の５０６）は、ＲＴＳ ＡＣＡＲＳメッセージを送信することによって、航空機（例えば、図５の航空機５０２）との通信を開始する。ＲＴＳメッセージは、Ｗｉｌｌｉａｍｓｂｕｒｇ／Ｂｕｃｋｈｏｒｎプロトコル、関連プロトコル、又は異なるプロトコルの一部であってもよい。ブロック３０２のＲＴＳメッセージは、メッセージが送信された時刻を示すタイムスタンプを含む。ＲＴＳメッセージは一般的に、メッセージを形成するコンピュータ（例えば、図５のプロセッサ５１０）から無線伝送インターフェース（例えば、図５の無線伝送機インターフェース５０８）へ運ばれ、無線伝送機インターフェースは、アンテナ（例えば、図５のアンテナ５０４）を介して航空機へ伝送するためのデータを無線周波数（ＲＦ）エネルギーに変換する。伝送は、衛星などの中継手段の使用を含みうることに留意されたい。
ブロック３０４では、地上局は、ブロック３０２のＲＴＳメッセージに応答して、航空機からＣＴＳメッセージを受信する。ＣＴＳメッセージは、Ｗｉｌｌｉａｍｓｂｕｒｇ／Ｂｕｃｋｈｏｒｎプロトコル、関連プロトコル、又は異なるプロトコルの一部であってもよい。ＣＴＳメッセージは、航空機がメッセージを送信した時刻を示すタイムスタンプを含む。ＣＴＳメッセージは、一般的に航空機によってＲＦエネルギーの形態で送信され、おそらくは、衛星などの中継手段を介して送信された後、地上局でアンテナによって捕捉される。
時間情報を引き出すために使用されるタイムスタンプを取得するためのＲＴＳ及びＣＴＳワードの使用は非限定的な実施例であり、タイムスタンプ情報は任意のＡＣＡＲＳメッセージから交互に引き出されうることに留意されたい。
ブロック３０６では、本明細書で開示されている技術に従ってデータを暗号化することによって、地上局は航空機への伝送に向けてデータを準備する。暗号化動作は、時間情報３０７を取得すること、対応する飛行パラメータ値３０８を追跡すること、及び一又は複数の暗号化キー３０９を生成することなど、幾つかのサブステップを含みうる。幾つかの実施例では、暗号化は以下のように進行しうる。
地上局は、メッセージが目的とする航空機内の送信先ＬＲＵを特定する。地上局は、メッセージが送信先ＬＲＵに至る途中で付加的なＬＲＵを通過しなければならないかどうか、通過する場合にはいくつのＬＲＵを通過するのかを決定する。地上局は、永続メモリ（例えば、図５のコンピュータ可読媒体５１２）に保存した情報を参照することによって、航空機内に存在するＬＲＵバストポロジーに関する決定を行いうる。すなわち、地上局は、送信先ＬＲＵが航空機のＬＲＵトポロジー内のどこに存在するかを記述する情報にアクセスしうる。
地上局はまた、地上局と航空機の双方にとって既知の時間情報（ブロック３０７から得られる）及び飛行パラメータ値（ブロック３０８で追跡される）に基づいて、一又は複数の暗号化キーを生成する。時間情報は、ＲＴＳ及び／又はＣＴＳメッセージ内に存在するタイムスタンプから導き出せる。時間情報は、キーデータを取得するために飛行パラメータ値がサンプリングされることになっている一又は複数の時刻を指定しうる。すなわち、幾つかの実施例は、時間情報によって指定された時刻に飛行パラメータ値が決定されるように、飛行パラメータ値から複数のビット値を取得する。これらのビット値は、一又は複数の暗号化キーを設定するために使用される。幾つかの実施例は、ＲＴＳ及びＣＴＳメッセージのタイムスタンプによって時刻が指定されるように、時間情報を決定しうる。幾つかの実施例は、一方又は双方のタイムスタンプ値の関数として時間情報を決定しうる。このような関数は、例えば、複数のタイムスタンプ値の前、間、及び／又は後に、タイムスタンプ値を入力すること、また、当該タイムスタンプ値に対して、タイムスタンプ値及び／又は付加的な時刻値を出力することができる。非限定的な実施例として、時間情報は、タイムスタンプ値を付加的な時刻値と共に、例えば、タイムスタンプ値の前後の複数の時刻を含みうる。時刻の数はゼロから１０００までの範囲に及び、それぞれの付加的な時刻値の間の時間間隔の長さは、１ミリ秒から１秒までの任意の値をとりうる。
地上局と航空機は共に、本明細書に記載の飛行パラメータ値を追跡することに留意されたい。幾つかの実施例では、航空機と地上局は独立に、航空機の一又は複数の飛行パラメータ値を測定する。幾つかの実施例では、航空機及び／又は地上局は、例えば、単独では測定できない、又は測定できなかった飛行パラメータに関しては、その飛行パラメータ値を相手側へ伝える。その伝達は、本明細書の図２に描かれているように、ＡＣＡＲＳメッセージに準拠しうる。幾つかの実施例は、技術の組み合わせを使用する。例えば、直接測定した飛行パラメータ値と相手側から得られた飛行パラメータ値を使用する。
地上局が時間情報を特定すると、地上局は続いて、キーを構築するため、時間情報によって指定された時刻に、飛行パラメータ値からデータを引き出す。実施例の範囲内では、多数の異なる飛行パラメータ値が使用に適しており、ＯＯＯＩ ＡＣＡＲＳメッセージデータなどの飛行パラメータが含まれる。好適な飛行パラメータには、航空機の高度、航空機の経度、航空機の緯度、及び／又は航空機の対地速度が含まれる。このようなパラメータの値は、全地球測位システム（ＧＰＳ）を使用して決定されうる。一般的に、実施例は、ブロック３０７で決定された時間情報の時刻に対応する飛行パラメータ値を引き出す。
幾つかの実施例は、ブロック３０９ごとに、時間情報の時刻に、飛行パラメータ値から一又は複数の暗号化キーを生成する。様々なキー生成技術のいずれかが使用されうる。幾つかの実施例は、数字列を作成するため、時間情報の時刻に飛行パラメータを連結する。この数字列は、一又は複数の暗号化キーを含むビット値を取得するための対応するバイナリ形式とみなされうる。幾つかの実施例は、時間情報の時刻に飛行パラメータ値から最下位ビット値を引き出す。幾つかの実施例は、最下位ビットの隣のビット値、及び／又は最下位ビットの隣の隣のビット値など、を引き出す。すなわち、幾つかの実施例は、各飛行パラメータ値から一連のビットを抽出し、この一連のビットには、最下位ビット及び一又は複数の付加的な下位ビットが含まれる。次に、引き出されたビット値は連結され、或いは組み合わされて、キーを形成しうる。ビット値を組み合わせてキーを形成する技術にはほかに、ＸＯＲ、加算、減算、連結、インターリーブ、及び前述の技術の任意の組み合わせがある。
次に地上局は、生成されたキーを使用して平文を暗号化するか、付加的な暗号化レイヤとして、既存の暗号化済みの暗号文メッセージを暗号化する。暗号化は様々な形態のいずれであってもよい。幾つかの実施例は、キーとメッセージに対してＸＯＲをビットごとに適用する。メッセージの長さがキーの長さを超える場合には、キーはキーの複製を連結することによって繰り返し使用可能である。或いは、キーは、例えば、擬似乱数生成器にキーを入力することによって、最終キーとして使用される一連のビット値を生成するために使用することもできる。その他の暗号化技術として、擬似乱数生成器を使用してキーに対する付加的なビット値を生成すること、メッセージとキーに適用されるストリーム暗号、並びにメッセージとキーに適用されるブロック暗号がある。本明細書で説明しているように、交換可能な暗号化技術は特に有用である。Ｋ１（Ｋ２（Ｍ））＝Ｋ２（Ｋ１（Ｍ））となるとき、暗号化技術は「交換可能（ｃｏｍｍｕｔｅ）」と言われる。ここで、Ｋ（Ｍ）はキーＫを使用したメッセージＭの暗号化を意味する。
幾つかの実施例は、ＳＤＩデータをワードの残りの部分から分離して扱う。一般的に、暗号化は、任意のＳＤＩフィールドデータを含むメッセージ全体、メッセージの本体のみ（例えば、非ＳＤＩワード部分）、或いはこれらの任意の組み合わせに適用することができる。したがって、実施例はメッセージのルーティング情報を暗号化してもよく、或いはこのような情報を平文のまま残してもよい。更に詳細には、幾つかの実施例は、所定の飛行パラメータ値によって決定されるキーを使用して、ＳＤＩデータを暗号化しないまま、或いは暗号化したままに放置することがある。すなわち、幾つかの実施例は、メッセージ受信側がメッセージに含まれるルーティング情報を容易に取得しうるように、ＳＤＩフィールドを暗号化せずに放置する。メッセージ受信側は、ルーティング情報を使用して、暗号化レイヤの数を特定しうる。他の実施例は、単一の暗号化レイヤのみを使用してＳＤＩデータを暗号化する。このような実施例は、ＳＤＩデータの暗号化に使用されるＳＤＩ暗号化キーを生成するため、時間情報によって定められた時刻に、事前に取り決められた飛行パラメータを使用しうる。このような実施例は、メッセージ本体の特定のレイヤの暗号化に使用される同一のキー、例えば、メッセージ本体の第１のレイヤの暗号化に使用されるキーを使用して、ＳＤＩデータを暗号化する。このような実施例は、本明細書に開示されているように、メッセージの残りの部分を暗号化しうる。
ブロック３１０では、地上局は、例えば、上記のようにメッセージホップをカウントすることで決定されるように、付加的な暗号化レイヤが適用されるかどうかを決定する。適用される場合には、処理フローはブロック３０６へ戻る。適用されない場合には、処理フローはブロック３１２へ進む。
ブロック３１２では、地上局は暗号化されたメッセージを送信する。地上局は、既存のＡＣＡＲＳメッセージ送信技術を使用して、メッセージを送信してもよい。メッセージは航空機へ直接送信されてもよく、或いは、例えば、衛星を介して間接的に送信されてもよい。
図４は、幾つかの実施例による復号化技術を示すフロー図である。図４の復号化技術は、平文を取得するため、図３の技術によって暗号化され送信されたメッセージに復号化技術が適用されうるという点において、図３の暗号化技術を補完しうる。したがって、図４の技術は、非一時的な永続メモリに保存され、一又は複数のハードウェア電子プロセッサ上で実行されるソフトウェアによって修正されるように、既存の航空電子機器を使用して、実装されうる。例えば、図４の技術は、航空機に搭載されている既存のＬＲＵハードウェアを使用して実装されうる。図４の地上局と航空機はそれぞれ、図５の地上局５０６と航空機５０２であってよい。
ブロック４０２では、航空機は暗号文（例えば、１１８）を受信する。暗号文は、図３に示され、図３を参照して説明される技術に従って、生成され送信された暗号文であってもよい。航空機は、例えば、ＡＣＡＲＳメッセージの受信に使用されるように、既存のＲＦ通信ハードウェアを使用してメッセージを受信する。航空機は、最初のＬＲＵ又は代替的な場所で暗号文メッセージを受信してもよい。
ブロック４０４では、航空機は、メッセージＳＤＩデータが暗号化されている場合には、これを復号化する。このブロックの動作は、ＳＤＩデータを暗号化する実施例で発生することに留意されたい。ＳＤＩデータを平文のまま放置する実施例は、このブロックを省略してもよい。ＳＤＩデータを暗号化する実施例に関しては、このブロックの動作は、メッセージのルーティング情報、例えば、メッセージが送信される送信先ＬＲＵを明らかにする。航空機は、送信先ＬＲＵに到着する前に、メッセージが送信されるＬＲＵのシーケンシャルリストを引き出しうるように、ネットワークトポロジーの説明を永続メモリに保存してもよい。ＳＤＩデータの復号化は、時間情報によって定められた時刻に、事前に取り決められた飛行パラメータ値からキーを引き出すこと、及び／又は非ＳＤＩメッセージ部分の第１のレイヤを復号化するために使用される同一のキーを使用することを含みうる。このブロックの後には（例えば、このブロックを含む）、或いは前のブロックの後には（例えば、ブロック４０４を除外する）、メッセージのルーティング情報は航空機内で平文の形で利用可能になることに留意されたい。
ブロック４０６では、航空機電子機器システムは、メッセージを航空機内の次の送信先へルーティングする。送信先は、例えば、ＳＤＩデータフィールド内に存在するルーティング情報を取得するため、メッセージを電子的に構文解析して調べることによって決定されうる。次に航空機は、例えば、ＡＣＡＲＳプロトコルを使用して、メッセージを次に示された送信先へルーティングする。ＳＤＩフィールド内の数字は、この時点で適宜デクリメントされうる。
ブロック４０８では、航空機は暗号文のレイヤを復号化する。このブロックの動作は、時間情報を取得すること（４０９）、対応する飛行パラメータ値を追跡すること（４１０）、及び一又は複数の復号化キーを生成すること（４１１）を含む、幾つかのサブステップを含みうる。
航空機はブロック４０９で、地上局の情報に対するのと同様な方法で、時間情報を取得しうる。すなわち、航空機は、ＲＴＳ及びＣＴＳワードのうちの一方又は双方から、タイムスタンプを抽出し、次に、上記の図３のブロック３０７を参照して、上述のようにそこから時間情報を引き出すことによって、時間情報を取得しうる。時間情報を引き出すために使用されるタイムスタンプを取得するためのＲＴＳ及びＣＴＳワードの使用は非限定的な実施例であり、タイムスタンプ情報は任意のＡＣＡＲＳメッセージから交互に引き出されうることに留意されたい。
航空機は、地上局のパラメータ値に対するのと同様な方法で、飛行パラメータ値を追跡しうる。例えば、航空機は、時間情報によって指定された時刻に飛行パラメータ値からデータを引き出すことができる。飛行パラメータ値に適した実施例は、図３のブロック４１０を参照して上述されている。このような飛行パラメータの実施例はＯＯＯＩ ＡＣＡＲＳメッセージデータを含む。一般的に、実施例は、ブロック４０９で決定された時間情報の時刻に対応する飛行パラメータ値を引き出す。
ブロック４１１では、航空機は一又は複数の暗号化キーを生成した。ブロック３０９では、航空機は、地上局で使用されるのと同じプロセスを使用しうる。すなわち、航空機は、ブロック３０９を参照して上記に開示されているように、時間情報の時刻に飛行パラメータ値から一又は複数の暗号化キーを生成しうる。
ブロック４１２では、航空機は、メッセージが付加的な送信先、例えば、ＬＲＵへ伝送されるかどうかを決定する。現在のＬＲＵと送信先ＬＲＵとの間に任意のＬＲＵが存在するかどうかを判断するため、航空機は、ＳＤＩデータを検査し、保存されている航空機ＬＲＵトポロジーの説明を参考にすることによって、これを実行しうる。存在する場合には、航空機はメッセージをＬＲＵ順序中の次のＬＲＵへルーティングする。存在しない場合には、処理フローはブロック４１４へ進む。
ブロック４１４で、処理は終了する。
図５は、幾つかの実施例による例示的な実装ハードウェアを示している。例えば、図３及び図４に関連して、本明細書に開示されている技術は、図５に示され、図５を参照して説明されるシステムを使用して実装されうる。具体的には、図５は地上局５０６と通信する航空機５０２を示している。航空機５０２は任意のタイプの航空機であってよく、固定翼航空機に限定されない。したがって、航空機５０２は、例えばヘリコプタであってもよい。地上局は、地球上の航空交通管制システムに含まれてもよいし、別個であってもよい。
地上局５０６は、コンピュータ可読媒体５１２（例えば、永続メモリ）、暗号化コプロセッサ５１４、及び無線伝送インターフェース５０８に通信可能に連結された、一又は複数の電子プロセッサ５１０を含みうる。プロセッサ５１０は、例えば、電子コンピュータの一部を形成しうる。暗号化コプロセッサ５１４は、本明細書で開示されている暗号化動作を実行するように使用されうる。無線伝送インターフェース５０８は、航空機５０２にデータを無線送信するアンテナ５０４に結合されうる。コンピュータ可読媒体５１２はコンピュータで実行可能な命令を含み、これがプロセッサ５１０及び／又は暗号化コプロセッサ５１４によって実行されると、地上局５０６は本明細書で開示されている一又は複数の技術、例えば、図３の技術を実行することができる。当業者によって理解されるように、コンピュータ可読媒体５１２は、少なくとも１つの電子プロセッサ５１０／５１４が本明細書で説明されている方法を実行するように適合されたコンピュータで実行可能な命令を有しうる。
図３及び図４は地上局から航空機への通信を示しているが、実施例は反対方向、すなわち、航空機から地上局への通信も提供しうることに留意されたい。実施例は、本明細書で説明されているエンドポイント間の通信に限定されない。実施例は、航空機内の通信、或いは航空機間の通信にも使用されうる。
更に、本開示は下記の条項による実施例を含む。
条項１． データを暗号化する方法であって、航空機（５０２）の複数の飛行パラメータの複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）を追跡すること（３０８）、前記複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から第１の暗号化キー（１２４）を生成すること（３０９）、前記第１の暗号化キー（１２４）を使用して、平文（１０２）を暗号化（３０６）して、第１の暗号文（１２０）を生成すること、及び、前記第１の暗号文（１２０）を含むメッセージ（１０２）を送信側１１６）から受信側（１０８）へ送信すること（３１２）、を含む方法。
条項２． 前記送信側（１１６）は地上局（５０６）を含み、前記受信側は前記航空機（５０２）を含み、前記送信すること（３１２）は無線送信を含む、条項１に記載の方法。
条項３． 前記送信側（１１６）は第１の列線交換ユニット“ＬＲＵ”（１０４，１０６，１０８）を備え、前記受信側は第２のＬＲＵ（１０４，１０６，１０８）を備える、条項１に記載の方法。
条項４． 前記追跡すること（３０８）は、メッセージ中のタイムスタンプによって示された時刻に前記飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）の少なくとも一部を追跡すること（３０８）を含む、条項１に記載の方法。
条項５． 前記飛行パラメータ値は、少なくとも１つの航空機地上間データ通信システム“ＡＣＡＲＳ”メッセージからのデータ（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から成る、条項１に記載の方法。
条項６． 前記生成すること（３０９）は、メッセージの複数のフィールド内の値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から複数の最下位ビットを抽出することを含む、条項１に記載の方法。
条項７． 地上局（５０６）と前記航空機（５０２）の双方に対して、利用可能な複数の情報オプションから前記飛行パラメータを選択することを更に含む、条項１に記載の方法。
条項８． 前記飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から第２の暗号化キー（１２６）を生成すること、及び、前記第２の暗号化キー（１２６）を使用して前記第１の暗号文を更に暗号化（３０６）して、第２の暗号文（１０２）を作成することを更に含む、条項１に記載の方法。
条項９． 前記暗号文（１０２）を復号化（４０８）して、前記平文（１０２）を取得することを更に含む、条項１に記載の方法。
条項１０． 前記暗号化（３０６）は、排他的論理和“ＸＯＲ”ロジックを前記第１の暗号化キー（１２４）と前記平文（１２２）に適用することを含む、条項１に記載の方法。
条項１１． 少なくとも１つの電子プロセッサ（５１２）によって実行されると、前記少なくとも１つの電子プロセッサ（５１２）にデータを暗号化する方法を実行させる、コンピュータで解釈可能な命令を含むコンピュータ可読媒体（５１２）であって、前記方法は、航空機（５０２）の複数の飛行パラメータの複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）を追跡すること（３０８）、前記複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から第１の暗号化キー（１２４）を生成すること（３０９）、前記第１の暗号化キー（１２４）を使用して、平文（１０２）を暗号化（３０６）して、第１の暗号文（１２０）を生成すること、及び、前記第１の暗号文（１２０）を含むメッセージ（１０２）を送信側（１１６）から受信側（１０８）へ送信すること（３１２）を含む、コンピュータ可読媒体（５１２）。
条項１２． 前記送信側（１１６）は地上局（５０６）を含み、前記受信側は前記航空機（５０２）を含み、前記送信すること（３１２）は無線送信を含む、条項１１に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
条項１３． 前記送信側（１１６）は第１の列線交換ユニット“ＬＲＵ”（１０４，１０６，１０８）を備え、前記受信側は第２のＬＲＵ（１０４，１０６，１０８）を備える、条項１１に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
条項１４． 前記追跡すること（３０８）は、メッセージ中のタイムスタンプによって示された時刻に前記飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）の少なくとも一部を追跡すること（３０８）を含む、条項１１に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
条項１５． 前記飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）は、少なくとも１つの航空機地上間データ通信システム“ＡＣＡＲＳ”メッセージからのデータから成る、条項１１に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
条項１６． 前記生成すること（３０９）は、メッセージの複数のフィールド内の値から複数の最下位ビットを抽出することを含む、条項１１に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
条項１７． 少なくとも１つの電子プロセッサ（５１０）によって実行されると、前記少なくとも１つの電子プロセッサ（５１０）に、複数の情報オプションの中から、地上局（５０６）と前記航空機（５０２）の双方に対して利用可能な飛行パラメータを選択させる、コンピュータで解釈可能な命令を更に含む、条項１１に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
条項１８． 少なくとも１つの電子プロセッサ（５１０）によって実行されると、前記少なくとも１つの電子プロセッサ（５１０）に、前記複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から第２の暗号化キー（１２６）を生成させ、前記第２の暗号化キー（１２６）を使用して前記第１の暗号文を更に暗号化（３０６）して、第２の暗号文（１０２）を作成させる、コンピュータで解釈可能な命令を更に含む、条項１１に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
条項１９． 少なくとも１つの電子プロセッサ（５１０）によって実行されると、前記少なくとも１つの電子プロセッサ（５１０）に前記暗号文を復号化（４０８）して前記平文（１０２）を取得させる、コンピュータで解釈可能な命令を更に含む、条項１１に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
条項２０． 前記復号化（３０６）は、排他的論理和“ＸＯＲ”ロジックを前記第１の暗号化キー（１２４）と前記平文（１０２）に適用することを含む、条項１１に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
上述のある実施例は、コンピュータアプリケーション又はプログラムを使用して部分的に実行されうる。コンピュータプログラムは、機能している場合も休止しているも、様々な形態で存在しうる。例えば、コンピュータプログラムは、ソースコード、オブジェクトコード、実行可能コード又は他の形式のプログラム命令、ファームウェアプログラム、又はハードウェア記述言語（ＨＤＬ）ファイルからなりうる、一又は複数のソフトウェアプログラム、ソフトウェアモジュール、又はその両方で存在しうる。上述のいずれかは、圧縮された形態又は非圧縮形態のコンピュータ可読記憶デバイス及び媒体を含みうる、コンピュータ可読媒体上で具現化されうる。例示的なコンピュータ可読記憶デバイス及び媒体は、従来のコンピュータシステムのＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（読出し専用メモリ）、ＥＰＲＯＭ（消去可能なプログラマブルＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去可能なプログラマブルＲＯＭ）、及び磁気ディスク又は磁気テープ或いは光ディスクを含む。
当業者であれば、上述の実施例に対して、その理念及び範囲を逸脱することなく、様々な修正を行うことが可能であろう。本明細書で使用されている用語及び記述は、説明のみを目的としたもので、限定を意図していない。特に、方法は実施例によって説明されているが、方法のステップは例示とは異なる順序で、或いは同時に実行されることがある。当業者であれば、これらのステップ及び他の変形例は、下記の特許請求の範囲及びその均等物で画定される理念及び範囲内にあることが理解されよう。

Claims (15)

  1. データを暗号化する方法であって、
    航空機（５０２）の複数の飛行パラメータの複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）を追跡すること（３０８）、
    前記複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から第１の暗号化キー（１２４）を生成すること（３０９）、
    前記第１の暗号化キー（１２４）を使用して平文（１０２）を暗号化（３０６）して、第１の暗号文（１２０）を生成すること、及び
    前記第１の暗号文（１２０）を含むメッセージ（１０２）を送信側（１１６）から受信側（１０８）へ送信すること（３１２）
    を含む方法。
  2. 前記送信側（１１６）は、少なくとも一つの地上局（５０６）を備え、前記受信側は前記航空機（５０２）を備え、
    前記送信すること（３１２）は無線送信を含み、
    第１の列線交換ユニット“ＬＲＵ”（１０４，１０６，１０８）を含み、前記受信側は第２のＬＲＵ（１０４，１０６，１０８）を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記追跡すること（３０８）は、メッセージ中のタイムスタンプによって示された時刻に前記飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）の少なくとも一部を追跡すること（３０８）を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記飛行パラメータ値は、少なくとも１つの航空機地上間データ通信システム“ＡＣＡＲＳ”メッセージからのデータ（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から成る、請求項１に記載の方法。
  5. 前記生成すること（３０９）は、メッセージの複数のフィールド内の値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から複数の最下位ビットを抽出することを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 地上局（５０６）と前記航空機（５０２）の双方に対して、利用可能な複数の情報オプションから前記飛行パラメータを選択すること、及び
    前記暗号文（１０２）を復号化（４０８）して前記平文（１０２）を取得すること
    のうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から第２の暗号化キー（１２６）を生成すること、及び、
    前記第２の暗号化キー（１２６）を使用して前記第１の暗号文を更に暗号化（３０６）して、第２の暗号文（１０２）を作成すること
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記暗号化すること（３０６）は、排他的論理和“ＸＯＲ”ロジックを前記第１の暗号化キー（１２４）と前記平文（１２２）に適用することを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 少なくとも１つの電子プロセッサ（５１０，５１４）に、データを暗号化する方法を実行させるように適合されたコンピュータで実行可能な命令を有するコンピュータ可読媒体（５１２）であって、前記方法は、
    航空機（５０２）の複数の飛行パラメータの複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）を追跡すること（３０８）、
    前記複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から第１の暗号化キー（１２４）を生成すること（３０９）、
    前記第１の暗号化キー（１２４）を使用して平文（１０２）を暗号化（３０６）して、第１の暗号文（１２０）を生成すること、及び
    前記第１の暗号文（１２０）を含むメッセージ（１０２）を送信側（１１６）から受信側（１０８）へ送信すること（３１２）
    を含むコンピュータ可読媒体（５１２）。
  10. 前記送信側（１１６）は、少なくとも一つの地上局（５０６）を備え、前記受信側は前記航空機（５０２）を備え、
    前記送信すること（３１２）は無線送信を含み、
    第１の列線交換ユニット“ＬＲＵ”（１０４，１０６，１０８）を含み、前記受信側は第２のＬＲＵ（１０４，１０６，１０８）を含む、請求項９に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
  11. 前記追跡すること（３０８）は、メッセージ中のタイムスタンプによって示された時刻に前記飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）の少なくとも一部を追跡すること（３０８）を含む、請求項９に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
  12. 前記飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）は、少なくとも１つの航空機地上間データ通信システム“ＡＣＡＲＳ”メッセージからのデータから成る、請求項９に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
  13. 前記生成すること（３０９）は、メッセージの複数のフィールド内の値から複数の最下位ビットを抽出することを含む、請求項９に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
  14. 地上局（５０６）と前記航空機（５０２）の双方に対して、利用可能な複数の情報オプションから前記飛行パラメータを選択することを更に含む、請求項９に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
  15. 前記複数の飛行パラメータ値（２０４，２０８，２１０，２１４，２１６）から第２の暗号化キー（１２６）を生成すること、及び
    前記第２の暗号化キー（１２６）を使用して前記第１の暗号文を更に暗号化（３０６）して、第２の暗号文（１０２）を作成すること
    を更に含む、請求項９に記載のコンピュータ可読媒体（５１２）。
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