秘話
音声の速度を不規則に変動させる。
ウラジーミル・コテルニコフ (Vladimir Kotelnikov) の研究所で新しい秘話装置"Sable-P"の量産の準備が行われていた1943年、秘話解読のためにピーターソン (A. P. Peterson) をリーダーとした5名のメンバーからなる研究チームが作られた。1944年の中頃にはソビエト版のサウンドスペクトログラムを開発し1945年から1946年頃にかけてこのチームは秘話の解読の研究を推し進めた。秘話の解読技術が向上すると共に、自国の政府専用の長距離電話回線で使われているアナログ方式の秘話装置の脆弱性についての緊急の対応が必要なこともわかってきた。1946年頃には秘話解読チームの責任者が政府関係者に会い積極的に危険性を訴えるようになった。これを受け、1946年の5月か6月頃、内務人民委員部 (NKVD) から名称が変わったばかりのソビエト連邦内務省 (MVD) の関係者との間で秘話通信に関する会議が開かれ、脆弱性の有無を確かめるための試験を行うことが決まった。
政府が使用している秘話装置をさらに一部改造したものを用い、秘話解読チームが実際に内務省からの電話回線による通信を解読できるかどうかの試験が行われた。チームによる秘話通信の解読はわずか24分で終わり、チームから内務省に報告された解読結果は会話内容と一致した。今までより強力なまったく新しい秘話装置の必要性は明らかだった。
1947年には複数のワーキンググループからなる委員会が組織され秘話装置開発のための検討が行われた。この頃には内務省の関係者にも新しい秘話装置の重要性は十分理解できていた。第二次世界大戦中に秘話装置の開発に貢献しこの当時モスクワ電力工学研究所 (MEI) に招かれ無線理論の研究を行っていたコテルニコフにもリーダーとして参加するよう打診が行われた。
例えば、短波帯の無線電話回線で長い間使われたA-3型秘話装置とその後継のA-4型秘話装置は、音声を5つのバンドに分け入れ替えとバンド内での周波数反転とを行う方式だったため、計算上の鍵の総数は 5!×5=3840 になる。しかし、例えば音声のエネルギーが大きい周波数帯域がスクランブル後も同じ場所に位置していたり、元々隣り合っていた周波数帯域がスクランブル後も隣り合っていたりするような入替パターンは残留了解度が高くなり容易に解読される可能性が高い。個々のバンド幅が広くないためバンド内の周波数反転の効果もあまり大きくない。そのため実際に使える鍵の総数は12程度で 計算上の数よりずっと小さかった。
バンド幅の拡大もアナログスクランブラーの方式を評価する際の重要な評価項目である。一般に、音声信号をスクランブルすると信号の時間軸や周波数軸上で不連続になるためバンド幅が拡大する。スクランブルを効率よく高速に行うほど不連続性が高くなるためバンド幅が拡大しやすくなる。バンド幅の拡大が大きくなると、音声信号を前提とした通常の電話回線/無線回線を利用した場合に音声の一部が伝送できずに音質が悪化する。またバンド幅の拡大が大きすぎる場合は通常の通信回線の利用ができないためアナログ方式のメリットが生かせない。
この頃はクリッピング方式のM-803が最も有望と考えられていたため、1949年8月にM-803を開発の中心機種とする決定が行われ、ボコーダーを用いるM-801の開発は中断された。小説『煉獄のなかで』でも、クリッピング方式の開発を行うグループ(小説中では第7班となっている)が有望視され、囚人たちが自由な世界に飛び出すために有望なグループに入り込もうとする様子が描写されている。
M-803を使いモスクワ-キエフ間での電話回線を使った1ヶ月以上の試験も実施された。測定した音節明瞭度は30%と悪く クリッピングによる雑音が多くてまともな通話ができない状況で、さらに通信回線の位相の反転により通話が途切れてしまう問題もあり、とてもスターリンや政府関係者が使えるような状況ではなかった。
この試験以降、音質改善への試行錯誤とグループ間の主導権争いのために様々な動きがあった。M-803の改良とは別に、開発が中断されたボコーダーをクリッピング方式と組み合わせることで音質を向上させる新しい音声符号化方式が考案され、装置の試作が急遽行われた。この符号化方式は、低い周波数ではクリッピングした音声信号を直接符号化し、高い周波数成分は大まかな周波数スペクトルをボコーダーの考え方を使って符号化するもので、後の1960年代に考案されたセミボコーダー (Semi-Vocoder) やボイスエキサイテッドボコーダー (Voice-Excited Vocoder) と呼ばれる方式と同様のものである。
明瞭度は51.1%に向上し当時のM-803より良い結果が得られたため、さらに研究を進めるためマールフィノ研究所とは独立したボコーダー研究所を設立することがいったん決まり準備が進められたが、直前になってこの決定は覆された。
電話に代表される音声を用いた通信は誰でも容易に使える通信方法である。メールや電信などの文字を用いる通信と比べ特別な技能が不要で、何か作業を行いながら通話することも簡単である。しかし電話は盗み聞きも比較的容易で、使用されている電話線など通信経路が分かれば盗聴できる。無線電話の場合はさらに容易で、受信機さえあれば誰でも盗聴や傍受が可能であり、周波数や変調方式さえ分かれば誰にも気づかれることなく会話内容を盗み聞きすることができる。
秘話はこのような音声通信の問題を解決するためのもので、音声信号を全く別の信号に変換して送ることで、同じ秘話装置を持つ相手以外には音声を聞き取れなくする。
秘話は大きく分けてアナログ方式とデジタル方式の2種類の方式に分類できる。
アナログ方式のものはボイススクランブラー (voice scrambler) やアナログスクランブラー (analog scrambler)、あるいは単純にスクランブラー (scrambler) の名称で呼ばれる。 この方式では、周波数成分の反転や入替を行ったり信号の時間軸での入替などを行うことで元の音声信号を別のアナログ信号に変え内容を聞き取れなくする。
アナログ方式の秘話装置は、ハードウェアが比較的単純で元々の音声信号と同じ帯域幅で送受信ができたため、警察無線や1960年代まで一般的だった短波帯を使用した国際電話など、アナログ方式の無線電話で古くから使われてきた。
通信における秘話(ひわ、英: Secure voice, Voice privacy, Cyphony)とは、音声通信において盗聴や傍受を防止するために音声を聞き取れなくするものである。よく知られている方式は音声の周波数スペクトルを反転させるもので、初期の無線電話やアナログ方式のコードレスフォンなどで使われた。音声をデジタル化した後に暗号化を行う方式は携帯電話、警察無線や軍用無線、政府高官用の暗号化機能付き電話機などで使われている。
このシステムは真空管とアナログ回路の時代に作られたため、当時としては非常に大規模で複雑なシステムだった。真空管を1000本以上使用し、装置の重さは約55トン、消費電力は30kWに上り、7フィート標準ラック30以上を占める大きさで、設置のためには空調が効いた広い部屋が必要だった。 運用のための専門の部隊が用意され、24時間体制で保守と調整を行った。 音声信号はボコーダーで圧縮した後、バーナム暗号を応用した方式で暗号化した。暗号化にはレコード(音盤)にデジタル録音された乱数を共通鍵として使うワンタイムパッド方式が用いられた。
SIGSALYは1943年7月にワシントンとロンドン間で運用が開始され、その後は北アフリカ、パリ、ハワイ、グアム、オーストラリア、及びマッカーサー将軍が移動中に司令部があった船上と終戦直前のマニラに設置され、また終戦後はベルリン、フランクフルト、東京にも設置され1946年まで使われた。
また、SIGSALYのシステムは非常に大規模で消費電力も大きく移動も運用も大変だったため、量産と並行して、SIGSALYを再設計し小型化する"ジュニア X システム"のプロジェクトが進められた。このシステムは1944年の秋に契約が行われ、米陸軍通信隊から AN/GSQ-3 の名称が与えられた。最終的にこのシステムは5フィートのラック6台分にコンパクト化されトレーラに積み込める程度の大きさになった。しかし納入日は1946年3月で戦争はすでに終わっており、実際に使われることはなかった。
SIGSALYのようなデジタル方式の秘話装置の存在とその処理方式は使用されなくなった後も長い間秘密にされた。
第二次世界大戦が終わった後も多くの分野で秘話装置が使用され続けた。警察無線、船舶などの移動体通信、離島間の無線電話のような一般向けの用途では戦前と同様の単純なアナログ方式のスクランブラーが長い間使用された。
例えば、日本の警察無線のデジタル化は1983年頃から始まり 1990年代にかけて段階的に行われたが、デジタル化される以前は音声周波数反転方式の単純なアナログスクランブラーを使用していた。この秘話方式は当時警察で使っていた秘話機能を持つ移動用VHF無線電話装置MPR-10Aの名称から「10番A」の略称で呼ばれた。
また、小笠原諸島との公衆電話用として1986年頃まで短波回線が使われていたが、これには帯域分割方式を用いたアナログスクランブラーが使用されていた。
日本で海底同軸電話ケーブル網が整備される1964年頃までさかんに使われた短波帯の国際無線電話でも同様で、戦前に使われたA-3と同じ方式のアナログスクランブラーであるA-4型秘話装置が1952年から使われた 。 それまでは戦前と同様に単純な音声周波数反転方式が使われていた。
デジタル方式の秘話装置は第二次世界大戦終結後も使われたが、複雑で高価だったためアメリカやイギリスなど一部の国の軍用と政府高官用にのみ使われ、暗号化方式も秘密にされた。
アナログ方式の第1世代携帯電話は特別な秘話機能を持っておらず、音声の変調方式もよく知られたFM方式だったため、盗聴は容易だった。しかしデジタル方式の第2世代携帯電話からは音声暗号化の機能が仕様として組み込まれ、アマチュアが容易に解読できるものではなくなった。
第3世代のCDMA2000方式とW-CDMA方式やそれ以降の世代はより強力な暗号化機能が仕様に含まれている。
ただし、仕様上暗号化機能をサポートしていることと、実際に音声の暗号化が行われることとは異なることに注意する必要がある。秘話通信を行うためには基地局側が秘話機能をサポートしている必要がある。通信事業者のポリシー等により基地局の秘話機能を無効にしている場合、音声の暗号化は行われない。端末側が秘話機能をサポートしない場合や秘話機能を有効にしていない場合も同様である。また、暗号化は通話をしている携帯端末間で行われるのではなく端末と基地局間で行われる。基地局と端末間の暗号化がいくら強力であっても、いったん基地局で復号された音声は通常の固定電話回線と同様に通信事業者の設備内での盗聴が可能である。
携帯電話の暗号化方式の概要
携帯電話の音声暗号化と認証とはペアで行われ、一般に次のような方法で実行される。基地局から定期的にメッセージとして送出される基地局の情報を端末側で判定し、発信や着信の際に端末から基地局側に認証を要請する。これに対し基地局側が乱数(チャレンジと呼ばれる)を端末側に送り、端末側はSIMカードなどに格納された秘密鍵などの端末固有の情報を元に特定の計算を行った結果(レスポンスと呼ばれる)を基地局側に返す。
LTEでも無線でやり取りされるビット列の暗号化のためにストリーム暗号が用いられる。鍵ストリーム生成に使用される暗号化アルゴリズムとしてW-CDMAの標準の一つでもあるSNOW 3Gと、CDMA2000で使われるAESの2種類が定義されている。鍵ストリーム生成に使用される暗号化鍵の生成には、元の鍵(マスターキー)を元に二次的な鍵、三次的な鍵と順次鍵を生成し階層的に管理する方式が使われている。これは基地局間の切り替わりであるハンドオーバー時や事業者間の切り替わりであるローミング時の鍵生成を高速化し、さらに鍵の1つが危険にさらされた場合の被害を最小にするためである。
携帯電話と盗聴
携帯電話で使われる暗号化方式は、A5/1やA5/2のような古い方式を除けば、一般的な用途には十分な秘話性を持っている。しかし最初に記述した通り、仕様上暗号化機能をサポートしていることが盗聴できないということを意味するわけではない。GSM、CDMA2000、W-CDMA、LTEとも通信仕様の詳細は標準化を行っている3GPPや3GPP2が一般に公開しており誰でも通信プロトコルの詳細を知ることができる。公開情報には暗号化アルゴリズムの仕様の多くも含まれている。基地局や端末が使用している暗号鍵が分からない場合でも、公開されている情報のみから暗号化が行われていない通話の盗聴を行う装置を専門家が作成することは可能である。暗号化が有効な場合でも、通信プロトコルの脆弱性を用い暗号強度の低い暗号を使用するように仕向けることもできる。
最後に、モスクワの鉄鋼工場"鎌とハンマー"の協力により非磁性体の周囲をニッケルとコバルトの薄膜でコーティングした材料を作ることで、ようやくまともな音質で磁気記録ができるようになった。
1942年秋に従来の装置よりはるかに秘話性の高い無線電話用の秘話装置がコテルニコフの研究所で完成し"Sable-P"(露: Соболь-П)と名付けられた。 秘話装置の完成当時に激しい戦闘が行われていたスターリングラード攻防戦では、ドイツ軍に切断された多くの有線の長距離電話回線の代替として無線電話回線が使われており、赤軍のモスクワ司令部と戦線正面軍との間の連絡手段としてモスクワ-トビリシ間の短波の無線電話回線で量産前のプロトタイプが使用された。新しく1315kmの長距離電話回線がカスピ海沿いに敷設されるまでこの無線電話回線が使われた。
過酷な戦場での使用経験から改良と機能強化が行われ、1943年の初め頃にはレニングラードの工場で量産が始まった。この秘話装置はその後モスクワ-ハバロフスク間など多くの基幹となる長距離電話回線で最高司令部と前線との連絡用に使われた。この秘話装置の開発により、1943年3月にコテルニコフと研究所の関係者は当時のソビエト連邦における国家最高賞であるスターリン国家賞を授与された。
Sable-P以降
秘話装置の開発と改良は終戦まで続いた。無線回線用の"Sable-P"以外に、有線の長距離電話回線用の秘話装置として"Sova"(露: Сова、フクロウ)や"Neva"(露: Нева、ネヴァ川)が開発され、バグラチオン作戦での最高司令部と第1/第2ベラルーシ方面軍との連絡やモスクワとパリやヘルシンキ、ウィーン間の通信に使用された。