JP2007274300A - 共通鍵暗号通信における同期処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
送信側と受信側で暗号化及び復号化するために用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期をとる。
【解決手段】
多値信号を用いた共通鍵暗号通信における共通鍵から生成され暗号化及び復号化に用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵を同期させるための同期処理方法において、送信側は、共通鍵暗号を送信する前に多値信号からなる所定の固定パターン信号を送信する。受信側は、識別可能な固定長の二値識別閾値信号を生成し、二値識別閾値信号の位相をビット単位で変化させながら、受信する固定パターン信号に対する二値識別を監視する。そして、受信する固定パターン信号と二値識別閾値信号の位相が揃った時に、二値識別閾値信号の位相を設定し、設定された位相に従ってＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、共通鍵暗号通信における同期処理方法に係り、特に光通信量子暗号伝送において多値信号を用いて共通鍵暗号通信を行う場合、送信側と受信側の間で暗号化復号化するときに用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期処理、それを用いた暗号通信方法、並びにそのシステム及びそれに使用される受信機に関する。

一般に、通信技術においては通信信号を暗号化処理することが行われている。この暗号化処理技術としては、数学的解析手法を用いたソフトウェア暗号（数理暗号）方式と、信号系の物理現象を利用した物理暗号方式が知られている。

前者のソフトウェア暗号方式は、符号の組合せの多さにより解読の難易度を確保する方式のため、全ての組合せによる照合（全数検索攻撃という）を行うことにより原理上は解読が可能である。これに対して後者の物理暗号方式は、原理的に解読を不可能とすることを目的とした暗号方式である。近年、開発が進められている量子暗号は後者に属している。

量子暗号方式としては、例えば、非特許文献１に開示されているように、１９８４年のＣ．Ｈ．ＢｅｎｎｅｔｔとＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄとにより提唱された、秘密鍵の配送プロトコル（ＢＢ−８４）が知られている。この文献には、ｏｎｅ ｔｉｍｅ ｐａｄ法に必要な大量の鍵の配送を量子通信を応用して実現することが提案されている。

また、他の量子暗号として、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者が光信号を正確に受信できなくすることにより、無限の計算能力でも解読不能な共通鍵量子暗号が開発されている。この共通鍵量子暗号は、２値の送信データを搬送する２値の光信号を１つのセット（基底という）とし、この基底をＭ個用意し、いずれの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決める。これにより、現実的には光多値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができないというものである。

上記正規送受信者の光変復調装置は、２値のＭ個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規受信者は信号間距離の大きな２値の信号判定によってデータを読みとることができ、結局、量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正確な通信が可能となる。

この原理に基づく暗号方式は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれる。現在、このＹ−００プロトコルを具現化する通信方式としては、Ｐ．ＫｕｍａｒやＨ．ＹｕｅｎらのＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ大学が非特許文献２により光位相変調方式を発表している。また、玉川大学グループが非特許文献３により光強度変調方式を発表している。
尚、このＹ−００プロトコルは、光の量子ゆらぎを活用しない場合（古典Ｙ−００と呼ぶ）、例として無線通信、電気的な通信にも、通常のストリーム暗号と比較して高い暗号強度が実現できるプロトコルである。

Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ ａｎｄ Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ， "Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ，" ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ， Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｐ．１７５， （１９８４） Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ， Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ， Ｐ．Ｋｕｍａｒ， Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ， "Ｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ，" Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ｖｏｌ−９０， ２２７９０１， （２００３） Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ， Ｋ．Ｋａｔｏ， Ｍ．Ｓｏｈｍａ， Ｔ．Ｕｓｕｄａ， Ｋ．Ｈａｒａｓａｗａ， "Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔｒｅａｍ ｃｉｐｈｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ" ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃ． ｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｍａｇｉｎｇ ｖｏｌ−５５５１， （２００４）

共有鍵暗号通信において、ソフトウェア暗号では、暗号伝送データを復号する際に、一旦メモリーに蓄えて、その後に計算処理を行うことで復号が可能である。しかし、光通信量子暗号伝送では、その暗号伝送データそのものに物理的暗号がかかっており、伝送信号を直接メモリーに蓄えることが不可能である。すなわち伝送データそのものに直接的に復号化を行う必要がある。伝送データはＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従って光強度基底が変化するので、受信機で二値識別する場合、その識別閾値をＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従って制御する必要がある。そのときに受信機の識別閾値は暗号伝送データとタイミング同期させる必要がある。

そこで、本発明の目的は、共通鍵暗号通信を実現するための送信側と受信側で暗号化復号化するために用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期処理方法及びそのシステム、及びそれに用いられる受信機を提供することにある。

本発明に係る同期処理方法は、多値信号を用いた共通鍵暗号通信における共通鍵から生成され暗号化及び複合化に用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵を同期させるための同期処理方法であって、送信側は、共通鍵暗号を送信する前に多値信号からなる所定の固定パターン信号を送信し、
受信側は、識別可能な固定長の二値識別閾値信号を生成し、二値識別閾値信号の位相をビット単位で変化させながら、受信する固定パターン信号に対する二値識別を監視し、受信する固定パターン信号と二値識別閾値信号の位相が揃った時に二値識別閾値信号の位相を設定し、設定された位相に従ってＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期処理を行う同期処理方法である。
好ましい例では、送信側は、前記所定の固定パターン信号を複数回繰り返して送信し、受信側では受信した複数の固定パターン信号を順次１ビットずつシフトしながら二値の識別を行う。
また、好ましい例では、繰り返し送られる固定パターン信号の受信中に、二値識別閾値信号の一部を変化させて、二値識別の変化を監視し、その監視結果に従って受信側での閾値信号の遅延量を設定して、共通鍵の受信に伴う同期処理を行う。
また、好ましい例では、多値信号を用いた共通鍵暗号の通信方法において、送信側は、送信側から受信側へ暗号通信に用いるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置を知らせるため、暗号通信開始から所定の時間前にフラグ信号（Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号）を送信し、
受信側はフラグ信号を受信し、受信側で生成される閾値信号の遅延量を、所定の時間後から差し引きして求めた時点から、識別閾値設定用のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の生成を開始し、送信側で暗号化処理のために用いられたＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置と、受信側の識別閾値の設定に用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置の同期を確立する暗号通信方法である。
ここで、好ましくは、前記所定の時間は、所定のビット数で設定する。

本発明はまた、暗号通信システムとして構成される。
すなわち、送信側ステーションで多値信号を用いた共通鍵に基づいてデータを暗号化して送信し、受信側ステーションで受信したデータを共通鍵に基づいて復号化する暗号通信システムにおいて、送信側ステーションは、共通鍵からＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための第１の鍵生成手段と、第１の鍵生成手段によって生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従って、送信データをビット単位の多値信号として生成する手段と、手段により生成された多値信号により光強度基底を変化させた信号を送出する光変調器と、第１の鍵生成手段を制御し、所定の多値固定パターン信号を生成させる論理処理部と、を有する。
また、受信側ステーションは、共通鍵からＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための第２の鍵生成手段と、第２の鍵生成手段によって生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従ってビット単位の多値信号として生成する手段と、識別可能な固定長の二値識別閾値信号を生成し、二値識別閾値信号の位相をビット単位で変化させながら、受信される固定パターン信号に対する二値識別を監視し、受信する固定パターン信号と二値識別閾値信号の位相が揃った時に、二値識別閾値信号の位相を設定する論理処理部と、を有し、論理処理部によって設定された位相に従ってＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期を行う。

本発明はまた、特徴的な構成を有する受信機としても把握される。
すなわち、多値信号を用いた共通鍵から生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵によって暗号化して送信されたデータを受信して、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて復号化する受信機において、共通鍵からＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための鍵生成手段と、鍵生成手段によって生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従って、受信データをビット単位の多値信号として生成する手段と、識別可能な固定長の二値識別閾値信号を生成し、二値識別閾値信号の位相をビット単位で変化させながら、受信される固定パターン信号に対する二値識別を監視し、受信する固定パターン信号と二値識別閾値信号の位相が揃った時に、二値識別閾値信号の位相を設定する論理処理部と、を有し、論理処理部によって設定された位相に従ってＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期を行う受信機である。
好ましい例では、前記論理処理部は、繰り返し送られる固定パターン信号の受信中に、二値識別閾値信号の一部を変化させて、二値識別の変化を監視し、その監視結果に従って受信側での閾値信号の遅延量を設定して、共通鍵暗号の受信に伴う同期処理を行う。
また、好ましくは、前記論理処理部は、暗号通信開始から所定の時間前に送信されるフラグ信号（Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号）を受信し、生成される閾値信号の遅延量を、所定の時間後から差し引きして求めた時点から、識別閾値設定用のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の生成を開始し、送信側で暗号化処理のために用いられたＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置と、受信側の識別閾値の設定に用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置の同期を確立する。

本発明はまた、表現を変えれば、次のような共通鍵暗号の通信方法としても把握される。すなわち、多値信号を用いた共通鍵暗号の通信方法において、送信側より二値クロック・バイトアライメント信号を送信するステップと、送信側より予め決められた多値固定パターン信号を繰り返し送信するステップと、受信側で、送信された二値クロック・バイトアライメント信号を受信するステップと、受信側で、多値固定パターン識別閾値信号をビット単位で位相をずらし、同期が確立するまで、多値固定パターン信号の受信を試みるステップと、受信側で、多値固定パターン信号と多値識別閾値信号の位相が揃った時に多値識別閾値信号の位相を設定し、設定された位相に従って共通鍵暗号処理のための同期を行うステップと、を有する共通鍵暗号の通信方法である。
好ましい例では、受信側で、閾値信号列（受信機内部遅延判別用閾値信号）を挿入して、多値固定パターン識別閾値信号を変更するステップと、識別値が反転するまでの時間を観測して、観測結果に従って受信側における遅延時間ｔ１を設定するステップと、を更に有する通信方法である。

また、好ましい例では、送信側よりＲｕｎｎｉｎｇ鍵開始用のフラグ信号（Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号）を送信するステップと、フラグ信号を送信した後、所定の時間後にＲｕｎｎｉｎｇ鍵の使用を開始して、暗号通信を開始するステップと、受信側で、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号を受信した後、所定の時間後よりｔ１時間早く受信側のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するステップと、設定された位相に基づいて送受信間でＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期を保ちながら、生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、受信した暗号データを復号化するステップと、を更に有する通信方法である。
また、好ましい例では、送信側より二値クロック・バイトアライメント信号終了信号を送信するステップと、受信側で、二値クロック・バイトアライメント信号終了信号を受信し、その受信を契機にして多値固定パターン識別閾値を設定するステップと、を更に有する通信方法である。
更に、好ましくは、前記多値固定パターン識別閾値信号の同期処理、又は前記遅延時間ｔ１の設定処理、又は前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の同期処理のいずれかの処理が失敗した場合、受信側より送信側へアラーム信号を送信し、処理を再試行する。

本発明によれば、Ｙ−００プロトコルに基づく多値信号を用いた共通鍵暗号通信において、通信データに含まれる所定のパターン信号を用いてタイミング抽出を行ない、送受信間のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期をとることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は送信機と受信機の構成を示す。送信機１００はＹ−００量子暗号通信送信機であり、受信機１１０はＹ−００量子暗号通信受信機である。
送信機１００において、共通鍵１０２は１００ビット程度のビット列のデータであり、例えばメモリ（図示せず）に記憶されている。Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０３は例えば乱数発生器であり、共通鍵のビット列データを初期値として乱数を順次発生する。発生された乱数が暗号化のためのＲｕｎｎｉｎｇ鍵となる。Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵はＸＯＲ（排他的論理）１０７及びＤ／Ａ変換器１０４に送られる。ＸＯＲ１０７はＲｕｎｎｉｎｇ鍵によって入力信号を極性反転する。この極性反転は入力の二値信号に対して暗号化を行うための制御である。また、Ｄ／Ａ変換器１０４は順次生成されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵に応じて多値レベルのアナログ信号（多値レベル信号）を生成する。極性反転された入力信号は、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従った多値のレベル信号と加算され、多値信号となる。

一方、半導体レーザのような光源１０５から発生された光信号は光変調器１０６で変調される。この場合、光信号は多値レベル信号によって光強度のレベルが選択され、多値の光変調信号として送出される。この信号がＹ−００量子暗号であり、図２に示すように、２Ｍ通りの値を持っており、Ｍ通りの閾値により二値識別される。
論理処理部１０８は、ハードウェア回路で構成され、本実施例に特徴的な機能を有する。すなわち、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の位置を揃える制御を行ない、また受信機１１０から送られたアラーム信号及び同期確立信号を受信して再試行の制御をする。更に後述するような、多値固定パターンを保持していて、そのパターンをＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０３に与えて、多値固定パターン信号を生成させる。

次に、受信機１１０において、乱数発生器により構成されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１１３は、送信機１１０の乱数発生器と同じものであり、送信機１００の構成と同様に、メモリ（図示せず）に保持されている共通鍵１１２を初期値として復号化のためのＲｕｎｎｉｎｇ鍵を順次生成する。生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵はＤ／Ａ変換器１１４及び論理処理部１１８に与えられる。Ｄ／Ａ変換器１１４はＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従い二値識別閾値信号（アナログ信号）を生成する。論理処理部１１８に与えられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵は受信データの極性反転に使用される。

受信機１１０において、受信された光変調信号は光電変換器（Ｏ／Ｅ）１１１で光信号から電気信号に変換される。比較器１１５はＤ／Ａ変換器１１４からの二値識別閾値信号と受信信号を比較して、受信データ（光電変換後信号）の二値識別を行う。クロック再生器（ＣＤＲ：Clock Data Recovery）１１６は、受信する伝送信号からクロックを抽出する。多重分離器（ＤＥＭＵＸ）１１７は論理処理部１１８の処理ビット速度に合わせて、入力される二値のデータを並列データに変換して周波数を小さくする。例えば、入力される直列データを（１：ｎ）の並列データに変換する。ここで、ｎは整数（例えば１６）である。

論理処理部１１８は、ＸＯＲ（排他的論理）を有するハードウェア回路で構成され、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵で並列化されたデータを復号化処理する。これにより、元のデータが復元される。さらに論理処理部１１８は、本実施例に特徴的な処理としては、二値識別されたデータが正しいか、及びＲｕｎｎｉｎｇ鍵と二値識別データが同期しているかの監視を行なう。更に、後述するように、図４の処理動作すなわち、多値の同期処理（４０２）、遅延同期処理（４０３）、及びＲｕｎｎｉｎｇ鍵の生成のための閾値信号の遅延量の演算処理を行なう。更には、図６に示すような、エラー監視を行い、エラー発生時にはその旨を送信機１００の論理処理部１０８へ通知する。

このように、受信機１１０では、復号化のためにＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従った二値識別閾値信号を生成し、Ｏ／Ｅ変換された電気信号の二値識別を行う。また、暗号通信の時は、受信機１１０の内部でデータの論理処理を行う前段階で二値識別を行うため、その二値識別部（比較器１１５）にて暗号伝送の受信信号とＭ段階の値を持つ二値識別閾値信号を同期させる必要がある。

次に、上記のような送受信機を有する送受信システムにおける同期処理について説明する。なお、適宜、図５のタイムチャートも参照する。
受信機１１０において、ＣＤＲ１１６によって光暗号伝送信号（受信信号）から抽出されたクロックに同期し、論理処理部１１８の処理速度に合わせてＤＥＭＵＸ１１７でデータを並列化する場合は、暗号伝送の前に二値クロック・バイトアライメント信号（図５、Ａ）を通信し、受信機１１８はそれに従い並列時のビットアライメント（最上位ビット（ＭＳＢ）から最下位ビット（ＬＳＢ）のビット並び調整）を行う。

多値化された暗号信号を受け取るためには、論理処理部１１８より前段の二値識別部１１５で、受信信号をＯ／Ｅ変換した後の電気信号と二値識別閾値信号とを同期させる必要がある。そのためには、受信機１１０内における閾値信号の遅延時間ｔ１（例えばビット数）を知る必要がある。論理処理部１１８はそのｔ１を考慮した上で受信機１１０のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を動作させる。

受信機１１０内での閾値信号の遅延時間ｔ１を観測するためには、まず決められた多値の値を受信して識別することが必要である。そのために、例えば、多値の値の受信中に識別値が変わるように識別閾値を変化させ、それが識別値に反映されるまでの時間（ビット数）を計測する。

そこで、送信機１００は、実際の暗号伝送信号（図５、Ｅ）の前に、プリアンブル信号として多値の決まった長さの固定パターン（以下、多値固定パターン信号という）（図５、Ｃ）を繰り返し送信する。受信機１１０では、その固定パターンを受信するための閾値パターン（以下、多値固定パターン信号識別閾値信号）（図５、Ｐ）の位相を1ビットずつ変化させながら、論理処理部１１８で二値識別の識別値を監視する。送信された多値固定パターン信号と受信機で生成する多値固定パターン信号識別閾値信号はそれらの位相が揃った状態で決まった識別値が観測できるように信号のパターンを決められているので、位相が揃った時点で閾値信号の位相を設定する。ここまでのプロセスにより、固定長であれば多値信号を受信可能となり、多値同期が終わる。なお、図５に示すように、上記の多値固定パターン信号識別閾値信号Ｐは二値クロック・バイトアライメント信号終了信号の受信をトリガとして生成される。

ところで、この段階まででは、多値固定パターン信号の信号長がｔ１時間よりも短い場合、正確なｔ１を観測出来ていない可能性がある。そこで、続いて、正確なｔ１を求めるため、監視している識別値の極性が一部反転するような閾値信号（受信機内部遅延判別用閾値信号）（図５、Ｑ）を生成し、識別値に反映されるまでの時間（例えばビット数）を観測する。この結果がｔ１となる。この処理を、受信機１１０内部での遅延量測定から、遅延同期と呼ぶ。

この後、送信機１００は、多値固定パターン信号の一部を変更したＲｕｎｎｉｎｇ鍵開始用のフラグ信号（Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号）（図５、Ｄ）を送信し、そのフラグ信号を送信した後、所定のビット数の時間後（図５、ｔ２）にＲｕｎｎｉｎｇ鍵の生成を開始し、通信信号の暗号化を開始する。これにより、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従った暗号通信が開始される（図５、Ｅ）。

一方、受信機１１０は、そのＲｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号を受信した後、上記の所定のビット数の時間ｔ２後よりｔ１時間早く受信機１１０側のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の生成及び使用を開始する。すなわち、所定のビット数時間ｔ２から受信機１１０内部の遅延時間ｔ１を差し引いた時間後にＲｕｎｎｉｎｇ鍵の使用を開始する。
以上の動作により、送信機１００がＲｕｎｎｉｎｇ鍵により暗号化した伝送信号が受信機１１０の二値識別部（比較器１１５）に到達すると同時に、対応するＲｕｎｎｉｎｇ鍵を使用した二値識別閾値信号が二値識別部に加えられ、暗号伝送信号の二値識別が可能となり、送信機と受信機の間でＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期が行われることになる。

次に、図３及び図４を参照して、暗号通信動作及びその同期処理動作について説明する。
まず、送信機１００は二値クロック・バイトアライメント信号（図５、Ａ）を送信し（３０１）、この信号は、受信機１１０でクロック同期、バイト同期用のパターンとして受信される（４０１）。この同期パターンはＤＥＭＵＸ１１７で並列処理する場合のビット並び調整用として使用される。

その後、二値クロック・バイトアライメント信号終了信号（図５、Ｂ）を送信し（３０２）、続いて多値固定パターン信号（図５、Ｃ）を送信する（３０３）。多値固定パターン信号は元々、送受信機間で決められた所定の固定長の多値信号列であり、送信機はその信号を繰り返し送信する。その結果、複数の多値固定パターン信号が送信される。

受信機１１０は、順次送られてくる多値固定パターン信号を受信するために、同じビット長の多値固定パターン識別閾値信号（図５、Ｐ）を繰り返し二値識別に使用し、多値固定パターン信号の受信を試みる（４０２）。この多値固定パターン信号と多値固定パターン識別閾値信号は、それぞれが同期した場合に決まった識別値列を得られるように設定されており、受信機１１０は、同期が確立されるまで多値固定パターン識別閾値信号を、１ビットずつビット位相をずらし受信を試みる。最低でもその多値固定パターン信号のビット長分（＝多値固定パターン識別閾値信号のビット長分）のビットをずらすことで同期するビット位相を見つけることが可能である。この処理まで行うことで、固定長であれば多値信号を受信することが可能となる。

続いて、受信機１１０において二値識別閾値信号の遅延時間ｔ１の測定、及び遅延時間ｔ１の設定のための処理が行なわれる（４０３）。例えば、前段階での多値固定パターン信号の信号長がｔ１よりも時間的に長い場合は既にｔ１は調整されていると考えられる。一方、その信号長がｔ１よりも短い場合は、多値固定パターン信号の数スロット分もしくはそれ以上ずれている可能性が有り、ここでの処理が必要となる。送信機１１０は引き続き多値固定パターン信号を送信し、受信機１１０は多値固定パターン識別閾値信号の一部を変化させた遅延判別用閾値信号により、結果として識別信号が反転する閾値信号列（この閾値信号列を受信機内部遅延判別用閾値信号と呼ぶ）を挿入し、識別値が反転するまでの時間（ビット数）でｔ１を観測する。識別値が反転した時におけるｔ１が受信機１１０内部の遅延期間であり、以後この値（ｔ１）が設定される。以上の処理が図４における遅延同期処理である（４０３）。

続いて、送信機１００はＲｕｎｎｉｎｇ鍵スタート用のフラグ信号（Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号）を送信する（３０４）。送信機１００はそのフラグ信号を送信した後、決まった所定のビット数時間後にＲｕｎｎｉｎｇ鍵の使用を開始して、暗号通信を開始する（３０５）。すなわち、生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を使用して、送信データを暗号化処理し、その暗号化信号を送出する。

一方、受信機１１０では、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号を受け取った後、上記の所定のビット数時間後よりｔ１時間早く受信機１１０のＲｕｎｎｉｎｇ鍵をスタートさせる（４０４、４０５）。以上の動作により、送信機１００がＲｕｎｎｉｎｇ鍵により暗号化した伝送信号が受信機の二値識別部（比較器１１５）に到達すると同時に、対応するＲｕｎｎｉｎｇ鍵を使用した二値識別閾値信号が二値識別部に加えられ、暗号データの二値識別が可能となり、送受信機間でのＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期が行われる。以後、受信した暗号データは、同期を保ちながら受信機１１０内で生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵によって復号化処理される（４０６）。

次に、図６を参照して、他の実施形態について説明する。
この例は、図４に示した受信側における同期処理のー応用例である。すなわち、多値固定パターン識別閾値信号の同期（４０２）、及び遅延時間ｔ１の測定、設定（４０３）、及びＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期（４０４）の各段階で、それらの処理が失敗した場合は、論理処理部１１８はアラーム信号を送信機１１０側へ送る。これにより送信側も受信側も前のステップに戻り同期処理を再試行する。

本発明の一実施形態による共通鍵暗号通信における送信機及び受信機の構成を示す図。 一実施形態による共通鍵暗号通信におけるデータ基底構造を示す図。 一実施形態における送信側の同期処理手順を示すフローチャート。 一実施形態における受信側の同期処理手順を示すフローチャート。 一実施形態における通信信号のタイミングチャートを示す図。 他の実施形態における受信側の同期処理手順を示すフローチャート。

符号の説明

１００：送信機、 １１０：受信機、 １０２，１１２：共通鍵、 １０３，１１３：Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部、 １０４，１１４：Ｄ／Ａ変換器、 １０５：光源、 １０６：光変調器、 １０８：論理処理部、 １１１：光電変換器、 １１５：比較器、 １１６：クロック再生器、 １１７：多重分離器（ＤＥＭＵＸ）、 １１８：論理処理部。

Claims (14)

1. 多値信号を用いた共通鍵暗号通信における共通鍵から生成され暗号化及び復号化に用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵を同期させるための同期処理方法であって、
   送信側は、共通鍵暗号信号を送信する前に多値信号からなる所定の固定パターン信号を送信し、
   受信側は、識別可能な固定長の二値識別閾値信号を生成し、該二値識別閾値信号の位相をビット単位で変化させながら、該受信する該固定パターン信号に対する二値識別を監視し、受信する該固定パターン信号と該二値識別閾値信号の位相が揃った時に該二値識別閾値信号の位相を設定し、該設定された位相に従ってＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期を行うことを特徴とする同期処理方法。
2. 送信側は、前記所定の固定パターン信号を複数回繰り返して送信し、受信側では受信した複数の固定パターン信号を順次１ビットずつシフトしながら二値の識別を行うことを特徴とする請求項１の同期処理方法。
3. 繰り返し送られる該固定パターン信号の受信中に、該二値識別閾値信号の一部を変化させて、該二値識別の変化を監視し、その監視結果に従って受信側での閾値信号の遅延量を設定して、共通鍵暗号信号の受信に伴うＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期を行うことを特徴とする請求項１又は２の同期処理方法。
4. 多値信号を用いた共通鍵暗号の通信方法において、
   送信側は、送信側から受信側へ暗号通信に用いるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置を知らせるため、暗号通信開始から所定の時間前にフラグ信号（Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号）を送信し、
   受信側は該フラグ信号を受信し、受信側で生成される閾値信号の遅延量を、該所定の時間後から差し引きして求めた時点から、識別閾値設定用のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の生成を開始し、
   送信側で暗号化処理のために用いられたＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置と、受信側の該識別閾値の設定に用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置の同期を確立することを特徴とする暗号通信方法。
5. 前記所定の時間は、所定のビット数で設定すること請求項４の暗号通信方法。
6. 送信側ステーションで多値信号を用いた共通鍵に基づいてデータを暗号化して送信し、受信側ステーションで受信したデータを該共通鍵に基づいて復号化する暗号通信システムであって、
   該送信側ステーションは、該共通鍵からＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための第１の鍵生成手段と、該第１の鍵生成手段によって生成された該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従って、送信データをビット単位の多値信号として生成する手段と、該手段により生成された多値信号により光強度基底を変化させた信号を送出する光変調器と、該第１の鍵生成手段を制御し、所定の多値固定パターン信号を生成させる論理処理部と、を有し、
   受信側ステーションは、該共通鍵から該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための第２の鍵生成手段と、該第２の鍵生成手段によって生成された該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従ってビット単位の多値信号として生成する手段と、
   識別可能な固定長の二値識別閾値信号を生成し、該二値識別閾値信号の位相をビット単位で変化させながら、該受信される該固定パターン信号に対する二値識別を監視し、受信する該固定パターン信号と該二値識別閾値信号の位相が揃った時に、該二値識別閾値信号の位相を設定する論理処理部と、を有し、
   該論理処理部によって設定された位相に従って該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の同期を行うことを特徴とする暗号通信システム。
7. 多値信号を用いた共通鍵から生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵によって暗号化して送信されたデータを受信して、該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて復号化する受信機において、
   該共通鍵から該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するための鍵生成手段と、該鍵生成手段によって生成された該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従ってビット単位の多値信号として生成する手段と、識別可能な固定長の二値識別閾値信号を生成し、該二値識別閾値信号の位相をビット単位で変化させながら、該受信される該固定パターン信号に対する二値識別を監視し、受信する該固定パターン信号と該二値識別閾値信号の位相が揃った時に、該二値識別閾値信号の位相を設定する論理処理部と、を有し、
   該論理処理部によって設定された位相に従って該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の同期を行うことを特徴とする受信機。
8. 前記論理処理部は、繰り返し送られる該固定パターン信号の受信中に、該二値識別閾値信号の一部を変化させて、該二値識別の変化を監視し、その監視結果に従って受信側での閾値信号の遅延量を設定して、共通鍵暗号の受信に伴う同期処理を行うことを特徴とする請求項７の受信機。
9. 前記論理処理部は、暗号通信開始から所定の時間前に送信されるフラグ信号（Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号）を受信し、生成される閾値信号の遅延量を、該所定の時間後から差し引きして求めた時点から、識別閾値設定用のＲｕｎｎｉｎｇ鍵の生成を開始し、送信側で暗号化処理のために用いられたＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置と、受信側の該識別閾値の設定に用いられるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の位置の同期を確立することを特徴とする請求項７又は８の受信機。
10. 多値信号を用いた共通鍵暗号の通信方法において、
    送信側より二値クロック・バイトアライメント信号を送信するステップと、
    送信側より予め決められた多値固定パターン信号を繰り返し送信するステップと、
    受信側で、該送信された該二値クロック・バイトアライメント信号を受信するステップと、
    受信側で、多値固定パターン識別閾値信号をビット単位で位相をずらし、同期が確立するまで、該多値固定パターン信号の該受信を試みるステップと、
    受信側で、該多値固定パターン信号と該多値識別閾値信号の位相が揃った時に該多値識別閾値信号の位相を設定し、該設定された位相に従って共通鍵暗号処理のための同期を行うステップと、
    を有することを特徴とする共通鍵暗号の通信方法。
11. 受信側で、閾値信号列（受信機内部遅延判別用閾値信号）を挿入して、該多値固定パターン識別閾値信号を変更するステップと、
    識別値が反転するまでの時間を観測して、該観測結果に従って受信側における遅延時間ｔ１を設定するステップと、
    を更に有することを特徴とする請求項１０の通信方法。
12. 送信側よりＲｕｎｎｉｎｇ鍵開始用のフラグ信号（Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号）を送信するステップと、
    該フラグ信号を送信した後、所定の時間後にＲｕｎｎｉｎｇ鍵の使用を開始して、暗号通信を開始するステップと、
    受信側で、該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵同期信号を受信した後、該所定の時間後よりｔ１時間早く受信側のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成するステップと、
    該設定された位相に基づいて送受信間でＲｕｎｎｉｎｇ鍵の同期を保ちながら、生成された該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、受信した暗号データを復号化するステップと、を更に有することを特徴とする請求項１０又は１１の通信方法。
13. 送信側より二値クロック・バイトアライメント信号終了信号を送信するステップと、
    受信側で、該二値クロック・バイトアライメント信号終了信号を受信し、その受信を契機にして多値固定パターン識別閾値を設定するステップと、
    を更に有することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかの通信方法。
14. 前記多値固定パターン識別閾値信号の同期処理、又は前記遅延時間ｔ１の設定処理、又は前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の同期処理のいずれかの処理が失敗した場合、受信側より送信側へアラーム信号を送信し、該処理を再試行することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかの通信方法。
    

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