JP4981802B2 - 通信ネットワークにおけるデータの暗号化 - Google Patents

Description

本発明はネットワークプロトコルに関する。より詳細には、本発明は通信ネットワークにおけるデータの暗号化に関する。

通信ネットワークにおいては、鍵と呼ばれる秘密情報なしでネットワークノードまたは盗聴者が容易に情報を決定することが可能でないように、暗号化を用いて情報の不明瞭化が行われている。暗号は、暗号化を実行するためのアルゴリズムである。次期米国標準暗号（ＡＥＳ）などのブロック暗号は、「平文ブロック」と呼ばれる固定長ブロックのデータを暗号鍵で暗号化し、暗号化された「暗号文ブロック」を生成する、対称鍵暗号である。暗号鍵を用いて暗号文ブロックを解読し、平文ブロックを再現することが可能である。

暗号化されるデータストリームがブロックサイズより長いとき、ブロック暗号ではデータストリームを暗号化するために「動作モード」が用いられる。電子コードブック（ＥＣＢ）モードと呼ばれる１つの動作モードでは、ストリームは複数のブロックへ分割され、各平文ブロックは暗号鍵を用いて個別に暗号化される。ＥＣＢモードでは、ストリームの異なる部分における同一の平文ブロックは同じ暗号文ブロックに対しマッピングされるので、元のデータストリームの一部のパターンが不明瞭化されない場合がある。

暗号ブロック連鎖（ＣＢＣ）モードと呼ばれる別の動作モードでは、ストリームは複数のブロックへ分割され、各平文ブロックは暗号化される前に先の暗号文ブロックに基づき（排他的論理和演算を用いて）処理される。ＣＢＣモードでは、各暗号文ブロックはすべての先の暗号文ブロックに依存しており、これによって元のデータストリームのパターンの不明瞭化が補助される。

第１の暗号文ブロックは、先の暗号文ブロックを有しないので、「初期化ベクトル」に基づき処理される。ＣＢＣモードブロック暗号または他の種類の暗号において用いられる初期化ベクトルによっても、ある形態の無作為化が提供される。異なるデータストリームに対し異なる初期化ベクトルを用いることによって、暗号化されたストリームからの元のデータストリームまたは暗号鍵についての情報を取得することは、より困難となる。初期化ベクトルは対応する暗号化ストリームを解読するために（暗号鍵と共に）用いられ、（暗号鍵と異なり）セキュリティを損なうことなく、対応する暗号化ストリームと共にネットワークを通じて送信可能である。

一態様では、一般に、本発明はネットワークにおける通信方法を特徴とする。この方法は、上位層からの複数の上位データユニットのコンテンツをカプセル化し、ストリームを生成する工程と、ストリームを複数のセグメントに分割する工程と、少なくとも幾つかのセグメントを個別に暗号化する工程と、暗号化されたセグメントは複数の暗号化されたブロックを含むことと、少なくとも幾つかの暗号化されたブロックは暗号化されたセグメント内の他の１つ以上の暗号化されたブロックに基づき暗号化されることと、ネットワークを通じて物理的な通信を取扱う物理層に下位データユニットを供給する工程と、少なくとも幾つかの下位データユニットは複数の暗号化されたセグメントを各々含むことと、を含む。

本発明のこの態様の実施形態は、次の特徴のうちの１つ以上を含んでよい。
各セグメントは複数のデータブロックに分割され、各暗号化されたセグメントはオーバ
ヘッド情報に関連しており、各下位データユニットは関連するオーバヘッド情報であり、第１の下位データユニット内の第１の暗号化されたセグメント内の第１の暗号化されたブロックは、暗号鍵と、第１の暗号化されたセグメント内の第２の暗号化されたブロック、または、少なくとも部分的には第１の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の一部および第１の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の一部のうちの１つ以上から導出される初期化ベクトルのいずれかとを用いて、第１のデータブロックから形成される。

初期化ベクトルは、少なくとも部分的には、下位データユニットを受信するための暗号化以外の少なくとも幾つかの機能に関連したオーバヘッド情報から導出される。
下位データユニットを供給する工程は一連の物理層ブロックを形成する工程を含み、各物理層ブロックは暗号化されたセグメントおよび同暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報を含む。

暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報は、ヘッダおよび完全性検査シーケンスのうちの１つ以上を含む。
完全性検査シーケンスは、ヘッダおよび暗号化されたセグメントに基づき算出される巡回冗長検査符号を含む。

初期化ベクトルは、少なくとも部分的には、第１の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分と、第１の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分との両方から導出される。

この方法は、さらに、異なる下位データユニットに対して前記オーバヘッド情報のいずれの部分が異なる可能性を有するかに基づき、第１の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分を選択する工程を含む。

下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分は、発信元の識別子および宛先の識別子のうちの１つ以上の少なくとも一部を含む。
この方法は、さらに、異なるセグメントに対して前記オーバヘッド情報のいずれの部分が異なる可能性を有するかに基づき、第１の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分を選択する工程を含む。

第１の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分は、第１の暗号化されたセグメントに関連したシーケンス番号と、下位データユニット内の第１の暗号化されたセグメントの位置を識別する情報と、第１の暗号化されたセグメントが生成されたセグメント内の上位データユニット間の境界の位置を識別する情報と、のうちの１つ以上の少なくとも一部を含む。

各暗号化されたセグメントは独立に再送信可能である。
少なくとも一部のセグメントは前方誤り訂正を用いて符号化される。
この方法は、さらに、新たな初期化ベクトルを用いてセグメントを再暗号化する工程を含む、受信に成功していないセグメントを再送信する工程を含む。

この方法は、さらに、少なくとも幾つかのセグメントに関連したパディングを削減するようにセグメントの長さを選択する工程を含む。
選択される長さは、セグメントの暗号ブロック連鎖モード暗号化に用いられる暗号ブロックサイズの倍数である。

初期化ベクトルの長さは、セグメントの暗号ブロック連鎖モード暗号化に用いられる暗
号ブロックサイズの長さと同じである。
上位層は媒体アクセス制御層を含む。

別の態様では、一般に、本発明はネットワークを通じて情報を送信するための装置を特徴とする。この装置は、通信媒体へ信号を接続するように構成された回路と、回路へ接続されたネットワークインタフェースモジュールと、を備える。ネットワークインタフェースモジュールは、上位層からの複数の上位データユニットのコンテンツをカプセル化してストリームを生成し、ストリームを複数のセグメントに分割し、少なくとも幾つかのセグメントを個別に暗号化し、ネットワークを通じて物理的な通信を取扱う物理層に下位データユニットを供給するように構成された回路を含む。暗号化されたセグメントは複数の暗号化されたブロックを含み、少なくとも幾つかの暗号化されたブロックは暗号化されたセグメント内の他の１つ以上の暗号化されたブロックに基づき暗号化され、少なくとも幾つかの下位データユニットは複数の暗号化されたセグメントを各々含む。

本発明の多く利点（その一部は本発明の様々な態様および実施形態のうちの一部においてのみ達成され得る）は、とりわけ、以下である。
セグメントの暗号化および解読のための初期化ベクトルを、少なくとも部分的には、セグメントにまたはセグメントを含む下位データユニットに関連したオーバヘッド情報から導出することによって、より高い通信効率（例えばペイロード対オーバヘッド比に関して）を達成可能である。オーバヘッド情報が下位データユニットを受信するための暗号化以外の少なくとも幾つかの機能に関連している場合、初期化ベクトルによる追加のオーバヘッドは付加されない。

受信局が下位データユニットに対するオーバヘッド情報を受信した後、所与の暗号化されたセグメントに対する初期化ベクトルを導出するために必要な他の情報は、そのセグメントに関連したオーバヘッド情報のみである。各セグメントに対して独立なオーバヘッド情報からＩＶを導出することを含め、セグメントを独立に暗号化することによって、次いで、セグメントにおいて訂正不可能な誤りが検出されるとき、セグメントを復号するために再送信する必要があるのは、そのセグメントを含む下位データユニットの部分のみである。

図１に示すように、ネットワーク構成２は、幾つかの通信局６〜１０（例えば、計算装置または視聴覚装置）が互いに通信を行うための通信媒体３を備える。通信媒体３は、例えば、同軸ケーブル、光ファイバ、無シールドツイストペアケーブルまたは送電線など、１つ以上の種類の物理的な通信媒体を含むことが可能である。また、ネットワーク構成２は、ブリッジまたはリピータなどの装置を備えることも可能である。通信媒体３は、様々なネットワークトポロジー（例えば、バス、ツリー、スター、メッシュなど）のうちの任意のものにしたがって、ネットワーク構成２において通信局を接続することが可能である。

通信局は、所定のネットワークアーキテクチャにしたがって、互いに通信を行う。ネットワークアーキテクチャの複数の層を形成する抽象オブジェクトは、通信プロトコルと呼ばれることがある。通信プロトコルによって、通信サービスには、情報を送受信するために用いられるより上位のオブジェクト（アプリケーション処理、すなわち、より上位の層など）が提供される。例えば、一部のネットワークアーキテクチャでは、最下層は物理（ＰＨＹ）層および媒体アクセス制御（ＭＡＣ）層の通信プロトコルを含む。ＰＨＹ層は、データと通信媒体３を通じて送信される信号波形との間の変換を行う。ＭＡＣ層はデータリンク層の副層であり、例えば、開放型システム間相互接続（ＯＳＩ）ネットワークアーキテクチャ標準にしたがって、ＰＨＹ層に対するインタフェースを提供する。

通信局６〜１０は、それぞれの局に対しハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせにより通信プロトコルを実装する、それぞれのネットワークインタフェースモジュール１２〜１６を備える。これらの局は、用いられる特定の通信プロトコルが異なることもあるが、それらのプロトコルが互換性を有する場合、依然として互いに通信することが可能である。送信局の通信プロトコルは、受信局のピア通信プロトコルへデータユニットの形態でデータを送信する。各々の局にて、データユニットは通信プロトコルの複数の層（すなわち、「プロトコルスタック」）の間を上下に渡される。通信プロトコルは、より上位の層のプロトコルからサービスデータユニット（ＳＤＵ）を受信し、プロトコル制御情報（ＰＣＩ）を用いて（例えば、ヘッダとして）ＳＤＵをカプセル化し、より下位の層へＳＤＵとして提供されるプロトコルデータユニット（ＰＤＵ）を形成する。したがって、各下位層は上位層にサービスを提供し、カプセル化されたＳＤＵがピアプロトコルへ配信されることを保証する。

例えば、送信局のＭＡＣ層プロトコルは受信局のＭＡＣ層プロトコルへＭＡＣプロトコルデータユニット（ＭＰＤＵ）を送信する。ＭＰＤＵは、アプリケーション層ペイロードに加え、ＰＣＩや、ＭＡＣ層および上位層のＳＤＵに関連した他のオーバヘッド情報（例えば、ヘッダの情報または末尾の巡回冗長検査（ＣＲＣ）符号）を含む。ＭＡＣ層は、通信媒体３を通じて輸送されるＰＨＹサービスデータユニット（ＰＳＤＵ）として、ＭＰＤＵをＰＨＹ層へ提供する。ＰＨＹプロトコルデータユニット（ＰＰＤＵ）は、通信媒体３を通じて送信されるＰＳＤＵを表現する変調された信号波形を表す。

図２には、ネットワーク構成２によって使用可能な参照ネットワークアーキテクチャ５０の一部における代表的なシステムインタフェースと、それに関連したデータユニットとを示す。この部分は各局にて実装されてよい。ネットワークアーキテクチャの３つの層、すなわち、ブリッジ／ＰＡＬ_ｉ ５２、ＭＡＣ ５４、物理層（ＰＨＹ）５６の１つ以上の層を含むプロトコル適応層（ＰＡＬ）を示す。ブリッジ／ＰＡＬ_ｉ ５２、ＭＡＣ ５４、物理層（ＰＨＹ）５６は、それぞれＭ１インタフェース６２、ＰＳインタフェース６４によって分離されている。

上位のインタフェースＨ１_ｉ ５８は、第ｉ番目のホストインタフェースを表す。各プロトコルについて１つのインタフェースがサポートされている。Ｈ１_ｉインタフェース５８は、ネットワークアーキテクチャ５０の上位層に対する第ｉ番目のホストプロトコルデータユニット（Ｈ_ｉＰＤＵ）６８および第ｉ番目のプロトコル適応層サービスデータユニット（ＰＡＬ_ｉ ＳＤＵ）６９の境界の点を定義する。

サポートされる各プロトコルについて、対応するブリッジ／ＰＡＬ_ｉ ５２は、部分的にはホストソフトウェアにより、また部分的にはファームウェア、ハードウェアまたはその両方により、実装されてよい。アーキテクチャ５０の例はＩＥＥＥ ８０２．３および等時性ストリームプロトコルをサポートするとともに、インタフェース６０を通じて他のネットワークの専用のプロトコルに対するアクセスを提供する。ブリッジ／ＰＡＬ_ｉ ５２は、上位層適応（ＨＬＡ）機能、ブリッジ機能またはその両方をサポートする。ＨＬＡおよびブリッジ動作の両方は、ＰＡＬプロトコルデータユニット（ＰＡＬ_ｉＰＤＵ）７０を含むホストデータパケットのＭＡＣサービスデータユニット（ＭＳＤＵ）７１への翻訳と、反対にＭＡＣサービスデータユニット（ＭＳＤＵ）７１のＰＡＬプロトコルデータユニット（ＰＡＬ_ｉＰＤＵ）７０を含むホストデータパケットへの翻訳とをサポートし、また、Ｈ１インタフェース５８から対応するネットワークインタフェース１２〜１６のアドレス（例えば、ＭＡＣアドレス）へのホストアドレスの翻訳をサポートする。また、ＨＬＡおよびブリッジ動作は、ＭＡＣ層に調和したストリームの確立に加え、トラフィッククラスおよびＱｏＳパラメータの決定もサポートする。

Ｍ１インタフェース６２は、すべてのプロトコル適応層に対し共通であり、所与のブリッジ／ＰＡＬ_ｉ ５２とＭＡＣ層５４との間の境界を定義する。ＰＡＬプロトコルデータユニット（ＰＡＬ_ｉＰＤＵｓ）７０はＭＡＣサービスデータユニット（ＭＳＤＵ）７１としてブリッジ／ＰＡＬ_ｉ ５２からＭＡＣ層５４へと下に渡され、反対にＭＡＣ層５４からブリッジ／ＰＡＬ_ｉ ５２へと上に渡される。

媒体アクセス制御（ＭＡＣ）層５４はブリッジ／ＰＡＬ_ｉ ５２からのＭＡＣサービスデータユニット（ＭＳＤＵ）７１を処理し、ＰＨＹサービスデータユニット（ＰＳＤＵ）７３として物理層５６に配信するためのＭＡＣプロトコルデータユニット（ＭＰＤＵ）７２を生成する。ＭＡＣ層５４の処理は、例えば、ＰＡＬ ５２に対するサービスインタフェース、ネットワーク管理、承認制御、暗号化、誤り制御（ＡＲＱ）、再送信、エスカレーション、フレーミング、分割・再組立て、パケットのカプセル化・脱カプセル化、チャネルアクセス（無競合バースト、管理セッション、ＣＳＭＡ／ＣＡなど）、タイムスタンプ、マルチメディアクロックによる同期、および無競合セッションを含む。

物理層シグナリング（ＰＳ）インタフェース６４はＭＡＣ層５４およびＰＨＹ ５６を分離しており、ＭＡＣプロトコルデータユニット（ＭＰＤＵ）７２は、ＰＨＹサービスデータユニット（ＰＳＤＵ）７３として、ＰＳインタフェース６４を通じてＭＡＣ層５４からＰＨＹ ５６へ、また反対にＰＨＹ ５６からＭＡＣ層５４へ渡される。

物理層（ＰＨＹ）５６プロトコルは、ＰＨＹプロトコルデータユニット（ＰＰＤＵ）信号７４を送信するために様々な動作を提供する。ＰＨＹプロトコルデータユニット（ＰＰＤＵ）信号７４は、変調方式にしたがってＰＳＤＵ ７３データが変調されるシンボルを含む。例えば、送電線媒体など共有の通信媒体を通じた直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）変調方式では、ＰＨＹ ５６は、前方誤り訂正（ＦＥＣ）符号化、暗号化、物理キャリア感知、フレーム制御復号、誤り検出、およびＯＦＤＭ通信に用いられるキャリア周波数の「トーンマップ」のチャネル推定および選択に必要な情報を提供することが可能である。

データと通信媒体を通じて送信される信号波形との間の変換を行うネットワークインタフェースモジュールの部分を実装するために、様々な通信システムアーキテクチャのうちの任意のものを用いることが可能である。ＯＦＤＭ変調では、データはＯＦＤＭ「シンボル」の形態で送信される。各シンボルは所定の持続時間、すなわち、シンボル時間Ｔ_ｓを有する。各シンボルは、互いに直交でありＯＦＤＭキャリアを形成する、Ｎ個の正弦キャリア波形の重ね合せによって生成される。各キャリアは、ピーク周波数ｆ_ｉと、シンボルの開始から測定される位相φ_ｉとを有する。これらの互いに直交なキャリアの各々について、正弦波形の全周期数はシンボル時間Ｔ_ｓ以内に収まっている。すなわち、各キャリア周波数は、周波数間隔Δｆ＝１／Ｔ_ｓの整数倍である。キャリア波形の位相φ_ｉおよび振幅Ａ_ｉは、得られる変調された波形の直交性に影響を与えることなく、（適切な変調方式にしたがって）独立に選択可能である。キャリアは、ＯＦＤＭ帯域幅と呼ばれる周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎの周波数範囲を占有する。

図３を参照すると、通信システム３００は、通信媒体３０４を通じて受信機３０６へ信号（例えば、一連のＯＦＤＭシンボル）を送信するために送信機３０２を備える。送信機３０２および受信機３０６は、いずれも各局のネットワークインタフェースモジュールに組込可能である。通信媒体３０４は、送電線ネットワークを通じた１つの装置から別の装置への経路を表現し得る。

送信機３０２にて、ＰＨＹ層を実装するモジュールは、ＭＡＣ層からＭＰＤＵを受信する。ＭＰＤＵは、スクランブル化、誤り訂正符号化、およびインタリーブ化などの処理を実行するために、符号器モジュール３２０へ送信される。

符号化されたデータはマッピングモジュール３２２へ供給される。マッピングモジュール３２２は、現在のシンボルに用いられるコンスタレーション（例えば、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、８−ＱＡＭ、１６−ＱＡＭコンスタレーション）に応じて一群のデータビット（例えば、１，２，３，４，６または１０ビット）を取得し、それらのビットによって表現されるデータ値を現在のシンボルのキャリア波形の同相成分（Ｉ）および直角位相成分（Ｑ）の対応する振幅にマッピングする。これによって、その実数部分がピーク周波数ｆ_ｉのキャリアのＩ成分に対応し、その虚数部分がＱ成分に対応する、対応する複素数Ｃ_ｉ＝Ａ_ｉｅｘｐ（ｊφ_ｉ）に関連した各データ値が生じる。これに代えて、変調されたキャリア波形にデータ値を関連付ける任意の適切な変調方式を用いることが可能である。

また、マッピングモジュール３２２は、システム３００が情報を送信するためにＯＦＤＭ帯域幅内のキャリア周波数ｆ_１，．．．，ｆ_Ｎのいずれを用いるかを決定する。例えば、フェージングを経験している一部のキャリアを回避することが可能であり、それらのキャリア上では情報が送信されない。あるいは、マッピングモジュール３２２は、そのキャリアについて、擬似ノイズ（ＰＮ）シーケンスからのバイナリ値を用いて変調されたコヒーレントＢＰＳＫを用いる。電力放射可能な媒体３０４上の制限された帯域（例えば、アマチュア無線帯域）に対応する一部のキャリア（例えば、キャリアｉ＝１０）については、それらのキャリア上ではエネルギーが送信されない（例えば、Ａ_１０＝０）。また、マッピングモジュール３２２は、「トーンマップ」にしたがって、キャリアの各々に対し用いられる変調の種類（すなわち、「トーン」）を決定する。トーンマップはデフォルトのトーンマップであってもよく、あるいは、受信局によって決定されるカスタマイズされたトーンマップであってもよい。

逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）モジュール３２４は、マッピングモジュール３２２がピーク周波数ｆ_１，．．．，ｆ_Ｎを有するＮ個の直交キャリア波形に対し決定したＮ個の複素数（それらのうちの一部は未使用キャリアについて０であってよい）の組の変調を実行する。（サンプリングレートｆ_Ｒにおける）離散時間シンボル波形Ｓ（ｎ）を形成するために、変調されたキャリアをＩＤＦＴモジュール３２４によって結合する。これは、次式のように書くことができる：

ここで、時間のインデックスｎは１からＮへ進み、Ａ_ｉは振幅であり、φ_ｉはピーク周波数ｆ_ｉ＝（ｉ／Ｎ）ｆ_Ｒによるキャリアの位相であり、ｊ＝√（−１）である。一部の実施形態では、離散フーリエ変換は、Ｎが２の累乗である高速フーリエ変換（ＦＦＴ）に相当する。

後処理モジュール３２６は、一連の連続的な（重なる可能性がある）シンボルを結合し、通信媒体３０４を通じた連続的なブロックとして送信可能な「シンボルセット」にする。後処理モジュール３２６は、プリアンブルを自動利得制御（ＡＧＣ）およびシンボルタイミング同期に使用可能なシンボルセットの後部に付加する（ｐｒｅｐｅｎｄ）。シンボル間およびキャリア間の干渉（例えば、システム３００、通信媒体３０４またはその両方
の欠陥による）を軽減するため、後処理モジュール３２６は、シンボルの最後の部分の複製であるサイクリックプレフィックスを用いて各シンボルを延長することが可能である。また、後処理モジュール３２６は、シンボルセット内のシンボルのサブセットにパルス整形ウィンドウを適用し（例えば、２乗余弦窓または他の種類のパルス整形ウィンドウを用いて）、シンボルのサブセットを重ね合わせることなど、他の機能を実行することが可能である。

アナログフロントエンド（ＡＦＥ）モジュール３２８は、時間連続（例えば、ローパスフィルタ処理された）バージョンのシンボルセットを含むアナログ信号を通信媒体３０４に接続する。通信媒体３０４を通じた波形Ｓ（ｔ）の時間連続バージョンの送信の効果は、通信媒体を通じた送信のインパルス応答を表す関数ｇ（τ；ｔ）を用いる畳み込みによって表現可能である。通信媒体３０４はノイズｎ（ｔ）を付加してもよく、このノイズはジャマーによって放射されるランダムノイズ、狭帯域ノイズまたはその両方であってよい。

受信機３０６にて、ＰＨＹ層を実装するモジュールは、通信媒体３０４から信号を受信し、ＭＡＣ層に対するＭＰＤＵを生成する。ＡＦＥモジュール３３０は自動利得制御（ＡＧＣ）モジュール３３２および時間同期モジュール３３４と共に動作し、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）モジュール３３６へサンプリングした信号データおよびタイミング情報を提供する。

サイクリックプレフィックスを除去した後、受信機３０６はサンプリングした離散時間シンボルをＤＦＴモジュール３３６に供給し、（Ｎ点のＤＦＴを実行することによって）符号化されたデータ値を表現する一連のＮ個の複素数を抽出する。復調器／復号器モジュール３３８は、対応するビットシーケンスに対し複素数をマッピングし、適切なビットの復号（脱インタリーブ処理およびスクランブル解除を含む）を実行する。

送信機３０２または受信機３０６のモジュールを含む通信システム３００の任意のモジュールは、ハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせにより実装可能である。

一部の実施形態では、ＭＰＤＵは、ＭＳＤＵとＭＰＤＵとの間に必ずしも１対１の対応が存在しないように、ＭＳＤＵのストリームから生成可能である。例えば、ＭＡＣフレーミング処理では、一連のＭＡＣフレーム（または「サブフレーム」）の各々は１つ以上のＭＳＤＵから生成され、複数のＭＡＣフレームはＭＡＣフレームのストリームへと連結される。次いで、このＭＡＣフレームストリームは、ＭＰＤＵに含まれ得る複数のセグメント（例えば、固定のサイズのセグメント）へと区分される。

図４を参照すると、ＭＡＣフレームストリーム１００は、長さの変化する可能性のあるＭＡＣフレームの連続的なストリームを含む。セグメント１０２はＭＡＣフレームストリーム１００の一部から形成される。セグメント１０２およびＭＡＣフレームの相対的なサイズに応じて、セグメントは、１つのＭＡＣフレームの一部、複数のＭＡＣフレームまたはその両方を含むことが可能である。したがって、セグメントはＭＡＣフレーム間の０または１つ以上の境界を含むことが可能である。各セグメントについて、ＭＡＣ層は、そのセグメント内の第１のＭＡＣフレーム境界のオフセットを記録する。この境界情報はセグメントと共に送信され、受信されるセグメントからＭＡＣフレームを区別するために受信局によって用いられる。他のＭＡＣフレーム境界（存在する場合）は先のＭＡＣフレームの情報（例えば、ＭＡＣフレームの長さの情報）から決定可能であるので、セグメントにおける第１のＭＡＣフレーム境界で充分である。受信局が先のＭＡＣフレームからのセグメントを破棄し、次のＭＡＣフレームによる受信を継続する必要がある場合、ＭＡＣフレ
ーム境界情報によって、受信局が次のＭＡＣフレームの開始部を見出すことが可能となる。また、各セグメントはセグメントシーケンス番号（ＳＳＮ）に関連付けられている。ＳＳＮはＭＡＣフレームストリームの第１のセグメントに対し０に初期化され、新たなセグメントが形成されるとき、１だけインクリメントされる。ＳＳＮによって、受信局において、順序通りでないセグメントの受信と、複製の検出とが可能となる。

ＭＡＣフレームストリーム１００の終止部は、セグメントがＭＰＤＵへカプセル化される（ＰＳＤＵとしてＰＨＹ層へ送出される）とき、一度にセグメント１０２を完全に充填するのに充分なデータを含んでいない場合がある。そのような場合、ＭＡＣフレームストリーム１００はパッド部分１０４を用いてパディングを行うことが可能であり（例えば、０を詰め込む）、そうして完全なセグメント１０２を形成することが可能である。ＭＡＣフレームストリームのパディングを行い最後のセグメント（例えば、図３の「セグメントｎ」）を形成することは、セグメントがＰＨＹ層への送出のために処理される直前まで遅延させることが可能であり、次のＭＡＣフレームがＭＡＣフレームストリーム１００に付加されるための時間を許容することが可能となる。セグメントの残部におけるパディングの存在を示すために、パッド部分１０４の開始部に所定のデータ値を含めることが可能である。

セグメント１０２は、ＭＡＣ層およびＰＨＹ層による信頼可能な配信サービスの対象となるエンティティとして取り扱われる。各セグメント１０２は、各セグメントが他のセグメントのいずれも必要とすることなく受信局にて解読可能であるように、個別に暗号化可能である。例えば、ＣＢＣモードブロック暗号（例えば、ＣＢＣモードによる１２８ビットのＡＥＳ暗号）は、ＭＡＣフレームストリーム１００のデータを、所与のサイズ（例えば、１２８ビット、すなわち、１６バイト）のデータブロック（すなわち、「平文ブロック」）に分割することによって使用可能である。セグメントの最後のデータブロックにパディングを行う必要を除去するため、データブロックのサイズの倍数となるようにセグメントのサイズを選択することが可能である。したがって、各暗号化されたセグメント１０６は、所定数の暗号化されたブロック（すなわち、「暗号文ブロック」）を含む。

ＭＡＣ層は、ＭＰＤＵ １１０のＰＨＹブロック（ＰＢ）１０８内に、各々の暗号化されたセグメント１０６を送信する。ＰＢ １０８のＰＢ本体（ＰＢＢ）フィールド１１４は、暗号化されたセグメント１０６をＰＢ １０８のペイロードとして搬送する。ＰＢ １０８の他のフィールドは、オーバヘッド情報（例えば、暗号化されたセグメント１０６を送信するためにＰＨＹ層によって用いられる情報）を搬送する。ＰＢヘッダ１１６は、例えば、ＳＳＮと、そのセグメントに関連した第１のＭＡＣフレーム境界オフセット（存在する場合）とに対するフィールドを含む。また、ＰＢヘッダ１１６は、セグメントが属するストリームの種類（例えば、データストリームまたは管理ストリーム）など、セグメントの他の特性を示す情報を含むことが可能である。ＰＢ検査シーケンス（ＰＢＣＳ）１１８は、受信局にてＰＢ １０８の完全性を検査するために用いられる。ＰＢＣＳは、例えば、ＰＢＢ １１４およびＰＢヘッダ１１６に対し算出されるＣＲＣ符号である。

各セグメント１０２（および暗号化されたセグメント１０６）は、独立に再送信可能な異なるＰＢ １０８（または「ＦＥＣブロック」）に対応する。ＦＥＣ符号化によってＰＨＹ層がＰＨＹブロックに基づき誤りを検出することが可能であるので、誤りを有しないセグメント１０２の再送信を必要とすることなく誤りを有するセグメント１０２を再送信することが可能である。

セグメント１０２のサイズは、高い効率と低い遅延時間との間のトレードオフを提供するように選択可能である。例えば、セグメント１０２に関連したオーバヘッド情報（例えば、ＰＢヘッダ１１６およびＰＢＣＳ １１８）がセグメント１０２のサイズに比較して
小さい（例えば、小さなオーバヘッド対ペイロード比）ように、セグメントは充分に大きいことが可能である。セグメントは、情報を再送信するための遅延時間が短いように、誤りの周囲の小さな範囲のデータに誤りの影響を隔離するのに充分であるように小さいことが可能である。また、小さい区分によって、最終のＰＢ １０８のパディング部分１０４の潜在的なサイズを減少させることが可能である。１６バイトのデータブロック、４バイトのＰＢヘッダ１１６および４バイトのＰＢＣＳ １１８による場合のそのようなトレードオフの一例は、５１２バイトであり、これによって５２０バイトのＰＢ １０８が得られる。

また、ＭＰＤＵ １１０は、一連のＰＢ １０８に先行するＭＰＤＵヘッダ１２０（すなわち、「フレーム制御」部分）を含む。ＭＰＤＵヘッダ１２０は、ＭＰＤＵ １１０の送信に関連したオーバヘッド情報、ＭＰＤＵ １１０のすべてのＰＢ １０８に関連する情報またはその両方を含む。ＭＰＤＵ １１０はＰＨＹ層へ渡されてＰＰＤＵ信号に対し変調され、受信局へ送信される。ＭＰＤＵヘッダ１２０およびＰＢヘッダ１１６に含まれる情報は、セグメント１０２が属するストリームなど上層のデータユニットの再組立てのため受信局によって用いられることが可能である。

セグメント１０２を暗号化して暗号化されたセグメント１０６を生成する処理の別の態様は、暗号化処理を初期化するために用いられる初期化ベクトル（ＩＶ）の選択である。例えば、ＣＢＣモード暗号では、暗号化されたセグメント１０６内の所与の暗号化されたブロックは、セグメント１０２内の対応するデータブロックを、先行する暗号化されたブロックまたは（形成される第１の暗号化されたブロックについては）セグメント１０２に関連したＩＶと結合する（例えば、排他的論理和演算を用いて）ことによって形成される。次いで、結合されたブロックは暗号鍵を用いて暗号化される。

暗号化されたセグメント１０６を適切に解読するために、暗号鍵およびＩＶの両方は受信局にて知られている必要がある。１組の共有の秘密暗号鍵は、（例えば、セキュアなプロトコルによる分配後に）送信局および受信局の両方に知られることが可能であり、ＭＰＤＵヘッダ１２０のフィールド（「暗号鍵選択」（ＥＫＳ）フィールド）は、対応するＭＰＤＵ １１０の暗号化されたセグメント１０６を解読するためにいずれの暗号鍵が用いられるかを指定することが可能である。ＩＶは必ずしも暗号鍵のように秘密が保持されている必要はない。しかしながら、同じまたは非常に予測可能なＩＶを同じ暗号鍵と共に用いることによって、一定の暗号攻撃に対する脆弱性が増大する場合がある。所与の暗号化されたセグメント１０６の暗号化に用いられるＩＶは、（例えばＰＢヘッダ１１６により）セグメントと共に送信可能である。しかしながら、付加されたオーバヘッド（例えば、１６バイト）はセグメントのサイズ（例えば、５１２バイト）と比較して有意であり、効率を低下させる場合がある。

ＩＶの送信におけるオーバヘッドを低下させる一手法は、ＣＢＣモード暗号化を用いる長い連鎖により、ＭＰＤＵペイロード全体（複数のＰＢ）、またはＭＡＣフレーム全体を暗号化することであり、これには単一のＩＶしか必要でない。しかしながら、この場合、連鎖のいずれかの部分が失われるか破損したときには、以降の暗号化ブロックに対するＣＢＣモード暗号化はその失われた部分に依存するので、連鎖のその点から先のデータは失われる。

ＩＶの送信におけるオーバヘッドを低下させる別の手法は、新たなＩＶをより低い頻度で送信することであり、次いで、所定の手法（例えば、既知のハッシュ関数によるインクリメントおよび変換）により、それらの新たなＩＶに応じて他のＰＢに対するＩＶを生成する。しかしながら、この場合、新たなＩＶのうちのいずれが失われるときには、失われたＩＶに依存しているＩＶを用いて暗号化されたデータは失われる。

ＩＶの送信におけるオーバヘッドを低下させる別の手法は、セグメント１０２に関連したオーバヘッド情報（例えばＰＢヘッダ１１６）、ＭＰＤＵ １１０に関連したオーバヘッド情報（例えばＭＰＤＵヘッダ１２０）またはその両方を含む、ＭＰＤＵ １１０を受信するための暗号化以外の少なくとも幾つかの機能に既に関連しているオーバヘッド情報から、ＩＶを導出することである。代表的な一実施形態では、所与のＰＢＢフィールド１１４における暗号化されたセグメント１０６に対するＩＶは、対応するＰＢヘッダ１１６からのフィールドと、ＭＰＤＵヘッダ１２０からのフィールドと、ＭＰＤＵ １１０におけるセグメント１０６（および対応するＰＢ １０８）の相対位置を示す「セグメントカウント」とを連結することによって取得される。セグメントカウントは受信局にて決定可能な値であり、ＭＰＤＵ １１０の任意のオーバヘッド情報によって送信または表現される必要はない。受信局は、ＭＰＤＵにおいて受信される各セグメントに対し、単純にセグメントカウントをインクリメントすることが可能である。

より予測不能なＩＶを提供するために、ＩＶの一部を供給するために用いられ得る複数のフィールドから、１つのＭＰＤＵ １１０から次のＭＰＤＵへ、または１つのＰＢ １０８から次のＰＢへと変化する可能性がより高いフィールドを選択することが可能である。複数のフィールドのうちのいずれかが同じままである可能性が存在する場合にも、変化する可能性のある複数のフィールド（またはフィールドの一部分）を選択することによって、全ＩＶにおいて１つのＭＰＤＵ １１０またはＰＢ １０８から次のＭＰＤＵまたはＰＢまでが同じままである可能性は減少する。この例では、所与のＭＰＤＵ １１０において１つのＰＢ １０８から次のＰＢまでセグメントカウントがインクリメントするので、連続する暗号化されたセグメント１０６に対するＩＶは同じにならない。

異なるＭＰＤＵに対して異なる可能性があるようにＩＶに含められる選択可能なＭＰＤＵヘッダ１２０のフィールドの例は、発信元アドレス、宛先アドレス、リンク識別子、ＥＫＳ、係留ＰＢ、ビットロード推定値、トーンマップインデックス、ＭＰＤＵカウントおよびバーストカウントである。発信元アドレスおよび宛先アドレスを用いることによって、通信する発信局／宛先局の各対に対してＩＶが異なることが保証される。また、他の方向では発信元が宛先になり宛先が発信元になるので、各方向においてＩＶが異なる。リンク識別子は、発信元から宛先への可能な複数のストリームのうちの１つを識別する。いずれの暗号鍵を用いるか判定するために受信機によって用いられるＥＫＳは、局が属する論理ネットワークなど様々な他の因子に応じて異なってよい。係留ＰＢは、送信されるＰＢのバッファにおける残量を表し、通常、異なるＭＰＤＵでは異なる。ビットロード推定値は、所与のトーンマップに関連したデータレートに基づく。トーンマップインデックスは、異なるトーンマップが用いられるときに変化する。ＭＰＤＵカウントは連続するＭＰＤＵに対して変化する。バーストカウントは、送信されるＭＰＤＵのバーストに対してカウントダウンされる（例えば、３，２，１，０）。これに加えて、ＩＶはＭＰＤＵヘッダ１２０に対する検査シーケンスを含むことが可能である。この検査シーケンスは、ＭＰＤＵヘッダにおける他のすべてのフィールドの関数として算出され、他のフィールドのうちの１つ以上が変化するときに変化する尤度の高いハッシュ値として作用する。

異なるＰＢに対して異なる可能性があるようにＩＶに含められる選択可能なＰＢヘッダ１１６のフィールドの例は、ＳＳＮ、ＭＡＣフレーム境界オフセットおよびＭＡＣフレーム境界フラグである。ＳＳＮはセグメントカウントがするように１つのＰＢ １０８から次のＰＢまでインクリメントするが、ＳＳＮは、セグメントカウントがするように、ＭＰＤＵ １１０の開始部で必ずしも０（または１その他の開始値）に戻る必要はない。ＳＳＮはＭＰＤＵ境界を通じてもインクリメントするので、ＳＳＮはその最大値（例えば、１６ビットのＳＳＮではＮ_ｍａｘ＝６５，５３５）を超えて１回りするまでは反復されない。ＳＳＮが反復する（１回り後）ときまで、変化するフィールドにおいて少なくとも幾つ
かのビットが変化する（例えば、セグメントは同じＳＳＮを有する最後のセグメントとＭＰＤＵ内の位置が同じでない場合があるので、セグメントカウントの異なる可能性がある）、あるいは新たな暗号鍵が用いられる尤度が高い。互いにＮ_ｍａｘ＋１以内の任意の２つのセグメントは、同じＩＶを有しない。

ＭＡＣフレーム境界フラグは、ＰＢ内の２つのＭＡＣフレーム間に１つ以上の境界が存在するか否かを示す。１つ以上の境界が存在する場合、ＭＡＣフレーム境界オフセットはＰＢにおいて第１の境界が発生する場所を示す。ＭＡＣフレームのサイズが変化するか、あるいはセグメントサイズの倍数でない場合、それらのフィールドは変化する可能性がある。

ＩＶにおいて用いられるフィールドの組み合わせは、所与の暗号鍵に対する反復の可能性の低いＩＶを提供する。この暗号鍵は、依然として暗号攻撃からの許容可能な水準の保護を提供することが可能である。

ＭＰＤＵ １１０が受信局にて受信された後、各ＰＢ １０８のＰＢＣＳ １１８は検査され、良好なＰＢが解読される。訂正不可能な誤りを含むＰＢ １０８は、肯定応答信号によって送信局へ報告され、現在の暗号鍵と、そのＰＢが送信されているＭＰＤＵの新たなオーバヘッド情報から導出される新たなＩＶとを用いて再び暗号化され、再送信される。

ネットワーク構成の図。 参照ネットワークアーキテクチャの図。 通信システムのブロック図。 ＭＰＤＵのフォーマットの図。

Claims (18)

1. ネットワークにおける通信方法において、
   上位層からの複数の上位データユニットのコンテンツをカプセル化し、ストリームを生成するストリーム生成工程と、
   ストリームを複数のセグメントに分割するストリーム分割工程であって、各セグメントは複数のデータブロックへ分割され、各セグメントはオーバヘッド情報に関連している工程と、
   少なくとも幾つかのセグメントを個別に暗号化するセグメント暗号化工程であって、第１の暗号化されたセグメントは複数の暗号化されたブロックを含み、該複数の暗号化されたブロックは第１の暗号化されたブロックを含み、第１の暗号化されたブロックは、暗号鍵と初期化ベクトルとを用いて第１のデータブロックから形成される第１の下位データユニットに関連し、初期化ベクトルは、少なくとも部分的には第１の暗号化されたセグメントに関連したセグメントオーバヘッド情報の一部と第１の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の一部とから導出される工程と、
   ネットワークを通じて物理的な通信を取扱う物理層に第１の下位データユニットを含む下位データユニットを供給する下位データユニット供給工程であって、少なくとも幾つかの下位データユニットは複数の暗号化されたセグメントを各々含む工程と、からなる方法。
2. 各下位データユニットはデータユニットオーバヘッド情報に関連しており、前記複数の暗号化されたブロックは、さらに、
   暗号鍵と、第１の暗号化されたブロックとを用いて第２のデータブロックから形成される第１の下位データユニットに関連する第１の暗号化されたセグメント内の第２の暗号化されたブロックを含む、請求項１に記載の方法。
3. 初期化ベクトルは、少なくとも部分的には、下位データユニットを受信するための、暗号化以外の少なくとも幾つかの機能に関連したデータユニットオーバヘッド情報から導出される請求項２に記載の方法。
4. 下位データユニット供給工程は、一連の物理層ブロックを形成する工程と、各物理層ブ
   ロックは暗号化されたセグメントおよび同暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報を含むことと、を含む請求項１に記載の方法。
5. 暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報は、ヘッダおよび完全性検査シーケンスのうちの１つ以上を含む請求項４に記載の方法。
6. 完全性検査シーケンスはヘッダおよび暗号化されたセグメントに基づき算出される巡回冗長検査符号を含む請求項５に記載の方法。
7. 異なる下位データユニットに対して前記オーバヘッド情報のいずれの部分が異なる可能性を有するかに基づき、第１の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分を選択する工程を含む請求項１に記載の方法。
8. 下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分は、発信元の識別子および宛先の識別子のうちの１つ以上の少なくとも一部を含む請求項７に記載の方法。
9. 異なるセグメントに対して前記オーバヘッド情報のいずれの部分が異なる可能性を有するかに基づき、第１の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分を選択する工程を含む請求項１に記載の方法。
10. 第１の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分は、
    第１の暗号化されたセグメントに関連したシーケンス番号と、
    下位データユニット内の第１の暗号化されたセグメントの位置を識別する情報と、
    第１の暗号化されたセグメントが生成されたセグメント内の上位データユニット間の境界の位置を識別する情報と、のうちの１つ以上の少なくとも一部を含む請求項９に記載の方法。
11. 各暗号化されたセグメントは独立に再送信可能である請求項１に記載の方法。
12. 少なくとも一部のセグメントは前方誤り訂正を用いて符号化される請求項１１に記載の方法。
13. 新たな初期化ベクトルを用いてセグメントを再暗号化する工程を含む、受信に成功していないセグメントを再送信する工程を含む請求項１１に記載の方法。
14. 少なくとも幾つかのセグメントに関連したパディングを削減するようにセグメントの長さを選択する工程を含む請求項１に記載の方法。
15. 選択される長さは、セグメントの暗号ブロック連鎖モード暗号化に用いられる暗号ブロックサイズの倍数である請求項１４に記載の方法。
16. 初期化ベクトルの長さは、セグメントの暗号ブロック連鎖モード暗号化に用いられる暗号ブロックサイズの長さと同じである請求項１に記載の方法。
17. 上位層は媒体アクセス制御層を含む請求項１に記載の方法。
18. ネットワークを通じて情報を送信するための装置において、
    通信媒体へ信号を接続するように構成された回路と、
    同回路へ接続されたネットワークインタフェースモジュールと、を備え、
    ネットワークインタフェースモジュールは、
    上位層からの複数の上位データユニットのコンテンツをカプセル化してストリームを生成る工程と、
    ストリームを複数のセグメントに分割工程であって、各セグメントは複数のデータブロックへ分割され、各セグメントはオーバヘッド情報に関連している工程と、
    少なくとも幾つかのセグメントを個別に暗号化する工程であって、第１の暗号化されたセグメントは複数の暗号化されたブロックを含み、該複数の暗号化されたブロックは第１の暗号化されたブロックを含み、第１の暗号化されたブロックは、暗号鍵と初期化ベクトルとを用いて第１のデータブロックから形成される第１の下位データユニットに関連し、初期化ベクトルは、少なくとも部分的には第１の暗号化されたセグメントに関連したセグメントオーバヘッド情報の一部と第１の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の一部とから導出される工程と、
    ネットワークを通じて物理的な通信を取扱う物理層に第１の下位データユニットを含む下位データユニットを供給する工程であって少なくとも幾つかの下位データユニットは複数の暗号化されたセグメントを各々含む工程と、を実行する回路を含む、装置。

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