秘話
多くの音声暗号化装置ではストリーム暗号による暗号化が行われる。音声符号化技術により音声をデジタル化してビット列に変え、鍵ストリーム生成部が生成した鍵となるビット列と組み合わせることで暗号化されたビット列を作る。鍵ストリーム生成部では秘密鍵から擬似乱数列を生成する。音声のビットストリームと鍵ストリームとの組み合わせ方法としては排他的論理和 (XOR) を使うのが一般的である。受信側では秘密鍵から送信側と同じ鍵ストリームを生成し、受信した暗号化ビット列と再度組み合わせることで元の音声のビット列を復元する。
鍵ストリームの生成方式として、構成が簡単で周期が長い線形帰還シフトレジスタ (LFSR) がよく用いられてきた。しかし線形システムは暗号解読が容易なため、通常は何らかの形で非線形化した方式が用いられる。またAESのようなブロック暗号やSHA-1等のハッシュ関数を応用した鍵ストリーム生成方式もある。
秘密鍵のみを鍵ストリーム生成の初期値として使うと、暗号化の際に毎回同じ鍵ストリームが生成され解読が容易になってしまう。これを避けるため適当な乱数値(初期化ベクトル、IV)を秘密鍵と組み合わせ毎回異なる鍵ストリームを作成するのが一般的である。初期化ベクトルの値はそのまま受信側に送るか計算方法を共有し、受信側でも同じ値を秘密鍵と組み合わせて鍵ストリームを生成し復号を行う。
暗号強度を高めるためには、十分な長さの秘密鍵の使用、秘密鍵の適切な管理、安全性の高い鍵ストリーム生成アルゴリズムの利用、初期化ベクトルの頻繁な更新などが必要である。
1948年3月から補修工事が始まり、ようやく研究メンバーが入れるようになった。
マールフィノ研究所とソルジェニーツィン
1948年末には囚人280人を含む490名の研究者がここで秘話装置の開発を行っていた。他の囚人と同様、ソルジェニーツィンもこの中の一人としてスターリンの秘話装置のために働いていた。この当時、ソルジェニーツィンが所属していた音響研究室では秘話装置を開発・評価するために必要となる音声そのもの特性の研究を行っており、数学者だったソルジェニーツィンは同じ囚人である同僚の言語学者レフ・コペレフ (Lev Kopelev) と共にロシア語の音節の統計的な性質の研究を行った。
秘話装置の明瞭度や了解度のロシア語での評価を行うためには、日常的なロシア語会話で使われる音素と音節の性質を知る必要がある。当時ドイツ語など他の言語の研究結果は知られていたが、現代ロシア語での知識は少なかった。ソルジェニーツィンらは、ロシア語の全ての音節の種類、主な音節とその出現頻度、音節の周波数スペクトル、会話内容による音節の変化を調べる課題が与えられた。過去に十分なデータに基づいて実証的に調査された研究はなく、課題のためには独自に調査を行う必要があった。
現代小説、演劇などでの会話、新聞など報道関係、技術文献の4つの分野で調査が行われることになり、ソルジェニーツィンはこの研究の数学方面を受け持っていた。統計学や確率理論についての書籍や文献を調べ、これらの知識から各分野ごとに2万程度、全体で8万程度の音節のサンプルが必要と試算した。最終的には10万件以上のサンプルを様々な資料からピックアップし音節を調べることで必要な統計情報を得ることができた。
信号全体の周波数をずらす。 あるいは高い周波数にずらした信号の高域成分を低い周波数に移動させる。 (信号を特定の周波数を基準に2つの周波数ブロックに分け上下を入れ替える操作と等価)
信号を時間毎にブロック分けし、それらを特定の規則で入れ替える。
ベル研究所で開発された世界最初の音声暗号化装置であるSIGSALYでは、このチャネルボコーダーからの12チャネル分のアナログ出力を20mS単位で標本化すると共に6段階に対数量子化した。これを2進数に換算すると音声信号を1550bps程度に圧縮できたことになる。単純なアナログ回路だけで適切な音声の分析と合成を行うことは難しく、この頃のチャネルボコーダの音質は極めて悪かった。チャネルボコーダからの合成音はしばしばドナルドダックのような声、あるいはロボットのような声と表現される。
1960年代になるとデジタル信号処理の基礎研究が開始され、1966年頃に板倉文忠と斉藤収三により線形予測符号化方式が考案された。この方式では線形予測法を用いて音声の周波数スペクトルを表現するフィルタの係数を求める。1970年代頃にはこれを応用した機器が作られるようになり、現在でも多くの音声符号化方式でこの技術が使われている。
1985年にはCELP符号化方式が発表された。この方式は声道に相当する合成フィルターとして線形予測フィルターを、声帯に相当する音源として適応型と固定型のコードブックを使用する。有声音のような繰り返しの多い波形は適応型コードブックで効率的にパラメータ化し、線形予測と適応型コードブックで符号化できなかった残差信号の符号化には固定型コードブックを使用する。「合成による分析」の手法を用い、音声波形を再合成し聴感補正を行った後の信号と元の信号とを比較することで、コードブックから誤差が最小になるものを探索する。合成による分析は音質の向上に大きく貢献しているがその反面大きな計算量が必要で、計算量を減らすためにACELPのような多くの派生方式が考案された。
使用中の暗号鍵が漏れるのを防ぐため、穴をカバーしている扉を再び開けたり、飛行機の墜落などにより一定以上の衝撃が加わると、全てのピンがスプリングで元に戻り初期化されるメカニズムが採用された。
NESTORを含む多くの音声暗号化装置では送信側と受信側とが同期している必要がある。NESTORは送信ボタンを押してから同期が行われ通話可能になるまでに0.6秒の時間が必要だった。ベトナム上空で空戦を行うパイロットにとって情報のわずかな遅れは生死にかかわる問題だったため、この待ち時間は3秒くらいに感じられ 非常に評判が悪かった。秘話機能を使わないパイロットも多かった。
車両用のKY-8は高温に弱く、ベトナムのような高温多湿の環境では問題となった。例えば、1969年に大統領がベトナムを訪れた際には、KY-8の過熱のため司令部とタンソンニャット空軍基地との通信が不通になったことがある。司令部から他の旅団への命令に使われた無線秘話ネットワークもたびたび同じ原因で使えなくなった。KY-8を使用する各部隊では過熱対策のため本体を濡れた布や氷で冷やしながら使うこともあった。後に発熱が少なく電池が使える歩兵用のKY-38も車両用に使われた。
KY-38は初めての歩兵用音声暗号化装置だった。無線機と接続するケーブルの破損や、電池から発生する水素ガスによる長時間運用での爆発などの問題があり 改良が行われていったが、一番の問題点はその重量だった。KY-38は当時ベトナムで一般的だった携帯無線機AN/PRC-77と組み合わせて使われた。専用のバックパックに両方の機器をセットしケーブルで接続して運用するようになっていたが、機器類と電池に予備電池を足した総重量は24.
この研究所では、音響魚雷やスパイ用の高速度通信機、潜水艦用の対レーダー電波吸収コーティング、高精度なサウンドスペクトログラム分析装置などの開発と共に、秘話について独自の研究開発を行った。フォイヤーシュタイン研究所で開発が行われた秘話装置はSIGSALYと同じ様なボコーダーを使い、その出力に3段階の複雑な周波数のシフトを行うもので、周波数のシフトのパターンはローレンツSZ-42暗号機の出力で変化させるようになっていた。
最初に音声を10チャネルの信号の組み合わせに変換するボコーダーが完成し"anna"と名付けられた。続いて"anna"からの450Hzから2110Hzまでの出力に対し複雑な周波数のシフトと入替とを行う装置の開発を行っていたが、当時のフィルタ設計技術では復調後の音質が悪くて満足な結果が得られず、全体の装置が完成することなく終戦を迎えた。
イギリスとDelilah
フィアリング博士が秘話装置の開発を行っていたのと同じ頃、イギリスでも戦車で扱える程度にコンパクトな音声暗号化装置の開発が進められていた。第二次世界大戦中イギリスの政府暗号学校(ブレッチリー・パーク)の暗号解読部門 (Hut 8) の中心メンバーとしてドイツ海軍のエニグマ暗号の解読を行ったアラン・チューリングは、アメリカで開発が行われたSIGSALYに関係し、イギリスでの秘話装置の開発にも従事した。
アメリカとイギリスとの間の暗号に関する情報交換の一環として、チューリングは1942年11月7日にクイーン・エリザベス号に乗り込み大西洋を越えてアメリカに渡った。
Bluetooth(ブルートゥース)は、2.4GHzを使用するデジタル機器用の近距離無線通信規格の1つである。様々なデバイスでの通信に使用されることを想定しており、機器の種類ごとに策定された多くのプロファイルが定義されている。音声通信の用途にはヘッドセット用のHSP (Headset Profile) やハンズフリー通話のためのHFP (Hands-Free Profile) が標準化されている。
Bluetoothは比較的新しい通信規格であるため認証や暗号化も配慮されており、これらの各アルゴリズムが正しくインプリメントされ適切に使用されていれば一般的な用途には十分なセキュリティが得られる。一番大きな問題点は機器の運用で、認証や暗号化の元になるパスキー(パスワード)としてデフォルト値や短い文字列("0000"など)を使用していたり、常に近くの機器と接続可能な設定になっていたりすることが多い。このような場合、会話内容の盗聴や外部からの機器の不正な制御が容易にできる。また仕様の自由度が大きく、暗号鍵長やセキュリティモードを機器の製造者が決めることができる問題点もある。暗号鍵長が既定の最大値より短い場合やセキュリティモードが低い場合、盗聴の可能性は高くなる。
Bluetoothの規格は頻繁にバージョンアップされており、それに伴い認証方法や使われる暗号化アルゴリズムにもいくつかのバリエーションがある。