JP7099928B2

JP7099928B2 - 暗号送信装置、暗号受信装置および暗号通信システム

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Publication number: JP7099928B2
Application number: JP2018193352A
Authority: JP
Inventors: 陽介前川; 茂樹佐野; 弘章佐治; 洋一小松; 雄太郎榎本
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2038-10-12
Also published as: JP2020061704A

Description

本発明は、時系列的に変化をする共有情報を利用した暗号送信装置、暗号受信装置および暗号通信システムに関する。

従来から、有線／無線通信路を利用する一般的な通信機器において、ワンタイムパッド暗号方式、計算量的に安全な暗号方式、量子暗号方式等が提案されている。

例えば、ワンタイムパッド暗号方式は、情報理論的安全性を持つ暗号方式である。最も単純なワンタイムパッド暗号方式では、送信者と受信者が、共通暗号鍵を持つ。そして、この共通暗号鍵によって通信文を排他的論理和演算することによって通信文を暗号化して暗号文を生成し、さらに、共通暗号鍵によって暗号文を排他的論理和演算することによって暗号文を復号して通信文を生成する。この方式では、共通暗号鍵の鍵長は、通信文と同量のデータ量が必要であり、通信文と合わせて、本来共有したい情報の２倍の情報を移動させる必要が生じる。

ワンタイムパッド暗号方式では、通信文が暗号化されていても、通信文と共通暗号鍵の両方が揃うことで復号されて内容が漏洩してしまう。したがって、通信文と共通暗号鍵は異なる手段での移動が求められる。このため、ワンタイムパッド暗号方式を利用する際には、通信文と共通暗号鍵で異なる移動手段を用意しなければいけない、というシステム構成の難しさがある。

また、計算量的に安全な暗号方式としては、ＡＥＳ(Advanced Encryption Standard)暗号方式、ＲＳＡ(Rivest Shamir Adleman)暗号方式、楕円曲線暗号方式（ＥＣＣ(Elliptic Curve Cryptography)）などがある。この計算量的安全性とは、解読するための計算量が膨大であることから安全であるとする考え方である。しかし、確率的に解読が出来る可能性が存在し、計算機の能力向上に伴い、安全性は低下する。

さらに、量子暗号通信方式と呼ばれる量子鍵配送技術の研究も進んでおり、実用化開発が進められている。しかし、この技術では量子暗号の実現のためには、専用の回線を用意する必要がある。このため、インフラストラクチャーの整備を待つ必要がある。さらに、中継器が未だ開発されていないために、通信距離に限界がある。以上説明した従来技術の具体例を以下に列挙する。

特開２０１６－０２１７５８号公報特開２０１５－１６２７８５号公報特開２０１３－１４５４２０号公報特開２００８－２０５８１５号公報特開２００７－３１８５１８号公報特開２００７－１２９４３１号公報国際公開第２００６－０７７８５０号

しかし、上記従来技術によれば、晴報理論的安全性を持つ暗号方式である既存のワンタイムパッド暗号方式では、通信文の倍の情報量を伝達させる必要があり、通信文と共通暗号鍵とで、異なる伝達手段を用意する必要がある。また、既存の暗号アルゴリズムであるＡＥＳ、ＲＳＡ、ＥＣＣ等は、確率的に解読ができる。さらに、量子暗号通信は、回線種別に制約があり、単独で専用の光通信回線が必要である。
そこで、本発明はこのような課題を解決する手段を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用する。
すなわち、請求項１に係る暗号送信装置の発明は、時系列的に変化する外界の情報である外界情報を取得する外界情報の取得部と、
暗号化されるべき通信文情報を取得する通信文情報の取得部と、
前記通信文情報を暗号化するために使用する外界情報を特定するための外界情報特定情報を生成する特定部と、
前記通信文情報を分割して部分通信文を生成し、外界情報特定情報によって特定される外界情報の中で前記部分通信文と一致する情報を部分外界情報とし、前記外界情報における前記部分外界情報の先頭の位置情報を部分位置情報とし、前記部分外界情報の情報量を部分情報量とする検索部と、
前記部分位置情報、前記部分情報量および前記外界情報特定情報を含む暗号情報を暗号受信装置に送信する出力部と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、移動させる必要が生じる情報量は、本来共有したい情報の２倍以内に収めることが可能になる。また、移動させる必要がある情報は、漏洩しても問題がない１種類の情報であるため、専用の回線は不要であり、既存のネットワークが利用可能である。さらに、本発明を利用した場合、情報理論的安全性を持った手法であるため、経路上の暗号情報を復号して平文である通信文を生成することが不可能である暗号通信システムを実現できる。

上記課題を解決するために、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の暗号送信装置において、前記外界情報を取得するタイミングを決定するためのタイマー部と、
前記タイマー部の時刻情報を、前記出力部を介して前記暗号受信装置に送信する時刻同期部と、を含み、
前記外界情報の取得部は前記タイマー部によって計時されるあらかじめ定められた開始時刻からあらかじめ定められた終了時刻までの前記外界情報を取得することを特徴とする。

上記構成によれば、暗号送信装置と暗号受信装置との間で時刻同期を取ることが可能になり、暗号送信装置と暗号受信装置との間で暗号化および復号するために使用する外界情報を共有して取得する無線通信システムが実現できる。

上記課題を解決するために、請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の暗号送信装置において、前記外界情報の取得部が取得する前記外界情報は、地上デジタル放送による放送情報であることを特徴とする。

上記構成によれば、外界情報として地上デジタル放送による放送情報を使用するので、暗号送信装置と暗号受信装置が離れて位置していても、外界情報を共有することが可能になる。

上記課題を解決するために、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の暗号送信装置において、
前記外界情報をランダム化する外界情報のランダム化部を含み、
前記外界情報のランダム化部は、前記外界情報を前記暗号受信装置と共通の疑似生成器によってランダム化し、または、前記外界情報を前記暗号受信装置と共通の暗号鍵でランダム化することを特徴とする。

上記構成によれば、外界情報に十分なランダム性がない場合であっても、ランダム化された外界情報を共通に使用して、暗号送信装置と暗号受信装置とで暗号化処理および復号処理を実行することが可能になる。

上記課題を解決するために、請求項５に係る暗号受信装置の発明は、
時系列的に変化する外界の情報である外界情報を取得する外界情報の取得部と、
通信文情報が暗号化された暗号情報を取得する暗号情報の取得部と、
前記暗号情報に含まれる外界情報特定情報によって、前記暗号情報を前記通信文情報に復号するために使用する外界情報を特定する特定部と、
前記暗号情報に含まれる部分位置情報によって、前記特定部によって特定された外界情報の中から抽出されるべき、前記外界情報の一部である部分外界情報の先頭位置を特定し、前記暗号情報に含まれる部分情報量によって、前記先頭位置から前記部分情報量に対応する情報量の前記部分外界情報を抽出し、前記部分外界情報を結合して前記通信文情報を生成する抽出部と、
前記通信文情報を出力する出力部と、を含むことを特徴とする。

上記課題を解決するために、請求項６に係る発明は、請求項５に記載の暗号受信装置において、
前記外界情報を取得するタイミングを決定するためのタイマー部と、
前記暗号情報を送信する暗号送信装置から時刻情報を受信し、前記時刻情報を前記タイマー部に設定する時刻同期部と、を含み、前記外界情報の取得部は前記タイマー部によって計時されるあらかじめ定められた開始時刻からあらかじめ定められた終了時刻までの前記外界情報を取得することを特徴とする。

上記課題を解決するために、請求項７に係る発明は、請求項５または６に記載の暗号受信装置において、前記外界情報の取得部が取得する前記外界情報は、地上デジタル放送による放送情報であることを特徴とする。

上記課題を解決するために、請求項８に係る発明は、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の暗号受信装置において、前記外界情報をランダム化する外界情報のランダム化部を含み、
前記外界情報のランダム化部は、前記外界情報を暗号送信装置と共通の疑似生成器によってランダム化し、または、前記外界情報を前記暗号送信装置と共通の暗号鍵でランダム化することを特徴とする。

上記課題を解決するために、請求項９に係る暗号通信システムの発明は、
請求項１乃至４のいずれかに一項に記載の暗号送信装置と、
請求項５乃至８のいずれかに一項に記載の暗号受信装置と、を含むことを特徴とする。

上記課題を解決するために、請求項９に係る暗号通信システムの発明は、前記外界情報を有線または無線で生成する発信装置を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、発信装置によって外界情報で提供するので、暗号送信装置と暗号受信装置が離れて位置していても、暗号送信装置と暗号受信装置が外界情報を取得し、共有することが可能になる。

本発明によれば、移動させる必要が生じる情報量は、本来共有したい情報の２倍以内に収めることが可能になる。また、移動させる必要がある情報は、漏洩しても問題がない１種類の情報であるため、専用の回線は不要であり、既存のネットワークが利用可能である。さらに、本発明を利用した場合、情報理論的安全性を持った手法であるため、経路上の暗号情報を復号して平文である通信文を生成することが不可能である暗号通信システムを実現できる。

暗号通信システムの一例を示す図である。暗号通信システムの一例を示す図である。暗号送信装置の一例を示す図である。暗号受信装置の一例を示す図である。暗号化部の動作の一例を示す図である。暗号情報の通信の一例を示す図である。復号化部の動作の一例を示す図である。時刻同期処理および外界情報保持処理の一例を示すフローチャートである。暗号送信装置の動作の一例を示すフローチャートである。暗号受信装置の動作の一例を示すフローチャートである。外界情報の一例を説明する模式図である。外界情報を取得する一例を説明する模式図である。検出期待確率の一例を説明する模式図である。暗号送信装置と暗号受信装置間のデータフォーマットの一例を説明する模式図である。

（暗号通信システム）
図１に本実施形態の暗号通信システム１０の一例を図示する。暗号通信システム１０は、暗号送信装置１０００、暗号受信装置２０００、暗号送信装置１０００と暗号受信装置２０００との間で暗号情報等の情報を通信する通信路３０００を含んで構成される。通信路３０００は光ファイバ、金属線等の有線または無線によって構成されることができる。

外界情報は時系列的に変化する外界の情報であって、暗号送信装置１０００および暗号受信装置２０００で取得することができる情報であれば任意の情報を外界情報とすることができる。外界情報の一例として、地上デジタル放送の放送情報、ＣＡＴＶによる放送情報、ＦＭ放送情報、ＡＭ放送情報、短波放送情報等の情報が挙げられる。外界情報は、暗号送信装置１０００において平文である通信文情報を暗号化するために使用され、および、暗号受信装置２０００において、暗号送信装置１０００から受信した暗号情報を復号するために使用される。

図２は、時系列的に変化する外界の情報である外界情報を提供する発信装置４０００が追加された暗号通信システム２０の一例を図示する。発信装置４０００と、暗号送信装置１０００および暗号受信装置２０００との間は有線または無線で接続される。また、発信装置４０００は任意の情報を時系列的に変化する情報に設定することができる。

（暗号送信装置）
図３に本実施形態の暗号送信装置１０００の一例を図示する。暗号送信装置１０００は、各種情報を入力するための入力部１１００、入力部１１００から入力された情報を取得するための情報取得部１２００、制御部１３００、記憶部１４００、および、出力部１５００を含んで構成される。

図３に示す暗号送信装置１０００は一般的なコンピュータである。一般的なコンピュータが制御プログラムを実行することにより、図３に示す機能を実現する。また、制御部１３００はＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部１３００は、記憶部１４００に記憶されたデータを読み書きしたり、入力部１１００および出力部１５００とデータを入出力したりして、暗号送信装置１０００における処理を実行する。

また、記憶部１４００は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random access memory）、ハードディスク等の記憶媒体である。記憶部１４００は、制御部１３００が処理を実行するための入力データ、出力データおよび中間データなどの各種データを記憶する。

入力部１１００は各種のインターフェース機能を有しており、制御部１３００の制御によって取得しようとする情報の種類に応じてインターフェース機能を切り替えることが可能に構成されている。

情報取得部１２００は、暗号化および復号に使用する外界情報の取得部１２１０、暗号化の対象となる通信文情報の取得部１２２０、および、暗号受信装置２０００との制御情報の受信を実行する制御情報の取得部１２３０を含んで構成される。

制御部１３００は、入力部１１００および出力部１５００を制御する入出力制御部１３１０、時刻同期部１３２０、暗号化部１３３０、および、タイマー部１３４０を含んで構成される。さらに、必須の構成要件ではないが、必要に応じて、制御部１３００は、外界情報の量子化部１３５０および外界情報のランダム化部１３６０を含んで構成される場合もある。

入出力制御部１３１０は、情報取得部１２００が取得しようとしている情報に応じて入力部１１００のインターフェースを切り換える機能を有する。例えば、入出力制御部１３１０は、外界情報が地上デジタル放送であれば地上デジタル放送を受信するインターフェース機能を入力部１１００から選択する。また、入出力制御部１３１０は、通信文情報が他の電子機器から入力されれば、他の電子機器とのインターフェース機能を入力部１１００から選択する。さらに、通信文情報がキーボードやタッチパネルで入力される場合には、入力部１１００の一部はキーボードやタッチパネルとして機能する。さらに、暗号送信装置１０００と暗号受信装置２０００がイーサネット（登録商標）で接続されていれば、入出力制御部１３１０は、イーサネット（登録商標）インターフェース機能を入力部１１００から選択する。

時刻同期部１３２０は、暗号送信装置１０００のタイマー部１３４０の時刻と暗号受信装置２０００のタイマー部２３４０の時刻を同期させる機能を有する。

暗号化部１３３０は、外界情報の中から通信文情報と一致する部分を検索する検索部１３３１および外界情報を特定する情報を生成する特定部１３３２を含んで構成される。

検索部１３３１および特定部１３３２の詳細な動作については、図５を用いて後述する。

タイマー部１３４０は、暗号受信装置２０００のタイマー部２３４０と同期して時刻を計時し、外界情報１４１０の取得時刻を特定する機能を有する。

外界情報の量子化部１３５０は、外界情報の取得部１２１０が取得した外界情報がアナログ情報である場合に外界情報を量子化するための機能を有する。通信文情報は０と１のデジタル化された情報に変換して表現されるために、外界情報がアナログ情報のままであれば、外界情報から通信文情報を検索することはできない。そこで、外界情報の量子化部１３５０は、外界情報がアナログ情報である場合に外界情報を量子化する。アナログ情報をデジタル化するための技術は公知の技術を使用できるためにここでは詳述しない。

外界情報のランダム化部１３６０は、外界情報の取得部１２１０が取得した外界情報に充分なランダム性がない場合に使用される。例えば、外界情報のランダム化部１３６０は、充分なランダム性がない外界情報をシードとして、疑似乱数生成器を動作させることによって、外界情報を、ランダム性を有する情報に変換する。また、例えば、外界情報のランダム化部１３６０は、ＡＥＳ暗号方式を使用して外界情報を暗号化したデジタル情報にしてもよい。ただし、この場合にはＡＥＳ暗号方式で利用する共通鍵を暗号送信装置１０００と暗号受信装置２０００とで事前に共有している必要がある。

記憶部１４００は、外界情報１４１０、外界情報取得時刻１４２０、通信文情報１４３０および暗号情報１４４０等の情報を記憶する。

外界情報１４１０は、外界情報の取得部１２１０が暗号送信装置１０００および暗号受信装置２０００の外部から取得した外界情報を記憶した情報である。外界情報１４１０は前述したように、時系列的に変化する情報である。また、外界情報１４１０は、タイマー部１３４０によって計時されるあらかじめ定められた開始時刻からあらかじめ定められた終了時刻までの期間で取得された情報である。

外界情報取得時刻１４２０は、外界情報１４１０を取得した時刻情報であって、時刻同期部１３２０によって、暗号送信装置１０００および暗号受信装置２０００で同期した時刻が記憶されている。

通信文情報１４３０は、通信文情報の取得部１２２０が取得した通信文の情報であって、デジタル列で表現される情報である。通信文情報は暗号化部１３３０で暗号化され、暗号情報１４４０となって暗号受信装置２０００に伝送され、暗号受信装置２０００で暗号情報１４４０が復号化され、暗号情報１４４０から通信文情報１４３０が得られる。

暗号情報１４４０には、部分位置情報１４４１、部分情報量１４４２および外界情報特定情報１４４３が含まれる。部分位置情報１４４１、部分情報量１４４２および外界情報特定情報１４４３は関連づけされている。また、部分位置情報１４４１と部分情報量１４４２は少なくとも１つ存在するが、複数の部分位置情報１４４１と部分情報量１４４２がペアになって記憶されていてもよい。部分位置情報１４４１と部分情報量１４４２は、暗号化部１３３０の検索部１３３１によって生成され、外界情報特定情報１４４３は、暗号化部１３３０の特定部１３３２によって生成される。

出力部２５００は、暗号情報１４４０を暗号受信装置２０００に出力する機能を有する。また、時刻同期部１３２０はタイマー部１３４０が計時する時刻と暗号受信装置２０００のタイマー部２３４０が計時する時刻とを同期させるために、出力部２５００からタイマー部１３４０が計時する時刻情報を暗号受信装置２０００に出力する機能を有する。

（暗号受信装置）
図４に本実施形態の暗号受信装置２０００の一例を図示する。暗号受信装置２０００は、各種情報を入力するための入力部２１００、入力部２１００から入力された情報を取得するための情報取得部２２００、制御部２３００、記憶部２４００、および、出力部２５００を含んで構成される。

図４に示す暗号受信装置２０００は一般的なコンピュータである。一般的なコンピュータが制御プログラムを実行することにより、図４に示す機能を実現する。また、制御部２３００はＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部２３００は、記憶部２４００に記憶されたデータを読み書きしたり、入力部２１００および出力部２５００とデータを入出力したりして、暗号受信装置２０００における処理を実行する。

また、記憶部２４００は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random access memory）、ハードディスク等の記憶媒体である。記憶部２４００は、制御部２３００が処理を実行するための入力データ、出力データおよび中間データなどの各種データを記憶する。

入力部２１００は各種のインターフェース機能を有しており、制御部２３００の制御によって取得しようとする情報の種類に応じてインターフェース機能を切り替えることが可能に構成されている。

情報取得部２２００は、復号に使用する外界情報の取得部２２１０、暗号化された暗号情報１４４０を取得する暗号情報の取得部２２２０、および、暗号送信装置１０００との制御情報の受信を実行する制御情報の取得部２２３０を含んで構成される。

制御部２３００は、入力部２１００および出力部２５００を制御する入出力制御部２３１０、時刻同期部２３２０、復号化部２３３０、および、タイマー部２３４０を含んで構成される。さらに、必須の構成要件ではないが、必要に応じて、制御部２３００は、外界情報の量子化部２３５０および外界情報のランダム化部２３６０を含んで構成される場合もある。

入出力制御部２３１０は、情報取得部２２００が取得しようとしている情報に応じて入力部２１００のインターフェースを切り換える機能を有する。例えば、入出力制御部２３１０は、外界情報が地上デジタル放送であれば地上デジタル放送を受信するインターフェース機能を入力部２１００から選択する。また、入出力制御部２３１０は、暗号送信装置１０００と暗号受信装置２０００がイーサネット（登録商標）で接続されていれば、入出力制御部２３１０は、イーサネット（登録商標）インターフェース機能を入力部２１００から選択する。その後、暗号受信装置２０００は、暗号情報１４４０および制御情報等の情報を暗号送信装置１０００から受信する。

時刻同期部２３２０は、暗号送信装置１０００のタイマー部１３４０の時刻と暗号受信装置２０００のタイマー部２３４０の時刻を同期させる機能を有する。すなわち、時刻同期部２３２０は、入力部２１００を介して受信した暗号送信装置１０００のタイマー部１３４０の時刻と一致するように、暗号受信装置２０００のタイマー部２３４０が計時する時刻に受信したタイマー部１３４０の時刻を設定する。

復号化部２３３０は、後述する部分外界情報２４３０を抽出し、部分外界情報２４３０を結合する抽出部２３３１および外界情報特定情報１４４３から復号に使用する外界情報２４１０を特定する特定部２３３２を含んで構成される。

復号化部２３３０および特定部２３３２の詳細な動作については、図６を用いて後述する。

タイマー部２３４０は、暗号送信装置１０００のタイマー部１３４０と同期して時刻を計時し、外界情報２４１０の取得時刻を特定する機能を有する。

外界情報の量子化部２３５０は、外界情報の取得部２２１０が取得した外界情報がアナログ情報である場合に外界情報を量子化するための機能を有する。外界情報がアナログ情報のままであれば、暗号情報１４４０から通信文情報を抽出することはできない。そこで、外界情報の量子化部２３５０は、外界情報がアナログ情報である場合に外界情報を量子化する。アナログ情報をデジタル化するための技術は公知の技術を使用できるためにここでは詳述しない。ただし、外界情報の量子化部２３５０は、暗号送信装置１０００の外界情報の量子化部１３５０と同一の方法でアナログ情報の量子化を実行する。

外界情報のランダム化部２３６０は、外界情報の取得部２２１０が取得した外界情報に充分なランダム性がない場合に使用される。例えば、外界情報のランダム化部２３６０は、充分なランダム性がない外界情報をシードとして、疑似乱数生成器を動作させることによって、外界情報を、ランダム性を有する情報に変換する。ただし、変換方法は暗号送信装置１０００と暗号受信装置２０００とで事前に共有している必要がある。また、例えば、外界情報のランダム化部２３６０は、ＡＥＳ暗号方式を使用して外界情報を暗号化したデジタル情報にしてもよい。ただし、この場合にもＡＥＳ暗号方式で利用する共通鍵を暗号送信装置１０００と暗号受信装置２０００とで事前に共有している必要がある。

記憶部２４００は、暗号送信装置１０００の外界情報１４１０と同一の外界情報２４１０、暗号送信装置１０００の外界情報取得時刻１４２０と同期した外界情報取得時刻２４２０を記憶する。また、記憶部２４００は、復号化部２３３０によって抽出される部分外界情報２４３０、および、暗号送信装置１０００から送信され、受信した暗号情報１４４０を暗号情報２４４０として記憶する。

外界情報２４１０は、外界情報の取得部２２１０が暗号送信装置１０００および暗号受信装置２０００の外部から取得した外界情報を記憶した情報である。外界情報２４１０は前述したように、時系列的に変化する情報である。また、外界情報２４１０は、タイマー部２３４０によって計時されるあらかじめ定められた開始時刻からあらかじめ定められた終了時刻までの期間で取得された情報である。

外界情報取得時刻２４２０は、外界情報２４１０を取得した時刻情報であって、時刻同期部２３２０によって、暗号送信装置１０００および暗号受信装置２０００で同期した時刻が記憶されている。

部分外界情報２４３０は、復号化部２３３０によって、特定された外界情報２４１０の一部の情報であって、暗号送信装置１０００において暗号化された通信文情報１４３０の一部を構成する情報である。復号化部２３３０によって、部分外界情報２４３０が結合されると通信文情報１４３０が生成される。

暗号情報の取得部２２２０が取得した暗号情報１４４０が記憶部２４００の暗号情報２４４０として記憶される。また、暗号情報１４４０に含まれる部分位置情報１４４１、部分情報量１４４２および外界情報特定情報１４４３が、記憶部２４００の部分位置情報２４４１、部分情報量２４４２および外界情報特定情報２４４３として記憶される。部分位置情報２４４１、部分情報量２４４２および外界情報特定情報２４４３は関連づけされている。また、部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２は少なくとも１つ存在するが、複数の部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２がペアになって記憶されていてもよい。部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２は、復号化部２３３０の抽出部２３３１によって使用され、外界情報特定情報２４４３は、復号化部２３３０の特定部２３３２によって使用される。

図５は暗号送信装置１０００の暗号化部１３３０の動作の一例を説明するための図である。

（５―１）において、特定部１３３２は、通信文情報１４３０を検索する対象となる外界情報１４１０を特定するために外界情報特定情報１４４３を生成する。

（５－２）において、検索部１３３１は通信文情報１４３０の先頭から任意の量の情報（以下、部分通信文と称する）を抽出する。

（５－３）において、検索部１３３１は、外界情報特定情報１４４３によって特定される外界情報１４１０の一部と一致する箇所（以下、部分外界情報と称する）を検索する。

（５－４）において、検索部１３３１は、外界情報１４１０における部分外界情報の先頭の位置情報（以下、部分位置情報１４４１と称する）を検出し、および、部分外界情報の情報量（以下、部分情報量１４４２と称する）を演算する。なお、部分通信文から部分外界情報を取得することができない場合には、部分通信文の情報量を減らして、再度、外界情報１４１０を検索する。

（５－５）において、検索部１３３１は、部分外界情報を取得することができた場合には、残りの通信文情報１４３０についても検索を実施し、部分位置情報１４４１および部分情報量１４４２を取得する。なお、部分位置情報１４４１および部分情報量１４４２のペアを特定するために、部分位置情報１４４１および部分情報量１４４２のペアの生成順番を示す生成番号を付与してもよい。

暗号化部１３３０は（５－１）から（５－５）の処理によって生成した、部分位置情報１４４１および部分情報量１４４２のペアと、外界情報特定情報１４４３を含む暗号情報１４４０を記憶部１４００に記憶する。

図６は暗号送信装置１０００から暗号受信装置２０００へ暗号情報１４４０を伝送する動作の一例を説明するための図である。

暗号送信装置１０００は、部分位置情報１４４１および部分情報量１４４２のペア群と、外界情報特定情報１４４３を含む暗号情報１４４０を、出力部１５００を介して暗号受信装置２０００へ出力する。出力方法は有線または無線でもよい。出力方法が有線である場合についての説明を後述する。なお、部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のすべてのペアは、通信文情報１４３０の先頭から生成された順番に送信される。しかし、部分位置情報１４４１および部分情報量１４４２のペア群には、各ペアの前後関係を明らかにするために生成番号が付与されてもよい。

図７は暗号受信装置２０００の復号化部２３３０の動作の一例を説明するための図である。

（７―１）において、特定部２３３２は、受信した暗号情報２４４０に含まれる外界情報特定情報２４４３から、復号の対象となる外界情報を記憶部２４００に記憶されている外界情報２４１０から特定する。

（７―２）において、抽出部２３３１は、受信した暗号情報２４４０に含まれる部分位置情報２４４１によって、復号の対象となる外界情報から抽出すべき情報の先頭位置を特定する。

（７―３）において、抽出部２３３１は、特定された先頭位置から、受信した暗号情報２４４０に含まれる部分情報量２４４２が示す情報量を特定する。
（７―４）において、抽出部２３３１は、部分情報量２４４２が示す情報量を復号の対象となる外界情報の特定された先頭位置から抽出する。抽出された情報は、部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２によって特定される（５－３）における部分外界情報であって、（５－２）における部分通信文と等しい情報である。

（７―５）において、抽出部２３３１は、受信した暗号情報２４４０に含まれる部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のすべてのペアについて、部分外界情報を抽出する。

（７―６）において、抽出部２３３１は、抽出したすべての部分外界情報を結合し、暗号送信装置１０００が送信しようとしていた通信文情報１４３０を再構築する。部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のすべてのペアは、通信文情報１４３０の先頭から順番に送信される。しかし、抽出部２３３１は、部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のペアに付与された生成番号を利用して、通信文情報１４３０を再構築してもよい。

次に、図８を用いて、時刻同期処理および外界情報保持処理の一例をフローチャートで説明する。

ステップＳ８０１において、暗号送信装置１０００は、タイマー部１３４０が計時している時刻の情報を、出力部１５００を介して暗号受信装置２０００に送信する。暗号受信装置２０００は、入力部２１００を介してタイマー部１３４０の時刻の情報を受信し、時刻同期部２３２０がタイマー部１３４０の時刻の情報をタイマー部２３４０に設定することで、暗号送信装置１０００と暗号受信装置２０００との同期を取る。

ステップＳ８０２において、暗号送信装置１０００において、外界情報の取得部１２１０はタイマー部１３４０によって計時されるあらかじめ定められた開始時刻からあらかじめ定められた終了時刻までの外界情報を取得する。暗号受信装置２０００においても、外界情報の取得部２２１０はタイマー部２３４０によって計時されるあらかじめ定められた開始時刻からあらかじめ定められた終了時刻までの外界情報を取得する。

ステップＳ８０３において、暗号送信装置１０００は、外界情報の取得部１２１０から取得した外界情報１４１０、および、タイマー部１３４０から取得した外界情報取得時刻１４２０を記憶部１４００に記憶する。暗号受信装置２０００も、外界情報の取得部２２１０から取得した外界情報２４１０、および、タイマー部２３４０から取得した外界情報取得時刻２４２０を記憶部２４００に記憶する。

次に、図９を用いて、暗号送信装置１０００の動作の一例をフローチャートで説明する。

ステップＳ９０１において、通信文情報の取得部１２２０は、入力部１１００を介して暗号化の対象となる通信文情報１４３０を取得する。次に、暗号送信装置１０００はステップＳ９０２に進む。

ステップＳ９０２において、暗号化部１３３０の特定部１３３２は、通信文情報１４３０を検索する対象となる外界情報１４１０を特定し、外界情報特定情報１４４３を生成する。次に、暗号送信装置１０００はステップＳ９０３に進む。

ステップＳ９０３において、暗号化部１３３０の検索部１３３１は通信文情報１４３０の先頭から任意の量の情報である部分通信文を抽出する。次に、暗号送信装置１０００はステップＳ９０４に進む。

ステップＳ９０４において、検索部１３３１は、部分通信文と一致する、外界情報特定情報１４４３によって特定される外界情報１４１０を検索する。一致する箇所があれば、該当箇所を部分外界情報とする。次に、暗号送信装置１０００はステップＳ９０５に進む。

ステップＳ９０５において、検索部１３３１は、部分通信文と一致する、外界情報１４１０の一部である部分外界情報が発見されたか否かを判定する。部分通信文と一致する、外界情報１４１０の一部である部分外界情報が発見された場合（ステップＳ９０５：ＹＥＳ）には、暗号送信装置１０００はステップＳ９０７に進む。部分通信文と一致する、外界情報１４１０の一部である部分外界情報が発見されない場合（ステップＳ９０５：ＮＯ）には、暗号送信装置１０００はステップＳ９０６に進む。

ステップＳ９０６において、検索部１３３１は、部分通信文から部分外界情報を取得することができない場合には、部分通信文の情報量を１単位減らした部分通信文を再度作成する。検索部１３３１は当該１単位を任意の単位に設定することができる。例えば、当該１単位は、１文字、１単語、１文、１段落等の任意の単位に設定されることができる。

ステップＳ９０７において、検索部１３３１は、外界情報１４１０における部分外界情報の先頭の位置情報である部分位置情報１４４１を検出し、および、部分外界情報の情報量である部分情報量１４４２を演算する。検索部１３３１は、部分位置情報１４４１および部分情報量１４４２をペアにして記憶部１４００に記憶する。次に、暗号送信装置１０００はステップＳ９０８に進む。

ステップＳ９０８において、検索部１３３１は、通信文情報１４３０のすべてについて検索が終了したか否かを判断する。通信文情報１４３０のすべてについて検索が終了した場合（ステップＳ９０８：ＹＥＳ）には、暗号送信装置１０００はステップＳ９１０に進む。通信文情報１４３０のすべてについて検索が終了していない場合（ステップＳ９０８：ＮＯ）には、暗号送信装置１０００はステップＳ９０９に進む。

ステップＳ９０９において、検索部１３３１は、通信文情報１４３０の未検索の部分の先頭からあらかじめ定められた情報量の部分通信文を抽出する。あらかじめ定められた情報量は、検索部１３３１が任意の値に設定することができる。次に、暗号送信装置１０００はステップＳ９０４に進み、検索を実行する。

ステップＳ９１０において、暗号送信装置１０００は、部分位置情報１４４１と部分情報量１４４２のすべてのペア、および、検索の対象となった外界情報１４１０を特定する外界情報特定情報１４４３を含む暗号情報１４４０を暗号受信装置２０００に送信する。

次に、図１０を用いて、暗号受信装置２０００の動作の一例をフローチャートで説明する。

ステップＳ１００１において、暗号情報の取得部２２２０は、入力部２１００を介して通信文情報１４３０が暗号された暗号情報１４４０を取得する。暗号受信装置２０００は暗号情報１４４０を暗号情報２４４０として記憶部２４００に記憶する。また、暗号受信装置２０００は暗号情報１４４０に含まれる部分位置情報１４４１と部分情報量１４４２を、それぞれ部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２として記憶部２４００に記憶する。さらに、暗号受信装置２０００は暗号情報１４４０に含まれる外界情報特定情報１４４３を、外界情報特定情報２４４３として記憶部２４００に記憶する。次に、暗号受信装置２０００はステップＳ１００２に進む。

ステップＳ１００２において、暗号受信装置２０００は外界情報特定情報２４４３から外界情報２４１０の中から分析の対象となる外界情報を特定する。次に、暗号受信装置２０００はステップＳ１００３に進む。

ステップＳ１００３において、抽出部２３３１は、受信した暗号情報２４４０に含まれる最初の部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のペアを取得する。次に、暗号受信装置２０００はステップＳ１００４に進む。

ステップＳ１００４において、抽出部２３３１は、暗号情報２４４０に含まれる部分位置情報２４４１から、復号の対象となる外界情報の抽出すべき情報の先頭位置を特定する。次に、暗号受信装置２０００はステップＳ１００５に進む。

ステップＳ１００５において、抽出部２３３１は、特定された先頭位置から、暗号情報２４４０に含まれる部分情報量２４４２が示す情報量を特定する。さらに、抽出部２３３１は、部分情報量２４４２が示す情報量を復号の対象となる外界情報の特定された先頭位置から抽出する。抽出された情報は、部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２によって特定される部分外界情報２４３０であって、部分通信文と等しい情報である。抽出部２３３１は、部分外界情報２４３０を記憶部２４００に記憶する。次に、暗号受信装置２０００はステップＳ１００６に進む。

ステップＳ１００６において、抽出部２３３１は、受信した暗号情報２４４０に含まれる部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のすべてのペアについて、部分外界情報２４３０を抽出したか否かを判断する。部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のすべてのペアについて、部分外界情報２４３０を抽出した場合（ステップＳ１００６：ＹＥＳ）には、暗号受信装置２０００はステップＳ１００７に進む。部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のすべてのペアについて、部分外界情報２４３０を抽出していない場合（ステップＳ１００６：ＮＯ）には、暗号受信装置２０００はステップＳ１００８に進む。

ステップＳ１００７において、抽出部２３３１は、抽出したすべての部分外界情報２４３０を結合し、暗号送信装置１０００で暗号化された通信文情報１４３０を再構築する。部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のすべてのペアは、通信文情報１４３０の先頭から順番に送信される。しかし、抽出部２３３１は、部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２のペアに付与された生成番号を利用して、通信文情報１４３０を再構築してもよい。

ステップＳ１００８において、抽出部２３３１は、記憶部２４００に記憶されている部分位置情報２４４１と部分情報量２４４２の次のペアを抽出する。次に、暗号受信装置２０００はステップＳ１００４に進む。

以上説明したように、従来技術では、通信文と合わせて、本来共有したい情報の２倍の情報を移動させる必要が生じていた。しかしながら、本実施形態を利用した場合、移動させる必要が生じる情報量は、本来共有したい情報の２倍以内に収まっている。また、従来技術では、通信文と共通暗号鍵で異なる移動手段を用意しなければいけない、というシステム構成の難しさがあった。しかしながら、本実施形態を利用した場合、移動させる必要がある情報は、漏洩しても問題がない１種類の情報であるため、１通りの移動手段を用意するだけで充分である。さらに、従来技術では、確率的に解読が出来る可能性は確かに存在し、計算機の能力向上に伴い、その安全性は低下してしまう。しかしながら、本実施形態を利用した場合、情報理論的安全性を持った手法であるため、経路上の送信情報を復号して平文である通信文を生成することは不可能である。さらに、量子暗号通信では、専用の回線を用意する必要があり、かつ、通信距離に限界があった。しかしながら、本実施形態では専用の回線は不要であり、既存のネットワークが利用可能であるため通信距離にも限界はなく、優位性がある。

（実施例）
図１１および図１２は、時系列的な共有情報として、地上デジタル放送の情報を使用する場合の模式図である。日本における地上デジタル放送は、ＩＳＤＢ―Ｔ方式(水平３，８４０画素×垂直２，１６０ラインを、フレームレート５９．９４Ｈｚで送信)であり、１秒当たり４９７Ｍビット程度の情報量を持つ（図１１参照）。

仮に、この地上デジタル放送の情報の全受信情報を外界情報として使用できるとすると、２４時間で４２，９４０，８００，０００，０００(bits)≒５．３(テラBytes)のデータ量が外界晴報として使用できる。また、暗号送信装置１０００と暗号受信装置２０００は、通信手段を持つ必要があるため、ここでは、イーサネット（登録商標）プロトコル(Ethernet（登録商標）)、インターネットプトロコル(IP),ユーザダイアグラムプロトコル(UDP)を利用するものとする（図１２参照）。

５．３(テラBytes)を１bit単位で位置指定するためには、下記式（１）より、４６(bits)が必要である。この情報は、部分位置情報１４４１、２４４１として利用する。
ｌｏｇ_２（４２，９４０，８００，０００，０００）＝４５．２８７４…・・・式（１）

２４時間を区切りとして1つの外界情報として設定する場合、１００年間通用する暗号通信システムを想定した場合には、特定の日の外界情報を指定するために、式（２）および式（３）より、１６(bits)が必要である。この情報は、外界情報特定情報１４４３、２４４３として利用する。
３６５（日）×１００（年）＝３６，５００（日）・・・式（２）
ｌｏｇ_２（３６，５００）＝１５．１５５６０８８４…・・・式（３）

また、通信文情報１４３０を部分通信文に分割する際に、部分通信文が前述の５．３(テラBytes)データの外界情報に存在する確率は、下記の通り表現できる。

桁数Ｄ_ｘのランダムビット列Ｘに、桁数Ｄ_ｙの任意のビット列Ｙが存在する確率を計算する場合に、Ｄ_ｙ桁のビット列がとり得る全パターン数は下記の式（４）で、Ｄ_ｙ桁のビット列に任意の1パターンが存在しない確率は下記の式（５）で表現できる。また、Ｄ_ｘ桁のビット列Ｘの順番を変えずに、Ｄ_ｙ桁を取る取り方の数は式（６）で表現できる。
２^Ｄｙ・・・式（４）
（２^Ｄｙ－１）／２^Ｄｙ・・・式（５）
Ｄ_ｘ―（Ｄ_ｙ－１）・・・式（６）

式（５）と式（６）から桁数Ｄ_ｘのランダムビット列Ｘに、桁数Ｄ_ｙの任意のビット列Ｙが存在する確率は下記の式（７）で表現できる。
１－｛（２^Ｄｙ－１）／２^Ｄｙ｝^{（Ｄｘ―（Ｄｙ－１））} ・・・式（７）

式（７）を用いて、ランダムビット列Ｘを地上デジタル放送の情報として２４時間分のデータ(データ量５．３(テラBytes))としたとき、任意のビット列Ｙの桁数を変動させたときの、任意のビット列Ｙの検出が期待できる確率は図１３のグラフで表現できる。

図１３から、４５(bits)程度以下の部分通信文であれば、外界情報１４１０、２４１０に７０％以上の確率で部分通信文が存在することが期待できる。このため、最初に部分通信文のデータ量として設定する値を４５(bits)と設定する。４５(bits)を表現するためのデータ量は、下記の式（８）より、６(bits)が必要である。
ｌｏｇ_２（４５）＝５．４９１８５３０９６…・・・式（８）

ここで、少なくとも４２(bits)のデータ量の部分通信文が、外界情報１４１０、２４１０から検索できたと仮定すると、４２(bits)のデータを送信するために要する送信情報量は、下記の式（９）より、６８(bits)となる。
部分位置情報４６(bits)＋部分情報量６(bits)＋外界情報特定情報１６(bits)＝６８(bits) ・・・式（９）
したがって、通信文情報の４２(bits)に対して、送信惰報量が６８(bits)であるため、増加率は１６１．９％であり、既存技術で使用する２倍の情報量よりも少ない情報量の伝達でよいことがわかる。なお、１６１．９％という増加率は、通信文情報の長さに関係なく一定のデータ量である外界情報特定情報を含んだ値であり、表1及び下記の式（１０）が示す通り、通信文の長さが長いほど約１２３．８％に近づく。
ｌｉｍ（Ｐ→∞）（（（Ｐ／（部分通信文の単位データ量４２bits）×（部分位置情報＋部分情報量））＋外界情報特定情報）／Ｐ＝１．２３８０９・・・式（１０）

表１の暗号情報は、一般的なEthernet（登録商標）とUDP／IPを利用して十分に送信(図１４のデータ領域に暗号情報を格納して送信)可能であることから、特別な回線を利用せずに、暗号送信装置１０００から暗号受信装置２０００へ暗号情報を送信可能である。

また、地上デジタル波による放送は、そのアンテナ基地局からの到達距離内に暗号送信装置１０００および暗号受信装置２０００が存在しさえすれば、同一の情報を受信可能であることから、暗号送信装置１０００および暗号受信装置２０００では、共通の外界情報１４１０、２４１０を取得することが可能である。

なお、地上デジタル波による放送で得られるデータは、デジタルフォーマットに則っており、十分にランダム性がない。そこで、地上デジタル波による放送で得られるデータをシードとして、疑似乱数生成器に掛け、データのビット列をランダム化することで得られた情報を外界情報１４１０、２４１０として扱う。ランダム化処理は、必ずしも疑似乱数生成器である必要はなく、ＡＥＳ暗号方式を利用して暗号化した数列でもよい。但し、この場合には、事前にＡＥＳ暗号方式で利用する共通鍵を暗号送信装置１０００および暗号受信装置２０００で共有している必要がある。

実施形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明したが、以上の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、上記に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、上記に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

本発明は、時系列的に変化をする共有情報を利用した暗号送信装置、暗号受信装置および暗号通信システムに用いて、極めて有用である。

１０、２０・・・暗号通信システム
１０００・・・暗号送信装置
１１００、２１００・・・入力部
１２００、２２００・・・情報取得部
１２１０、２２１０・・・外界情報の取得部
１２２０・・・通信文情報の取得部
１２３０、２２３０・・・制御情報の取得部
１３００、２３００・・・制御部
１３１０、２３１０・・・入出力制御部
１３２０、２３２０・・・時刻同期部
１３３０・・・暗号化部
１３３１・・・検索部
１３３２、２３３２・・・特定部
１３４０、２３４０・・・タイマー部
１３５０、２３５０・・・外界情報の量子化部
１３６０、２３６０・・・外界情報のランダム化部
１４００、２４００・・・記憶部
１４１０、２４１０・・・外界情報
１４２０、２４２０・・・外界情報取得時刻
１４３０・・・通信文情報
１４４０、２４４０・・・暗号情報
１４４１、２４４１・・・部分位置情報
１４４２、２４４２・・・部分情報量
１４４３、２４４３・・・外界情報特定情報
１５００、２５００・・・出力部
２０００・・・暗号受信装置
２２２０・・・暗号情報の取得部
２３３０・・・復号化部
２３３１・・・抽出部
２４３０・・・部分外界情報
３０００・・・通信路
４０００・・・発信装置

Claims

時系列的に変化する外界の情報である外界情報を取得する外界情報の取得部と、
暗号化されるべき通信文情報を取得する通信文情報の取得部と、
前記通信文情報を暗号化するために使用する外界情報を特定するための外界情報特定情報を生成する特定部と、
前記通信文情報を分割して部分通信文を生成し、外界情報特定情報によって特定される外界情報の中で前記部分通信文と一致する情報を部分外界情報とし、前記外界情報における前記部分外界情報の先頭の位置情報を部分位置情報とし、前記部分外界情報の情報量を部分情報量とする検索部と、
前記部分位置情報、前記部分情報量および前記外界情報特定情報を含む暗号情報を暗号受信装置に送信する出力部と、を含む暗号送信装置。
前記外界情報を取得するタイミングを決定するためのタイマー部と、
前記タイマー部の時刻情報を、前記出力部を介して前記暗号受信装置に送信する時刻同期部と、を含み、
前記外界情報の取得部は前記タイマー部によって計時されるあらかじめ定められた開始時刻からあらかじめ定められた終了時刻までの前記外界情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の暗号送信装置。
前記外界情報の取得部が取得する前記外界情報は、地上デジタル放送による放送情報であることを特徴とする請求項１または２に記載の暗号送信装置。
前記外界情報をランダム化する外界情報のランダム化部を含み、
前記外界情報のランダム化部は、前記外界情報を前記暗号受信装置と共通の疑似生成器によってランダム化し、または、前記外界情報を前記暗号受信装置と共通の暗号鍵でランダム化することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の暗号送信装置。
時系列的に変化する外界の情報である外界情報を取得する外界情報の取得部と、
通信文情報が暗号化された暗号情報を取得する暗号情報の取得部と、
前記暗号情報に含まれる外界情報特定情報によって、前記暗号情報を前記通信文情報に復号するために使用する外界情報を特定する特定部と、
前記暗号情報に含まれる部分位置情報によって、前記特定部によって特定された外界情報の中から抽出されるべき、前記外界情報の一部である部分外界情報の先頭位置を特定し、前記暗号情報に含まれる部分情報量によって、前記先頭位置から前記部分情報量に対応する情報量の前記部分外界情報を抽出し、前記部分外界情報を結合して前記通信文情報を生成する抽出部と、
前記通信文情報を出力する出力部と、を含む暗号受信装置。
前記外界情報を取得するタイミングを決定するためのタイマー部と、
前記暗号情報を送信する暗号送信装置から時刻情報を受信し、前記時刻情報を前記タイマー部に設定する時刻同期部と、を含み、前記外界情報の取得部は前記タイマー部によって計時されるあらかじめ定められた開始時刻からあらかじめ定められた終了時刻までの前記外界情報を取得することを特徴とする請求項５に記載の暗号受信装置。
前記外界情報の取得部が取得する前記外界情報は、地上デジタル放送による放送情報であることを特徴とする請求項５または６に記載の暗号受信装置。
前記外界情報をランダム化する外界情報のランダム化部を含み、
前記外界情報のランダム化部は、前記外界情報を暗号送信装置と共通の疑似生成器によってランダム化し、または、前記外界情報を前記暗号送信装置と共通の暗号鍵でランダム化することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の暗号受信装置。
請求項１乃至４のいずれかに一項に記載の暗号送信装置と、
請求項５乃至８のいずれかに一項に記載の暗号受信装置と、を含むことを特徴とする暗号通信システム。
前記外界情報を有線または無線で生成する発信装置を含むことを特徴とする請求項９に記載の暗号通信システム。