秘話
信号の高い周波数成分を低い周波数に、低い周波数成分を高い周波数に置き換える。
秘話の技術は無線電話の普及と共に発展した。 無線電話の実験は1900年前後から始まった。秘話技術の発明が盛んになるのは無線電話が普及し盗聴や傍受が問題になった1920年代になってからである。その後第二次世界大戦を契機には軍用や政府高官用の分野で急速に技術が進んでいった。
古典的な音声周波数反転法は暗号鍵の概念が無いため、第三者が同じ装置を持っていれば容易に復元でき、暗号強度はほとんどない。また、トレーニングを行えば周波数が反転された状態でも会話内容を理解することができる。音声の中で比較的エネルギーの大きい1kHz〜2kHz付近の成分が周波数反転後も大きく変化しないためだと言われ、過去の実験によれば4時間程度のトレーニングで周波数が反転した状態でも互いに会話ができるようになった。
秘話性をより高めるために、反転周波数を別の周波数に変えたり時間と共に変化させる方式を併用する場合がある。この方式は音声周波数反転と周波数のシフトとの組み合わせとみなす事もできる。
最も単純な方法は、複数の反転周波数をあらかじめ決めておき暗号鍵のように使う方法だが、多くの無線回線や電話回線では利用できる帯域幅が3kHz程度に制限されているため反転周波数を大きく変えると音声信号がこの帯域幅をはみ出し音質が悪化する。有効な反転周波数の範囲は限定される。さらに、反転周波数のわずかな違いは音声の了解度に大きな影響を与えないため、各反転周波数の差はできるだけ大きくしないといけない。これらの要因により実際に選択可能な反転周波数はごくわずかで、この方式は暗号強度の向上にあまり役立たない。 例えば、1930年代に日本陸軍で試作された秘密有線電話機である特二号電話秘密装置が反転周波数切替方式を採用していたが、選択できた反転周波数は2.
第二次世界大戦中、アラン・チューリングによる秘話装置ディライラの開発により音声暗号化装置のノウハウを獲得したイギリスは、アメリカと同様、戦後もデジタル方式の音声暗号化装置の開発を続けた。アメリカのKO-6やKY-9等の初期の暗号化装置はSIGSALYの技術を受け継ぐアナログ方式のボコーダーを使い、無理な情報の圧縮を行っていたため音質の悪さに苦労していた。それに対しイギリスでは、ディライラと同じように音声を直接サンプリングして暗号化する広帯域の音声暗号化装置の開発を進めた。
1954年にイギリス陸軍がフィールド試験を行った音声暗号化装置 BID/100 (Hallmark) はそのような装置の1つである。"BID"は"British Inter Departmental"の頭文字で、機器がイギリスの複数の政府機関や部門で使用されうることを意味する。第二次世界大戦中にチューリングがエニグマ暗号の解読に従事したGC&CS(政府暗号学校、ブレッチリーパーク)は戦後GCHQ(政府通信本部)に改編され諜報や暗号関係の活動を行っており、"BID"機器はこの1部門であるCESG(コミュニケーションエレクトロニクスセキュリティグループ)が管轄している。
BID/100は専用の電話回線網や無線回線を使う広帯域音声暗号化装置で、音声をPCM符号化した後に暗号化する方式だった。
この頃の音声暗号化装置は、SIGSALYのように音声の情報を圧縮して通常の電話回線と同じ帯域幅(狭帯域)で送るものと、無理な圧縮を行わずに十分な帯域幅(広帯域)の専用回線で送るものに大きく分類できる。狭帯域のものは従来のアナログ音声用の電話回線や無線回線が使えるというメリットがあったが、音声符号化技術が未熟だった初期の狭帯域音声暗号化装置の音質は非常に悪かった。そのため専用回線を用いる広帯域の音声暗号化装置も近距離用としてよく使われた。
携帯電話などの一般的な用途でデジタル方式の音声暗号化装置が使用できるようになったのは軍用や政府高官用の特殊な用途と比べてかなり遅く、デジタル技術が身近なものになってきた1990年代頃からである。例えば、デジタル方式の第二世代携帯電話 (2G) 規格として世界で最も使われているGSM方式の規格が策定されたのは1987年だが、この時同時に音声暗号化のためのアルゴリズムとしてA5/1が規格化された。GSM方式は1992年にドイツで初のサービスが開始され多くの国で使われた。W-CDMA方式やCDMA2000方式など、それ以降の携帯電話の規格でも音声暗号化方式が定義されている。
"Sable-P"や"Neva"はテヘラン、ヤルタ、ポツダムでの連合国首脳会談の時にもモスクワとの連絡用に使用され、コテルニコフと開発メンバーは、これらの業績により戦争が終わった1946年にも再びスターリン国家賞を授与されている。
ドイツ陸軍で秘話解読を担当していた"Wa Prüf 7"(陸軍兵器局 開発試験部 通信課)もこのようなソビエト連邦側の変化に気が付いていた。1944年の初め頃には秘話方式が変って「私たちのかわいいインバータ」の無線信号は聞こえなくなり、ソビエト連邦内の無線通信ネットワーク自体も変化したため、必要な情報は得られなくなっていった。
当時"Wa Prüf 7"でモスクワ-マドリード間の無線電話の信号をスペクトログラムを使って分析していた研究員の一人は、ソビエト連邦の秘話方式として「ティーゲルシュテット」(Tigerstedt、時間セグメント置換方式の当時のドイツでの呼び名)が使われていることに気が付いた。スクランブルを行う時間セグメントの単位は10msで、0.6秒ごとに同期のためのパルス信号が含まれていた。捕虜のソビエト兵を尋問し聞き出した読み取りヘッドの数は3と4の2種類の回答があり明確にはならず、「ティーゲルシュテット」と周波数置換の組み合わせという方式自体は分かったが それ以上の詳細はわからなかった。記録した信号の各セグメントを並べ替えることで音声らしきものを再生できることもあったが、実際のスクランブルのパターンは送信に使ったさん孔テープにより変わるため並べ替えの規則性や周期を見つけ出すことができず、解読はできなかった。
5世代携帯電話とも呼ばれたcdmaOneから段階的に発展したCDMA2000方式は過去の規格やアルゴリズムを土台に新しい機能が追加されてきた。AESによるストリーム暗号化やAKAによる認証はそのような拡張機能の1つである。
CAVEアルゴリズムを認証に用いる古典的な方式では、A-Key (Authentication key) と呼ばれる64ビットの秘密鍵(マスターキー)を元にSSD (Shared Secret Data) と呼ばれる128ビットの二次的な鍵を生成し、認証と暗号化に使用する。R-UIMカード(SIMカード)を用いる場合、A-Key、SSD共にカード内に格納され通常外部から読み取ることはできない。これらのパラメータを使った計算もカード内部で行われる。SSD_Aと呼ばれるSSDの上位64ビットが認証、SSD_Bと呼ばれる下位64ビットが暗号化に使われる。暗号化のためにORYXと呼ばれるアルゴリズムが定義されているがあまり使われず、後述のボイスプライバシー (Voice Privacy) と呼ばれる方式が主に使用されてきた。
AKAアルゴリズムを用いる方式はより新しいもので、128ビットの鍵である'K'をマスターキーとして用い、これから生成した64ビットの認証鍵と128ビットの暗号化鍵を用い認証とAESアルゴリズムによる暗号化を行う。音声の暗号化の際には128ビットの暗号化鍵をAESアルゴリズムの入力とする。W-CDMAと同様、同じ鍵ストリームの繰り返しを避けるためシステム時間を基準とした32ビットのカウンタ値など複数のパラメータも暗号化アルゴリズムの入力として与える。
秘話についての試みは古く、グラハム・ベルによる電話の特許申請のわずか5年後の1881年、アメリカのジェームス・ロジャース (James Rogers) は複数の電話回線を切り替えながら音声を送る方式の秘話装置の特許を申請している 。しかし十分な秘話性を持つ実用的な秘話装置が発明されるのは無線電話が広く一般に使われるようになってからである。
1895年のマルコーニによる無線電信の発明の直後から多くの人が無線電話について考えるようになった。例えばレジナルド・フェッセンデンは、雑音だらけであったが、1900年に世界で初めて1.6kmの無線電話実験に成功した。 1902年頃にはより雑音の少ない高周波発電機を使った送信機の試作と実験を進め、1906年のクリスマス前夜には80kHzの長波帯を使い音楽と談話とを送信した。
日本では1912年にTYK式無線電話が発明されて船舶との通信に利用され、2年後には離島間の世界初の公衆無線電話として実用化された。
ドイツでは、テレフンケン社のエンジニアのマイスナー (Alexander Meißner) が1913年に三極管を用いた発振回路を考案し、この回路を使ってベルリンとその西 36Km に位置するナウエン (Nauen) との間の無線電話の実験を行った。 この時代、無線電話は安定した高周波の連続波が必要な難しい技術だったため、音声の送受信を行うのがやっとで秘話が考慮されることはなかった。
また、これらの一連の動きがM-803の開発リーダに知らされることは無かった。
ソルジェニーツィンの小説『煉獄のなかで』ではクリッパーとボコーダーの結婚という表現でこの頃の組織内部の混乱の様子が描写されている。
マールフィノ研究所の終焉
何回もの開発計画の見直しと遅れとで内務省からの圧力が強まる中、M-803開発グループによる改良は続いた。1950年にはようやく明瞭度が51.8%に改善し、1950年4月から行われた政府の技術委員会の評価により製品の試作と試験運用を行うという結論が下された。
1951年にはさらに改良が行われたM-803-3、M-803-5、M-803-Mの3モデルが完成し、これらの間での比較試験が行われた。主な利用者である男性の声に対し比較的性能が良かったM-803-5が最終的なモデルとして選ばれ、この秘話装置は政府の国外向け長距離電話回線用として1951年に22台、1952年には32台が製造された。また以前にM-809の開発を行っていたグループは、開発が中断された1950年以降M-503と呼ばれる簡易版の秘話装置の開発を行い、これは後に国内の電話回線で使用された。
囚人たちからマールフィンスカヤ・シャラーシカと呼ばれたマールフィノ研究所の役割は1952年で終了した。しかし、この時期は冷戦のグローバル化が始まりヨーロッパやアジアでアメリカとソビエトの対立が深まった時期で、通信の盗聴や傍受の危険性が増したソビエトにとって秘話へのニーズが無くなることは無かった。
マールフィノ研究所以降
M-803開発グループによる改良作業が行われていたのと同じ頃、これと並行して次の研究組織の準備が始まっていた。
無線回線を使う場合通常のアナログ電話回線の10倍の500Hz〜30kHzの帯域が必要で、当時イギリスで開発されたSHF帯 (4580-4860MHz) の軍用ポータブル無線機 WS B70 (Wireless Set B70) などと組み合わせて使用された。有線の場合は4線式のケーブルを用い5マイルの距離までの通信ができた。
装置は音声をデジタル信号に変換するPCMユニット1台と、送信/受信それぞれの暗号化と復号のための2台のウェーブフォームジェネレータ (WFG) ユニットから構成され、通常の電話機のように送受信を同時に行う全二重、交互に送受信を行う半二重のいずれかのモードで動作した。各ユニットは独立しており、3台を積み上げた高さは184cmで幅は52cm、重量は183kg(404ポンド)で 第二次世界大戦中に使われたSIGSALYと比べるとはるかにコンパクトだった。
ウェーブフォームジェネレータ内部には複数の基板を組み合わせた4つの「ブック」と呼ばれるユニットがあり、そのうち3つは信号の暗号化/復号を、残りのユニットは外部とのインタフェースを担当する。
1960年代中頃からはBID/150 (Delphi) が使用された。これは同じころにアメリカで使われた KG-13 暗号鍵生成装置と同様に擬似乱数生成と暗号化の機能を持っており、音声をデジタル化するデジタル変調ボックスと組み合わせて使用した。