秘話
音声周波数反転 (Voice Frequency Inversion) 法、あるいはスペクトル反転法は、その名の通り音声の周波数スペクトルを反転させる秘話方式である。この方式の秘話装置は単純にインバータと呼ばれる場合もある。
電話回線で一般的に扱われる0.3kHzから3.4kHzまでの音声信号の場合、例えば0.3kHzの周波数成分は3.4kHzに、3.4kHzの周波数成分は0.3kHzに変換することで周波数スペクトルの形を変え聞き取りにくくする。復調は受信側で同じ操作を行って再度反転させれば元の周波数スペクトルに戻る。
周波数反転は混合器とローパスフィルタから成る比較的単純なアナログ回路で実現できる。先ほどの周波数の場合であれば、基準となるキャリア周波数(反転周波数)3.7kHzの信号で音声信号を変調することでキャリア周波数に対する和の周波数成分(キャリア周波数+音声周波数)と差の周波数成分(キャリア周波数-音声周波数)とを発生させる。その後ローパスフィルターで差の周波数成分のみを取り出せば、音声信号の0.3kHzの周波数成分は3.7kHz-0.3kHz=3.4kHzに、3.4kHzの周波数成分は3.7kHz-3.4kHz=0.3kHzに変換できる。
簡単な回路で実現できるため最も古くから使われている秘話方式で、短波帯の国際無線電話用として1920年代から使われた。多くの国の警察無線でもデジタル化以前の通信機で長く使われ、日本のアナログ式コードレス電話の盗聴防止機能としても使われた。
しかし独自の信号検出理論の論文を書き終えたばかりで 基礎研究に強い関心を持っていたコテルニコフは研究所にとどまることを希望し、これは実現しなかった。コテルニコフは後に政府の秘話装置評価委員会の技術メンバーとして開発後の秘話装置に関係するが、その後は秘話や暗号の分野から離れ、信号検出理論を応用した宇宙船のテレメトリーシステムや惑星探査用レーダーの開発などソビエト宇宙開発計画のキープレイヤーとして活躍することになる。
1947年の秋にはワーキンググループによる具体的な方針が決まった。1948年1月21日にはスターリンを議長とするソビエト連邦閣僚会議による布告が出され、1948年2月19日に政府用の秘話装置の研究所をモスクワ郊外のマールフィノ村に設置するという布告が内務省から行われた。
この研究所は秘密研究を行うという性質上から施設No.8あるいは特別収容所No.16と番号のみで呼ばれ、囚人たちは「マールフィノの特別収容所」(マールフィンスカヤ・シャラーシカ、露: Марфинская шарашка)と呼んでいた。
マールフィノ研究所での開発
当初の開発計画で与えられた期間は極めて短かった。開発目標の秘話装置はソビエト国内で経験のない全く新しい技術が必要だったにもかかわらず、秘話装置サンプルの納期は1949年5月1日で開発期間が1年と少ししかなかった。ソルジェニーツィンの小説『煉獄のなかで』では、この開発期間の決定はスターリンが個人的に行ったように記述されている。 この計画は現実的なものではなく開発は困難を極めた。
高い秘話技術を持ち、第二次世界大戦中すでにデジタル方式の音声暗号化装置SIGSALYの運用を行っていたアメリカでは、戦後もAFSA(Armed Forces Security Agency、軍保安局)とその後継のNSA(国家安全保障局)が中心となり軍事用と政府高官用に音声暗号化装置の開発を継続した。
SIGSALYの末裔
SIGSALYはその高い運用コストのため1946年になると使用されなくなり破棄された。しかし秘話自体へ要求はそれ以降も高く、同様の原理のよりコンパクトで使いやすい狭帯域の軍事用秘話装置が開発され1940年代から1960年代にかけて使用され続けた。
第二次世界大戦後の1949年にアメリカ政府とベル研究所が協力して軍事用の音声暗号化装置KO-6が開発された。これはSIGSALYの技術をそのまま応用し音声以外の暗号化も行えるよう汎用化し小型にしたもので、機械は大型冷蔵庫3台分程度の大きさだった。 1953年にはさらにコンパクトにした音声暗号化装置KY-9がベル研究所で開発された。これはハンドメイドのトランジスタを使用し、重さはSIGSALYの55トンから256kg(565ポンド)に低減された。大きさもサイドデスクを大きめにした程度の大きさになった。1962年10月26日、ケネディ大統領がキューバ危機の対応について当時パリにいたノースタッド将軍 (Lauris Norstad) と話し合った際にはこのKY-9が使われた。1台の価格はSIGSALYと比べるとはるかに安かったが、それでも4万ドルと高価だったため、政府高官用に300台に満たない台数が生産された。
ホッピングウィンドウ方式は最も単純で素直な方式である。システム全体の遅延時間も容易に計算できる。送信側でのフレーム単位のスクランブルのためにフレーム長分の遅れが発生し、受信側でもフレーム単位で元の音声信号に戻すため同じ時間遅延する。1フレームのセグメント数を n、セグメント長を T とすれば、システム全体では必ず 2nT の遅延時間が発生する。1フレームを8のセグメントに分けセグメント長として50mSを選んだ場合、送信から受信までのシステム全体の遅延時間は0.8秒となる。これは会話中に遅延に気が付く程度に大きな時間と言える。
スライディングウィンドウ方式の遅延時間の計算はもっと複雑になる。送出するセグメントとして任意のものを選べる場合、どのようにセグメントを選ぶかにより遅延時間が変わり、いつまでも送出されないセグメントが生じえるため受信側で無限に近い長さのバッファが必要になってしまう。このような問題を避けるため、セグメントの最大遅延時間を設定し制御を行う。セグメント長を T、最大遅延時間に相当するセグメント数を k とし、この時間に達したもっとも古いセグメントは直ちに送出されるよう制御を行うと、この方式の遅延時間は (k+1)T になる。スライディングウィンドウ方式ではホッピングウィンドウ方式と比較し遅延時間をほぼ半分にできる。受信する側では送信側と同期して送出されるセグメントを受け取り元の信号を再構成する必要があるが、この方式では過去に送出されたセグメントの情報が同期と再構成のために必要で、途中から受信を始める場合に同期をとるのが難しいという問題点がある。
BID/270 Goliath
高い秘話性を要求されない用途向けの時間セグメント置換方式を用いたアナログスクランブラー。1970年代初めから1980年代の終り頃まで使われた。
BID/290 Inkerman
イギリスの戦術通信用のSHF帯衛星通信用周波数ホッピングモデムVSC330用の組み込み音声暗号化モジュール。VSC330は1988年頃から使われた。
BID/310
音声のデジタル化のみを行うユニット。DSSS(Defence Secure Speech System、イギリスの国内/海外向け軍用秘話通信ネットワーク)のためにBID/880 (Franton) 暗号化装置と組み合わせて1970年代から1990年代の初め頃まで使用された。
BID/370
音声のデジタル化のみを行うユニット。DSSSやSCOT(UK Naval Shipborne Satellite Communication Terminal、イギリス海軍の艦載衛星通信装置)で暗号化装置と共に使用された。
BID/820
パリのイギリス大使館などで使用された音声暗号化装置。
BID/880 Franton
ラックマウント式の汎用暗号化装置。音声の暗号化のためにBID/310などと組み合わせて使用された。高速版の内部モジュールを使用した改良版のBID/880/1も存在し、1980年代まで使用された。
さん孔テープはいくらでも長くすることができるため非常に複雑な入替パターンが可能で、テープをループ状につなげば同じテープを長時間使用できるため、当時としては優れた方式だった。
コテルニコフらは1930年代にアメリカで考案されたボコーダーについての知識もあり、当初はアメリカのSIGSALYやドイツのフォイヤーシュタイン研究所の秘話装置で使われたものと同じようなボコーダーを併用することでより高い秘話性と必要な帯域幅の圧縮とを実現する予定だったが、安定した性能が得られなかったためボコーダーは使われなかった。
音声を複数の時間ブロックに分けて入れ替える方式も当時のソビエト連邦では経験がなく開発に苦労した。100msの音声を10の時間ブロック(セグメント)に分けて入替を行う方式が考案されたが、そのためにはいったん音声信号を100ms分記録してから特定の入替順序で読み取っていく必要がある。当時のソビエト連邦ではこのような用途に使える記録媒体の技術が無かった。
音速がおおよそ330m/sであることを利用し、最初は33メートルもの長いゴムホースにスピーカから音を流しマイクロフォンで電気信号に戻すやり方を試してみたが、高い周波数の減衰が大きすぎて満足な音質が得られず、装置も非常にかさばって実用にならないことが分かった。その後、スウェーデン鋼の薄くて長い金属テープをリング状につないで記録媒体として使う方法が試みられたが、リングのつなぎ目部分で発生するノイズをどうしても消すことができなかった。続いてつなぎ目の無いループ状の鋸に磁気記録する方法も試したが、これも十分な性能が得られなかった。
帯域分割 (Band Splitting) 法、あるいは周波数分割置換法とは、信号を複数の周波数ブロックに分割した後に特定の規則で入れ替える秘話方法である。例えば、0.3kHzから3.3kHzの音声信号を0.6kHzの幅の5つのブロックに分解し、0.3-0.9kHzのブロックを2.7-3.3kHzに移動させるなど、それぞれを別の周波数に移動させる。また分割したブロック内で周波数反転を行うことも多い。入れ替えのしかたや周波数反転の有無を時間と共にランダムに変化させるローリングコード方式により秘話性を高めることもよくおこなわれる。
音声信号を複数の周波数ブロックに分割する方法として、アナログ回路を使用する場合は通常のバンドパスフィルタが使用される。デジタルシグナルプロセッサなどが利用できる場合には折り返し雑音が発生しない直交ミラーフィルタなどが用いられる。
1937年にベル研究所で開発され短波帯の無線電話回線で長い間使用されたA-3型秘話装置やその後継のA-4型秘話装置にはこの帯域分割法が採用され、ローリングコード方式により20秒ごとに置換のしかたを変化させていた。周波数ブロックの数は5ブロックで、ブロック内の周波数反転も併用された。A-3やA-4の入れ替え方法の総数は計算上 5!×5=3840 あるが、秘話性が高い組み合わせはこれよりはるかに少なく12程度にすぎなかった。 秘話性が高いかどうかは、置換された音声信号を実際に聞いてみて残留了解度を測定することで判断でき、以下のような事実が分かっている。
隣り合った周波数ブロックが置換後もそのままだと残留了解度が高い(秘話性が低い)
基地局側でも認証センタで管理している端末毎の秘密鍵などを用いて同じ計算を行い、結果が一致すれば実際の接続処理が行われる。このような方式はチャレンジレスポンス認証(英語版)と呼ばれる。PHSの場合と異なり、秘密鍵自体がメッセージでやり取りされることは無い。
この時認証で用いた乱数と秘密鍵の値を元に端末と基地局の双方で音声暗号化用の秘密鍵が生成される。この値は元となる乱数が異なるため通信毎に異なった値となる。実際に音声通信を行うフェーズでは、この音声暗号化用の秘密鍵を元に生成した疑似乱数ビット列(鍵ストリーム)を用いてストリーム暗号化が行われる。
携帯電話の暗号化方式の詳細
デジタル方式の第2世代携帯電話の初期のものとしてGSMがある。1987年に規格の基本部分が決められ、音声の暗号化のためA5/1と呼ばれる方式が採用され主にヨーロッパで使用された。その後A5/1の暗号強度を落とした派生方式のA5/2も採用され、その他の地域で使用されている。これらの方式には脆弱性があることがわかっており、鍵ストリーム生成のコアとなるアルゴリズムとしてKASUMIを使用するA5/3と呼ばれる方式も2002年に標準として採用された。
A5/1はストリーム暗号の一種で、鍵ストリームの生成には3つの線形帰還シフトレジスタ (LFSR) を組み合わせて使用する。各シフトレジスタにはクロックビットがあり、これらの多数決の結果と自身のクロックビットが等しい場合のみシフトを行わせる。
ドイツとA-3
1920年代の技術であるスクランブラーの原理は当時すでに一般に知られていたため、十分な時間と分析機器があれば専門家が分析し処理方式の解析を行うことは難しいことではなかった。人間の耳だけでは難しい秘話方式の分析のため、信号の時間/周波数パターンを調べるのに有効なサウンドスペクトログラムも第二次世界大戦が始まる頃に発明された。
実際、ドイツの旧ドイツ郵政省 (Deutsche Reichspost) で秘話装置の研究をしていたフェッターライン (Kurt E. Vetterlein) は戦争が始まると秘話解読の研究に割り当てられ、イギリスからの秘話通信の受信場所として当時ドイツが占領中だったオランダのノールトウェイク (Noordwijk) 近郊の海岸を選び、そこにあったユースホステルに受信局を設置してニューヨークやワシントンとロンドン間の高い機密性の要求される音声通信に使用されたA-3型秘話装置の秘話方式の解析を行った。A-3で使われていた5つのサブバンドの周波数とサブバンドの反転/配置換えパターンを調べることで会話内容の解読ができるようになり、1941年の秋には24時間体制で連合国側の政府高官の会話をリアルタイムでモニターしていた。ドイツ郵政省の「研究センター」(Forschungsstelle) の名称で呼ばれたフェッターライン配下のチームがこの頃に受信した会話の数は1日60通話にも上った。これらの会話にはチャーチル首相とルーズベルト大統領との会話も含まれる。チャーチル首相は電話魔で、昼夜関係なくルーズベルト大統領を電話で呼び出したと言われる。