秘話
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。 また個々の周波数ブロック内で周波数反転を行うことも多い。
音声のFFT(高速フーリエ変換)を行い係数の並べ替えを行った後に逆FFTを行う方式も帯域分割方式と同様の考え方で、復元した音質が比較的よい。
時間領域のスクランブラーとして以下のような方式が考案されている。
送信側と受信側とでフレーム単位に処理が行われるため、音声の遅延時間はサンプル値の数 N が増えるほど大きくなる。同時に、N が大きくなるほど係数を置換する組み合わせが増えるため暗号強度が高くなる。これらのバランスと処理の容易さから、一般的に N として256前後の値が選ばれる。
暗号強度に関係する係数の置換の組み合わせの数は最大 N! になるが、帯域分割方式の場合と同様、全ての組み合わせが使えるわけではない。スクランブル後の信号の了解度である残留了解度の高い組み合わせは使えない。実際には、元の係数の位置と置換後の位置の差ができるだけ大きくなるような組み合わせのみが使われる。またフレームごとに組み合わせを変化させることで解読を困難にする。
この方式は残留了解度が低く暗号強度も他のアナログスクランブラーと比べ高くできるが、通信路の影響を受けやすいという問題点もある。アナログフィルターを用いた帯域分割方式のような古典的な方式では波形が正しく伝送されなくても受信側では問題なく復調できるが、変換領域スクランブルでは伝送される信号の波形が大きく変わると受信側で同じ変換を行っても元の係数を正しく復元できず、受信結果が元の信号と大きく異なってしまう。アナログ音声用の多くの通信装置や伝送路は波形伝送についてあまり考慮されていないため、このスクランブル方式をそのまま使用するとひずみが大きくなり十分な性能を得ることができない。そのため、本方式で十分な性能を得るためには、伝送路のひずみや周波数で異なる遅延特性を補償するチャネルイコライザー技術が重要になる。
第二次世界大戦でドイツや日本の通信を盗聴し戦闘を有利に運んだ経験から、アメリカ軍は戦場での秘話の重要性を十分に認識していた。第二次世界大戦で使われたSIGJIPのような戦術通信用のコンパクトな秘話装置がベトナム戦争でも必要だと考え、1960年代にNSAで検討が行われた。
60年代中頃は初期の集積回路が使えるようになった時期で、せいぜい15石から20石程度のトランジスタしか集積できなかったが、KY-3のような音声暗号化装置を車で持ち運び可能な程度のサイズにすることも不可能ではなくなっていた。当時としては先進的な技術を用い、NSAは広帯域回線が使えるVHF/UHF無線機用の戦術通信用音声暗号化装置のファミリーを開発し NESTOR と名付けた。NESTORは車両用のKY-8、航空機用のKY-28、歩兵用のKY-38からなり、共通の秘話方式を使っているため相互に通話が可能だった。音質の悪さの問題はあったが、事務所用金庫のような従来の音声暗号化装置と比べるとサイズや重量、消費電力の点で大きく改善された。音声は19kbpsのビットレートでPCM符号化と暗号化が行われ、送受信は小型の戦術通信用無線機や既存の携帯無線機をデジタル通信用に一部改造したもので行うことができた。
NESTORでの暗号鍵の設定と保存は機械的なメカニズムで行った。フロントパネルに並んだ64個の穴の中にあるピンをKYK-38のような専用のキーローダーを使って押し込むことでセットした。各ピンは複数の段階に押し込むことができ、各ピンの深さの組み合わせで暗号鍵が変化した。
さらに1961年に開発されたHY-2 16チャネルボコーダーはFLYBALLと呼ばれるモジュール化されたトランジスタ回路を使い45kg(100ポンド)になった。この装置は擬似乱数生成と暗号化の機能を持ったKG-13暗号鍵生成装置と組み合わされ、後に記述するKY-1やKY-3と共にアメリカ政府が国防総省のために開発した初期の世界的な秘話電話回線網であるAUTOSEVOCOM (Automatic Secure Voice Communications) ネットワークで使われた。
一般の電話回線や短波の無線回線など音声用のアナログ回線は3kHz程度の帯域幅しかなく、この帯域で音声のデジタル信号を送るためには大幅な情報の圧縮が必要になる。SIGSALYも含め、これらの秘話装置は音声情報の圧縮にアナログ方式のチャネルボコーダーと呼ばれるものを使っていたため音質が非常に悪く、ドナルドダックのような声と表現された。 第二次世界大戦中、SIGSALY設置の記念として北アフリカから自分の祖母と会話を行ったアイゼンハワー将軍は、SIGSALYが声の低い男性向けにチューニングされていたこともあって、それ以降SIGSALYを使おうとしなかったと言われる。 1960年代になっても状況はあまり改善されなかった。暗号の専門家であるデビッド・ボーク (David Boak) はNSAで行われた暗号史の講義においてKY-9音声暗号化装置の音質についてコメントし、ロボットの声のように人工的で聞き取りにくいため「とても・・・・ゆっくり・・・・はっきりと・・・・話す・・・・必要がある」と表現した。
1950年代の初めごろ、ソビエトの諜報活動と防諜活動を担当しマールフィノ研究所を管理していた国家安全保障省(MGB、露: МГБ)は秘話や暗号の専門的な評価に責任を持つ組織として共産党中央委員会特務本部(GUSS、露: ГУСС)を作った。1950年から1951年頃、GUSSの一部としてNII-1(科学研究所 No.1、露: НИИ-1)ができマールフィノ研究所の責任者が兼任で管理するようになった。
その後、ソビエト連邦閣僚会儀の決定により1952年1月にはマールフィノ研究所の後継としてNII-2(科学研究所 No.2、露: НИИ-2、後に露: п/я 37と改名)が創設された。この研究所は囚人を使わない普通の研究開発組織で、マールフィノ研究所で秘話装置の研究を行っていた一般の研究者と技術者をベースとする700名のスタッフが秘話装置の開発を続けた。NII-2の主導で1954年にはモスクワ-ベルリン間の長距離電話回線でM-803-5と改良版のM-803-Tを使った評価が行われ、この結果を踏まえベルリン-モスクワ-北京間の当時としては最長の秘話回線が構築された。
その後、NII-2のみでは国防省やKGBなどからの秘話装置や暗号化装置の多様な要求に十分に対応できなくなってきた。この当時の秘話装置の製造施設はモスクワ南西625kmに位置するペンザの工場"VEM"と、モスクワ南西188kmのカルーガの工場"KEMZ"があった。1958年、この中の1つであるペンザに新たな秘話装置の研究所NII-3が開設された。ここは後にペンザ電気工学研究所(PNIEN、露: ПНИЭИ)と呼ばれた。
暗号化に必要な大量の乱数(共通鍵)は、何らかの暗号化処理を行った後に音声とは別の無線回線で同時に送る方式を考えていたが、後に短い周期の乱数を複数組み合わせて長い周期の擬似乱数を内部で生成する方式に改められた。1944年末には暗号化のコア部分が完成し、送信側と受信側に有線で乱数の信号を直接送る形でデモンストレーションが行われた。完成度はまだ低く、送受信部を直接接続した状態でも音質が悪く雑音も多かった。実際の装置では受信側と送信側とが独立して擬似乱数を生成し、両者をサンプリング周期以下の誤差で同期させる必要がある。その後乱数の同期方法や音質の改善についての検討と試行錯誤を行っていたが、1945年5月にドイツが降伏しヨーロッパでの戦闘が終了したため、全体のシステムが完成する前に秘話装置の開発は中止された。
TICOMとチューリング
チューリングと秘話との関係は Delilah 開発後も続いた。チューリングは暗号の専門家であると同時に、この当時のアメリカとイギリスの最先端の秘話技術を理解できる数少ないメンバーだった。ヨーロッパでの戦闘が終結した直後、チューリングはイギリスの秘話専門家としてドイツのフォイヤーシュタイン研究所に行き、フィアリング博士らが現地で開発中だった秘話装置の調査も行った。この当時、アメリカとイギリスとはドイツの諜報や暗号と秘話に関する情報、関係者、装置類の捕獲を目的とするTICOM (Target Intelligence Committee) を組織してドイツ降伏前から多くの活動を行っており、チューリングはこの活動に関係していた。
また、制御用の信号はシリアルポートプロファイルにより音声信号とは独立して送受信される。機器の制御用のコマンドとして携帯電話やモデムの制御などの用途でよく使われるATコマンドを用いる。ATコマンド自体は非常に多機能で強力なため、不正に利用されるとBluetooth機能を持つ携帯電話などを外部から制御できてしまう問題が知られている。
NSAはBluetooth機器の使用について以下の勧告を行っている。また利用は機密扱いでない用途のみとしている。
Bluetooth機能は必要な時のみ有効にする。
盗聴の危険性を減らすため、低出力のクラス2(操作範囲10メートル以内)あるいはクラス3(操作範囲1メートル以内)のBluetooth機器を使用する。
中間者攻撃防止のため、Bluetooth接続中はできるだけ機器間を近づけて使用する。
必要な場合のみBluetooth機器を他の機器から見えるように(発見できるように)する。
必要な場合のみBluetooth機器を他の機器から最低限必要な時間だけ接続可能にする。
Bluetooth機器のペアリングは安全な場所で行い、十分に長くランダムなパスキーを使用する。
Bluetooth機器は安全に保管・管理し、紛失したり盗まれたりした機器はペアリングのリストから削除する。
ファームウェアが古いBluetooth機器を使用しない。ファイアウォールや最新のアンチウイルスソフトウェアを使用する。
周波数領域、時間領域のいずれのスクランブル方式でも、単体では残留了解度を十分に下げられない。秘話性を高める一つの方法は、周波数領域のスクランブルと時間領域のスクランブルとを組み合わせることである。この方式は時間・周波数スクランブルや二次元スクランブル (Two-Dimensional Scramble) と呼ばれる。 周波数スクランブルで音声の周波数スペクトルの形を変えると共に、周波数スクランブルだけでは残ってしまう音声のリズムを時間スクランブルで分散させることにより秘話性を高める。この方式は、例えば第二次大戦中にソビエトで開発されスターリングラード攻防戦の頃にモスクワ-トビリシ間の無線電話などで使用された秘話装置"Sable-P"(露: Соболь-П)で使われた。
時間領域、周波数領域のそれぞれのスクランブル方式の組み合わせにより多くの方式が考えられるが、代表的なものは時間セグメント置換と帯域分割とを組み合わせるものである。これは音声信号を時間軸と周波数軸の二次元にブロック分けしそれらを置換する方式で、時間・周波数セグメント置換 (Time-Frequency Segment Permutation) とも呼ばれる。方式が複雑で使用するメモリも単純な時間セグメント置換と比べると多く必要になるが、秘話性や暗号強度は向上する。DSP技術の発達に伴い実装も比較的容易になった。時間領域のみでセグメント置換を行う方式の残留了解度は50%程度なのに対し、時間、周波数それぞれでセグメントに分けて置換を行う時間・周波数セグメント置換では20%程度と低く、秘話性はかなり向上する。
プロトタイプを用いたモスクワ-ソチ間の長距離電話回線を用いた試験では通信回線の品質に影響されやすい問題もあったが、1937年9月にモスクワ-レニングラード間の電話回線で正式採用された。1937年に設計者のイリンスキー (Ilyinsky) の頭文字を加えた無線通信用のEIS-3の開発も行われた。ES-2(露: ЕС-2)をベースにして1938年から1940年の間に様々な改良を加えた262種類の秘話装置(ЕС-2М、МЕС、МЕС-2、МЕС-2А、МЕС-2АЖ、ПЖ-8、ПЖ-8Мなど)が開発された。これらは音声周波数反転方式をベースに余分な音を加えて聞き取りにくくする改良を加えたものだった。
これらの秘話装置は長距離電話回線で使われたが、1940年に内務人民委員部が行った"クラスナヤ・ザリャー"の製品に対する評価は低く、秘話性が不十分で暗号鍵に相当するものも無いというかなり厳しいものだった。第二次世界大戦が始まる直前くらいになると各国で秘話の研究は急速に進んでいた。音声周波数反転方式に改良を加えた程度の単純な秘話装置は軍事用や政府高官用として不十分だと考えられており、解読が困難で戦場でも使用できる優れた秘話装置の開発が急務となっていた。 ソビエト連邦でも、1938年に郵政電信人民委員部研究所 (NKPiT) など2つの研究所をまとめていたウラジーミル・コテルニコフ (Vladimir Kotelnikov) は、より秘話性の高めた秘話装置S-1("Sable"、露: Соболь、"クロテン"の意)の開発を行い試験を行っていた。
ソビエト連邦とSable-P