秘話
置換後の周波数ブロック位置が元の位置から離れているほど残留了解度が低い(秘話性が高い)
実際に使用する置換パターンではこれらの事実を考慮する必要がある。置換後の周波数ブロック全体が元の位置からどの程度離れているかは、各ブロックの置換後の移動距離の全ブロック平均として定義されるシフトファクター (shift factor) を計算することで求められる。
秘話性を高めるためには、シフトファクターができるだけ大きくなるような置換を行う。また隣り合った周波数ブロックが置換後は離れるのが望ましい。置換のパターンが常に同じだと解読はとても容易なので、ローリングコード方式を採用し音質の劣化が起らない範囲でできるだけ頻繁に置換のパターンを変更する必要がある。
アナログフィルタ使用時、その特性の制限から分割できる周波数ブロック数には限度がある。周波数の分割数が少ない場合、周波数ブロックを置換する組み合わせの数が少なくなる。実際に秘話装置として実用になる秘話性が高い組み合わせはさらに少ない。そのため、分割数が少ない帯域分割法は十分な暗号強度を持たない。 実際、アメリカ政府高官用の国際電話回線で使われたA-3は、第二次世界大戦が始まるとドイツにより24時間体制で盗聴されていたことが分かっている。
この方式の応用として、離散フーリエ変換 (DFT) を用いてフーリエ係数を求め、係数の置換を行った後に逆DFTでアナログ信号に戻す方式がある。DFT/逆DFTによる時間遅延が発生するが、比較的音質が良く 80〜90程度の分割が容易に実現できる。係数の置換パターンを決める際に秘話性の低い組み合わせをできるだけ除外するのは周波数ブロックの分割数が少ない場合と同様である。
同じころヨーロッパ内の主要都市間も短波による国際無線電話が使用され始めている。
このような背景から、多くの研究者が秘話方式について考えるようになった。例えば、アメリカでは1918年に音声の周波数スペクトルを反転させる音声周波数反転方式の特許が申請され1924年に成立した。 この回路はまだ実用的なものではなかったが、その後ボーン (R. Bown) により平衡変調回路を用い改良した回路の申請が行われ1925年に特許になった。
1920年には音声を周波数の異なった複数のサブバンドに分割し配置換えを行うシステムが考案され、1923年に音声研究で有名なベル研究所のフレッチャー (H. Fletcher) がこれらのアイデアを組み合わせてサブバンドの配置換えと個々のサブバンド内での周波数の反転とを行う帯域分割方式の秘話方式の特許を申請し1926年に特許として認められた。
これらの技術は国際無線電話で最初に採用され、アメリカ-イギリス間の商用国際無線電話には音声周波数反転方式が使用された。 日本でも、1934年に開設された日本で初めての商用国際無線電話回線である新京(満州国)や台北(台湾)との間の電話回線にボーンの方式を改良した音声周波数反転方式が採用された。新京の電話回線では、アメリカ-イギリス間の方式よりさらに秘話性を高めるため、音声周波数反転時のキャリア信号の周波数を連続的に変化させたり複数の周波数を切り替える方式での試験運用も行われた。
認証元の装置が生成した128ビットの乱数値をチャレンジ値として認証先に送り、認証先ではリンクキー、乱数値と自分自身の48ビットBluetoothアドレスからE1アルゴリズムで計算を行いレスポンスとして認証元に送り返す。送り返すのは計算結果となる128ビットのうち上位32ビットで、下位の96ビットは後で通信時の暗号鍵の生成のために使用される。認証先でも同じ計算を行い上位32ビットを比較することで認証を行う。
認証が正常終了し接続先がペアリング済みの機器であることが確認できると、実際に機器間の通信が行われる。通信で使われる暗号鍵は、認証時の計算結果の下96ビット、内部で生成した128ビットの乱数値、128ビットのリンクキー、内部クロックから計算したスロット番号の4つのパラメータから計算する。暗号鍵の長さは8ビットから128ビットまでの可変長で、使用される鍵長はBluetooth機器の製造者が定義できる仕様になっているため、暗号強度は製造者ごとに異なる。
暗号化にはE0と呼ばれるアルゴリズムを用いたストリーム暗号が使われる。E0は25、31、33、39ビット長(合計128ビット)の4つのLFSR(線形帰還シフトレジスタ)と非線形の組み合わせロジックとを用いたもので、生成された疑似乱数ビット列(鍵ストリーム)と信号のビット列とは排他的論理和 (XOR) で結合される。
ヘッドセットプロファイルでは、音声信号が適応デルタ変調の一種であるCVSD (Continuously Variable Slope Delta modulation) でデジタル化され、前記のE0アルゴリズムを用いて暗号化される。
擬似乱数生成の元になる暗号鍵の設定にはX、Y、Zと印刷された3枚のパンチカードを用いた。パンチカードはIBMスタイルの80欄×12列のもので、24時間単位で交換する運用だった。この装置は1980年代の初め頃まで使用された。
以下にイギリスの音声暗号化装置のいくつかを示す。
BID/100 Hallmark
BID/150 Delphi
BID/160 Pickwick
1960年代初めから1970年代の終り頃まで使われた電話回線用の暗号化装置。政府レベルの通信に使われた。それ以前の秘話装置と異なりボコーダーと鍵生成回路とを1つにまとめたもの。
BID/200 Dakota
1970年代初めから1980年代の初め頃まで使われた多重通信用暗号化装置。6回線と12回線の2つのモードがあり、音声と電信の暗号化が可能だった。暗号鍵の設定にはBID/150と同様パンチカードを用いた。
BID/250 Lamberton
車載用VHF無線機 VSC353 と組み合わせて使用された音声暗号化モジュール。音声を16kbpsのデジタル信号に変換するデジタルマスターモジュール (DMS) と共に使われた。1960年代終り頃から1970年代初め頃に開発され、暗号化にはアメリカのNSAと英国のGCHQとで共同開発したSAVILLEアルゴリズムを使用する。アメリカのVINSONファミリーに相当する装置。
モスクワ、レニングラード、イルクーツク、アルマ・アタ、チェリャビンスクの間のロシア陸軍や内務人民委員部 (NKVD) の秘話装置による会話が盗聴されていたことが、戦後の調査で明らかになっている。これらの無線電話では、"クラスナヤ・ザリャー"工場で作られた多くの秘話装置のようにインバータを改良した方式と、人工的に音声の特定の周波数を強めて音を歪ませる方式の2種類の秘話装置が用いられていた。秘話の解読はドイツ陸軍兵器局 開発試験部 通信課(独: Wa Prüf 7)が担当し、アメリカのA-3型秘話装置の解読と同様、受信した秘話信号をいったん録音し、録音した音のサウンドスペクトログラムを注意深く調べることで秘話方式と秘話で使われている周波数を割り出して解読を行っていた。
このような状況の中、コテルニコフとウファの研究所のメンバーはそれまでに知られていた多くの秘話方式の分析を行い、単体では十分な秘話性が得られないという結論に達していた。新しい秘話装置では複数の秘話方式を組み合わせて高い秘話性を実現することにし、音声を2つの周波数ブロックに分けて周波数の反転と入替を行う方法と、アメリカのSIGJIPのように音声を複数の時間ブロックに分けて入れ替える方法とを組み合わせることにした。暗号鍵に相当する入れ替えパターンの指定には、当時のテレタイプや暗号機で使用されたさん孔テープを用いた。周波数/時間ブロックのスクランブル方法をテープにパンチされた1文字5ビットの情報で指定し、テープを10文字/秒で読み取り100ms単位でスクランブル方法を変化させる方式だった。
第二次世界大戦前のソビエト連邦の秘話の技術水準は低くドイツの製品などを輸入する状態だったが、徐々に自主技術での開発を行えるようになった。第二次世界大戦の後半頃になると技術は急速に進歩した。
ソビエト連邦での秘話の夜明け
ソビエト連邦での秘密通信の研究自体は古く、1920年にエンジニアのボンチ=ブルエヴィッチ (M. A. Bonch-Bruevich) は音声を記録して複数のブロックに切り分け配置換えをして送信を行い、受信側で元の配置に戻す方式を考案していたという。1927-28年にはソビエト連邦で最初の秘密野戦電話機の開発が赤軍通信科学研究所 (NIIS RKKA) で行われた 。 1930年代、秘密通信用の電話機研究は、郵政電信人民委員部研究所 (NKPiT)、赤軍通信科学研究所 (NIIS RKKA)、コミンテルン工場の無線装置研究所、レニングラードの電話工場"クラスナヤ・ザリャー"(露: Красная Заря、"赤い夜明け"の意)、海軍の通信・遠隔制御研究所、第20電気工学研究所 (No20 NKEP)、内務人民委員部 (NKVD) の研究所の7か所で行われていた。
ソビエト連邦とESインバータ
1930年頃は研究者の数も少なく5名から10名程度のグループの集まりにすぎなかったが、国際関係が緊張を増してきた1930年代後半になると秘話についての本格的な研究と装置の開発が行われるようになった。この当時、主要都市であるモスクワ-レニングラード間やモスクワ-ハルキウ間には政府専用の長距離電話回線が設置されており、"クラスナヤ・ザリャー"工場で作られた10.4kHz〜38.
1939年、政府の極秘レベルの音声通信に使えるような秘話装置の開発が重要な国家目標となり、コテルニコフが責任者になり開発が進められることになった。コテルニコフはアメリカのハリー・ナイキストやクロード・シャノンと独立にサンプリング定理を発見した ソビエト連邦の著名な無線工学と情報理論の研究者で、暗号についても独自の論文を書き、ロシア国内では秘話の父と呼ばれることもある。
独ソ戦(大祖国戦争)が始まりドイツ軍がモスクワに迫ると、"クラスナヤ・ザリャー"工場の研究所で秘話の研究を行っていたメンバーや、"Sable"を開発したコテルニコフと開発メンバーの半数はそこからおよそ1000km離れた内陸部の工業都市ウファに避難し、そこの研究施設 GSPEI-56(露: ГСПЭИ 56、連邦製造・実験研究所No.56)で装置の開発を行った。この頃は秘話装置だけでなく武器や通信機器の増産と性能向上の要求も急速に高まった時期で、研究者は少人数で多くの仕事をこなす必要があった。コテルニコフのスタッフも研究所の音響室で寝泊まりして開発を行っていた。
この当時、ソビエト連邦内や戦線で使われていた旧式のインバータ(音声周波数反転方式)を改良した秘話装置は単純でコンパクトだったが、解読もまた非常に簡単だった。秘話解読を行うドイツの専門家たちはこの方式を「私たちのかわいいインバータ」と呼んでいた。
当時のスターリンもこのような状況を理解しており、1941年5月の共産党政治局の拡大会議において「通信、それが我々のアキレス腱である」と発言した。
実際、1943年頃までのソビエト連邦内の無線電話での会話の多くはドイツ軍により盗聴されていた。
モスクワのNII-2も1966年にはオートメーション研究所(露: НИИ Автоматики、The Research Institute for Automatics)と改名され、秘話装置を含むさまざまな暗号化装置の製造と研究開発を続けた。 1950年代から1960年代にかけてこれらの研究所で行われた第1世代デジタル音声暗号化装置の開発では、第二次世界大戦中から秘話解読に関係しM-803開発グループリーダーでもあったピーターソン (A. P. Peterson)、第二次世界大戦中コテルニコフの研究所で秘話装置の開発を行いM-804開発グループのリーダーだったカラチェフ (K. F. Kalachev)、M-809開発グループリーダーのネイマン (I. S. Neyman) など、マールフィノ研究所で秘話装置の開発を行った多くのメンバーが活躍した。
その後も、オートメーション研究所はロシア連邦所有の独立採算制企業である連邦国家単一企業体 (Federal State Unitary Enterprise) として存続し、1994年に複数の企業体から組織されたロシア連邦研究開発企業連合"オートメーション"の中心組織として秘話装置を含む情報セキュリティ機器の研究開発を続けている。
例えば、常にロシア連邦大統領のそばにある黒いブリーフケース、"チェゲット"(露: Чегет)のコードネームで呼ばれニュークリア・ブリーフケース (nuclear briefcase) とも表現される核攻撃指令装置が組み込まれたブリーフケースは、オートメーション研究所が開発したものと言われる。
これらの方式は受信側と送信側との同期が厳密に取れていないと音質が悪くなる。当時の技術レベルでは十分な通話品質が得られなかったため、実運用では通常の音声周波数反転方式のみが使われた。台北間の回線も同期回路が除かれ通常の音声周波数反転方式が使われた。その後日本からマニラ、バンドン、サンフランシスコ、ベルリン、ロンドン向けなどにも無線電話回線が開設され、同じ方式が使用された。
また、1935年に国内で運用が始まった警察無線の基地局用と移動局用の無線機にも音声周波数反転方式の秘話装置が採用され第二次世界大戦末まで使われていた。
音声を複数のサブバンドに分割して配置換え等を行う帯域分割方式は1937年にベル研究所が開発したA-3と呼ばれる秘話装置で採用され、AT&Tが開設したニューヨークやワシントンとロンドンやパリなどヨーロッパの大都市を結ぶ回線、およびサンフランシスコとハワイ、東京を結ぶ回線で、アメリカ政府高官の秘密会話などの重要な音声通信のために使用された。 1939年9月1日の第二次世界大戦勃発時、フランス駐在のアメリカ大使ウィリアム・C・ブリットがルーズベルト大統領にこのニュースを知らせた際にもA-3が用いられた。
1920年代から30年代にかけて、様々な秘話装置が考案された。1940年頃ベル研究所の特許部門が行ったアメリカでの秘話関連の特許調査では80件ほどの特許が見つかったと報告されている。