秘話
アナログスクランブラーの多くはスクランブル後の信号にも元の音声の強弱の情報などが残ってしまう。それに対し、音声信号を符号化した後に暗号化を行いデジタル信号として伝送するデジタル方式の秘話装置ではほぼホワイトノイズのような信号になり、残留了解度が問題になることは少ない。またデジタル方式では暗号強度の高い様々な暗号化方式が使用できるため高い秘話性が得られる。デジタル方式の秘話装置では、音声符号化により音声信号をビット列に変換した後にストリーム暗号を用いて暗号化する方式が一般的である。
デジタル方式の問題点はアナログ方式と比べ広いバンド幅が必要になることである。電話などアナログ音声用の通信回線の帯域幅は通常3kHz程度しかなく、音声信号をPCMのような単純な符号化方法でデジタル化した場合に必要な帯域幅はこれよりずっと大きい。デジタル方式の音声暗号化装置は、広い帯域の特別な通信回線を使いそのままデジタル信号を送る広帯域方式と、圧縮率の高い音声符号化方式を用いてビットレートを下げた後アナログ電話回線と同程度の帯域幅でデジタル信号を送る狭帯域方式の二つの方式が並行して開発されてきた。1970年代までは音声符号化技術が未熟だったため、狭帯域方式では音声がロボットのような声になってしまう問題があった。現在では音声符号化方式と変調方式の進歩により狭帯域方式でも問題ない音質が得られるようになっている。
この第一圏とはダンテの「神曲」からとられた言葉で、地獄の階層の中で異教徒の賢人たちが住む最上位の場所を意味している。囚人にとってマールフィノ研究所は天国ではなかったが、他の強制収容所よりはるかに恵まれた場所だった。小説『煉獄のなかで』でも、ソルジェニーツィン自身がモデルと言われる数学者のネルジンと、レフ・コペレフがモデルの 言語学者レフ・ルービンとが共同研究する様子や、音声テストを手伝う若い女性中尉シーモチカとの関係などが描写されている。
マールフィノ研究所の開発グループ
ソルジェニーツィンらのようにマールフィノ研究所内は多くのグループに分かれ、リーダーから異なった課題を与えられ研究と開発を行っていた。秘話装置の開発のために必要となる理論や技術は多く、開発期間は限られていた。先行するアメリカやイギリスのデジタル音声暗号化技術の多くは極秘扱いだったため、同じような苦労を重ねながらあらゆるものを独自に開発する必要があった。研究所内のグループは、音声符号化技術、高能率の変調技術、音声用の高速暗号化技術、様々な計測器類、新しい半導体と特殊真空管の技術から、ソルジェニーツィンやコペレフらが所属していた音響研究室での音声やロシア語の研究まで、それぞれ異なった分野の研究開発をグループ毎に進めた。
多くの理論研究と試行錯誤の後、1948年末から1949年頃にはいくつかの異なった政府専用長距離電話回線向け秘話装置が複数のグループで開発され競い合っていた。 各グループとも、電話回線で送れるよう音声を2000bps程度に圧縮し、この頃としては高速な音声のデジタル信号の暗号化を当時の機械的な暗号化装置で安定して行う必要があった。
後にソルジェニーツィンは、どんな学者でもそこで研究を行うことを名誉と考えるほど研究所の水準が高かった、とインタヴューで述べている。しかし相手の言葉をほとんど聞き取ることができない不完全なデジタル暗号化装置のプロトタイプが出来たのが1949年の中頃、まともな音質と十分な秘話性を持ったものが実際に完成したのは1952年の初め頃で、それでも多大な努力が必要だった。この特別収容所での規定の労働時間は通常のメンバーが8時間で囚人は12時間だったが、開発後期には文字通り夜明けから夜中まで働く必要があった。このような厳しい状況ではあったが、それでもキビの粥ではなく食べ放題の黒パンと400グラムの白パンとバターと肉のまともな食事があり、板寝床ではなく白いシーツのベッドが用意され、小説も読むことができ、一般の強制収容所ではめったに手に入らないタバコも配給されるなど、知識人である囚人の待遇はシベリアの強制収容所と比べるとはるかに優遇されていた。また囚人と呼ぶことは禁止され相手の姓で呼びかける決まりになっていたという。
マールフィノ研究所の当時の建物は、過去に"癒しの聖母"教会(Church of Assuage My Sorrows、露: Церковь "Утоли мои печали")の修道院として使われ、その後に政府の児童施設として使われていた。独ソ戦の終結以降はフィリップスのベルリンの研究所を解体し押収した測定機などの機材をここに移して警察用の携帯無線機(ウォーキートーキー)を開発していたが、秘話装置開発が最優先になったためこの場所を転用することになった。
戦争の影響でこの当時の建物の状態はひどく、建物の通路は天井も床もない状態だった。
ジョンソン大統領も音質の悪さのためHY-2ボコーダーの使用を拒否した。
1970年代に入りデジタルシグナルプロセッサによる線形予測符号を用いて音声の圧縮を行う音声符号化技術が実用化されると、ようやく狭帯域の音声暗号化装置の音質は少しずつ改善されていった。 1970年代以降、HY-2やKY-9は進んだデジタル技術を使った音声暗号化装置STU-IやSTU-II(英語版)、STU-III(英語版)やSTE(英語版)に順次置き換えられた。
初期の広帯域通信回線向け秘話装置
VHF帯以上での無線通信や広帯域の電話回線のように広い帯域の通信回線を使える用途ではチャネルボコーダによる無理な圧縮を行う必要がないため、比較的少ないハードウェアで十分な音質の秘話が実現できた。初期のデジタル式音声暗号化装置のひどい音質を改善するため、広帯域の通信回線を使う音声暗号化装置の開発も従来の狭帯域用音声暗号化装置の開発と並行して行われた。
1940年代の終り頃にチャネルボコーダを使わないPCM方式の音声暗号化装置AFSAY-816が作られ、米陸軍通信情報部 (Signals Intelligence Service) の司令部のあるアーリントンホールと米海軍のセキュリティステーションがあるネブラスカアベニューとの間の連絡に使われた。送受信には広い帯域が必要だったため専用のマイクロウェーブ回線が使用された。暗号解読にコンピュータが使われだすとAFSAY-816で使われた真空管式の単純な暗号鍵生成回路では暗号強度の点で不安が出てきたため、改良された音声暗号化装置KY-11に置き換えられた。
ドイツにとって最も重要な会話の一つはイタリア降伏(無防備都市宣言)の直前の1943年7月29日にチャーチル首相とルーズベルト大統領とが行った話し合いで、会話の内容は直ちにナチス親衛隊の国家保安本部第VI局(国外諜報局)を経由してヒムラーに報告された。ヒットラーは8月1日にイタリア占領作戦アッシェ作戦(英語版)を承認し、会話を盗聴したドイツはイタリア軍に対して迅速な対応を行うことができた。
また、ドイツ陸軍で暗号解読を担当していた陸軍兵器局 開発試験部 通信課(独: Wa Prüf 7、HeeresWaffenamt Amtsgruppe für Entwicklung und Prüfung Nachrichtenabteilung)の技術者アルフレッド・ムゥヒェ (Alfred Muche) も、ドイツ郵政省とは独立して、"5B"と呼ばれるA-3用の解読装置を作成し、チャーチル首相とルーズベルト大統領とのシチリア島侵攻についての会話を含む多くの会話を盗聴していた。
アメリカとSIGSALY
盗聴されていた側のアメリカでも、A-3の脆弱性とさらに優れた秘話装置の必要性は1940年夏頃から認識されていた。1940年10月初めには秘話のための委員会を組織して複数のプロジェクトを立ち上げ、同時にベル研究所で新しい秘話装置の研究が"プロジェクトX"の名称で開始された。このプロジェクトの成果として新しく開発されたのが音声暗号化装置SIGSALYである。この装置は世界最初の実用的なデジタル音声通信システムで、また音声通信と近代的な暗号とを組み合わせた最初の装置でもあった。
例えば、信号をいくつかの時間毎にブロック分けして入れ替える方式の場合、ブロックの時間サイズ×ブロックの数の分だけ装置内部にいったん記憶してから出力する必要があるため、時間サイズとブロック数が大きくなるほど信号が出力されるまでの遅延時間は長くなる。遅延時間があまり長すぎると電話などで双方向のやり取りでスムーズに行えない問題が発生する。
鍵空間はスクランブルに使用可能な鍵の総数である。一般的な暗号化の場合と同様、鍵空間が小さいと方式に関係なく総当たりで鍵を割り出す事が可能になるため、鍵空間はスクランブラーの解読しにくさに関係している。ただし、アナログスクランブラーの場合、鍵空間の広さだけではなく鍵を変えた際にスクランブラー出力も大きく変わることが必要になる。例えば音声周波数をシフトさせる方式の秘話装置を考えた場合、小さな周波数シフト(例えば10Hzや1Hz)を別の鍵とみなせば鍵の総数をいくらでも増やすことができる。しかし実際のスクランブラー出力は周波数シフトの小さな変化ではほとんど変わらないため、実用上の鍵空間は計算上の鍵空間よりずっと小さい。
また実際に使用可能な鍵の総数はスクランブルで使うパラメータのすべての組み合わせの数でないことにも注意する必要がある。パラメータの組み合わせのうち残留了解度の高いもの、つまり元の音声と似たようなスクランブル出力になる組み合わせは実質的に使えない。
PIN入力が4ケタ程度の小さい桁数の場合、第三者がPIN入力値を予想することは比較的容易である。もうすこし桁数を増やした場合でも、ペアリングの際に機器間でやり取りされる乱数値と認証の計算結果を傍受し総当たり式で計算を行うことでPIN入力値を調べられる。6ケタまでのPIN値であれば1秒以下、8ケタの場合でも数分でPIN入力値を求めることができる。
セキュリティモード4ではSSP (Secure Simple Pairing) と呼ばれる方式でリンクキーを生成する。この方式ではリンクキー生成に楕円曲線ディフィー・ヘルマン (Elliptic Curve Diffie-Hellman) 鍵交換を用いる。長いPINコードの入力ではなく、鍵から計算された6ケタの数値の入力あるいは表示内容の確認だけでペアリングができる仕様になり、より使いやすくなっている。この数値自体は機器間で直接やり取りされるわけではなく、公開鍵方式の鍵交換の結果を元に計算される。ただし小型のヘッドセットのように文字入力も表示もできない機器ではユーザの確認なしにリンクキーの生成が行われ、セキュリティ強度は弱くなる。
いったんペアリングを行ったBluetooth機器は、通信可能な距離になると自動的に認証と通信を行えるようになる。これらの機器間で通信を行う際、最初にE1と呼ばれるアルゴリズムを用いたチャレンジレスポンス認証(英語版)でリンクキーが一致することを確認する。