JP2012080227A - 通信システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
１つの送信装置と複数の受信装置を有するＰＯＮシステムに、光通信量子暗号通信を適用した通信システムを実現する。
【解決手段】
１つの送信装置と複数の受信装置を有するＰＯＮシステムにおいて、送信装置はＹ−００量子暗号を適用した複数の受信装置ごとに共通する暗号鍵を対応付けて管理する管理手段を有する。ある受信装置へデータを送信する場合、管理手段を用いて受信装置に対応付けられた暗号鍵を選択し、その選択した暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生し、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて送信データの多値レベル信号を生成する。Ｙ−００量子暗号を適用した受信装置は、送信装置で管理される共通の暗号鍵を用いて、受信用擬似乱数生成部でＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成し、そのＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて、光電変換器で変換された受信データの多値レベル信号を生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、通信システム及び方法に係り、特に、光通信量子暗号（Ｙ−００）を用いたＰＯＮ(Passive Optical Network)システム及び通信方法に関する。

ＰＯＮ(Passive Optical Network) システム型のＦＴＴＨ（Fiber to the Home）網を用いて、ブロードバンドのＩＰ（Internet Protocol）通信を効率的に実現するイーサーネットＰＯＮシステムが実用化されている。ＥＰＯＮ(Ethernet（登録商標） Passive Optical Network) システムは一般的に一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）から出力されるＴＤＭ方式の光信号を、光分配器で分配して複数のＯＮＵ（Optical Network Unit）に提供する構成である。

ＥＰＯＮシステムは下り方向にブロードキャスト特性を有するので、ＯＬＴから送出された下りフレームは全てのＯＮＵに伝達する。そのため、各ＯＮＵは自らに対して送信されたフレームのみを受信するようにフィルターされている。しかし、盗聴者（不正の加入者）はフレームのフィルターリング機能を変更し或いは偽造して他のＯＮＵになりすまし、他のＯＮＵに送信される重要な情報を簡単に見ることができてしまう。このようなＥＰＯＮ上の通信の安全性確保するために、例えば、特許文献１には、第１タイプのパケットを、第１のshortＭＡＣsecヘッダーと第１の所定のＳＡＫで暗号化するステップと、第１タイプのパケットは、ＥＰＯＮを介してＯＬＴから複数のＯＮＵの内の１つのＯＮＵに送信され、ＯＬＴからＯＮＵへ、第２のshortＭＡＣsecヘッダーを有する第２タイプのパケットを送信するステップと、第２タイプのパケットは、第２の所定のＳＡＫで暗号化されている方法が開示されている。

ところで、本出願人は、Ｙｕｅｎ−２０００量子暗号による光通信量子暗号（Ｙ−００）通信を提唱している。この通信システムは、例えば特許文献２に開示されているように、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、盗聴者によって光信号を正確に受信できなくする通信技術であり、共通鍵量子暗号へ適用することが提唱されている。この共通鍵量子暗号は、２値の光信号を１つのセット（基底という）とし、この基底を複数Ｍ個用意し、何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。現実的には光Ｍ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ので、盗聴者は受信信号からデータ情報を読みとることができず、盗聴を防ぐことができる。

特開２０１０−１５８０２８公報 特開２０１０−１１４６６２公報

上記のように、ＥＰＯＮシステムにはより安全性の高い情報の隠匿性が求められている。また、光通信量子暗号通信は盗聴防止の１つの手段として注目されているが、特許文献１及び２にはいずれも、１つの送信装置と複数の受信装置を持つＥＰＯＮシステムへの光通信量子暗号通信の適用については示唆がない。

本発明の目的は、１つの送信装置と複数の受信装置を有するシステムに、光通信量子暗号通信を適用した通信システムを実現することにある。
本発明は、より具体的には、光通信量子暗号通信を適用して、情報の隠匿性をより向上させることができるＰＯＮシステム及び送信方法を実現することにある。

本発明に係る通信システムは、好ましくは、送信装置と、該送信装置に光伝送路を介して接続された複数ｍの受信装置を含む通信システムにおいて、
該送信装置は；
光通信量子暗号を適用した複数ｎ（但しｎ≦ｍ）の該受信装置ごとに共通する暗号鍵を対応付けて管理する管理手段と、ある受信装置へデータを送信する場合、該管理手段を用いて、該受信装置に対応付けられた該暗号鍵を選択する選択手段と、該選択手段によって選択された該暗号鍵を用いて、該受信装置へ送信するデータに対する多値レベルの光信号を制御する多値暗号処理部を有し、
該複数ｎの各受信装置は；光通信量子暗号を適用した装置であって、該送信装置から送信される光信号を受信して光電変換する光電変換器と、該送信装置で管理される共通の該暗号鍵を用いて、該光電変換器で変換された受信データを二値信号に復号する多値復号化処理部を有する、ことを特徴とする通信システムとして構成される。

好ましい例において、前記送信装置の前記多値暗号処理部は、
前記選択手段によって選択された該暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する送信用擬似乱数生成部と、送信するデータに対して、該送信用擬似乱数生成部で発生される該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて多値光信号を生成する多値光生成部を有し、
前記受信装置の前記多値復号化処理部は、該送信装置で管理される共通の暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する受信用擬似乱数生成部と、該受信用擬似乱数生成部によって発生されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて、該光電変換器で変換された受信データの識別用多値閾値信号を生成する閾値生成部と、該閾値生成部で生成された該識別用多値閾値に従い多値信号を復号する復号処理部とを有する。

また、好ましくは、上記通信システムにおいて、前記管理手段は、光通信量子暗号を適用した受信装置のタイプ（第１タイプ）と、光通信量子暗号を適用しない受信装置のタイプ（第２タイプ）を登録し、かつ、該第１タイプの受信装置について、それぞれの受信装置が用いる共通の暗号鍵を指定する情報を対応付けて登録する管理テーブルを有する。

また、好ましくは、上記通信システムにおいて、前記管理テーブルに登録された前記受信装置のタイプに従って、前記多値暗号処理部からの出力である多値レベルの光信号を通す伝送ラインを選択するか、又は前記多値暗号処理部を通さない伝送ラインを選択するセレクタを有する。

また、好ましくは、上記通信システムにおいて、前記通信システムはＰＯＮシステムであり、
前記送信装置はＯＬＴであり、前記複数の受信装置は、該光伝送路に光分配器を介して接続されるＯＮＵである。

本発明に係る通信方法は、好ましくは、送信装置から光伝送路を介して該複数ｍの受信装置へデータを送信する通信方法であって、
該送信装置において；
光通信量子暗号を適用した複数ｎ（但しｎ≦ｍ）の該受信装置ごとに共通する暗号鍵を対応付けて管理するステップと、
ある受信装置へデータを送信する場合、該受信装置に対応付けられた該暗号鍵を選択するステップと、
該選択された該暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生するステップと、
送信するデータに対して、該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて多値レベル信号を生成するステップを有し、
光通信量子暗号を適用した該複数ｎの受信装置において；
該送信装置から送信される光信号の送信データを受信して光電変換するステップと、
該送信装置で管理される共通の暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生するステップと、
発生された該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて、該光電変換された受信データの識別用多値閾値信号を生成するステップと、該識別用多値閾値に従い多値信号を復号するステップを有する、ことを特徴とする通信方法として構成される。

本発明によれば、光通信量子暗号（Ｙ−００）を適用することで情報の隠匿性を一層向上させた、１つの送信装置と複数の受信装置を持つＰＯＮシステムのような通信システムを実現することが可能である。

一実施例によるＰＯＮシステムの概略を示す図。 一実施例によるＹ−００量子暗号を用いたＰＯＮシステムの構成を示す図。 一実施例のＯＬＴ１１における多値暗号処理の構成を示すブロック図。 一実施例のＯＬＴにおけるＯＮＵの管理テーブルの構成例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
まず、図1に示すＰＯＮシステムを参照して、本発明の原理について説明する。
このＰＯＮシステムは、１台のＯＬＴ（Optical Line Terminal）１１と、複数のＯＮＵ（Optical Network Unit）１３１〜１３ｍ（総じて１３と示す）とを、光伝送路及び光分配器（光スプリッタ或いはスターカプラともいう）１２を介して接続して構成される。
複数のＯＮＵ１３には、Ｙ−００量子暗号を適用したもの（ここではＹ−００ＯＮＵという）と、それを適用していないもの（従来ＯＮＵという）が含まれる。例えば、ＯＮＵ１３１，１３３、１３ｍはＹ−００ＯＮＵであるが、ＯＮＵ１３２は従来ＯＵＮである。これらは、ＯＬＴ１１が有する管理テーブル（図４参照）で管理される。
因みに、従来ＯＮＵはＹ−００量子暗号が適用されていないので、高度な情報の隠匿性が確保されない。従来ＯＮＵは、例えば論理レベルでの特別なアルゴリズムを用いた情報処理によるか、又は上記特許文献１に記載されたセキュリティの確保である。

ＯＬＴ１１においてパケット（下りパケット）Ｐを送出する場合、そのパケットＰは、対応するＯＮＵ１３との間でそれぞれ共有されたｎ個のいずれかの暗号鍵Ｋ（Ｋ１〜Ｋｎ）を用いて暗号化されて、光伝送路へ送出される。例えば、パケットＰ１、Ｐ２は暗号鍵Ｋ１、Ｋ２で暗号化されるが如きである。なお、いずれのＹ−００ＯＮＵ宛てでもないパケットについては、これらの暗号鍵で暗号化されない。

ＯＮＵ１３では、自身の付与された共通の暗号鍵Ｋｉを用いて受信したパケットを復号化する。この時、自分のＯＮＵ宛てでないパケットについては、共通暗号鍵Ｋｉが一致しないので、送信データを正しく復号化することが出来ない。なお、上りパケットについても同様に、各ＯＮＵとＯＬＴ１１との間で共有された共通暗号鍵を用いて暗号化して、ＯＬＴ１へ送信することにより、情報の秘匿性を向上させことが出来る。

図２は、Ｙ−００量子暗号を用いたＰＯＮシステムにおける、主としてＯＬＴとＯＮＵの多値暗号処理部の構成を示す。図１に示したＯＮＵ１３２は従来ＯＮＵなので、図２には示されていない。図２の、光伝送路１９を挟んで、左側は送信装置のＯＬＴ１１、右側は受信装置の複数のＹ−００ＯＮＵ１３である。

ＯＬＴ１１は、Ｙ−００ＯＮＵの台数ｎ分の暗号鍵Ｋを管理しており、暗号鍵Ｋの入力により擬似乱数を生成してＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する送信用擬似乱数生成部１１２と、１または０の送信データを発生する送信データ発生部１１４と、送信データに対してＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて多値レベルのアナログ信号（多値レベル信号）を生成する多値光生成部１１３を有して構成される。

受信側のＹ−００ＯＮＵ１３１，１３３は多値復号化処理部であり、光伝送路１９及び光分配器１２を通過した光信号を受信して光電変換する光電変換器１３１３、１３３３と、ＯＬＴ１１と共有された暗号鍵Ｋの入力により送信側擬似乱数生成部１０２と、同期がとられた同一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する受信側の擬似乱数生成部１３１２、１３３２と、閾値生成部１３１４、１３３４を有して構成される。（なお、Ｙ−００ＯＮＵ１３１，１３３は同じ構成なので、以下、Ｙ−００ＯＮＵ１３１側の符号のみを引用する）。閾値生成部１３１４は、光電変換器１３１３で受信した光信号を擬似乱数生成部１３１２から生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて多値信号判定用の受信閾値を生成する。復号処理部１３１５は受信閾値に従い、１と０との判定（弁別）を行って受信データを出力する。

このような構成のＰＯＮシステムにおいて、ＯＬＴ１１の送信データ発生部１１４で発生した送信データは、多値光生成部１１３でＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に従って多値光信号として生成され、光伝送路１９及び光分配器１２を通って、全てのＯＮＵ１３へ送信される。
ＯＮＵ１２３では、受信した光多値信号は光電変換器１３１３で光電変換される。更に、Ｙ−００ＯＮＵのうち共通の暗号鍵Ｋ１を有するＹ−００ＯＮＵ１３１では、ＯＬＴ１１で暗号化に用いられたものと同じ暗号鍵Ｋ１を用いて、擬似乱数生成部１３１２でＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する。そのＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて閾値生成部１３１４で受信閾値を生成し、復号処理部１３１５で受信データとして判別して、出力する。この場合、指定された暗号鍵Ｋを持たないＯＮＵ、即ち他のＹ−００ＯＮＵや従来のＮＯＵでは、ＯＬＴ１１側で使用した暗号鍵Ｋと一致しないので、光電変換されたデータは復号化されないので、送信データの秘匿性を向上させことが出来る。

図３はＯＬＴにおける多値暗号処理の構成ブロックを示す。
ＯＬＴ１１は、送信データに対する論理的な暗号処理を行う上位層１０１と、送信データの送信先アドレスや送信元アドレスの指定、フレーム化処理、アクセス管理などの処理を行うＭＡＣ（Media Access Control）１０２と、Ｙ−００多値暗号処理を行う物理層１０３から構成される。上位層１０１における論理的な暗号処理は本発明には直接関係しないが、従来の暗号アルゴリズムを用いた処理が行われる。

本発明の特徴の１つとして、各ＯＮＵ１３の暗号鍵の管理があげられる。そのために、ＭＡＣ１０２は、図４に示すような、ＯＮＵ管理テーブル４０を有する。このＯＮＵ管理テーブル４０は、ｍ台全てのＯＮＵ１３について、そのＯＮＵタイプとＹ−００暗号鍵を指定する番号を登録する。ＯＮＵタイプは、ＯＮＵ１３がＹ−００量子暗号対応のＯＮＵ（Ｙ−００ＯＮＵ）か、又はそれ以外のＯＮＵ（従前ＯＮＵ）を表す。Ｙ−００ＯＮＵには、暗号鍵を指定する番号が登録される。ここで、ＯＮＵ番号＃１〜＃ｍは、各ＯＮＵ１３に固有のＭＡＣアドレスに関連付けられたものであるが、各ＯＮＵのＭＡＣアドレスが直接登録されてもよい。

一方、各Ｙ−００ＯＮＵは、ＯＮＵ管理テーブル４０に登録された暗号鍵を有し、その暗号鍵で生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵を用いて、受信データの復号化処理を行う。
物理層１０３は、主に、多値暗号処理部１０４と、セレクタ１０５を有する。多値暗号処理部１０４は図２の符号１１の部分に対応する。セレクタ１０５は、ＯＮＵ管理テーブル４０のＯＮＵタイプ選択の信号１０７に基づいて、ＭＡＣ１０２からの送信データの伝送ライン１０８又は１０９のいずれかを選択する。

さて、上位層１０１で作成された送信データは、ＭＡＣ１０２に送られて、そこでフレーム化処理される。ＭＡＣ１０２では更に、送信先アドレスを基にＯＮＵ管理テーブル４０が参照されて、送信先のＯＮＵのタイプが判別される。その結果、もし送信先が従来ＯＮＵ（即ちOther）の場合、セレクタ１０５は、ＯＮＵタイプ選択信号１０７により伝送ライン１０９を選択して、送信データをそのまま送出する。
一方、送信先がＹ−００ＯＮＵの場合には、ＯＮＵ管理テーブル４０により送信先のＯＮＵに対応した暗号鍵Ｋｉが選択されて、多値暗号処理部１０４で、図２に示したような、多値レベル信号が生成される。さらに、セレクタ１０５は、ＯＮＵタイプ選択信号１０７によって伝送ライン１０８を選択して、多値暗号処理部１０４から出力される多値レベル信号の送信データを送出する。

本実施例によれば、１台のＯＬＴに、複数のＯＮＵ、とりわけＹ−００量子暗号を適用したＹ−００ＯＮＵと、それを適用していない従来ＯＮＵが混在したＰＯＮシステムにおいて、強固な情報の隠匿性を確保することができる。即ち、情報のセキュリティ確保のために従来から提唱されているような、ＯＬＴ１１における送信データの論理的な処理や、送信先の複数のＯＮＵのＭＡＣアドレスの管理に不具合があったとしても、Ｙ−００量子暗号を適用したＹ−００ＯＮＵでは受信データの隠匿性を保つことが可能である。

以上、光通信量子暗号を適用したＰＯＮシステムの例について説明したが、本発明はＰＯＮシステムに限らず、１つの送信装置と複数の受信装置が光通信路で接続される光通信量子暗号通信システムに適用可能である。また、時分割多重に限らず、波長多重方式においても、波長ごとに異なる鍵を用いるなどして、応用が可能である。

１１：ＯＬＴ １２：光分配器 １３、１３１、１３２、１３３〜１３ｎ：ＯＮＵ
１９：光伝送路 Ｋ１、Ｋ６、〜Ｋ１９：暗号鍵 Ｐ１〜Ｐi：パケット
１１２：擬似乱数生成部 １１３：多値光生成部 １１４：送信データ発生部
１３１２、１３３２：擬似乱数生成部 １３１３、１３３３：光電変換器 １３１４，１３３４：閾値生成部 １３１５，１３３５：復号処理部
１０１：上位層 １０２：ＭＡＣ １０３：物理層 １０４：多値暗号処理部 １０５：セレクタ。

Claims (6)

1. 送信装置と、該送信装置に光伝送路を介して接続された複数ｍの受信装置を含む通信システムにおいて、
   該送信装置は；
   光通信量子暗号を適用した複数ｎ（但しｎ≦ｍ）の該受信装置ごとに共通する暗号鍵を対応付けて管理する管理手段と、ある受信装置へデータを送信する場合、該管理手段を用いて、該受信装置に対応付けられた該暗号鍵を選択する選択手段と、該選択手段によって選択された該暗号鍵を用いて、該受信装置へ送信するデータに対する多値レベルの光信号を制御する多値暗号処理部を有し、
   該複数ｎの各受信装置は；
   光通信量子暗号を適用した装置であって、該送信装置から送信される光信号を受信して光電変換する光電変換器と、該送信装置で管理される共通の該暗号鍵を用いて、該光電変換器で変換された受信データの多値レベル信号を生成する多値復号化処理部を有する、
   ことを特徴とする通信システム。
2. 前記送信装置の前記多値暗号処理部は、
   前記選択手段によって選択された該暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する送信用擬似乱数生成部と、送信するデータに対して、該送信用擬似乱数生成部で発生される該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて多値レベル信号を生成する多値光生成部を有し、
   前記受信装置の前記多値復号化処理部は、該送信装置で管理される共通の暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する受信用擬似乱数生成部と、該受信用擬似乱数生成部によって発生されるＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて、該光電変換器で変換された受信データの識別用多値閾値信号を生成する閾値生成部と、該閾値生成部で生成された該識別用多値閾値に従い多値信号を復号する復号処理部とを有する、ことを特徴とする請求項１の通信システム。
3. 前記管理手段は、光通信量子暗号を適用した受信装置のタイプ（第１タイプ）と、光通信量子暗号を適用しない受信装置のタイプ（第２タイプ）を登録し、かつ、該第１タイプの受信装置について、それぞれの受信装置が用いる共通の暗号鍵を指定する情報を対応付けて登録する管理テーブルを有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２の通信システム。
4. 前記管理テーブルに登録された前記受信装置のタイプに従って、前記多値暗号処理部からの出力である多値レベルの光信号を通す伝送ラインを選択するか、又は前記多値暗号処理部を通さない伝送ラインを選択するセレクタを有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項記載の通信システム。
5. 前記通信システムはＰＯＮシステムであり、
   前記送信装置はＯＬＴであり、
   前記複数の受信装置は、該光伝送路に光分配器を介して接続されるＯＮＵである、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項記載の通信システム。
6. 送信装置から光伝送路を介して該複数ｍの受信装置へデータを送信する通信方法であって、該送信装置において；
   光通信量子暗号を適用した複数ｎ（但しｎ≦ｍ）の該受信装置ごとに共通する暗号鍵を対応付けて管理するステップと、
   ある受信装置へデータを送信する場合、該受信装置に対応付けられた該暗号鍵を選択するステップと、
   該選択された該暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生するステップと、
   送信するデータに対して、該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて多値レベル信号を生成するステップを有し、
   光通信量子暗号を適用した該複数ｎの受信装置において；
   該送信装置から送信される光信号の送信データを受信して光電変換するステップと、
   該送信装置で管理される共通の暗号鍵を用いてＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生するステップと、
   発生された該Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて、該光電変換された受信データの識別用多値閾値信号を生成するステップと、該識別用多値閾値に従い多値信号を復号するステップを有する、ことを特徴とする通信方法。

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