JP2018037888A - 通信装置、通信方法および通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】量子鍵配送技術を用いた通信システムの信頼性を向上させる。【解決手段】通信装置は、複数の鍵配送部と、複数の通信部と、監視部と、切替部と、を備える。鍵配送部は、外部配送装置との間で量子鍵を共有する量子鍵配送機能を有する。通信部は、量子鍵を用いて外部通信装置と通信する。監視部は、量子鍵配送機能における光子の送受信状況、量子鍵の生成状況、および、量子鍵の取得状況、の少なくとも１つである稼働状況を監視する。切替部は、稼働状況に応じて、鍵配送部および通信部のいずれかである制御対象を、第１制御対象から、第１制御対象以外の第２制御対象に切り替える。【選択図】図７

Description

本発明の実施形態は、通信装置、通信方法および通信システムに関する。

量子鍵配送技術（Quantum Key Distribution、ＱＫＤ）とは、光ファイバーで接続された、単一光子を連続的に送信する量子鍵配送送信器（ＱＫＤ送信器）と、単一光子を受信する量子鍵配送受信器（ＱＫＤ受信器）と、の間で、安全に暗号データ通信用の鍵を共有する手法である。ＱＫＤ送信器は、例えばある拠点ＰＡに設置され、ＱＫＤ受信器は、他の拠点ＰＢに設置される。

米国特許第７，０６８，７９０号明細書

ＱＫＤ送信器およびＱＫＤ受信器を含む通信システムを暗号通信インフラとして利用する場合を考える。暗号通信インフラとは、例えば企業、政府、および、官公庁の拠点間通信で用いられたり、通信事業者によって通信サービスを提供するために用いられたりする。通信されるデータも秘匿性の高いデータ、かつ重要なデータであることが多いため、高い通信セキュリティを提供できることと同様、高い信頼性が求められる。例えば、通信サービスの停止（通信できなくなること）は、可能な限り生じないようにすることが求められる。

実施形態の通信装置は、複数の鍵配送部と、複数の通信部と、監視部と、切替部と、を備える。鍵配送部は、外部配送装置との間で量子鍵を共有する量子鍵配送機能を有する。通信部は、量子鍵を用いて外部通信装置と通信する。監視部は、量子鍵配送機能における光子の送受信状況、量子鍵の生成状況、および、量子鍵の取得状況、の少なくとも１つである稼働状況を監視する。切替部は、稼働状況に応じて、鍵配送部および通信部のいずれかである制御対象を、第１制御対象から、第１制御対象以外の第２制御対象に切り替える。

ＱＫＤシステムの構成の一例を示す図。 ＱＫＤ通信システムの構成の一例を示す図。 ＱＫＤ通信インフラシステムの構成の一例を示す図。 ＱＫＤ通信インフラシステムの構成の他の例を示す図。 ＱＫＤ通信インフラシステムの構成の他の例を示す図。 第１の実施形態の通信システムの構成例を示す図。 第１の実施形態の通信装置の機能構成の一例を示す図。 第１の実施形態における切替処理のフローチャート。 パターンＡの冗長化制御方法を説明するための図。 パターンＢの冗長化制御方法を説明するための図。 パターンＣの冗長化制御方法を説明するための図。 パターンＤの冗長化制御方法を説明するための図。 第２の実施形態の通信システムの構成例を示す図。 第２の実施形態の通信装置の機能構成の一例を示す図。 パターンＡの冗長化制御方法を説明するための図。 パターンＢの冗長化制御方法を説明するための図。 パターンＣの冗長化制御方法を説明するための図。 パターンＤの冗長化制御方法を説明するための図。 第３の実施形態の通信システムの構成例を示す図。 変形例にかかる通信システムの構成例を示す図。 第３の実施形態の通信装置の機能構成の一例を示す図。 パターンＣの冗長化制御方法を説明するための図。 パターンＥの冗長化制御方法を説明するための図。 第４の実施形態の通信システムの構成例を示す図。 第４の実施形態の通信制御部の機能構成の一例を示す図。 パターンＦの冗長化制御方法を説明するための図。 第１〜第４の実施形態にかかる装置のハードウェア構成図。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる通信装置の好適な実施形態を詳細に説明する。

最初に、ＱＫＤを適用したシステムについて説明する。ＱＫＤで鍵を共有するためには、ＱＫＤ送信器からＱＫＤ受信器への光子転送と、ＱＫＤ送信器とＱＫＤ受信器との間での、鍵蒸留と呼ばれる古典通信路を介した制御データ交換（鍵蒸留制御データ通信）が必要となる。ここで鍵とは、ＱＫＤ送信器とＱＫＤ受信器との間で共有される共有情報である。鍵は、例えばデジタルデータからなる乱数列である。ＱＫＤ送信器およびＱＫＤ受信器を、鍵配送部と総称する場合がある。量子鍵配送技術（ＱＫＤ）によって共有される鍵は、量子力学の原理に基づいて、盗聴されていないことが保証されている。

図１は、ＱＫＤ送信器とＱＫＤ受信器を含むＱＫＤシステムの構成の一例を示す図である。図１に示すようにＱＫＤシステムは、鍵配送部１ａ、１ｂを含む。例えば鍵配送部１ａがＱＫＤ送信器に相当し、鍵配送部１ｂがＱＫＤ受信器に相当する。鍵配送部１ａ、１ｂは、ＱＫＤ送信器およびＱＫＤ受信器の両方の機能を備えていてもよい。両者が同様の機能を備え、区別する必要がない場合は、単に鍵配送部１という。

光子の送受信（光子転送）と鍵蒸留処理のための制御データ通信（鍵蒸留通信データ）は、同一の光ファイバーの異なるチャネルを利用して行ってもよいし、異なる光ファイバーを利用して行ってもよい。

ＱＫＤシステムによって共有された鍵は、暗号通信に利用できる。ＱＫＤシステムによって共有された鍵は、盗聴されていないことが保証された、非常に安全性の高い鍵である。そのため、この鍵を用いて暗号通信を行うことで、高セキュリティ通信を実現することができる。

図２は、ＱＫＤ送信器、ＱＫＤ送信器と接続される通信部、ＱＫＤ受信器、および、ＱＫＤ受信器と接続される通信部を含むＱＫＤ通信システムの構成の一例を示す図である。図２に示すようにＱＫＤ通信システムは、鍵配送部１ａ、１ｂと、通信部２ａ、２ｂと、を含む。通信部２ａ、２ｂを区別する必要がない場合、単に通信部２という。鍵配送部１および通信部２は、物理的に異なる装置であってもよい。物理的に同一の装置内に両者の機能が備えられてもよい。

鍵配送部１ａ（ＱＫＤ送信器）と鍵配送部１ｂ（ＱＫＤ受信器）との間では、盗聴されていないことが保証された鍵の共有ができる。この鍵を、鍵配送部１ａは通信部２ａへ渡し、鍵配送部１ｂは通信部２ｂへ渡す。

通信部２ａと通信部２ｂは、それぞれ鍵配送部１ａ、１ｂから受け渡された鍵を用いて暗号通信を行う。通信部２ａ、２ｂが用いる暗号アルゴリズムは、ＡＥＳ（Advanced Encryption Standard）、および、ワンタイムパッド（ＯＴＰ）等、どのようなアルゴリズムであっても構わない。

通信部２がＯＴＰを利用して暗号データ通信を行うとき、暗号データは、いかなる知識を有する盗聴者によっても解読できないことが情報理論によって保証される。ＯＴＰとは、送受信するデータと同じ長さの鍵を用いて暗号化および復号を行い、一度用いた鍵は以後使わずに捨ててゆく方式である。情報理論に保証されたセキュリティを確保できる一方、暗号データと同じ速度で暗号鍵を利用し捨ててゆくため、鍵配送部１は通信部２に対し、高速に暗号鍵を提供できる必要がある。

一方、ＡＥＳのようなブロック暗号を用いる場合、情報論的安全性は満たさないが、暗号鍵の更新頻度を高くすることで、実質的な通信セキュリティを非常に高く保つことができる。ＡＥＳの鍵更新頻度は、鍵配送部１が提供する暗号鍵の生成速度および提供速度によって上限が決定される。一般に暗号鍵の更新頻度が高ければ高いほど、暗号通信のセキュリティは高くなると考えることができる。

ここで、暗号通信の方向について考える。ＱＫＤ送信器およびＱＫＤ受信器という名前は、量子鍵配送を行う上で光子を送信する側と光子を受信する側とを示しているに過ぎない。量子鍵配送の結果として生成された暗号鍵を用いた暗号通信は、以下のいずれの方向も可能である。
（Ｄ１）ＱＫＤ送信器（鍵配送部１ａ）から暗号鍵を受け取る通信部２ａから、ＱＫＤ受信器（鍵配送部１ｂ）から暗号鍵を受け取る通信部２ｂへの暗号通信
（Ｄ２）ＱＫＤ受信器（鍵配送部１ｂ）から暗号鍵を受け取る通信部２ｂから、ＱＫＤ送信器（鍵配送部１ａ）から暗号鍵を受け取る通信部２ａへの暗号通信
（Ｄ３）Ｄ１およびＤ２の双方向の暗号通信（全二重の暗号通信）

ただしここで、暗号鍵の同期が問題となりうる。暗号アルゴリズムとしてＯＴＰを用いる場合、一方の通信部２で暗号鍵として用いた鍵を、他方の通信部２では復号鍵として用いる必要がある。例えば全二重の暗号通信では、ＱＫＤ送信器とＱＫＤ受信器との間で共有された鍵のうち、一方の通信部（例えば通信部２ａ）で暗号鍵として利用する鍵を他方の通信部（例えば通信部２ｂ）では復号鍵として利用するように、また、一方の通信部（例えば通信部２ａ）で復号鍵として利用する鍵を通信部（例えば通信部２ｂ）では暗号鍵として利用するように、ＱＫＤ通信システム全体を制御する必要がある。

このような制御を、以後、鍵同期と呼ぶ。鍵同期は、鍵配送部１が鍵を通信部２へ提供する前に、複数の鍵配送部１が鍵同期のための通信を行うことによって実施してもよい。鍵同期は、通信部２が鍵を利用する前に、複数の通信部２の間で鍵同期のための通信を行うことによって実施してもよい。鍵同期は、その他の複数の装置（鍵蓄積装置等）が、装置間で鍵同期のための通信を行うことによって実施してもよい。

ＡＥＳでは、暗号化して送信する側も受信して復号する側も、同一の鍵に基づいて行うことが一般的であることから、上述したような鍵同期は実施しなくてもよい。

図３は、ＱＫＤ通信インフラシステムの構成の一例を示す図である。ＱＫＤ通信インフラシステムとは、ＱＫＤ通信システムを暗号通信インフラとして利用するシステムである。図３に示すように、ＱＫＤ通信インフラシステムは、鍵配送部１ａ、１ｂと、通信部２ａ、２ｂと、サーバ３ａ、３ｂと、スイッチ４ａ、４ｂと、を含む。サーバ３ａ、３ｂは、暗号通信を利用するアプリケーション機能を備えるサーバ（業務サーバ）である。スイッチ４ａ、４ｂは、暗号通信アプリケーションと通信部２とを接続する、レイヤ３スイッチ（Ｌ３ＳＷ）などのスイッチである。

このような構成の場合、通信部２は、暗号化と通信の機能のみを備えてもよい。通信部２が、スイッチ４ａ、４ｂの機能を備えてもよいし、スイッチ４ａ、４ｂの機能が無くてもよい。また、サーバ３は、暗号通信の主体であれば何でもよい。また、サーバ３の数、サーバ３の種類、および、サーバ３と通信部２との接続方法は任意である。

図４は、ＱＫＤ通信インフラシステムの構成の他の例を示す図である。図４に示すように、ＱＫＤ通信インフラシステムは、鍵配送部１ａ、１ｂと、通信部２ａ、２ｂと、サーバ３ａ、３ｂと、スイッチ４ａ、４ｂと、鍵蓄積部５ａ、５ｂと、を含む。

ＱＫＤ送信器（鍵配送部１ａ）とＱＫＤ受信器（鍵配送部１ｂ）は、量子鍵配送技術により暗号鍵を共有する。この暗号鍵を、鍵配送部１ａは鍵蓄積部５ａへ受け渡し、鍵配送部１ｂは鍵蓄積部５ｂへ受け渡す。通信部２ａは、鍵蓄積部５ａから暗号鍵を受け取る。通信部２ｂは、鍵蓄積部５ｂから暗号鍵を受け取る。通信部２ａと通信部２ｂは、暗号鍵を用いて暗号通信を行う。暗号通信自体は、図３に示す構成例と同様である。

図５は、ＱＫＤ通信インフラシステムの構成の他の例を示す図である。図５に示すように、ＱＫＤ通信インフラシステムは、鍵配送部１’ａ、１’ｂと、通信部２’ａ、２’ｂと、サーバ３ａ、３ｂと、スイッチ４ａ、４ｂと、を含む。図３との相違は、鍵配送部１’ａおよび鍵配送部１’ｂの間の２種類の通信（光子転送、鍵蒸留制御データ）が、通信部２を介する点である。

このように構成すると、鍵配送部１は他拠点の鍵配送部１と直接接続される必要がなくなり、同一の拠点内にある通信部２との間でのみ接続する。なお、図５では、光子転送および鍵蒸留制御データの両方が、通信部２を介してなされているように示されているが、いずれか一方のみが、通信部２を介する構成であってもよい。

上述のように、ＱＫＤ通信システムを暗号通信インフラとして利用する場合、高い通信セキュリティとともに高い信頼性が求められる。そこで、以下の各実施形態では、ＱＫＤ通信インフラシステムを冗長構成（多重化構成）とすることにより、信頼性を向上させる。

なお、鍵配送部１は、暗号鍵の生成速度が変動するという特徴がある。例えば、通信用ファイバーに対する外乱の発生（温度の変化や振動）によって、暗号鍵の生成速度が落ち込むことがある。また、通信ファイバーに対して盗聴が疑われる現象が発生した場合、鍵配送部１による暗号鍵生成速度は実質的に０になる（一時的に停止する）。鍵配送部１が稼働を継続していたとしても、暗号鍵の生成速度（生成能力）が低下または無くなった場合は、障害とみなさなければならない。また、そもそも鍵配送部１が暗号鍵を生成するためには、光ファイバーを介した光子の転送、および、鍵蒸留のための制御データ通信も必要となる。このため、鍵配送部１の暗号鍵生成能力および信頼性は、鍵蒸留制御データ通信を転送する通信部２の信頼性にも依存する。以下の実施形態では、これらの特徴を踏まえ、冗長構成を実現する。

（第１の実施形態）
図６は、第１の実施形態の通信システムの構成例を示す図である。図６に示すように、第１の実施形態の通信システムは、通信装置１０ａ、１０ｂと、サーバ３ａ、３ｂと、スイッチ４ａ、４ｂと、ネットワーク５０と、を含む。通信装置１０ａ、サーバ３ａ、および、スイッチ４ａは、例えば拠点ＰＡに設置される。通信装置１０ｂ、サーバ３ｂ、および、スイッチ４ｂは、例えば拠点ＰＢに設置される。ネットワーク５０は、例えばインターネットであるが、ネットワーク形態はどのような形態であってもよい。

通信装置１０ａは、鍵配送部１００−１ａ、１００−２ａと、通信部２００−１ａ、２００−２ａと、を備えている。鍵配送部１００−１ａ、１００−２ａは、図３の鍵配送部１ａに相当する機能を備える。すなわち、鍵配送部１００−１ａ、１００−２ａは、外部の鍵配送部１００−１ｂ、１００−２ｂ（外部配送装置の一例）との間で量子鍵を共有する量子鍵配送機能を有する。通信部２００−１ａ、２００−２ａは、図３の通信部２ａに相当する機能を備える。すなわち、通信部２００−１ａ、２００−２ａは、共有された量子鍵を用いて外部の通信部２００−１ｂ、２００−２ｂ（外部通信装置の一例）と通信する機能を有する。

同様に、通信装置１０ｂは、鍵配送部１００−１ｂ、１００−２ｂと、通信部２００−１ｂ、２００−２ｂと、を備えている。鍵配送部１００−１ｂ、１００−２ｂは、図３の鍵配送部１ｂに相当する機能を備える。通信部２００−１ｂ、２００−２ｂは、図３の通信部２ｂに相当する機能を備える。

このように、図６の通信システムは、図３のＱＫＤ通信インフラシステムにおいて、鍵配送部１と通信部２をそれぞれ冗長化（二重化）した構成に相当する。本実施形態では、拠点ＰＡに設置されたシステムと拠点ＰＢに設置されたシステムとの間での暗号通信を冗長構成により実現する。

鍵配送部１００−１ａはＱＫＤ送信器に相当し、鍵配送部１００−１ｂはＱＫＤ受信器に相当する。鍵配送部１００−１ａおよび鍵配送部１００−１ｂは、量子鍵配送技術によって暗号鍵を生成する。図６に示すように、鍵配送部１００−１ａと鍵配送部１００−１ｂは、直接接続され、直接接続された通信によって光子転送を行う。なお、鍵蒸留制御データの通信は、光子転送と同様に直接接続した通信によって実現してもよいし、後述するように通信部２００−１ａ、２００−２ａを介して行ってもよい。鍵配送部１００−１ａと鍵配送部１００−１ｂを含むＱＫＤシステムをＱＫＤシステムＳ１と呼ぶことがある。

鍵配送部１００−２ａはＱＫＤ送信器に相当し、鍵配送部１００−２ｂはＱＫＤ受信器に相当する。鍵配送部１００−２ａおよび鍵配送部１００−２ｂは、量子鍵配送技術によって暗号鍵を生成する。鍵配送部１００−２ａおよび鍵配送部１００−２ｂによる処理は、鍵配送部１００−１ａおよび鍵配送部１００−１ｂによる処理と同様である。鍵配送部１００−２ａと鍵配送部１００−２ｂを含むＱＫＤシステムをＱＫＤシステムＳ２と呼ぶことがある。

ＱＫＤシステムＳ１とＱＫＤシステムＳ２は、双方とも常に動作させる。２つのＱＫＤシステムを同時に動作させることにより、システムの性能を最大限活用すると同時に、一方のＱＫＤシステムが停止または故障するなどの障害に備える、冗長性確保の機能を持つ。このように２つのＱＫＤシステム同時に動作させる冗長化構成方法をＡ／Ａ（アクティブ／アクティブ）と称する。その他の冗長化構成方法として、Ａ／Ｓ（アクティブ／スタンバイ）がある。Ａ／Ｓは、一方のＱＫＤシステムのみを動作させ、他方のＱＫＤシステムは、一方のＱＫＤシステムに障害が発生したときに、初めて稼働させる冗長化構成方法である。２系統のＱＫＤシステムを導入する環境において、一方のＱＫＤシステムを平常時に稼働させないことは、保有する資産を有効に活用しているとは言えない。この観点からはＡ／Ａが望ましいが、Ａ／Ｓを採用してもよい。

通信部２００−１ａと通信部２００−２ａは、共に拠点ＰＡにおける通信インフラ機能を提供する。例えば通信部２００−１ａと通信部２００−２ａは、拠点ＰＡ内のサーバ３ａなどの各装置と、外部装置（特に拠点ＰＢ内のサーバ３ｂなどの装置）との間の暗号通信等を行う。

通信部２００−１ａ、２００−２ａの冗長化構成方法にも、Ａ／ＡとＡ／Ｓが存在する。Ａ／Ａでは、通信部２００−１ａと通信部２００−２ａが常に稼働される。サーバ３ａおよびスイッチ４ａからの平文トラフィックは、通信部２００−１ａと通信部２００−２ａの両方に分散して流れ、通信部２００−１ａと通信部２００−２ａとの間で負荷が分散される。これにより、冗長化と同時に、通信システムとしての転送能力または暗号処理能力の最大化が図られる。一方、通信部２００−１ａまたは通信部２００−２ａのいずれか一方が停止または故障するなどの障害が発生した場合は、停止または故障していない他方のみで通信システムとして動作させる。

Ａ／Ｓでは、通信部２００−１ａと通信部２００−２ａのうちいずれか一方（例えば通信部２００−１ａ）のみが平常時に稼働される。サーバ３ａおよびスイッチ４ａのトラフィックは、すべて通信部２００−１ａが処理する。通信部２００−１ａが停止または故障するなどの障害が発生した場合は、通信部２００−１ａに代わって、通信部２００−２ａが通信システムとしての動作を開始する。

通信部２００−１ｂと通信部２００−２ｂは、共に拠点ＰＢにおける通信インフラ機能を提供する。例えば通信部２００−１ｂと通信部２００−２ｂは、拠点ＰＢ内のサーバ３ｂなどの各装置と、外部装置（特に拠点ＰＡ内のサーバ３ａなどの装置）との間の暗号通信等を行う。詳細は、通信部２００−１ａ、通信部２００−２ａと同様である。

次に、鍵配送部１００−１ａ、１００−２ａから通信部２００−１ａ、２００−２ａへの鍵の提供方法について説明する。以下では拠点ＰＡの場合について説明するが、拠点ＰＢの場合も同様である。

まず通信部２００−１ａ、２００−２ａがＡ／Ａの場合について考える。正常動作時は、通信部２００−１ａ、通信部２００−２ａの両方に対して鍵を提供する必要がある。そのため、一般的な構成としては、鍵配送部１００−１ａが、生成する鍵を通信部２００−１ａへ提供し、鍵配送部１００−２ａが、生成する鍵を通信部２００−２ａへ提供する。

いずれかの鍵配送部（例えば鍵配送部１００−１ａ）に障害が発生した場合、障害が発生していない鍵配送部（鍵配送部１００−２ａ）が通信部２００−１ａと通信部２００−２ａの両方に対して鍵を提供する必要がある。そのため、鍵配送部１００−２ａは、生成される鍵を通信部２００−１ａと通信部２００−２ａとに分配して提供する。このとき、鍵配送部または通信部は、どの鍵をいずれの通信部に提供するか、または、どの鍵をいずれの通信部で使うか、または、どのような割合で鍵を配分するか、に関して、鍵同期が必要となる。

いずれかの通信部（例えば通信部２００−１ａ）に障害が発生した場合、この通信部へ鍵を提供する必要は無くなる。そのため、正常動作時に通信部２００−１ａへ鍵を提供していた鍵配送部１００−１ａは、通信部２００−１ａに障害が発生した後は、通信部２００−２ａへ鍵を提供する。このとき、鍵配送部または通信部は、どの鍵をいずれの通信部に提供するか、または、どの鍵をいずれの通信部で使うか、に関して、鍵同期が必要となる。

次に、通信部２００−１ａ、２００−２ａがＡ／Ｓの場合について考える。通信部２００−１ａがアクティブであり、通信部２００−２ａがスタンバイであるとする。正常動作時は、鍵配送部は、通信部２００−１ａへ鍵を提供すればよい。そのため、鍵配送部１００−１ａおよび鍵配送部１００−２ａは、共に通信部２００−２ａへと鍵を提供する。

いずれかの鍵配送部（例えば鍵配送部１００−１ａ）に障害が発生した場合、通信部２００−１ａへ提供される鍵の量が半分となる。必要な鍵同期を行っていれば、特に必要となる対応はない。アクティブである通信部（通信部２００−１ａ）に障害が発生した場合、スタンバイである通信部（通信部２００−２ａ）がアクティブとなる。このとき、通信部２００−１ａへ鍵を提供していた鍵配送部１００−１ａおよび通信部２００−２ａは、鍵を通信部２００−２ａへ提供するように変更する。

なお、生成した鍵の蓄積機能や鍵の同期機能は、それぞれ、鍵配送部および通信部のいずれかに（必要に応じて）備えられているものとする。また、鍵配送部から通信部へ鍵を送信してもよいし、通信部が鍵配送部に対して鍵を取得する要求を出してもよい。

なお鍵配送部１００−１ａ、１００−１ｂ、１００−２ａ、１００−２ｂは、同様の構成を備えるため、区別する必要がない場合は単に鍵配送部１００と呼ぶ場合がある。同様に、通信部２００−１ａ、２００−１ｂ、２００−２ａ、２００−２ｂは、同様の構成を備えるため、区別する必要がない場合は単に通信部２００と呼ぶ場合がある。同様に、通信装置１０ａ、１０ｂは、区別する必要がない場合は単に通信装置１０と呼ぶ場合がある。

なお、通信装置１０の各部（鍵配送部１００、通信部２００など）は、物理的に同一の装置内に備えられる必要はなく、一部または全部が物理的に異なる装置内に備えられてもよい。

次に、本実施形態の鍵配送部１００および通信部２００の機能構成の詳細について説明する。図７は、本実施形態の通信装置１０の機能構成の一例を示す図である。図７に示すように、鍵配送部１００は、共有処理部１０１と、提供部１０２と、監視部１１１と、切替部１１２と、を備えている。

共有処理部１０１は、他の通信装置１０との間で量子鍵配送技術により鍵（量子鍵）を共有する。提供部１０２は、共有された鍵を通信部２００に提供する。

監視部１１１は、通信装置１０の稼働状況を監視する。稼働状況は、例えば、量子鍵配送機能における光子の送受信状況、および、量子鍵の生成状況の少なくとも１つである。

切替部１１２は、監視された稼働状況に応じて、制御対象を切り替える。制御対象は、鍵配送部１００および通信部２００のいずれかである。切替部１１２は、例えば、稼働状況に応じて、動作中（アクティブ）の制御対象（第１制御対象）を、他の制御対象（第２制御対象）に切り替える。例えば鍵配送部１００が制御対象であり、稼働状況から障害が発生していると判断される場合、切替部１１２は、アクティブである鍵配送部１００（例えば鍵配送部１００−１）を、スタンバイの状態である鍵配送部１００（例えば鍵配送部１００−２）に切り替える。

次に、通信部２００について説明する。図７に示すように、通信部２００は、取得部２０１と、暗号処理部２０２と、監視部２１１と、切替部２１２と、を備えている。

取得部２０１は、鍵配送部１００から鍵を取得する。暗号処理部２０２は、取得された鍵を用いたデータの暗号化処理および復号処理を実行する。

監視部２１１は、通信装置１０の稼働状況を監視する。稼働状況は、例えば、取得部２０１による量子鍵の取得状況である。

切替部２１２は、監視された稼働状況に応じて、制御対象を切り替える。制御対象は、鍵配送部１００および通信部２００のいずれかである。

図７では、鍵配送部１００および通信部２００の両方に、監視部および切替部を備える例が示されている。制御対象を鍵配送部１００および通信部２００のいずれとするかに応じて、両者のうちいずれか一方のみを備えるように構成してもよい。監視および切り替えの主体と制御対象との組み合わせごとの処理の詳細は後述する。

鍵配送部１００および通信部２００内の各部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣ（Integrated Circuit）などのハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。

次に、このように構成された第１の実施形態にかかる通信装置１０による切替処理について図８を用いて説明する。図８は、第１の実施形態における切替処理の一例を示すフローチャートである。

以下では、鍵配送部１００内の監視部１１１が稼働状況を監視し、切替部１１２が制御対象を切り替える場合を例に説明する。通信部２００内の監視部２１１が稼働状況を監視し、切替部２１２が制御対象を切り替える場合も同様の手順を適用できる。

まず、監視部１１１は、通信装置１０の稼働状況を監視する（ステップＳ１０１）。監視部１１１は、稼働状況が切り替えの条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０２）。切り替えの条件は、例えば、通信装置１０が正常に稼働していないことを示す条件であり、以下のような条件が該当する。
・生成される鍵の量が閾値未満である。
・鍵配送部１００が実行している光子転送または鍵蒸留制御データ通信が失敗している。

稼働状況が切り替えの条件を満たす場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、切替部１１２は、制御対象を切り替える（ステップＳ１０３）。稼働状況が切り替えの条件を満たさない場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、切替処理は終了する。

上記の切り替えの条件は一例であり、これらに限られるものではない。例えば通信部２００内の監視部２１１が稼働状況を監視する場合は、以下のような条件を用いてもよい。
・鍵配送部１００から鍵が取得できない。
・鍵配送部１００から取得できる鍵の量が閾値未満である。

次に、冗長化制御の具体例について説明する。冗長化制御のパターンとして以下の４通りが考えられる。
・パターンＡ：通信部２００（監視部２１１）が監視し、鍵配送部１００の冗長化を実現する
・パターンＢ：鍵配送部１００（監視部１１１）が監視し、鍵配送部１００の冗長化を実現する
・パターンＣ：通信部２００（監視部２１１）が監視し、通信部２００の冗長化を実現する
・パターンＤ：鍵配送部１００（監視部１１１）が監視し、通信部２００の冗長化を実現する

以下順に説明する。
＜パターンＡ＞
図９は、パターンＡの冗長化制御方法を説明するための図である。なお、パターンＡは、通信部２００がＡ／Ａである場合でのみ有効である。
（Ａ１）通信部２００−１ａ（監視部２１１）は、鍵配送部１００−１ａを定期的に監視する（矢印９０１）。例えば通信部２００−１ａは、鍵配送部１００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「鍵配送部１００−１ａから鍵が取得できるか」、「鍵配送部１００−１ａから取得できる鍵の量は閾値以上か」、および、「鍵配送部１００−１ａが行っている光子転送や鍵蒸留制御データ通信は成功しているか」等で判断される。
（Ａ２）鍵配送部１００−１ａの障害が検出されると、通信部２００−１ａ（切替部２１２）は、鍵配送部１００−１ａから鍵を取得せず、鍵配送部１００−２ａから鍵を取得するように、鍵の取得先を切り替える（矢印９０２）。このとき、鍵配送部１００−２ａは、通信部２００−２ａと通信部２００−１ａの両方に鍵を提供しなければならない。そのため、鍵配送部１００−２ａは、通信部２００−２ａと通信部２００−１ａとの処理トラフィック量や優先度等を考慮して、２つの装置へ提供する鍵量を決定する。
（Ａ２−１）ここで、鍵配送部１００−１ａの障害の発生要因は、鍵配送部１００−１ａ自体の障害である場合のほか、拠点ＰＢにある鍵配送部１００−１ｂ（受信器）の障害である可能性もある。量子鍵配送による鍵生成は、送信器と受信器の双方が共に正常に動作している必要があるからである。そこで、切替部２１２は、鍵配送部１００−１ａ（送信器）が量子鍵配送を行う際の受信器を、鍵配送部１００−１ｂから、別の鍵配送部（例えば鍵配送部１００−２ｂ）に切り替えて、別途量子鍵配送を実行してもよい。もし、上述の（Ａ２）での鍵配送部１００−１ａの障害の原因が鍵配送部１００−１ｂにあったとしたら、この鍵配送部（受信器）の切り替えにより、鍵配送部１００−１ａが正常に動作するように復活する可能性がある。
（Ａ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵配送部１００−２ａ、通信部２００−１ａ、または、通信部２００−２ａが、例えば拠点ＰＢ上の鍵配送部１００または通信部２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ａ１）〜（Ａ３）では、通信部２００−１ａが鍵配送部１００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に通信部２００−２ａが鍵配送部１００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

＜パターンＢ＞
図１０は、パターンＢの冗長化制御方法を説明するための図である。なお、パターンＢは、通信装置１０がＡ／Ａである場合でのみ有効である。
（Ｂ１）鍵配送部１００−２ａ（監視部１１１）は、鍵配送部１００−１ａを定期的に監視する（矢印１００１）。例えば鍵配送部１００−２ａは、鍵配送部１００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「鍵配送部１００−１ａが鍵を生成しているか」、「鍵配送部１００−１ａが生成する鍵の量は閾値以上か」、および、「鍵配送部１００−１ａが行っている光子転送や鍵蒸留制御データ通信は成功しているか」等で判断される。
（Ｂ２）鍵配送部１００−１ａの障害が検出されると、鍵配送部１００−２ａ（切替部１１２）は、鍵配送部１００−１ａに代わって、通信部２００−１ａにも鍵を供給するように、鍵の提供先を切り替える（矢印１００２）。このとき、鍵配送部１００−２ａは、通信部２００−２ａと通信部２００−１ａの両方に鍵を提供しなければならない。そのため、鍵配送部１００−２ａは、通信部２００−２ａと通信部２００−１ａとの処理トラフィック量や優先度等を考慮して、２つの装置へ提供する鍵量を決定する。
（Ｂ２−１）ここで、鍵配送部１００−１ａの障害の発生要因は、鍵配送部１００−１ａ自体の障害である場合のほか、拠点ＰＢにある鍵配送部１００−１ｂ（受信器）の障害である可能性もある。量子鍵配送による鍵生成は、送信器と受信器の双方が共に正常に動作している必要があるからである。そこで、切替部１１２は、鍵配送部１００−１ａ（送信器）が量子鍵配送を行う際の受信器を、鍵配送部１００−１ｂから、別の鍵配送部（例えば鍵配送部１００−２ｂ）に切り替えて、別途量子鍵配送を実行してもよい。もし、上述の（Ｂ２）での鍵配送部１００−１ａの障害の原因が鍵配送部１００−１ｂにあったとしたら、この鍵配送部（受信器）の切り替えにより、鍵配送部１００−１ａが正常に動作するように復活する可能性もある。
（Ｂ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵配送部１００−２ａ、通信部２００−１ａ、または、通信部２００−２ａが、例えば拠点ＰＢ上の鍵配送部１００または通信部２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ｂ１）〜（Ｂ３）では、鍵配送部１００−２ａが鍵配送部１００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に鍵配送部１００−１ａが鍵配送部１００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

また、パターンＢは、監視する側も冗長化する側も鍵配送部１００が備えている。このため、既存の通信装置を用い、本実施形態の鍵配送部１００（および、場合によっては蓄積装置）を追加することのみによって、冗長化構成が実現可能である。

＜パターンＣ＞
図１１は、パターンＣの冗長化制御方法を説明するための図である。なお、パターンＣは、通信装置１０がＡ／Ａであっても、Ａ／Ｓであっても有効である。
（Ｃ１）通信部２００−２ａ（監視部２１１）は、通信部２００−１ａを定期的に監視する（矢印１１０１）。例えば通信部２００−２ａは、通信部２００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「通信部２００−１ａが鍵を取得しているか」、「通信部２００−１ａが取得する鍵の量は閾値以上か」、および、「鍵配送部１００−１ａが行っている光子転送や鍵蒸留制御データ通信は成功しているか」等で判断される。
（Ｃ２）通信部２００−１ａの障害が検出されると、通信部２００−２ａは、すべての通信トラフィックを転送するようになる。Ａ／Ａの場合、通信部２００−２ａが通信部２００−１ａに代わってメインの通信部として動作する。Ａ／Ｓの場合、通信部２００−１ａに代わって、通信部２００−２ａがアクティブになる。さらに鍵の提供について考える。Ａ／Ａの場合、鍵配送部１００−１ａは通信部２００−１ａへ、鍵配送部１００−２ａは通信部２００−２ａへ、それぞれ鍵を提供していた。通信部２００−１ａの障害が発生した場合、鍵配送部１００−１ａは、通信部２００−１ａでなく通信部２００−２ａへ鍵を供給するようになる。Ａ／Ｓの場合、鍵配送部１００−１ａと鍵配送部１００−２ａは両方共、通信部２００−１ａへ鍵を供給していた。通信部２００−１ａの障害が発生した場合、鍵配送部１００−１ａと鍵配送部１００−２ａは両方共、通信部２００−２ａへ鍵を供給するようになる。結果として、Ａ／ＡであってもＡ／Ｓであっても、通信部２００−２ａが鍵配送部１００−１ａと鍵配送部１００−２ａの両方の鍵をすべて取得するように更新される（矢印１１０２）。
（Ｃ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵配送部１００−１ａ、通信部２００−１ａ、または、通信部２００−２ａが、例えば拠点ＰＢ上の鍵配送部１００または通信部２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ｃ１）〜（Ｃ３）では、通信部２００−２ａが通信部２００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に通信部２００−１ａが通信部２００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

＜パターンＤ＞
図１２は、パターンＤの冗長化制御方法を説明するための図である。なお、パターンＤは、通信装置１０がＡ／Ａであっても、Ａ／Ｓであっても有効である。
（Ｄ１）鍵配送部１００−１ａは、通信部２００−１ａを定期的に監視する（矢印１２０１）。例えば鍵配送部１００−１ａは、通信部２００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「通信部２００−１ａが鍵を取得しているか」、および、「通信部２００−１ａが取得する鍵の量は閾値以上か」等で判断される。
（Ｄ２）通信部２００−１ａの障害が検出されると、通信部２００−１ａに代わって、通信部２００−２ａがすべての通信トラフィックを転送するようになる。Ａ／Ａの場合、通信部２００−２ａが通信部２００−１ａに代わってメインの通信部として動作する。Ａ／Ｓの場合、通信部２００−１ａに代わって、通信部２００−２ａがアクティブになる。さらに鍵の提供について考える。Ａ／Ａの場合、鍵配送部１００−１ａは通信部２００−１ａへ、鍵配送部１００−２ａは通信部２００−２ａへ、それぞれ鍵を提供していた。通信部２００−１ａの障害が発生した場合、鍵配送部１００−１ａは、通信部２００−１ａでなく通信部２００−２ａへ鍵を供給するようになる。Ａ／Ｓの場合、鍵配送部１００−１ａと鍵配送部１００−２ａは両方共、通信部２００−１ａへ鍵を供給していた。通信部２００−１ａの障害が発生した場合、鍵配送部１００−１ａと鍵配送部１００−２ａは両方共、通信部２００−２ａへ鍵を供給するようになる。結果として、Ａ／ＡであってもＡ／Ｓであっても、通信部２００−２ａが鍵配送部１００−１ａと鍵配送部１００−２ａの両方の鍵をすべて取得するように更新される（矢印１２０２）。
（Ｄ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵配送部１００−１ａ、通信部２００−１ａ、または、通信部２００−２ａが、例えば拠点ＰＢ上の鍵配送部１００または通信部２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ｄ１）〜（Ｄ３）では、鍵配送部１００−１ａが通信部２００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に鍵配送部１００−２ａが通信部２００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

本実施形態では、鍵配送部１００や通信部２００が相互に監視することによって、冗長構成を実現する。監視のためのプロトコルや冗長化した通信装置１０の利用方法等には、どのような技術を用いてもよい。例えば、通信装置１０が相互に監視して冗長構成を実現するためのプロトコルとして、ＶＲＲＰ（Virtual Router Redundancy Protocol）等が知られている。この他、サーバ等の装置を二重化して運用するための技術として、ＩＰ ａｌｉａｓ、ＤＮＳ（Domain Name System）ラウンドロビ等の技術が知られている。本実施形態では、これら技術およびプロトコルを利用することで、上記の機能を実現することができる。

このように、第１の実施形態にかかる通信装置では、冗長構成（多重化構成）とすることにより、信頼性を向上させることが可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態にかかる通信装置は、２種類の通信（光子転送、鍵蒸留制御データ）が通信部を介する通信システムでの冗長構成を実現する。

図１３は、第２の実施形態の通信システムの構成例を示す図である。図１３に示すように、第２の実施形態の通信システムは、通信装置２１０ａ、２１０ｂと、サーバ３ａ、３ｂと、スイッチ４ａ、４ｂと、ネットワーク５０と、を含む。通信装置２１０ａ、サーバ３ａ、および、スイッチ４ａは、例えば拠点ＰＡに設置される。通信装置２１０ｂ、サーバ３ｂ、および、スイッチ４ｂは、例えば拠点ＰＢに設置される。なお、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し説明を省略する。

通信装置２１０ａは、鍵配送部２１００−１ａ、２１００−２ａと、通信部２２００−１ａ、２２００−２ａと、を備えている。鍵配送部２１００−１ａ、２１００−２ａは、図５の鍵配送部１’ａに相当する機能を備える。すなわち、鍵配送部２１００−１ａ、２１００−２ａは、外部の鍵配送部２１００−１ｂ、２１００−２ｂ（外部配送装置の一例）との間で量子鍵を共有する量子鍵配送機能を有する。通信部２２００−１ａ、２２００−２ａは、図５の通信部２’ａに相当する機能を備える。すなわち、通信部２２００−１ａ、２２００−２ａは、共有された量子鍵を用いて外部の通信部２２００−１ｂ、２２００−２ｂ（外部通信装置の一例）と通信する機能を有する。

同様に、通信装置２１０ｂは、鍵配送部２１００−１ｂ、２１００−２ｂと、通信部２２００−１ｂ、２２００−２ｂと、を備えている。鍵配送部２１００−１ｂ、２１００−２ｂは、図５の鍵配送部１’ｂに相当する機能を備える。通信部２２００−１ｂ、２２００−２ｂは、図５の通信部２’ｂに相当する機能を備える。

このように、図１３の通信システムは、図５のＱＫＤ通信インフラシステムにおいて、鍵配送部１’と通信部２’をそれぞれ冗長化（二重化）した構成に相当する。本実施形態では、拠点ＰＡに設置されたシステムと拠点ＰＢに設置されたシステムとの間での暗号通信を冗長構成により実現する。

第１の実施形態との違いは、鍵配送部２１００のトラフィックの一部が、通信部２２００を介する点である。すなわち、本実施形態の通信部２２００は、量子鍵配送機能で使用する情報（光子、鍵蒸留制御データなど）を中継する中継機能を有する。以下、具体的にその違いについて説明する。

鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−１ｂとの間で量子鍵配送を行うＱＫＤシステムを構成するためには、鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−１ｂとの間に、光子転送および鍵蒸留制御データ通信、の両方を行うための通信チャネルが必要である。図１３の構成では、光子転送および鍵蒸留制御データ通信の少なくともいずれか一方は、通信部２２００を介して行われる。

具体的には、拠点ＰＡにおける鍵配送部２１００−１ａと、拠点ＰＢにおける鍵配送部２１００−１ｂとの間で、光子転送または鍵蒸留制御データ通信を行うとき、その通信および転送は、以下のいずれかの経路を介して行われる。
・拠点ＰＡにおける通信部２２００−１ａと拠点ＰＢにおける通信部２２００−１ｂを経由する経路
・拠点ＰＡにおける通信部２２００−１ａと拠点ＰＢにおける通信部２２００−２ｂを経由する経路
・拠点ＰＡにおける通信部２２００−２ａと拠点ＰＢにおける通信部２２００−１ｂを経由する経路
・拠点ＰＡにおける通信部２２００−２ａと拠点ＰＢにおける通信部２２００−２ｂを経由する経路

これは以下を意味する。
・もし、ある鍵配送部２１００の光子転送がある通信部２２００を経由していたとして、通信部２２００に障害が発生した場合、光子転送が失敗するため、その鍵配送部２１００における鍵生成は失敗し鍵が生成できなくなる。
・もし、ある鍵配送部２１００の鍵蒸留制御データ通信がある通信部２２００を経由していたとして、その通信部２２００に障害が発生した場合、光子転送が失敗するため、その鍵配送部２１００における鍵生成は失敗し鍵が生成できなくなる。

以後、光子転送と鍵蒸留制御データ通信を合わせて、鍵生成トラフィックと称することがある。基本的な構成では、鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−１ｂとの間の鍵生成トラフィックは、通信部２２００−１ａと通信部２２００−１ｂを介して送受信される。また、鍵配送部２１００−２ａと鍵配送部２１００−２ｂとの間の鍵生成トラフィックは通信部２２００−２ａと通信部２２００−２ｂを介して送受信される。

通信部２２００−１ａまたは通信部２２００−１ｂに障害が発生した場合、このままでは鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−１ｂとの間の鍵生成トラフィックを流すことはできない。従って、鍵生成トラフィックの通信経路を、以下のいずれかに変更する。
・通信部２２００−２ａと通信部２２００−２ｂとを経由する経路
・通信部２２００−１ａと通信部２２００−２ｂとを経由する経路
・通信部２２００−２ａと通信部２２００−１ｂとを経由する経路

通信部２２００−２ａまたは通信部２２００−２ｂに障害が発生した場合、このままでは鍵配送部２１００−２ａと鍵配送部２１００−２ｂとの間の鍵生成トラフィックを流すことはできない。従って、鍵生成トラフィックの通信経路を、以下のいずれかに変更する。
・通信部２２００−１ａと通信部２２００−１ｂとを経由する経路
・通信部２２００−２ａと通信部２２００−１ｂとを経由する経路
・通信部２２００−１ａと通信部２２００−２ｂとを経由する経路

上記以外の機能は、第１の実施形態に記載した図６の説明と同様である。

次に、本実施形態の鍵配送部２１００および通信部２２００の機能構成の詳細について説明する。図１４は、本実施形態の通信装置２１０の機能構成の一例を示す図である。図１４に示すように、鍵配送部２１００は、共有処理部１０１と、提供部１０２と、監視部２１１１と、切替部２１１２と、を備えている。また、通信部２２００は、取得部２０１と、暗号処理部２０２と、監視部２２１１と、切替部２２１２と、を備えている。

第２の実施形態では、監視部（監視部２１１１、２２１１）、および、切替部（切替部２１１２、２２１２）の機能が第１の実施形態と異なっている。その他の構成および機能は、第１の実施形態にかかる通信装置１０のブロック図である図７と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。また、本実施形態の切替処理の流れは第１の実施形態の図８と同様であるため説明を省略する。

本実施形態の監視部および切替部の機能の詳細について以下に説明する。本実施形態においても第１の実施形態で示したのと同様、冗長化制御のパターンとして以下の４通りが考えられる。
・パターンＡ：通信部２２００（監視部２２１１）が監視し、鍵配送部２１００の冗長化を実現する
・パターンＢ：鍵配送部２１００（監視部２１１１）が監視し、鍵配送部２１００の冗長化を実現する
・パターンＣ：通信部２２００（監視部２２１１）が監視し、通信部２２００の冗長化を実現する
・パターンＤ：鍵配送部２１００（監視部２１１１）が監視し、通信部２２００の冗長化を実現する

本実施形態では、第１の実施形態で説明した内容に対し、付加的なバリエーションがそれぞれ存在する。以下順に説明する。

＜パターンＡ＞
図１５は、パターンＡの冗長化制御方法を説明するための図である。基本的な冗長化制御方法は、第１の実施形態で示した方法と同様である。以下では、付加的な制御方法について説明する。なお、パターンＡは、通信装置２１０がＡ／ＡであってもＡ／Ｓであっても有効である。
（Ａ１）通信部２２００−１ａ（監視部２２１１）は、鍵配送部２１００−１ａを定期的に監視する（矢印１５０１）。例えば通信部２２００−１ａは、鍵配送部２１００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「鍵配送部２１００−１ａから鍵が取得できるか」、「鍵配送部２１００−１ａから取得できる鍵の量は閾値以上か」、および、「鍵配送部２１００−１ａが行っている光子転送や鍵蒸留制御データ通信は成功しているか」等で判断される。
（Ａ２）鍵配送部２１００−１ａの障害が検出されると、通信部２２００−１ａ（切替部２２１２）は、鍵配送部２１００−１ａから鍵を取得せず、鍵配送部２１００−２ａから鍵を取得するように、鍵の取得先を切り替える（矢印１５０２）。このとき、鍵配送部２１００−２ａは、通信部２２００−２ａと通信部２２００−１ａの両方に鍵を提供しなければならない。そのため、鍵配送部２１００−２ａは、通信部２２００−２ａと通信部２２００−１ａとの処理トラフィック量や優先度等を考慮して、２つの装置へ提供する鍵量を決定する。
（Ａ２−１）さらに、通信部２２００−１ａは、鍵配送部２１００−１ａの鍵生成トラフィックを、通信部２２００−１ａ経由ではなく、通信部２２００−２ａ経由となるように変更する（矢印１５０３）。鍵配送部２１００−１ａの障害の原因が、鍵生成トラフィックの通信の失敗であり、その失敗の原因が、経路上の通信部２２００−１ａにある場合がある。この場合、鍵生成トラフィックの経路変更によって鍵生成トラフィックが正常に通信できるようになり、鍵配送部２１００−１ａの鍵生成は成功し、障害状態から復帰することができる。
（Ａ２−２）Ａ／Ｓの場合、通信部２２００−１ａはさらに、アクティブ状態を通信部２２００−２ａに譲り渡し、通信部２２００−２ａがアクティブになるように制御してもよい（矢印１５０４）。鍵配送部２１００−１ａにおいて鍵生成が正常に動作しない場合、その原因が通信部２２００−１ａ自身にある、すなわち通信部２２００−１ａ自身に障害がある可能性がある。このため、この障害を回避するために、通信部２２００−２ａをアクティブとする。
（Ａ２−３）ここで、鍵配送部２１００−１ａの障害の発生要因は、鍵配送部２１００−１ａ自体の障害である場合のほか、拠点ＰＢにある鍵配送部２１００−１ｂ（受信器）の障害である可能性もある。量子鍵配送による鍵生成は、送信器と受信器の双方が共に正常に動作している必要があるからである。そこで、切替部２２１２は、鍵配送部２１００−１ａ（送信器）が量子鍵配送を行う際の受信器を、鍵配送部２１００−１ｂから、別の鍵配送部（例えば鍵配送部２１００−２ｂ）に切り替えて、別途量子鍵配送を実行してもよい。もし、上述の（Ａ２）での鍵配送部２１００−１ａの障害の原因が鍵配送部２１００−１ｂにあったとしたら、この鍵配送部（受信器）の切り替えにより、鍵配送部２１００−１ａが正常に動作するように復活する可能性もある。
（Ａ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵配送部２１００−２ａ、通信部２２００−１ａ、または、通信部２２００−２ａが、例えば拠点ＰＢ上の鍵配送部２１００または通信部２２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ａ１）〜（Ａ３）では、通信部２２００−１ａが鍵配送部２１００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に通信部２２００−２ａが鍵配送部２１００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

＜パターンＢ＞
図１６は、パターンＢの冗長化制御方法を説明するための図である。基本的な冗長化制御方法は、第１の実施形態で示した方法と同様である。ここでは、付加的な制御方法について説明する。なお、パターンＢは、通信装置２１０がＡ／ＡであってもＡ／Ｓであっても有効である。
（Ｂ１）鍵配送部２１００−２ａ（監視部２１１１）は、鍵配送部２１００−１ａを定期的に監視する（矢印１６０１）。例えば鍵配送部２１００−２ａは、鍵配送部２１００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「鍵配送部２１００−１ａが鍵を生成しているか」、「鍵配送部２１００−１ａが生成する鍵の量は閾値以上か」、および、「鍵配送部２１００−１ａが行っている光子転送や鍵蒸留制御データ通信は成功しているか」等で判断される。
（Ｂ２）鍵配送部２１００−１ａの障害が検出されると、鍵配送部２１００−２ａ（切替部２１１２）は、鍵配送部２１００−１ａに代わって、通信部２２００−１ａへも鍵を供給するように、鍵の提供先を切り替える（矢印１６０３）。このとき、鍵配送部２１００−２ａは、通信部２２００−２ａと通信部２２００−１ａの両方に鍵を提供しなければならない。そのため、鍵配送部２１００−２ａは、通信部２２００−２ａと通信部２２００−１ａとの処理トラフィック量や優先度等を考慮して、２つの装置へ提供する鍵量を決定する。
（Ｂ２−１）さらに鍵配送部２１００−２ａは、鍵配送部２１００−１ａにおける鍵生成トラフィックの経路を、通信部２２００−１ａ経由ではなく、通信部２２００−２ａ経由に切り替える（矢印１６０２）。鍵配送部２１００−１ａの障害の原因が、鍵生成トラフィックの通信の失敗であり、その失敗の原因が、経路上の通信部２２００−１ａにある場合がある。この場合、鍵生成トラフィックの経路変更によって鍵生成トラフィックが正常に通信できるようになり、鍵配送部２１００−１ａの鍵生成は成功し、障害状態から復帰することができる。
（Ｂ２−２）Ａ／Ｓの場合、通信部２２００−１ａはさらに、アクティブ状態を通信部２２００−２ａに譲り渡し、通信部２２００−２ａがアクティブになるように制御してもよい（矢印１６０４）。鍵配送部２１００−１ａにおいて鍵生成が正常に動作しない場合、その原因が通信部２２００−１ａ自身にある、すなわち通信部２２００−１ａ自身に障害がある可能性がある。このため、この障害を回避するために、通信部２２００−２ａをアクティブとする。
（Ｂ２−３）ここで、鍵配送部２１００−１ａの障害の発生要因は、鍵配送部２１００−１ａ自体の障害である場合のほか、拠点ＰＢにある鍵配送部２１００−１ｂ（受信器）の障害である可能性もある。量子鍵配送による鍵生成は、送信器と受信器の双方が共に正常に動作している必要があるからである。そこで、切替部２１１２は、鍵配送部２１００−１ａ（送信器）が量子鍵配送を行う際の受信器を、鍵配送部２１００−１ｂから、別の鍵配送部（例えば鍵配送部２１００−２ｂ）に切り替えて、別途量子鍵配送を実行してもよい。もし、上述の（Ｂ２）での鍵配送部２１００−１ａの障害の原因が鍵配送部２１００−１ｂにあったとしたら、この鍵配送部（受信器）の切り替えにより、鍵配送部２１００−１ａが正常に動作するように復活する可能性もある。
（Ｂ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵配送部２１００−２ａ、通信部２２００−１ａ、または、通信部２２００−２ａが、例えば拠点ＰＢ上の鍵配送部２１００または通信部２２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ｂ１）〜（Ｂ３）では、鍵配送部２１００−２ａが鍵配送部２１００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に鍵配送部２１００−１ａが鍵配送部２１００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

また、パターンＢは、監視する側も冗長化する側も鍵配送部２１００が備えている。このため、既存の通信装置を用い、本実施形態の鍵配送部２１００（および、場合によっては蓄積装置）を追加することのみで、冗長化構成が実現可能である。

＜パターンＣ＞
図１７は、パターンＣの冗長化制御方法を説明するための図である。基本的な冗長化制御方法は、第１の実施形態で示した方法と同様である。ここでは、付加的な制御方法について説明する。なお、パターンＣは、通信装置２１０がＡ／ＡであってもＡ／Ｓであっても有効である。
（Ｃ１）通信部２２００−２ａ（監視部２２１１）は、通信部２２００−１ａを定期的に監視する（矢印１７０１）。例えば通信部２２００−２ａは、通信部２２００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「通信部２２００−１ａが鍵を取得しているか」、「通信部２２００−１ａが取得する鍵の量は閾値以上か」、および、「鍵配送部２１００−１ａが行っている光子転送や鍵蒸留制御データ通信は成功しているか」等で判断される。
（Ｃ２）通信部２２００−１ａの障害が検出されると、通信部２２００−２ａは、すべての通信トラフィックを転送するようになる。Ａ／Ａの場合、通信部２２００−２ａが通信部２２００−１ａに代わってメインの通信部として動作する。Ａ／Ｓの場合、通信部２２００−１ａに代わって、通信部２２００−２ａがアクティブになる。さらに鍵の提供について考える。Ａ／Ａの場合、鍵配送部２１００−１ａは通信部２２００−１ａへ、鍵配送部２１００−２ａは通信部２２００−２ａへ、それぞれ鍵を提供していた。通信部２２００−１ａの障害が発生した場合、鍵配送部２１００−１ａは、通信部２２００−１ａでなく通信部２２００−２ａへ鍵を供給するようになる。Ａ／Ｓの場合、鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−２ａは両方共、通信部２２００−１ａへ鍵を供給していた。通信部２２００−１ａの障害が発生した場合、鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−２ａは両方共、通信部２２００−２ａへ鍵を供給するようになる。結果として、Ａ／ＡであってもＡ／Ｓであっても、通信部２２００−２ａが鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−２ａの両方の鍵をすべて取得するように更新される（矢印１７０２）。
（Ｃ２−１）さらに、通信部２２００−２ａは、鍵配送部２１００−１ａにおける鍵生成トラフィックの経路を、通信部２２００−１ａ経由ではなく、通信部２２００−２ａ経由に切り替える（矢印１７０３）。鍵配送部２１００−１ａの障害の原因が、鍵生成トラフィックの通信の失敗であり、その失敗の原因が、経路上の通信部２２００−１ａにある場合がある。この場合、鍵生成トラフィックの経路変更によって鍵生成トラフィックが正常に通信できるようになり、鍵配送部２１００−１ａの鍵生成は成功し、障害状態から復帰することができる。
（Ｃ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵配送部２１００−１ａ、通信部２２００−１ａ、または、通信部２２００−２ａが、例えば拠点ＰＢ上の鍵配送部２１００または通信部２２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ｃ１）〜（Ｃ３）では、通信部２２００−２ａが通信部２２００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に通信部２２００−１ａが通信部２２００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

＜パターンＤ＞
図１８は、パターンＤの冗長化制御方法を説明するための図である。基本的な冗長化制御方法は、第１の実施形態で示した方法と同様である。ここでは、付加的な制御方法について説明する。なお、パターンＤは、通信装置がＡ／ＡであってもＡ／Ｓであっても有効である。
（Ｄ１）鍵配送部２１００−１ａは、通信部２２００−１ａを定期的に監視する（矢印１８０１）。例えば鍵配送部２１００−１ａは、通信部２２００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「通信部２２００−１ａが鍵を取得しているか」、および、「通信部２２００−１ａが取得する鍵の量は閾値以上か」等で判断される。
（Ｄ１−１）さらに、鍵配送部２１００−１ａは、通信部２２００−１ａを経由して行っている、鍵生成トラフィックの送受信を含む通信が成功しているか、についても監視する。例えば鍵配送部２１００−１ａは、光子転送における光子検出率等の量子鍵配送のパラメータを監視する。
（Ｄ２）通信部２２００−１ａの障害が検出されると、通信部２２００−１ａに代わって、通信部２２００−２ａがすべての通信トラフィックを転送するようになる。Ａ／Ａの場合、通信部２２００−２ａが通信部２２００−１ａに代わってメインの通信部として動作する。Ａ／Ｓの場合、通信部２２００−１ａに代わって、通信部２２００−２ａがアクティブになる。さらに鍵の提供について考える。Ａ／Ａの場合、鍵配送部２１００−１ａは通信部２２００−１ａへ、鍵配送部２１００−２ａは通信部２２００−２ａへ、それぞれ鍵を提供していた。通信部２２００−１ａの障害が発生した場合、鍵配送部２１００−１ａは、通信部２２００−１ａでなく通信部２２００−２ａへ鍵を供給するようになる。Ａ／Ｓの場合、鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−２ａは両方共、通信部２２００−１ａへ鍵を供給していた。通信部２２００−１ａの障害が発生した場合、鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−２ａは両方共、通信部２２００−２ａへ鍵を供給するようになる。結果として、Ａ／ＡであってもＡ／Ｓであっても、通信部２２００−２ａが鍵配送部２１００−１ａと鍵配送部２１００−２ａの両方の鍵をすべて取得するように更新される（矢印１８０２）。
（Ｄ２−１）さらに、鍵配送部２１００−１ａは、鍵生成トラフィックの経路を、通信部２２００−１ａ経由ではなく、通信部２２００−２ａ経由に切り替える（矢印１８０３）。
（Ｄ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵配送部２１００−１ａまたは、通信部２２００−１ａ、通信部２２００−２ａが例えば拠点ＰＢ上の鍵配送部２１００または通信部２２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ｄ１）〜（Ｄ３）では、鍵配送部２１００−１ａが通信部２２００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に鍵配送部２１００−２ａが通信部２２００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

このように、第２の実施形態では、光子転送および鍵蒸留制御データなどが通信部を介する通信システムでの冗長構成が可能となる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態にかかる通信装置は、鍵配送部と通信部との間に鍵蓄積部を備える通信システムでの冗長構成を実現する。

図１９は、第３の実施形態の通信システムの構成例を示す図である。図１９に示すように、第３の実施形態の通信システムは、通信装置３１０ａ、３１０ｂと、サーバ３ａ、３ｂと、スイッチ４ａ、４ｂと、ネットワーク５０と、を含む。通信装置３１０ａ、サーバ３ａ、および、スイッチ４ａは、例えば拠点ＰＡに設置される。通信装置３１０ｂ、サーバ３ｂ、および、スイッチ４ｂは、例えば拠点ＰＢに設置される。なお、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し説明を省略する。

通信装置３１０ａは、鍵配送部３１００−１ａ、３１００−２ａと、通信部３２００−１ａ、３２００−２ａと、鍵蓄積部３５００ａと、を備えている。鍵配送部３１００−１ａ、３１００−２ａは、図４の鍵配送部１ａに相当する機能を備える。すなわち、鍵配送部３１００−１ａ、３１００−２ａは、外部の鍵配送部３１００−１ｂ、３１００−２ｂ（外部配送装置の一例）との間で量子鍵を共有する量子鍵配送機能を有する。通信部３２００−１ａ、３２００−２ａは、図４の通信部２ａに相当する機能を備える。すなわち、通信部３２００−１ａ、３２００−２ａは、共有された量子鍵を用いて外部の通信部３２００−１ｂ、３２００−２ｂ（外部通信装置の一例）と通信する機能を有する。

同様に、通信装置３１０ｂは、鍵配送部３１００−１ｂ、３１００−２ｂと、通信部３２００−１ｂ、３２００−２ｂと、鍵蓄積部３５００ｂと、を備えている。鍵配送部３１００−１ｂ、３１００−２ｂは、図４の鍵配送部１ｂに相当する機能を備える。通信部３２００−１ｂ、３２００−２ｂは、図４の通信部２ｂに相当する機能を備える。

このように、図１９の通信システムは、図４のＱＫＤ通信インフラシステムにおいて、鍵配送部１と通信部２をそれぞれ冗長化（二重化）した構成に相当する。本実施形態では、拠点ＰＡに設置されたシステムと拠点ＰＢに設置されたシステムとの間での暗号通信を冗長構成により実現する。

第１の実施形態との違いは、鍵配送部３１００と通信部３２００との間に鍵蓄積部３５００が存在する点である。拠点ＰＡにおいては、鍵配送部３１００−１ａおよび鍵配送部３１００−２ａが生成する鍵は、鍵蓄積部３５００ａに送られて保持される。鍵蓄積部３５００ａに蓄積された鍵は、通信部３２００−１ａまたは通信部３２００−２ａへ渡され、暗号通信に利用される。拠点ＰＢにおいては、鍵配送部３１００−１ｂおよび鍵配送部３１００−２ｂが生成する鍵は、鍵蓄積部３５００ｂに送られて保持される。鍵蓄積部３５００ｂに蓄積された鍵は、通信部３２００−１ｂまたは通信部３２００−２ｂへ渡され、暗号通信に利用される。

上記以外の機能は、第１の実施形態に記載した図６の説明と同様である。図１９の構成では、鍵蓄積部３５００は冗長化（二重化）されていないが、鍵蓄積部３５００も冗長化する構成も可能である。

図２０は、このように構成した第３の実施形態の変形例にかかる通信システムの構成例を示す図である。図２０に示すように、変形例の通信システムは、通信装置３１０’ａ、３１０’ｂと、サーバ３ａ、３ｂと、スイッチ４ａ、４ｂと、ネットワーク５０と、を含む。

通信装置３１０’ａは、冗長化された鍵蓄積部３５００−１ａ、３５００−２ａを備える点が、図１９の通信装置３１０ａと異なる。通信装置３１０’ｂは、冗長化された鍵蓄積部３５００−１ｂ、３５００−２ｂを備える点が、図１９の通信装置３１０ｂと異なる。他の構成は図１９と同様であるため説明を省略する。

このように変形例と第１の実施形態との違いは、鍵配送部３１００と通信部３２００との間に二重化された鍵蓄積部３５００が存在する点である。

拠点ＰＡにおいては、鍵配送部３１００−１ａが生成する鍵は、鍵蓄積部３５００−１ａまたは鍵蓄積部３５００−２ａを介して、最終的に通信部３２００−１ａまたは通信部３２００−２ａに送られ、暗号通信に利用される。また、鍵配送部３１００−２ａが生成する鍵は、鍵蓄積部３５００−１ａまたは鍵蓄積部３５００−２ａを介して、最終的に通信部３２００−１ａまたは通信部３２００−２ａに送られ、暗号通信に利用される。

拠点ＰＢにおいては、鍵配送部３１００−１ｂが生成する鍵は、鍵蓄積部３５００−１ｂまたは鍵蓄積部３５００−２ｂを介して、最終的に通信部３２００−１ｂまたは通信部３２００−２ｂに送られ、暗号通信に利用される。また、鍵配送部３１００−２ｂが生成する鍵は、鍵蓄積部３５００−１ｂまたは鍵蓄積部３５００−２ｂを介して、最終的に通信部３２００−１ｂまたは通信部３２００−２ｂに送られ、暗号通信に利用される。

鍵の受け渡し経路には様々なバリエーションが考えられる。
（経路Ｒ１）鍵配送部３１００−１ａが生成した鍵を鍵蓄積部３５００−１ａへ提供し、鍵蓄積部３５００−１ａは鍵を通信部３２００−１ａへ提供する。鍵配送部３１００−２ａが生成した鍵を鍵蓄積部３５００−２ａへ提供し、鍵蓄積部３５００−２ａは鍵を通信部３２００−２ａへ提供する。

経路Ｒ１のように構成すると、２つの完全に独立した鍵の受け渡しフローとなる。
（経路Ｒ２）鍵配送部３１００−１ａは、生成した鍵を、鍵蓄積部３５００−１ａと鍵蓄積部３５００−２ａの両方に提供する。すなわち鍵配送部３１００−１ａは、２つの鍵蓄積部３５００の両方に、同一の鍵を送信し保持させる。鍵蓄積部３５００において、鍵を通信装置３１０に提供する機能はＡ／Ｓ形式で動作する。すなわち、鍵蓄積部３５００−１ａと鍵蓄積部３５００−２ａのうち、いずれか一方のみがアクティブとなって動作し、通信部３２００−１ａおよび通信部３２００−２ａへ鍵を提供する。

経路Ｒ２のように構成すると、鍵蓄積部３５００を二重化し、冗長性を確保できると同時に、通信装置３１０への鍵提供を一元化することができる。また、経路Ｒ２は、鍵蓄積部３５００を冗長化した構成に相当する。

次に、本実施形態の鍵配送部３１００および通信部３２００の機能構成の詳細について説明する。以下では、第３の実施形態（図１９）の構成を例に説明する。変形例（図２０）については、鍵蓄積部３５００が二重化される以外は同様である。

図２１は、本実施形態の通信装置３１０の機能構成の一例を示す図である。図２１に示すように、通信装置３１０は、鍵配送部３１００および通信部３２００に加え、鍵蓄積部３５００を備えている。

鍵配送部３１００は、共有処理部１０１と、提供部１０２と、を備えている。また、通信部３２００は、取得部２０１と、暗号処理部２０２と、監視部３２１１と、切替部３２１２と、を備えている。また、鍵蓄積部３５００は、記憶部３５０１と、監視部３５１１と、切替部３５１２と、を備えている。

第３の実施形態では、鍵配送部３１００が監視部１１１と切替部１１２を備えないこと、監視部３２１１と切替部３２１２の機能、および、鍵蓄積部３５００が追加されたことが、第１の実施形態と異なっている。その他の構成および機能は、第１の実施形態にかかる通信装置１０のブロック図である図７と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。また、本実施形態の切替処理の流れは第１の実施形態の図８と同様であるため説明を省略する。

監視部３２１１は、通信装置３１０の稼働状況を監視する。切替部３２１２は、監視された稼働状況に応じて、制御対象である通信部３２００を切り替える。

鍵蓄積部３５００の記憶部３５０１は、生成された鍵を記憶する。なお、記憶部３５０１は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、光ディスク、メモリカード、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの一般的に利用されているあらゆる記憶媒体により構成することができる。

監視部３５１１は、通信装置３１０の稼働状況を監視する。切替部３５１２は、監視された稼働状況に応じて、制御対象である通信部３２００を切り替える。

図２１では、鍵蓄積部３５００および通信部３２００の両方に、監視部および切替部を備える例が示されている。監視の主体を鍵蓄積部３５００および通信部３２００のいずれとするかに応じて、両者のうちいずれか一方のみを備えるように構成してもよい。監視および切り替えの主体と制御対象との組み合わせごとの処理の詳細は後述する。

次に、冗長化制御の具体例について説明する。第３の実施形態および変形例の冗長化制御のパターンとして以下の２通りが考えられる。
・パターンＣ：通信部３２００（監視部３２１１）が監視し、通信部３２００の冗長化を実現する
・パターンＥ：鍵蓄積部３５００（監視部３５１１）が監視し、通信部３２００の冗長化を実現する

上記以外のパターンは、既に説明したパターンと同一になるか、または、冗長化制御の必要性がないかのいずれかである。第３の実施形態および変形例では、鍵蓄積部３５００の前段にある鍵配送部の冗長性については、鍵蓄積部３５００が隠蔽する構成となる。

以下順に説明する。
＜パターンＣ＞
図２２は、パターンＣの冗長化制御方法を説明するための図である。なお、パターンＣは、通信装置３１０がＡ／Ａであっても、Ａ／Ｓであっても有効である。
（Ｃ１）通信部３２００−２ａ（監視部３２１１）は、通信部３２００−１ａを定期的に監視する（矢印２２０１）。例えば通信部３２００−２ａは、通信部３２００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「通信部３２００−１ａが鍵を取得しているか」、「通信部３２００−１ａが取得する鍵の量は閾値以上か」、および、「鍵配送部３１００−１ａが行っている光子転送や鍵蒸留制御データ通信は成功しているか」等で判断される。
（Ｃ２）通信部３２００−１ａの障害が検出されると、通信部３２００−２ａは、すべての通信トラフィックを転送するようになる。Ａ／Ａの場合、通信部３２００−２ａが通信部３２００−１ａに代わってメインの通信部として動作する。Ａ／Ｓの場合、通信部３２００−１ａに代わって、通信部３２００−２ａがアクティブになる。さらに鍵の提供について考える。Ａ／Ａの場合、鍵蓄積部３５００は、通信部３２００−１ａと通信部３２００−２ａとの両方へ、それぞれ鍵を提供していた。通信部３２００−１ａの障害が発生した場合、鍵蓄積部３５００は、通信部３２００−１ａへの鍵の提供を停止し、通信部３２００−２ａへすべての鍵を供給する。Ａ／Ｓの場合、鍵蓄積部３５００は、通信部３２００−１ａへすべての鍵を提供していた。通信部３２００−１ａの障害が発生した場合、鍵蓄積部３５００は、通信部３２００−１ａへの鍵の提供を停止し、通信部３２００−２ａへすべての鍵を供給する。結果として、Ａ／ＡであってもＡ／Ｓであっても、通信部３２００−２ａが鍵蓄積部３５００の鍵をすべて取得するように更新される。
（Ｃ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵蓄積部３５００、通信部３２００−１ａ、または、通信部３２００−２ａが、例えば拠点ＰＢ上の鍵蓄積部３５００または通信部３２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ｃ１）〜（Ｃ３）では、通信部３２００−２ａが通信部３２００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に通信部３２００−１ａが通信部３２００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

＜パターンＥ＞
図２３は、パターンＥの冗長化制御方法を説明するための図である。なお、パターンＥは、通信装置３１０がＡ／Ａであっても、Ａ／Ｓであっても有効である。
（Ｅ１）鍵蓄積部３５００は、通信部３２００−１ａを定期的に監視する（矢印２３０１）。例えば鍵蓄積部３５００は、通信部３２００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「通信部３２００−１ａが鍵を取得しているか」、および、「通信部３２００−１ａが取得する鍵の量は閾値以上か」等で判断される。
（Ｅ２）通信部３２００−１ａの障害が検出されると、通信部３２００−１ａに代わって、通信部３２００−２ａがすべての通信トラフィックを転送するようになる。Ａ／Ａの場合、通信部３２００−２ａが通信部３２００−１ａに代わってメインの通信部として動作する。Ａ／Ｓの場合、通信部３２００−１ａに代わって、通信部３２００−２ａがアクティブになる。さらに鍵の提供について考える。Ａ／Ａの場合、鍵蓄積部３５００は通信部３２００−１ａと、通信部３２００−２ａへ、それぞれ鍵を提供していた。通信部３２００−１ａの障害が発生した場合、鍵蓄積部３５００は、通信部３２００−１ａへ鍵蓄積部３５００を提供する必要はなくなり、すべての鍵を通信部３２００−２ａへ供給するようになる。Ａ／Ｓの場合、鍵蓄積部３５００は通信部３２００−１ａへすべての鍵を供給していた。通信部３２００−１ａの障害が発生した場合、鍵蓄積部３５００は、すべての鍵を通信部３２００−２ａへ供給するようになる。結果として、Ａ／ＡであってもＡ／Ｓであっても、通信部３２００−２ａが鍵蓄積部３５００の鍵をすべて取得するように更新される。
（Ｅ３）鍵の提供先および取得先が変更されることに伴い、鍵同期が必要となる。鍵蓄積部３５００、通信部３２００−１ａ、または、通信部３２００−２ａが、例えば拠点ＰＢ上の鍵配送部３１００または通信部３２００との間で、必要な鍵同期を行う。

なお、（Ｅ１）〜（Ｅ３）では、鍵蓄積部３５００が通信部３２００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に鍵蓄積部３５００が通信部３２００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

このように、第３の実施形態では、鍵配送部と通信部との間に鍵蓄積部を備える通信システムでの冗長構成が可能となる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態にかかる通信装置は、鍵配送部と通信部とを一体化した装置を備える通信システムでの冗長構成を実現する。

図２４は、第４の実施形態の通信システムの構成例を示す図である。図２４に示すように、第４の実施形態の通信システムは、通信装置４１０ａ、４１０ｂと、サーバ３ａ、３ｂと、スイッチ４ａ、４ｂと、ネットワーク５０と、を含む。通信装置４１０ａ、サーバ３ａ、および、スイッチ４ａは、例えば拠点ＰＡに設置される。通信装置４１０ｂ、サーバ３ｂ、および、スイッチ４ｂは、例えば拠点ＰＢに設置される。なお、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し説明を省略する。

通信装置４１０ａは、通信制御部４６００−１ａ、４６００−２ａを備えている。通信制御部４６００−１ａは、鍵配送部４１００−１ａと、通信部４２００−１ａと、を備えている。通信制御部４６００−２ａは、鍵配送部４１００−２ａと、通信部４２００−２ａと、を備えている。

鍵配送部４１００−１ａ、４１００−２ａは、図３の鍵配送部１ａに相当する機能を備える。すなわち、鍵配送部４１００−１ａ、４１００−２ａは、外部の鍵配送部４１００−１ｂ、４１００−２ｂ（外部配送装置の一例）との間で量子鍵を共有する量子鍵配送機能を有する。通信部４２００−１ａ、４２００−２ａは、図３の通信部２ａに相当する機能を備える。すなわち、通信部４２００−１ａ、４２００−２ａは、共有された量子鍵を用いて外部の通信部４２００−１ｂ、４２００−２ｂ（外部通信装置の一例）と通信する機能を有する。

同様に、通信装置４１０ｂは、通信制御部４６００−１ｂ、４６００−２ｂを備えている。

このように、図２４の通信システムは、図３のＱＫＤ通信インフラシステムにおいて、鍵配送部１と通信部２を一体化した通信制御部４６００を冗長化（二重化）した構成に相当する。一体化とは、例えば、各部を物理的に同一のハードウェア（回路、装置など）で実装することを意味する。本実施形態では、拠点ＰＡに設置されたシステムと拠点ＰＢに設置されたシステムとの間での暗号通信を冗長構成により実現する。

通信制御部４６００の構成要素は、鍵配送部４１００と通信部４２００である。鍵配送部４１００から通信部４２００への鍵の受け渡しは、通信制御部４６００の内部で行われる。このように、複数の構成要素を跨いで鍵が受け渡されることはない。それ以外の構成や機能は、第１の実施形態（図６）と同様である。

通信制御部４６００の冗長化には、Ａ／ＡとＡ／Ｓの両方の可能性が考えられる。以下拠点ＰＡを例に説明する。

Ａ／Ａでは、通信制御部４６００−１ａと通信制御部４６００−２ａを常に稼働させておき、２台の通信制御部４６００で負荷を分散化し、トラフィック転送、暗号処理、および、鍵生成等の能力の最大化を図る。一方の通信制御部４６００が停止または故障するなどの障害が発生した場合は、停止または故障していない他方の通信制御部４６００のみでＱＫＤ暗号通信システムとして動作する。Ａ／Ｓでは、通信制御部４６００のうちいずれか一方（例えば通信制御部４６００−１ａ）のみを平常時は稼働させておき、トラフィック転送、暗号処理、および、鍵生成等は、すべて通信制御部４６００−１ａが処理する。通信制御部４６００−１ａが停止または故障するなどの障害が発生した場合は、通信制御部４６００−１ａに代わって、通信制御部４６００−２ａがＱＫＤ暗号通信システムとしての動作を開始する。

通信制御部４６００−１ａ、４６００−２ａ、４６００−１ｂ、４６００−２ｂは、区別する必要がない場合は単に通信制御部４６００と呼ぶ場合がある。

次に、本実施形態の通信制御部４６００の機能構成の詳細について説明する。図２５は、本実施形態の通信制御部４６００の機能構成の一例を示す図である。図２５に示すように、通信制御部４６００は、鍵配送部４１００と、通信部４２００と、監視部４１１１と、切替部４１１２と、を備えている。

鍵配送部４１００は、共有処理部１０１と、提供部１０２と、を備えている。通信部４２００は、取得部２０１と、暗号処理部２０２と、を備えている。

第４の実施形態では、監視部４１１１および切替部４１１２の機能が、第１の実施形態と異なっている。その他の構成および機能は、第１の実施形態にかかる通信装置１０のブロック図である図７と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。また、本実施形態の切替処理の流れは第１の実施形態の図８と同様であるため説明を省略する。

監視部４１１１は、通信装置４１０の稼働状況を監視する。切替部４１１２は、監視された稼働状況に応じて、制御対象である通信制御部４６００を切り替える。

次に、冗長化制御の具体例について説明する。第４の実施形態の冗長化制御のパターンとして以下のパターンが考えられる。
・パターンＦ：通信制御部４６００が監視し、通信制御部４６００の冗長化を実現する。以下に説明する。

＜パターンＦ＞
図２６は、パターンＦの冗長化制御方法を説明するための図である。なお、パターンＦは、通信制御部４６００がＡ／Ａであっても、Ａ／Ｓであっても有効である。
（Ｆ１）通信制御部４６００−２ａは、通信制御部４６００−１ａを定期的に監視する（矢印２６０１）。例えば通信制御部４６００−２ａは、通信制御部４６００−１ａが正常に稼働していること、または、障害状態にないこと、を監視する。正常に稼働しているかは、例えば、「通信制御部４６００−１ａが鍵を生成しているか」、「通信制御部４６００−１ａが生成する鍵の量は閾値以上か」、および、「通信制御部４６００−１ａが行っている光子転送や鍵蒸留制御データ通信は成功しているか」等で判断される。
（Ｆ２）通信制御部４６００−１ａの障害が検出されると、通信制御部４６００−２ａは、すべての通信トラフィックを転送するようになる。Ａ／Ａの場合、通信制御部４６００−２ａが通信制御部４６００−１ａに代わってメインの通信制御部として動作する。Ａ／Ｓの場合、通信制御部４６００−１ａに代わって、通信制御部４６００−２ａがアクティブになる。

なお、（Ｆ１）〜（Ｆ２）では、通信制御部４６００−２ａが通信制御部４６００−１ａを監視するシーケンスを示したが、同時に通信制御部４６００−１ａが通信制御部４６００−２ａを監視するシーケンスが動作してもよい。

このように、第４の実施形態では、鍵配送部と通信部とを一体化した装置を備える通信システムでの冗長構成が可能となる。

以上の実施形態では、ＱＫＤシステムＳ１とＱＫＤシステムＳ２の２系統を用いた冗長化（二重化）について説明したが、３系統以上のＱＫＤシステムを備える冗長化であってもよい。また、通信部および鍵配送部のうち一方のみを冗長化してもよい。

また、以上の実施形態では、障害が発生した場合の挙動についてのみ説明したが、障害から復帰したときに、元の動作に戻るための挙動があってもよい。例えば、障害が発生した装置の監視を続け、障害から復帰したと判定したときに、正常動作に戻るような動作が実行されてもよい。

また、冗長構成を設定する際、各装置は、どのような二重化を行うかに関して予め設定されているものとする。例えば、監視対象（制御対象）となる装置の種類、この装置のＩＰ（Internet Protocol）アドレス、監視対象項目の種類、および、冗長構成を組む装置のＩＰアドレス等である。装置は、例えば、起動時に冗長構成について把握し、設定に従って、装置を監視したり、監視対象装置の障害を検出した場合の振る舞いを決定したりする。

また、上記実施形態では、障害を監視する主体を、通信部、鍵配送部、または、鍵蓄積部とした。監視の主体はこれらに限るものではなく、システム上のどこにあっても構わない。例えば、通信装置と異なる監視装置が別途システム上に存在し、この監視装置が必要な監視を行い、障害検出時の必要な制御を行う構成であっても構わない。

以上説明したとおり、第１から第４の実施形態によれば、例えば量子鍵配送技術を用いた通信システムを暗号通信インフラとして利用する場合にも、冗長構成（多重化構成）を実現することにより、信頼性を向上させることが可能となる。

次に、第１〜第４の実施形態にかかる装置（通信装置、監視装置など）のハードウェア構成について図２７を用いて説明する。図２７は、第１〜第４の実施形態にかかる装置のハードウェア構成例を示す説明図である。

第１〜第４の実施形態にかかる装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１などの制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）５２やＲＡＭ（Random Access Memory）５３などの記憶装置と、ネットワークに接続して通信を行う通信Ｉ／Ｆ５４と、各部を接続するバス６１を備えている。

第１〜第４の実施形態にかかる装置で実行されるプログラムは、ＲＯＭ５２等に予め組み込まれて提供される。

第１〜第４の実施形態にかかる装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ（Compact Disk Recordable）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録してコンピュータプログラムプロダクトとして提供されるように構成してもよい。

さらに、第１〜第４の実施形態にかかる装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、第１〜第４の実施形態にかかる装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。

第１〜第４の実施形態にかかる装置で実行されるプログラムは、コンピュータを上述した装置の各部として機能させうる。このコンピュータは、ＣＰＵ５１がコンピュータ読取可能な記憶媒体からプログラムを主記憶装置上に読み出して実行することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、２１０、３１０、４１０ 通信装置
１００、２１００、３１００、４１００ 鍵配送部
１０１ 共有処理部
１０２ 提供部
１１１、２１１、２１１１、２２１１、３２１１、３５１１、４１１１ 監視部
１１２、２１２、２１１２、２２１２、３２１２、３５１２、４１１２ 切替部
２００、２２００、３２００、４２００ 通信部
２０１ 取得部
２０２ 暗号処理部
３５００ 鍵蓄積部
３５０１ 記憶部
４６００ 通信制御部

Claims (8)

1. 外部配送装置との間で量子鍵を共有する量子鍵配送機能を有する複数の鍵配送部と、
   前記量子鍵を用いて外部通信装置と通信する複数の通信部と、
   前記量子鍵配送機能における光子の送受信状況、前記量子鍵の生成状況、および、前記量子鍵の取得状況、の少なくとも１つである稼働状況を監視する監視部と、
   前記稼働状況に応じて、前記鍵配送部および前記通信部のいずれかである制御対象を、第１制御対象から、前記第１制御対象以外の第２制御対象に切り替える切替部と、
   を備える通信装置。
2. 前記通信部は、前記量子鍵配送機能で使用する情報を中継する中継機能を有し、
   前記切替部は、前記稼働状況に応じて、前記中継機能を実行する前記通信部を、第１通信部から、前記第１通信部以外の第２通信部に切り替える、
   請求項１に記載の通信装置。
3. 前記切替部は、前記稼働状況に応じて、前記鍵配送部が前記量子鍵を共有する外部配送装置を、第１外部配送装置から、前記第１外部配送装置以外の第２外部配送装置に切り替える、
   請求項１に記載の通信装置。
4. 前記監視部は、
   前記鍵配送部に備えられ、
   前記量子鍵配送機能における光子の送受信状況、および、前記量子鍵の生成状況の少なくとも１つである稼働状況を監視する、
   請求項１に記載の通信装置。
5. 前記監視部は、
   前記通信部に備えられ、
   前記鍵配送部からの前記量子鍵の取得状況である稼働状況を監視する、
   請求項１に記載の通信装置。
6. 共有された前記量子鍵を記憶する鍵蓄積部をさらに備え、
   前記監視部は、前記鍵蓄積部に備えられる、
   請求項１に記載の通信装置。
7. 外部配送装置との間で量子鍵を共有する量子鍵配送機能を有する複数の鍵配送部と、前記量子鍵を用いて外部通信装置と通信する複数の通信部と、を備える通信装置で実行される通信方法であって、
   前記量子鍵配送機能における光子の送受信状況、前記量子鍵の生成状況、および、前記量子鍵の取得状況、の少なくとも１つである稼働状況を監視する監視ステップと、
   前記稼働状況に応じて、前記鍵配送部および前記通信部のいずれかである制御対象を、第１制御対象から、前記第１制御対象以外の第２制御対象に切り替える切替ステップと、
   を含む通信方法。
8. 複数の通信装置を備える通信システムであって、
   前記通信装置は、
   他の通信装置が備える外部配送装置との間で量子鍵を共有する量子鍵配送機能を有する複数の鍵配送部と、
   前記量子鍵を用いて他の通信装置と通信する複数の通信部と、
   前記量子鍵配送機能における光子の送受信状況、前記量子鍵の生成状況、および、前記量子鍵の取得状況、の少なくとも１つである稼働状況を監視する監視部と、
   前記稼働状況に応じて、前記鍵配送部および前記通信部のいずれかである制御対象を、第１制御対象から、前記第１制御対象以外の第２制御対象に切り替える切替部と、
   を備える通信システム。

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