JPH08503113A - 通信システムにおいてデータ・ストリームの暗号化保護を提供する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 暗号化によりデータ・ストリームの保護を行う方法および装置を、通信システム用オープン・システム相互接続（ＯＳＩ）モデルにしたがって記載する。この暗号化保護は、送信側において、ネットワーク・レイヤから受信したデータ・ストリームから得られたパケットにパケット・シーケンス番号を割り当てることによって達成される。続いて、送信オーバフロー・シーケンス番号を、前記パケット・シーケンス番号の関数として更新する。次に、前記パケットおよびパケット・シーケンス番号を物理レイヤ上で通信する前に、前記パケット・シーケンス番号と送信オーバフロー・シーケンス番号との関数として、前記パケットを暗号化する。受信側では、前記パケット・シーケンス番号を前記物理レイヤから抽出する。更に、前記パケット・シーケンス番号の関数として、受信オーバフロー・シーケンス番号を更新する。最後に、前記パケット・シーケンス番号と受信オーバフロー・シーケンス番号との関数として、前記暗号化されたパケットを暗号解読する。加えて、データ・ストリームの暗号化保護を含む通信システムにおいて用いるための送信および受信用通信装置についても記載する。

Description

【発明の詳細な説明】 通信システムにおいてデータ・ストリームの 暗号化保護を提供する方法および装置 技術分野 本発明は通信システムに関し、更に特定すれば、通信システムにおける暗号化 保護に関するものである。 発明の背景 多くの通信システムは、現在暗号を用いてシステムの機密保持を強化する。こ れらの通信システムは、応用（application），提示（Presenntation），セッシ ョン（sesion），輸送（trannsport），ネットワーク，リンクおよび物理レイヤ （physical layer）を含む７のレイヤから成るオープン・システム相互接続（Ｏ ＳＩ：Open Systems Interconnection）モデルにしたがって記述することができ ることを当事者には認められたい。ＯＳＩモデルは、国際標準機構（ＩＳＯ）に よって開発され、１９９３年、Addison-Wesley Publishing Company，Inc.，か ら出版されたMotorola Codexによる「The Basic Book of OSI and Network Mana gement」（第１版１９９２年９月）に記載される。 通信システムには、セルラ無線電話通信システム，個人通信システム，ページ ング・システム，ならびに有線および無 線デ−タ・ネットワークが含まれるが、これらに限定されない。一例として、セ ルラ通信システムについて以下に述べる。しかしながら、ここで述べる暗号化技 術は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、他の通信システムにも容 易に拡張可能であることは、当業者には認められよう。 ここでセルラ通信システムに移って、これらのシステムは、一般的に、無線周 波数（ＲＦ）通信リンクを介して固定ネットワーク通信装置（即ち、基地局）と 交信する加入者装置（移動機または携帯装置等）を含む。セルラ通信システムで は、ＲＦ通信リンクが無許可の情報侵入（spoofing）や情報抜取（eavesdroppin g）を最も受け易いので、これが暗号システムの主要な目標となる。これらの通 信リンクにおける情報は、性質が疑似ランダムな疑似ノイズ（ＰＮ：pscudo-noi se）で情報を暗号化することによって暗号的に保護することは、当技術では公知 である。例えば、送信の前に、情報信号とＰＮ信号との排他的論理和演算を行う ことによって、暗号化を達成することができる。後に、受信プロセスにおいて、 逆演算を行えばよい。 更に、認証プロセスにおいて用いられる別の暗号化技術が、United States Di gital Cellular（USDC）standard（ＩＳ−５４およびＩＳ−５５として知られる ）に記載され、Electronic Industries Association（EIA），2001 Eye Street ，N．W.，Washington，D．C．20006によって出版される。ＵＳＤＣ暗号化技術は 、通信システムの加入者装置と基地局の通信装置との間で受け渡す一連の特別な メッセージを利用し、共有秘密データ（ＳＳＤ：shared secret data）暗号化変数（即ち、加入者装置と、通信リンクを形成する通信装置には既 知の暗号化キー）を発生して、認証 （即ち、ＳＳＤ_Aキー）および音声守秘関 数（voice privacy function）（即ち、ＳＳＤ_Bキー）を得なければならない。 ＵＳＣＤ音声守秘暗号化プロセスは、各連続音声パケットに繰り返し用いられ る短い無変化ＰＮシーケンスを用い、一般的な無冗長音声信号には十分なのであ るが、パケット化されたデータ通信システムに典型的な冗長度の高いデータ・ス トリームに用いるには最適化されない。パケット化データによって、一般的な暗 号化プロセスに更に別の問題が生じる。データのパケットは、物理的な通信リン クに信頼性がないこと、およびこの信頼性欠如を補うために用いられるアルゴリ ズムのために、加入者装置または基地局通信装置に、異なる時刻で到達すること がある。これら「パケット化」されたデータ・パケットは、それらが形成された のと同じ順序で再構成しさえすればよい。したがって、パケット化されたデータ に伴う上述の問題を軽減することができる暗号化技術が必要とされる。 発明の概要 かかる必要性およびその他は、通信システムにおいてデータ・ストリーム（da ta stream）の暗号化保護を行う方法および装置を提供することによって、実質 的に満たされる。記載する通信システムは、応用，提示，セッション，輸送，ネ ットワーク，リンク，および物理レイヤを含む７のレイヤから 成る、ＯＳＩモデルにしたがうものである。この暗号化保護は、送信側では、ネ ットワーク・レイヤから受信されるデータ・ストリームから得られるパケットに 、パケット・シーケンス番号を割り当てることによって達成される。次に、送信 オーバフロー・シーケンス番号は、パケット・シーケンス番号の関数として更新 される。次に、物理レイヤ上でパケットとパケット・シーケンス番号とを通信す る前に、パケット・シーケンス番号と送信オーバフロー・シーケンス番号（tran smit overflow sequence number）との関数として、パケットを暗号化する。受 信側では、パケット・シーケンス番号を物理レイヤから抽出する。更に、パケッ ト・シーケンス番号の関数として、受信オーバフロー・シーケンス番号を更新す る。最後に、暗号化されたパケットを、パケット・シーケンス番号と受信オーバ フロー・シーケンス番号との関数として暗号解読（decrypt）する。さらに、デ ータ・ストリームの暗号化保護を備えた通信システムにおいて用いる送信および 受信通信装置についても記載する。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明によるデータ・ストリーム暗号化保護機能を有する通信シス テムの好適な実施例を示すブロック図である。 発明の詳細な説明 ここで第１図を参照して、本発明によるデータ・ストリームの暗号化保護機能 を有する好適な実施例の通信システム１００が示される。以下、この通信システ ムをＯＳＩモデルにしたがって説明する。この点について、データ・リンク・レ イヤ（即ちレイヤ２）の送信部１０２は、加入者通信装置または基地局通信装置 のいずれに配置してもよいことを、当業者は理解されたい。同様に、データ・リ ンク・レイヤの受信部１０４も、加入者通信装置または基地局通信装置のいずれ に配置してもよい。さらに、送信部１０２と受信部１０４との間の送信方向は、 アップリンク（即ち、加入者装置から基地局装置）またはダウンリンク（即ち、 基地局装置から加入者装置）のいずれでもよい。 好適な実施例の通信システム１００の暗号保護方式は、AT&T Bell Laboratori es，1000 East Warrenville Road，Naperville,Illinois 60566-7013によって提 案された「Description of Receiver State Feedback Protocol」と共に用いる ために最適化される。これは、１９９３年７月７日、Woodmark Hotcl in Kirkla nd，WashingtonにおけるData Serviccs Task Groupで、Telecommunications Ind ustry Association（TIA）subcommittee TR45．3．2．5 for Digital Cellular Systemsに紹介される。しかしながら、本発明の範囲または精神から逸脱するこ となく、前記データ・パケット・シーケンス番号（ＳＮ）にデータ・パケット・ フレーム・カウンタのための拡張部を付け加えて使用することにより、ここに記 載する好適な実施例には、いずれの自動反復要求（ＡＲＱ）方式でも利 用できることを、当業者は認められたい。更に、好適な実施例において用いられ る同期暗号化方式（synchronous cipher scheme）は、シーケンス香号を各パケ ットに付与するいずれのパケット化データ・システムとでも利用することができ る。 第１図では、物理レイヤ１ １１２，１６２上で前述のReceiver State Fecdb ackプロトコルを信頼性高く用いて、ネットワーク・レイヤ３から入りネットワ ーク・レイヤ３１６０に行くデータ・ストリーム１０８（データ・ストリーム１ ５８と改名される）が、データ・リンク・レイヤ２の送信部１０２から、データ ・リンク・レイヤ２の受信部１０４に送信される。好ましくは、このデータ・ス トリームは、システム制御情報，短いメッセージ，グラフィック画像情報，圧縮 音声，テキスト・データ，および／または、無線通信リンクを通じて転送するた めにデジタル化することができるあらゆる形状のデータを含む、デジタル化情報 信号で構成される。疑似ランダム・ビット発生器１０６，１５６をそれぞれ用い て、データ・ストリーム１０８，１５８をそれぞれ暗号化および暗号解読するた めの、暗号化マスク（encrypt mask）および暗号解読マスク（decrypt mask）を 発生する。各疑似ランダム・ビット発生器１０６，１５６は、セッション・キー およびフレーム番号を用いて、各データ・フレームの再初期化を行う。好ましく は、セッション・キーは、共用秘密データ（ＳＳＤ）キーであり、現在データ・ ストリームの転送を行う通信装置によって既に完了した認証プロセスから得られ たものである。さらに、フレーム番号は、好ましくはＡ ＲＱ形式の副作用（side cffect）として保持される３２ビット数である。フレ ーム番号は、好ましくは以下の表１に示す構造を有する。 上位ビットは、データ・ストリーム転送の方向を示し、一旦各方向で下位ビッ トがＡＲＱシーケンス番号ＳＮと同一になると、同一暗号化マスクの反復使用を 防止するために用いられ、中央ビット群は、オーバフロー・カウンタであり、シ ーケンス番号ＳＮが一周する（rolls over）毎に増分される。 第１図からわかるように、暗号化１２０は、データ・ストリーム１０８を２１ バイト・パケットに区分し（１１４）、７ビット長のＡＲＱシーケンス番号ＳＮ が割り当てられた（１１６）後で、データ・セグメントがＡＲＱ反復機構１１８ に入る前に、レイヤ３上でデータ・ストリーム１０８に対して行われる （例え ば、パケット化データ・ストリーム１２６の暗号化マスク１２８との排他的論理 和演算を行う）。ＳＮ１１６が一周したとき（例えば、オーバフロー信号１２２ で指示される）、２４ビット長のオーバフロー・カウンタ１２４を増分する。各 レイヤ２のパケット化データ・ストリーム・セグメントは暗号化され、次にＡＲ Ｑ送信バッファ１１８に入力され、レイヤ１ １１２，１６２上のＡＲＱ機構に よって、レイヤ２の受信部１０２に送信される。レイヤ２のヘッダ情報（シーケ ンス番号を含む）は暗号化されない。暗号化１２０はＡＲＱ反復機構上で行われ るので、ＡＲＱ機構１１２，１１８，１６２，１６８が何回データ・リンクを通 じてデータ・セグメント送信するように要求しようが、各データ・セグメント１ ２６が暗号化されるのは１度だけである。 データ・リンク・レイヤ２の受信部１０４では、ＡＲＱ機構がレイヤ２のフレ ームを受信バッファ１６８内に蓄積する。受信バッファ１６８は、シーケンス外 れ（out of sequence）で受信されたレイヤ２のフレーム２を保持するために用 いられる。一旦以前のフレームを全て信頼性高く受信したなら、７ビット長のＳ Ｎを抽出し（１６６）、ＳＮが一周したならオーバフロー・カウンタ１７４を増 分する（例えば、オーバフロー信号１７２で示される）。ＳＮおよびオーバフロ ー・カウンタは、セッション・キー（即ち、ＳＳＤ）と共に用いられ、レイヤ２ のパケット化データ・ストリーム・セグメントを暗号化するのに用いたのと同一 の疑似ランダム・ビット・ストリーム１７８（即ち、暗号解読マスク）を発生す る（１５６）。その後、パケット化データ・ストリーム・セグメント１７８をセ グメント１７６の各々を正確な順序で暗号解読する暗号解読装置１７０に送る。 各セグメントを暗号解読した後、レイヤ３のデータ・ストリーム１５８を、２１ バイト長のパケットから再生する（１６４）。受信部分１０４のＡＲＱバッファ １６８上に暗号解読部を配置することによって、それぞれのデータ・フレームが 物理レイヤ１１２，１６２の通信リンクを通じて送信される回数には無関係に、 １回だけ暗号解読されることに注意されたい。 これまで述べた好適な実施例の暗号保護方式（即ち、同期暗号方式（synchron ous cipher scheme））は、ネットワーク・レイヤ３に実施することができる非 同期暗号化方式よりも安定（robust）であることは、当業者には認められよう。 例えば、ＡＲＱ方式ではエラーのあるデータ・セグメント（corrupted data seg ment）の検出ができない場合、正しくない数のデータ・バイトがレイヤ３に送ら れる可能性が高い。暗号化がレイヤ３で行われる場合、パケットが１つ失われた だけで、後続のデータ・パケットが全て誤って暗号解読されることになる。しか しながら、レイヤ２で暗号化すれば、各データセグメントに対して同期暗号（sy nchronouscipher）が暗号解読装置１７０を再起動するので、エラーを含むデー タ・セグメントのみ失われる。次いで、後続のデータ・フレームは、全て正しく 暗号解読される。 別の実施例では、ＡＲＱ機構を用いない場合、レイヤ２において、シーケンス 番号ＳＮを有する同様のセグメント構造を用いることによって、データ・ストリ ーム１０８を処理できる。しかしながら、自動反復がないので、パケット化され た各データ・ストリーム・セグメントを暗号化し、１回のみ送信する。さらに、 レイヤ２の受信部分１０４は、セグメント（パケット）を連続的に受信すること を予測する。シーケンス番号は大きいので、受信部１０４のオーバフロー・カウ ンタ１７４の状態に曖昧さを生じることなく、６３個までの連続データ・セグメ ント（パケット）を失う可能性がある。オーバフロー・カウンタ１２４，１７４ を明確に初期化する ためには、呼の起動時に承認メッセージの交換（exchange of acknowledge mess age）、および、それに続いてハンドオフが必要であることに注意されたい。 別の関心事は、セルラ・システムにおいて、通信チャネルのハンドオフを介し て暗号化をどのように処理するかであり、これを処理する最良の方法は、ハンド オフの間の無線リンク・プロトコル（ＲＬＰ：Radio link protocol）が正確な 動作をするか如何による。しかしながら、新しいデータ・リンクを確立するとき は、一般的にシーケンス番号ＳＮをリセットする。このようにＲＬＰが動作する なら、オーバフロー・カウンタは、ハンドオフ以前の値より１大きい値に初期化 されることになる。オーバフロー・カウンタ１２４，１７４の状態を通信するた めには、ハンドオフの間のメッセージ承認の交換も必要となろう。 次に、第１図を参照して、本発明の好適な実施例を要約する。物理レイヤ（レ イヤ１），データ・リンク・レイヤ（レイヤ２），およびネットワーク・レイヤ （レイヤ３）を有する通信システム１００において、データ・ストリームの暗号 化保護を行う方法および装置を示す。暗号化保護は、ネットワーク・レイヤ１１ ０から受信したデータ・ストリームを複数のパケットに区分する（１１４）こと によって行われる。パケット・シーケンス番号を、複数のパケットの各パケット に割り当てる（１１６）。さらに、各送信オーバフロー・シーケンス番号を、各 パケット・シーケンス番号の関数として更新する（１２４）。更に、各送信オー バフロー・シーケンス番号を修正し（１２４）、送信方向を示す。この送信方向 は、アップリンク送信またはダウンリンク送信でもよい。複数のパケットの各個 別パケットを、所定のセッション・キー，個別パケットに関連付けられたパケッ ト・シーケンス番号，および個別パケットに関連付けられた修正送信オーバフロ ー・シーケンス番号の関数として暗号化する（１２０）。複数の暗号化されたパ ケットは、以後の送信のために、バッファされる（１１８）。暗号化された複数 のパケットおよび各パケットに関連付けられたパケット・シーケンス番号を、物 理レイヤ１１２，１６２上で送信する。 受信部１０４では、暗号化された複数のパケットおよび各パケットに関連付け られたパケット・シーケンス番号を、物理レイヤから受信バッファ１６８に受信 する。各シーケンス番号を受信バッファから抽出する（１６６）。さらに、複数 のパケットを受信バッファ１６８内部で組成して、複数のパケットが受信バッフ ァからシーケンス番号の順序に抽出されることを保証する。更に、受信オーバフ ロー・シーケンス番号を、各パケット・シーケンス香号の関数として更新する （１７４）。受信オーバフロー・シーケンス番号を修正して受信方向を指示する 。この場合、受信方向はアップリンク受信またはダウンリンク受信のいずれかで ある。続いて、受信バッファ内の複数のパケットの各暗号化パケットを、所定の セッション・キー，特定パケットに関連付けられたパケット・シーケンス番号， および特定パケットに関連付けられた修正受信オーバフロー・シーケンス番号の 関数として暗号解読する（１７０）。最後に、暗号解読された複数のパケットを 連結し（concatenate）（１６４）、ネットワーク・レイヤ１６ ０に送出する受信データ・ストリーム１５８を形成する。 本発明をある程度特定して記載し図示したが、本実施例の開示は例示のための ものであり、構成要素およびステップの配列や組み合わせにおける多数の変更が 、請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業 者には思いつくであろう。例えば、通信チャネルは、代替的に、電子データ・バ ス，コンピュータ・ネットワーク・ライン，有線，光ファイバ・リンク，衛星リ ンク，或いはその他のタイプの通信チャネルとすることもできる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 よび受信用通信装置についても記載する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物理レイヤ，データ・リンク・レイヤ，およびネットワーク・レイヤを有す る通信システムにおいて、データ・ストリームの暗号による保護を提供する方法 であって： （ａ）前記ネットワーク・レイヤから受信したデータ・ストリームから得られた パケットに、パケット・シーケンス番号の割り当てステツプ； （ｂ）前記パケット・シーケンス番号の関数として、送信オーバフロー・シーケ ンス番号の更新； （ｃ）前記パケットおよび前記パケット・シーケンス番号を前記物理レイヤ上で 通信する前に、前記パケットを前記パケツト・シーケンス番号と前記送信オーバ フロー・シーケンス番号との関数として暗号化； （ｄ）前記物理レイヤから前記パケット・シーケンス番号の抽出ステツプ； （ｅ）前記パケット・シーケンス番号の関数として、受信オーバフロー・シーケ ンス番号の更新ステップ；および （ｆ）前記パケット・シーケンス番号と前記受信オーバフロー・シーケンス番号 との関数として前記暗号化されたパケットの暗号解読ステップ； から成ることを特徴とする方法。 ２． （ａ）各送信オーバフロー・シーケンス番号を修正して、アップリンク送 信およびダウンリンク送信から成る群から選択される送信方向を示すことを含む 前記送信オーバフロー・シーケンス番号を更新するステップ； （ｂ）各受信オーバフロー・シーケンス番号を修正して受信方向を示すことを含 む前記受信オーバフロー・シーケンス番号を更新するステップ； から構成されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．（ａ）更に、前記暗号化されたパケットをバッファするステツプ； （ｂ）更に、前記暗号化されたパケットと、前記パケットに関連付けられたパケ ット・シーケンス番号とを、前記物理レイヤ上で送信するステップ； （ｃ）更に、前記暗号化されたパケットと前記パケットに関連付けられたパケッ ト・シーケンス番号とを、前記物理レイヤから受信バッファに受信するステップ ；および （ｄ）前記受信バッファから前記パケット・シーケンス番号を抽出すること前記 抽出ステップ； から成ることを特徴とする請求項１記載の方法。 ４．（ａ）前記復号化されたパケットを別の暗号解読されたパケットと連結し、 受信データ・ストリームを形成するステップ；および （ｂ）前記受信デ−タ・ストリームを前記ネットワーク・レイヤに送出するステ ップ； をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。 ５．物理レイヤ，データ・リンク・レイヤ，およびネットワーク・レイヤを有す る通信システムにおいて、データ・ストリームの暗号による保護を提供する送信 用通信装置であって： （ａ）前記ネットワーク・レイヤから受信したデータ・ストリームから得られた パケットに、パケット・シーケンス番号 を割り当てる割り当て手段； （ｂ）前記割り当て手段に動作的に結合され、前記パケット・シーケンス番号の 関数として、送信オーバフロー・シーケンス番号を更新する更新手段；および （ｃ）前記割り当て手段および前記更新手段に動作的に結合され、前記パケット および前記パケット・シーケンス番号を前記物理レイヤ上で通信する前に、前記 パケットを前記パケット・シーケンス番号と前記送信オーバフロー・シーケンス 番号との関数として暗号化する暗号化手段； を有するデータ・リンク・レイヤ装置を含むことを特徴とする送信用通信装置。 ６．前記物理レイヤは、電子データ・バス，コンピュータ・ネットワーク・ライ ン，有線，光ファイバ・リンク，衛星リンク，および無線通信リンクから成る群 から選択される通信チャネルを含むことを特徴とする請求項５記載の送信用通信 装置。 ７．物理レイヤ，データ・リンク・レイヤ，およびネットワーク・レイヤを有す る通信システムにおいて、データ・ストリームの暗号による保護を提供する受信 用通信装置であって： （ａ）前記物理レイヤからパケット・シーケンス番号を抽出する抽出手段； （ｂ）前記抽出手段に動作的に結合され、前記パケット・シーケンス番号の関 数として、受信オーバフロー・シーケンス番号を更新する更新手段；および （ｃ）前記抽出手段および前記更新手段に動作的に結合され、前記パケット・ シーケンス番号と前記受信オーバフロー・シ ーケンス番号との関数として、暗号化されたパケットを暗号解読する暗号解読手 段； を有するデータ・リンク・レイヤ装置を含むことを特徴とする受信用通信装置。 ８．前記物理レイヤは、電子データ・バス，コンピュータ・ネットワーク・ライ ン，有線，光ファイバ・リンク，衛星リンク，および無線通信リンクから成る群 から選択される通信チャネルを含むことを特徴とする請求項７記載の受信用通信 装置。 ９．物理レイヤ，データ・リンク・レイヤ，およびネットワーク・レイヤを有す る通信システムにおいて、暗号によってデータ・ストリームの保護を行う方法で あって： （ａ）前記ネットワーク・レイヤから受信したデータ・ストリームから得られた パケットに、パケット・シーケンス番号の割り当て； （ｂ）前記パケット・シーケンス番号の関数として、送信オーバフロー・シーケ ンス番号の更新ステップ；および （ｃ）前記パケットおよび前記パケット・シーケンス番号を前記物理レイヤ上で 通信する前に、前記パケットを前記パケット・シーケンス番号と前記送信オーバ フロー・シーケンス番号との関数として暗号化ステップ； から成ることを特徴とする方法。 １０．物理レイヤ，データ・リンク・レイヤ，およびネットワーク・レイヤを有 する通信システムにおいて、データ・ストリームの暗号による保護を提供する方 法であって： （ａ）前記物理レイヤからパケット・シーケンス番号の抽出 ステップ； （ｂ）前記パケット・シーケンス番号の関数として、受信オーバフロー・シーケ ンス番号の更新ステップ；および （ｃ）暗号化されたパケットを、前記パケット・シーケンス番号と前記受信オー バフロー・シーケンス番号との関数として暗号解読ステップ； から成ることを特徴とする方法。