JP7596239B2 - 通信装置、通信方法、通信システムおよびプログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、通信装置、通信方法および通信システムに関する。

インターネットなどの公開ネットワークを用いた通信では、パケットを秘匿するために暗号化が行われる場合がある。例えば、送信ノードは、受信ノードとの間で予め暗号鍵を共有し、その暗号鍵を用いてワンタイム暗号により送信パケットを暗号化する。受信ノードは、対応する暗号鍵で受信したパケットを復号する。

パケットは、１以上の中継ノードを介して転送される場合がある。例えば、送信ノードと受信ノードの間に複数の中継ノードが存在する構成では、パケットの中継経路上の隣接する複数のノードは予め暗号鍵を共有する。送信ノードまたは１つ前の中継ノードは、ワンタイム暗号により送信パケットを暗号化する。次の中継ノードまたは受信ノードは、対応する暗号化で受信したパケットを復号する。

特開２０１４－０７８８７５号公報

Michael G. Reed, Paul F. Syverson, and David M. Goldschlag，"Anonymous Connections and Onion Routing"，Proceedings. 1997 IEEE Symposium on Security and Privacy，1997．

しかしながら、従来技術では、情報の秘匿が不十分となる場合があった。例えば、パケットのペイロードは暗号化されるが、パケットのヘッダは暗号化されない構成では、ヘッダに記載された情報を十分に保護できない場合があった。

実施形態の通信装置は、鍵共有部と、決定部と、暗号化部と、パケット生成部と、送信部と、を備える。鍵共有部は、複数の外部通信装置との間で暗号鍵を共有する。決定部は、暗号鍵の残量に基づいて送信データを送信する経路を決定する。暗号化部は、経路に含まれる１以上の外部通信装置ごとに、外部通信装置を送信先として設定するヘッダを外部通信装置との間で共有する暗号鍵で暗号化する。パケット生成部は、送信データと、暗号化された１以上のヘッダと、を含むパケットを生成する。送信部は、生成されたパケットを経路に従い送信する。

本実施形態の通信装置を含む通信システムのブロック図。 送信ノードの機能ブロック図。 鍵管理部による暗号鍵の管理方法の例を示す図。 鍵管理部による暗号鍵の管理方法の例を示す図。 中継ヘッダの一例を示す図。 パケットの暗号化する領域と、暗号鍵との関係の一例を示す図。 中継ノードの機能ブロック図。 パケットのヘッダを更新した結果の例を示す図。 中継ノードから受信ノードに送信されるパケットの例を示す図。 受信ノードの機能ブロック図。 本実施形態における送信処理の一例を示すフローチャート。 本実施形態における中継処理の一例を示すフローチャート。 本実施形態における受信処理の一例を示すフローチャート。 変形例１の通信システムのブロック図。 通信装置のハードウェア構成図。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる通信装置の好適な実施形態を詳細に説明する。

上記のように、従来技術では、例えば、送信元（送信ノード）および送信先（受信ノード）の情報を記載するパケットのヘッダが暗号化されない場合がある。このような場合、中継経路上の攻撃者および中継ノードは、ヘッダを参照することにより、送信元および送信先の情報を知ることができる。すなわち、どのような通信相手と通信しているかを秘匿できない場合がある。

本実施形態にかかる通信装置は、通信相手を特定できないようにヘッダを暗号化したパケットを生成（構築）し、生成したパケットを送信する。これにより、情報の秘匿性を向上させることが可能となる。

以下では、パケットの送信元および送信先となる通信装置を、それぞれ送信ノード（送信装置の一例）および受信ノード（受信装置の一例）という場合がある。また、パケットを中継する通信装置を中継ノード（中継装置の一例）という場合がある。

本実施形態では、送信ノードは、受信ノード、および、パケットを中継しうる複数の中継ノードとの間で、予め暗号鍵を共有する。そして、送信ノードは、受信ノードへパケットを送信する際、そのパケットの中継経路を決定し、決定した中継経路を示す中継経路情報をパケットのヘッダに設定する。中継経路情報は、送信ノードが中継ノードおよび受信ノードと共有している暗号鍵で暗号化される。暗号化された中継経路情報は、パケットの中継ノードが次のパケットの中継先（次の中継ノード）しか知り得ないように、ヘッダに設定される。

送信ノードは、例えば、各中継ノードと共有している暗号鍵の残量、および、これまでに送信したパケットで用いた中継経路情報などを考慮して中継経路を決定する。また、パケットを中継する中継ノードの個数の最小値を示す規定数以上の中継ノードを経由するように中継経路が決定されてもよい。

図１は、本実施形態の通信装置を含む通信システムの構成例を示すブロック図である。図１に示すように、通信システムは、送信ノード１００ａと、受信ノード１００ｂと、複数の中継ノード２００ａ～２００ｄと、がネットワーク４００を介して接続される構成を有する。

ネットワーク４００は、有線ネットワーク、無線ネットワーク、および、有線ネットワークと無線ネットワークとが混在したネットワークのいずれであってもよい。有線ネットワークの場合、ネットワーク４００の接続メディアとしては、典型的にはイーサネット（登録商標）ケーブルおよび光ファイバなどが用いられる。無線ネットワークの場合、典型的には携帯電話網接続および無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）などが用いられる。

また、ネットワーク４００は、インターネットのような広域ネットワークかもしれないし、広域の閉域ネットワークかもしれない。なお、図１では、ネットワークスイッチおよびルータなどのネットワーク機器は記載を省略している。

また図１では１つの送信ノード１００ａ、１つの受信ノード１００ｂが記載されているが、通信システムは、複数の送信ノード１００ａおよび複数の受信ノード１００ｂを備えてもよい。また中継ノード２００ａ～２００ｄは同様の構成を備えるため、区別する必要がない場合は単に中継ノード２００という場合がある。中継ノード２００の個数は４個に限られない。

送信ノード１００ａおよび受信ノード１００ｂは、パケット通信を行う。本実施形態では、送信ノード１００ａから受信ノード１００ｂへパケットを送信する例を説明する。送信ノード１００ａは、受信ノード１００ｂとの間で暗号鍵を共有するとともに、複数の中継ノード２００との間でも暗号鍵を共有している。

図２は、送信ノード１００ａの機能構成例を示すブロック図である。図２に示すように、送信ノード１００ａは、記憶部１２１と、鍵共有部１０１と、鍵管理部１０２と、アプリケーション１０３ａと、パケット生成部１０４と、決定部１０５と、暗号化部１０６と、送信部１０７と、を含む。

記憶部１２１は、自装置（送信ノード１００ａ）内で用いられる各種情報を記憶する。例えば記憶部１２１は、鍵共有部１０１により共有され、鍵管理部１０２により管理される暗号鍵を記憶する。記憶部１２１は、フラッシュメモリ、メモリカード、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、および、光ディスクなどの一般的に利用されているあらゆる記憶媒体により構成することができる。

鍵共有部１０１は、他のノード（外部通信装置の一例：中継ノード２００、受信ノード１００ｂ）と通信し、暗号鍵を共有する。例えば鍵共有部１０１は、ＢＢ８４およびＥ９１などの量子鍵配送を用いて暗号鍵を共有する。暗号鍵の共有方法は量子鍵配送に限られず、送信ノード１００ａが他のノードそれぞれと個別にビット列を共有できればその手段は問わない。鍵共有部１０１は、共有した暗号鍵を鍵管理部１０２により記憶部１２１に記憶させる。

鍵管理部１０２は、共有された暗号鍵を、共有先のノード（受信ノード１００ｂ、中継ノード２００）ごとに管理する。例えば鍵管理部１０２は、通信の相手ノードとなる他の通信装置（中継ノード２００、受信ノード１００ｂ）ごとに、共有した暗号鍵を対応づけて記憶部１２１に記憶することにより、暗号鍵を管理する。

図３および図４は、鍵管理部１０２による暗号鍵の管理方法の例を示す図である。暗号鍵は、図３に示すようにノードごとに１つのビット列（鍵値）として管理されてもよいし、図４に示すように予め定められた長さに分割された暗号鍵（鍵値）ごとに鍵識別子が付与された状態で管理されてもよいし、その他の管理方法により管理されてもよい。なお図３および図４では、相手ノードがノードの名称で表されているが、相手ノードを識別できる情報であればその他の形式（ＩＰアドレスなど）で表されてもよい。

図３の管理方法の場合、鍵管理部１０２は、アプリケーション１０３ａなどから要求された長さの暗号鍵を提供する際に、当該暗号鍵に適切な鍵識別子を付与する。鍵識別子の付与方法は受信ノード１００ｂと共有されており、受信ノード１００ｂは、送信ノード１００ａにより付与された鍵識別子を用いて対応する暗号鍵を識別できるものとする。鍵管理部１０２は、暗号鍵の提供のほかに、指定された相手ノードに対して送信ノード１００ａが共有している暗号鍵の長さまたは個数を出力してもよい。

図４の管理方法の場合、鍵管理部１０２は、すべて同じ鍵長の暗号鍵を管理してもよいし、一部または全部が異なる鍵長となるように暗号鍵を管理してもよい。例えば、鍵管理部１０２は、相手ノードと共有したビット列から予め決められた長さで鍵値を切り出し、その鍵値に対して鍵識別子を付与するかもしれない。鍵管理部１０２は、相手ノードが中継ノード２００である場合は、中継ノード２００が参照するヘッダ（中継ヘッダ）を保護するのに十分な長さの比較的短い長さで鍵値を切り出すかもしれない。鍵管理部１０２は、相手ノードが受信ノード１００ｂである場合は、中継ヘッダを保護するのに十分な長さの比較的短い鍵値だけでなく、ペイロードを保護するのに必要な長さの鍵値も切り出すかもしれない。

このように、鍵管理部１０２は、相手ノードが受信ノード１００ｂである場合にヘッダを暗号化するための暗号鍵（第１暗号鍵）と、相手ノードが中継ノード２００である場合にヘッダを暗号化するための暗号鍵（第２暗号鍵）と、が異なる長さとなるように管理してもよい。

鍵共有部１０１および鍵管理部１０２は、送信ノード１００ａとは別の装置として実現されてもよい。鍵管理部１０２と鍵共有部１０１とは、統合した１つの装置として実現されてもよいし、それぞれが別の装置として実現されてもよい。鍵共有部１０１および鍵管理部１０２が送信ノード１００ａとは別の装置として実現された場合、これらの装置はイーサネット（登録商標）およびシリアルバスなどのインターフェースを介して相互に連携する。

図２に戻り、アプリケーション１０３ａは、例えば受信ノード１００ｂとの間でデータを送受信する機能を含むアプリケーションである。例えばアプリケーション１０３ａは、受信ノード１００ｂに送信する送信データ（以下、アプリケーションデータという）を生成する。アプリケーション１０３ａは、生成したアプリケーションデータをパケット生成部１０４に入力する。

パケット生成部１０４は、送信するパケットを生成する。例えばパケット生成部１０４は、アプリケーション１０３ａから入力されたアプリケーションデータをパケットのペイロードに設定する。またパケット生成部１０４は、決定部１０５から当該アプリケーションデータ用の中継ヘッダを取得し（詳細は後述）、ネットワーク４００を介してパケットを次の中継ノード２００へ届けるための制御情報をヘッダに設定する。制御情報は、例えばＭＡＣヘッダおよびＩＰヘッダなどの、リンク層およびネットワーク層のプロトコルヘッダを含む。パケット生成部１０４は、決定部１０５から中継ヘッダが得られるまでパケットの生成処理を中断してもよいし、予め定められた時間内に中継ヘッダが得られない場合はパケットの生成処理を取りやめてアプリケーションデータを破棄してもよい。

決定部１０５は、送信ノード１００ａから受信ノード１００ｂまでのパケットの中継経路を決定する。また、決定部１０５は、決定した中継経路に対応する中継ヘッダを生成する。図５は、中継ヘッダの一例を示す図である。中継経路が、送信ノード１００ａ、中継ノード２００ａ、中継ノード２００ｂ、中継ノード２００ｃ、受信ノード１００ｂの順の場合、決定部１０５は、図５に示すように、４つの中継経路情報５０１～５０４を含む中継ヘッダを生成する。

各中継経路情報は、パケットの送信元、パケットの送信先、および、中継経路情報が付加される情報の暗号化に用いられる暗号鍵の鍵識別子を含む。例えば中継経路情報５０１は、パケットの送信元が送信ノード１００ａであり、送信先が中継ノード２００ａであり、両者が共有する暗号鍵のうち鍵識別子が１００である暗号鍵により中継経路情報５０１以降のデータの少なくとも一部が暗号化されることを示す。

決定部１０５は、中継ノード２００それぞれと送信ノード１００ａとの間で共有する暗号鍵の残量（鍵残量）を考慮して中継経路を決定する。例えば決定部１０５は、まず鍵残量を考慮して中継経路に含める中継ノード２００の候補を特定（選択）し、特定した候補から、中継経路に含める中継ノード２００を決定する。

例えば決定部１０５は、鍵残量が閾値より大きい中継ノード２００を中継経路の候補として特定し、鍵残量が閾値以下となる中継ノード２００を中継経路の候補として特定しない。決定部１０５は、鍵残量を考慮して特定した中継ノード２００の中から、中継経路に含める中継ノード２００および中継の順序を決定することにより、中継経路を決定する。決定部１０５は、予め決められたパターンに従って中継経路を決定してもよいし、ランダムに中継経路を決定してもよい。例えば決定部１０５は、以下のように予め定めた複数のパターンから順にパターンを選択することにより中継経路を決定してもよい。
・パターン１：中継ノード２００ａ→中継ノード２００ｂ→中継ノード２００ｃ→中継ノード２００ｄ
・パターン２：中継ノード２００ｂ→中継ノード２００ｃ→中継ノード２００ｄ→中継ノード２００ａ
・パターン３：中継ノード２００ｃ→中継ノード２００ｄ→中継ノード２００ａ→中継ノード２００ｂ
・パターン４：中継ノード２００ｄ→中継ノード２００ａ→中継ノード２００ｂ→中継ノード２００ｃ

決定部１０５は、鍵残量が閾値より大きい中継ノード２００を、同一のアプリケーションデータの中継経路上に複数回含めてもよい。例えば中継ノード２００ｂと送信ノード１００ａとの間で共有する暗号鍵の残量が閾値より大きいとき、決定部１０５は、送信ノード１００ａ、中継ノード２００ａ、中継ノード２００ｂ、中継ノード２００ｃ、中継ノード２００ｂ、受信ノード１００ｂという中継経路を決定してもよい。

上記のように、決定部１０５は、規定数以上の中継ノード２００を経由するように中継経路を決定してもよい。例えば、鍵残量の条件などを満たす中継ノードが規定数未満の場合、パケットの送信が保留とされてもよいし、パケットが破棄されてもよい。例えば、規定数が３に設定されているにもかかわらず、送信ノードとの間で十分な暗号鍵を共有している中継ノードが２つしか存在しないときには、十分な暗号鍵を共有する中継ノードの個数が３以上となるまでパケットの送信が保留とされてもよいし、パケットが破棄されてもよい。

決定部１０５は、図５で説明したように、決定した中継経路に対応する中継ヘッダを生成し、生成した中継ヘッダをパケット生成部１０４に出力する。決定部１０５は、例えば、パケット生成部１０４から中継経路の決定を依頼されたときに、中継経路を決定し、中継ヘッダを生成してパケット生成部１０４に出力する。

パケット生成部１０４は、決定部１０５から中継ヘッダを受け取ると、パケットを生成する。パケット生成部１０４により生成されたパケットは、暗号化部１０６により暗号化される。

暗号化部１０６は、パケットの暗号化を行う。例えば暗号化部１０６は、鍵管理部１０２を介して、中継経路に含まれる各ノードと共有している暗号鍵を取得し、取得した暗号鍵を用いて中継ヘッダおよびペイロードを暗号化する。

図６は、パケットに含まれる各領域のうち暗号化する領域と、暗号化に使用する暗号鍵との関係の一例を示す図である。図６は、図５に示す中継ヘッダを用いるパケットの暗号化の例である。

例えばペイロード（アプリケーションデータ）６０１は、受信ノード１００ｂが使用するデータであるため、暗号化部１０６は、受信ノード１００ｂとの間で共有する暗号鍵の１つ（鍵識別子が１００の暗号鍵）により暗号化する。鍵識別子が１００であることは、中継経路情報５０４から得ることができる。なおペイロードは、すべてが暗号化されなくてもよい。すなわち、ペイロードの一部のみが暗号化されてもよい。

中継経路情報５０４は、中継ノード２００ｃが参照するデータであるため、暗号化部１０６は、中継ノード２００ｃとの間で共有する暗号鍵の１つ（鍵識別子が３００の暗号鍵）により暗号化する。鍵識別子が３００であることは、中継経路情報５０３から得ることができる。

中継経路情報５０３は、中継ノード２００ｂが参照するデータであるため、暗号化部１０６は、中継ノード２００ｂとの間で共有する暗号鍵の１つ（鍵識別子が２００の暗号鍵）により暗号化する。鍵識別子が２００であることは、中継経路情報５０２から得ることができる。

中継経路情報５０２は、中継ノード２００ａが参照するデータであるため、暗号化部１０６は、中継ノード２００ａとの間で共有する暗号鍵の１つ（鍵識別子が１００の暗号鍵）により暗号化する。鍵識別子が１００であることは、中継経路情報５０１から得ることができる。

中継経路情報５０１および制御情報６０２は、送信先である中継ノード２００ａに対して秘匿する必要がないため、暗号化部１０６による暗号化は行われず、平文として送信される。制御情報６０２は、上記のように、例えばＭＡＣヘッダおよびＩＰヘッダなどのプロトコルヘッダを含む。

暗号化部１０６は、暗号鍵の量（鍵残量）が変化するような暗号化方式により暗号化を行う。このような暗号化方式としては、例えば、ワンタイム暗号（ワンタイムパッド）がある。ワンタイム暗号が適用される場合、鍵管理部１０２は、暗号化に使用した暗号鍵は記憶部１２１から削除する。このため、鍵残量が減少する。また、暗号鍵の共有処理により、鍵残量は増加する。ワンタイム暗号は暗号鍵の使用回数が１回に制限される暗号方式であるが、その他の暗号鍵の使用回数が制限される暗号方式が用いられてもよい。

このようにして暗号化されたパケットは送信部１０７に渡される。送信部１０７は、パケットをネットワーク４００に送出する。例えば送信部１０７は、パケット生成部１０４により生成され、暗号化部１０６により暗号化されたパケットをネットワーク４００に送出する。パケットは、最初の中継ノード２００ａへ届けられる。

図７は、中継ノード２００の機能構成例を示すブロック図である。図７に示すように、中継ノード２００は、記憶部１２１と、鍵共有部１０１と、鍵管理部１０２と、送信部１０７と、受信部２０１と、復号部２０２と、ヘッダ処理部２０３と、を含む。

記憶部１２１、鍵共有部１０１、鍵管理部１０２、および、送信部１０７は、送信ノード１００ａと同様であるため、同一の符号を付し説明を省略する。例えば記憶部１２１、鍵共有部１０１、および、鍵管理部１０２は、暗号鍵の共有に用いられるが、共有の相手ノードが異なる以外は、中継ノード２００と送信ノード１００ａとで機能が共通する。

受信部２０１は、他のノード（送信ノード１００ａ、または、他の中継ノード２００）から送信された、暗号化されたパケットを受信する。受信したパケットは、復号部２０２へ渡される。

復号部２０２は、受信したパケットの復号を行う。例えば復号部２０２は、パケットに含まれる中継ヘッダのうち、先頭の平文の部分から鍵識別子を取得する。復号部２０２は、取得した鍵識別子に対応する暗号鍵を、鍵管理部１０２を介して記憶部１２１から取得する。復号部２０２は、取得した暗号鍵により、中継ヘッダの暗号化された最初の領域を復号する。

例えば図６に示すパケットを中継ノード２００ａが受信した場合、復号部２０２は、平文である先頭の領域（中継経路情報５０１に相当する領域）から鍵識別子１００を得る。復号部２０２は、鍵識別子１００に対応する暗号鍵を取得する。復号部２０２は、取得した暗号鍵を用いて、パケットの２番目に位置する暗号化された領域（中継経路情報５０２に相当する領域）を、取得した暗号鍵で復号する。この結果、受信したパケットが次に中継ノード２００ａから中継ノード２００ｂへ中継されることがわかる。

復号すべき領域は、平文のヘッダ内で指示されてもよいし、復号に利用する暗号鍵の鍵長から推測されてもよい。復号部２０２は、受信したパケットの暗号化された領域のうち、鍵識別子１００に対応する暗号鍵と同じ長さのデータを復号し、復号されたデータから中継ヘッダ（中継経路情報５０２）の内容を読み取ってもよい。

復号部２０２は、復号したパケットをヘッダ処理部２０３へ渡す。ヘッダ処理部２０３は、不要になった平文のヘッダを削除する。またヘッダ処理部２０３は、このパケットを中継ノード２００ａから中継ノード２００ｂへ届けるための制御情報により、パケットの先頭のヘッダを更新する。

図８は、このようにして図６のパケットのヘッダを更新した結果の例を示す図である。図６と比較すると、不要となったヘッダに相当する中継経路情報５０１が削除されている。また、中継経路情報５０２は、平文に復号された中継経路情報５０２－２に更新されている。さらに、中継ノード２００ａから中継ノード２００ｂへパケットを届けるための制御情報として、制御情報６０２－２が更新されている。

ヘッダ処理部２０３は、処理したパケットを送信部１０７へ渡す。送信部１０７は、ヘッダが処理されたパケットを、ネットワーク４００へ送出する。パケットは、次の中継ノード２００ｂへ届けられる。

なお、中継ノード２００ａは、図６に示す形式のパケットを他の中継ノード２００からも受信しうるため、図６のパケットの処理中に送信ノード１００ａが当該パケットの生成元（送信元）であるかどうか判定できない。

中継経路に含まれる各中継ノード２００は、このような処理を繰り返し実行する。この結果、図６のパケットは、最終的に図９に示す形となり、中継ノード２００ｃから受信ノード１００ｂに届けられる。図９は、中継ノード２００ｃから受信ノード１００ｂに送信されるパケットの例を示す図である。中継ノード２００ｃから受信ノード１００ｂへパケットを届けるための制御情報として、制御情報６０２－３が更新されている。

なお、ペイロード６０１に相当する領域は暗号化されているため、中継ノード２００ｃは、この領域に中継ヘッダが含まれるのか否かを判定することはできない。すなわち、中継ノード２００ｃは、受信ノード１００ｂが当該パケットの最終宛先であることを知ることはできない。

図１０は、受信ノード１００ｂの機能構成例を示すブロック図である。図１０に示すように、受信ノード１００ｂは、記憶部１２１と、鍵共有部１０１と、鍵管理部１０２と、受信部２０１と、復号部２０２と、アプリケーション１０３ｂと、を含む。

記憶部１２１、鍵共有部１０１、鍵管理部１０２、受信部２０１、および、復号部２０２は、中継ノード２００と同様であるため、同一の符号を付し説明を省略する。

アプリケーション１０３ｂは、例えば送信ノード１００ａとの間でデータを送受信する機能を含むアプリケーションである。例えばアプリケーション１０３ｂは、復号部２０２により復号されたペイロードの中のアプリケーションデータを処理する。

上記各ノード（送信ノード１００ａ、受信ノード１００ｂ、中継ノード２００）内の各部は、例えば、１または複数のプロセッサにより実現される。例えば上記各部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよい。上記各部は、専用のＩＣ（Integrated Circuit）などのプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現してもよい。上記各部は、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、各部のうち１つを実現してもよいし、各部のうち２以上を実現してもよい。

送信ノード１００ａ、受信ノード１００ｂ、中継ノード２００のうち２つまたは３つが、１つのノード（通信装置）として実現されてもよい。言い換えると、１つのノードが、上記の送信ノード１００ａ、受信ノード１００ｂ、および、中継ノード２００のうち２つまたは３つの機能を備えていてもよい。

次に、本実施形態にかかる送信ノード１００ａによる送信処理について説明する。図１１は、本実施形態における送信処理の一例を示すフローチャートである。

送信ノード１００ａの鍵共有部１０１は、他のノード（中継ノード２００、受信ノード１００ｂ）との間で暗号鍵を共有する（ステップＳ１０１）。なお、この共有処理は、ステップＳ１０２以降の処理と独立に実行されてもよい。また、このような共有処理は、各中継ノード２００、および、受信ノード１００ｂでも実行される。

アプリケーション１０３ａは、例えば受信ノード１００ｂにデータを送信する必要が生じた場合、送信するアプリケーションデータを生成する（ステップＳ１０２）。アプリケーションデータは、パケット生成部１０４に渡される。パケット生成部１０４は、アプリケーションデータのパケットを生成するときに、パケットの中継経路の決定を決定部１０５に依頼する。

決定部１０５は、例えばパケット生成部１０４から中継経路の決定を依頼されると、アプリケーションデータを送信するための中継経路を決定する（ステップＳ１０３）。決定部１０５は、決定した中継経路に対応する中継ヘッダを生成し、パケット生成部１０４に渡す。

パケット生成部１０４は、中継ヘッダに従い、暗号化部１０６に対して暗号化を依頼する。暗号化部１０６は、受信ノード１００ｂとの間で共有する暗号鍵を用いて、ペイロード（アプリケーションデータ）を暗号化する（ステップＳ１０４）。また暗号化部１０６は、中継経路に含まれる各中継ノード２００との間で共有する暗号鍵を用いて、対応する各中継経路情報を暗号化する（ステップＳ１０５）。

パケット生成部１０４は、パケットのヘッダに制御情報を設定する（ステップＳ１０６）。送信部１０７は、生成されたパケットを、ネットワーク４００に送信し（ステップＳ１０７）、送信処理を終了する。

次に、本実施形態にかかる中継ノード２００による中継処理について説明する。図１２は、本実施形態における中継処理の一例を示すフローチャートである。

中継ノード２００の受信部２０１は、他のノード（送信ノード１００ａ、他の中継ノード２００など）からパケットを受信する（ステップＳ２０１）。復号部２０２は、受信したパケットの平文の領域を参照し、復号に用いる暗号鍵の鍵識別子を取得する（ステップＳ２０２）。復号部２０２は、鍵識別子で識別される暗号鍵を用いて、受信したパケットを復号する（ステップＳ２０３）。

ヘッダ処理部２０３は、復号された情報を参照し、パケットの送信先となるノードを特定する（ステップＳ２０４）。例えば図８の例では、中継ノード２００ａのヘッダ処理部２０３は、復号された中継経路情報５０２－２を参照することにより、パケットの送信先が中継ノード２００ｂであることを特定する。

ヘッダ処理部２０３は、特定した送信先にパケットを届けるための制御情報によりヘッダを更新する（ステップＳ２０５）。送信部１０７は、生成されたパケットを、ネットワーク４００に送信し（ステップＳ２０６）、中継処理を終了する。

次に、本実施形態にかかる受信ノード１００ｂによる受信処理について説明する。図１３は、本実施形態における受信処理の一例を示すフローチャートである。

受信ノード１００ｂの受信部２０１は、他のノード（中継ノード２００など）からパケットを受信する（ステップＳ３０１）。

ステップＳ３０２、ステップＳ３０３は、図１２のステップＳ２０２、ステップＳ２０３と同様である。

復号部２０２は、復号したパケット（アプリケーションデータ）をアプリケーション１０３ｂに出力する（ステップＳ３０４）。この後、アプリケーション１０３ｂは、例えば出力されたアプリケーションデータを用いた処理を実行する。

なお、この例では、受信ノード１００ｂがアプリケーションデータの送信先であり、アプリケーション１０３ｂは、復号部２０２から出力されたデータをアプリケーションデータとして用いても正しく動作することが前提となっている。一方、例えば受信ノード１００ｂが中継ノード２００としての機能も備える構成では、復号されたデータが、さらに他のノード（中継ノード２００、または、最終宛先となる他の受信ノード１００ｂなど）に中継されるデータとなる場合がある。

このような場合は、例えば中継ノード２００としての機能の１つであるヘッダ処理部２０３が、図１２のステップＳ２０４と同様にパケットの送信先となるノードを特定する処理を実行する。この処理で送信先となるノードを特定できない場合、ヘッダ処理部２０３は、復号されたデータがアプリケーションデータであると判定し、復号されたデータをアプリケーション１０３ｂに渡してもよい。

以上のように、本実施形態では、通信相手を特定できないようにヘッダを暗号化したパケットを生成し、生成したパケットを送信する。これにより、中継経路上の攻撃者および中継ノードに対して、送信元および送信先の情報を秘匿できる。

なお、例えば非特許文献１に記載されるオニオンルーティング技術では、公開鍵による暗号化および対応する秘密鍵による復号が行われる。一方、本実施形態では、ワンタイム暗号のように、鍵残量が変化する暗号鍵が用いられる。すなわち、他のノードとの間の共有処理により鍵残量が増加するとともに、使用回数に達すると暗号鍵が削除され、共有する暗号鍵の鍵残量が変化するような暗号化方式が使用される。そして本実施形態では、このような暗号鍵の鍵残量に応じて中継経路が決定される。従って、鍵残量が変化しうる暗号鍵の共有状況に応じて適切に中継経路を決定し、送信元および送信先などの情報を秘匿することが可能となる。

（変形例１）
パケットの送受信を行うネットワークと、暗号鍵の共有を行うネットワークとは、異なっていてもよい。図１４は、このように構成される変形例１の通信システムの構成例を示すブロック図である。

ネットワーク４００ａは、暗号鍵の共有に用いられるネットワークである。ネットワーク４００ｂは、パケットの送受信に用いられるネットワークである。本変形例では、各ノードの鍵共有部１０１はネットワーク４００ａに接続される。また、各ノードの送信部１０７および受信部２０１はネットワーク４００ｂに接続される。

（変形例２）
送信ノード１００ａおよび受信ノード１００ｂは、暗号鍵を共有した時点と、パケットを送受信する時点とで、ネットワーク上の場所が異なっていてもよい。例えば、送信ノード１００ａ、受信ノード１００ｂ、または、送信ノード１００ａおよび受信ノード１００ｂの両方が、携帯電話網または衛星回線を利用した移動端末であってもよい。また、中継ノード２００も移動端末であってもよい。送信部１０７および受信部２０１は、移動端末と接続可能なネットワーク４００を介してパケットの送受信を行う。

（変形例３）
決定部１０５は、予め定められた期間内に同じ経路が使用されないように中継経路してもよい。例えば、決定部１０５は、決定した中継経路を記憶部１２１に記憶する。そして、決定部１０５は、新たに中継経路を決定するときに、記憶部１２１に記憶された中継経路を参照し、予め定められた期間内に同一の中継経路が使用されないように制御する。例えば決定部１０５は、連続して同一の中継経路が使用されないように制御する。記憶部１２１に記憶する中継経路の個数に上限が設定されてもよい。例えば決定部１０５は、上限を超える場合に、より古い中継経路を記憶部１２１から削除するように構成されてもよい。

（変形例４）
決定部１０５は、パケットを送信してから受信ノード１００ｂにパケットが到達するまでの時間が規定時間以内となるように中継経路を決定してもよい。例えば送信ノード１００ａは、自装置（送信ノード１００ａ）と他のノードとの間、および、他のノード間の通信遅延の時間を示す計測情報を記憶部１２１に記憶する。決定部１０５は、この計測情報を参照し、送信ノード１００ａから送信されたパケットが受信ノード１００ｂで受信されるまでの時間が規定時間内に収まるように中継経路を決定する。複数のパケットを繰り返し送信するような場合は、決定部１０５は、受信ノード１００ｂでのパケット到着間隔が予め定められた範囲内に収まるように中継経路を決定してもよい。またこの場合、決定部１０５は、パケットが受信されるまでの時間が規定時間内に収まり、かつ、パケット到着間隔が予め定められた範囲内に収まるように中継経路を決定してもよい。

（変形例５）
パケット生成部１０４は、ペイロードに設定するアプリケーションデータに対しダミーデータを追加してもよい。追加されるダミーデータの長さは、アプリケーションデータの長さによって決定されるかもしれない。例えば、十分にアプリケーションデータが長い場合は、ダミーデータの長さはゼロとし、パケット生成部１０４は、ダミーデータを追加しない。一方、アプリケーションデータが短い場合は、パケット生成部１０４は、長いダミーデータをアプリケーションデータに追加する。ダミーデータの追加により、中継経路上の最後の中継ノード２００に対し、最終宛先が受信ノード１００ｂであることを秘匿することが可能となる。

図１５は、上記実施形態および各変形例の各ノード（送信ノード、受信ノード、中継ノード）のハードウェア構成の例を示す図である。ノードは、制御装置３０１、主記憶装置３０２、補助記憶装置３０３、表示装置３０４、入力装置３０５および通信ＩＦ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）３０６を備える。

制御装置３０１、主記憶装置３０２、補助記憶装置３０３、表示装置３０４、入力装置３０５および通信ＩＦ３０６は、バス３１０を介して接続されている。

制御装置３０１は、補助記憶装置３０３から主記憶装置３０２に読み出されたプログラムを実行する。主記憶装置３０２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ等のメモリである。補助記憶装置３０３は、ＨＤＤおよびメモリカード等である。

表示装置３０４は、ノードの状態等を表示する。入力装置３０５はユーザーからの入力を受け付ける。通信ＩＦ３０６は、ネットワーク４００に接続するためのインターフェースである。なお、ノードは、表示装置３０４および入力装置３０５を備えていなくてもよい。ノードが表示装置３０４および入力装置３０５を備えていない場合は、例えば通信ＩＦ３０６を介して接続された外部端末の表示機能および入力機能を利用してもよい。

本実施形態にかかる通信装置（ノード）で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供される。

本実施形態にかかる通信装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－Ｒ（Compact Disk Recordable）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録してコンピュータプログラムプロダクトとして提供されるように構成してもよい。

さらに、本実施形態にかかる通信装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、本実施形態にかかる通信装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。

本実施形態にかかる通信装置で実行されるプログラムは、コンピュータを上述した通信装置の各部として機能させうる。このコンピュータは、制御装置３０１がコンピュータ読取可能な記憶媒体からプログラムを主記憶装置３０２上に読み出して実行することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００ａ 送信ノード
１００ｂ 受信ノード
１０１ 鍵共有部
１０２ 鍵管理部
１０３ａ、１０３ｂ アプリケーション
１０４ パケット生成部
１０５ 決定部
１０６ 暗号化部
１０７ 送信部
１２１ 記憶部
２００ａ～２００ｄ 中継ノード
２０１ 受信部
２０２ 復号部
２０３ ヘッダ処理部
４００ ネットワーク

Claims (11)

1. 複数の外部通信装置との間で暗号鍵を共有する鍵共有部と、
   前記暗号鍵の残量に基づいて送信データを送信する経路を決定する決定部と、
   前記経路に含まれる１以上の前記外部通信装置ごとに、前記外部通信装置を送信先として設定するヘッダを前記外部通信装置との間で共有する前記暗号鍵で暗号化する暗号化部と、
   前記送信データと、暗号化された１以上の前記ヘッダと、を含むパケットを生成するパケット生成部と、
   生成された前記パケットを前記経路に従い送信する送信部と、
   前記外部通信装置が前記送信データを受信する受信装置である場合に前記ヘッダを暗号化するための第１暗号鍵と、前記外部通信装置が前記送信データを他の前記外部通信装置に中継する中継装置である場合に前記ヘッダを暗号化するための第２暗号鍵と、が異なる長さとなるように、前記鍵共有部により共有された暗号鍵を管理する鍵管理部と、
   を備える通信装置。
2. 前記決定部は、複数の前記外部通信装置のうち、規定数以上の前記外部通信装置を経由する前記経路を決定する、
   請求項１に記載の通信装置。
3. 前記決定部は、予め定められた期間内に同じ経路が使用されないように前記経路を決定する、
   請求項１に記載の通信装置。
4. 前記決定部は、前記パケットを送信してから前記送信データを受信する受信装置である前記外部通信装置に前記パケットが到達するまでの時間が規定時間以内となるように前記経路を決定する、
   請求項１に記載の通信装置。
5. 前記決定部は、前記暗号鍵の残量に基づいて前記送信データを送信可能な１以上の前記外部通信装置を特定し、特定した前記外部通信装置のうち１以上の前記外部通信装置を経由する前記経路を決定する、
   請求項１に記載の通信装置。
6. 前記鍵共有部は、量子鍵配送を用いて、複数の外部通信装置との間で前記暗号鍵を共有する、
   請求項１に記載の通信装置。
7. 前記暗号化部は、ワンタイム暗号により前記暗号鍵を用いて前記ヘッダを暗号化する、
   請求項１に記載の通信装置。
8. 前記外部通信装置の少なくとも一部は移動して利用される移動端末であり、
   前記送信部は、前記移動端末と接続可能なネットワークを介して前記パケットを送信する、
   請求項１に記載の通信装置。
9. 通信装置で実行される通信方法であって、
   複数の外部通信装置との間で暗号鍵を共有する鍵共有ステップと、
   前記暗号鍵の残量に基づいて送信データを送信する経路を決定する決定ステップと、
   前記経路に含まれる１以上の前記外部通信装置ごとに、前記外部通信装置を送信先として設定するヘッダを前記外部通信装置との間で共有する前記暗号鍵で暗号化する暗号化ステップと、
   前記送信データと、暗号化された１以上の前記ヘッダと、を含むパケットを生成するパケット生成ステップと、
   生成された前記パケットを前記経路に従い送信する送信ステップと、
   前記外部通信装置が前記送信データを受信する受信装置である場合に前記ヘッダを暗号化するための第１暗号鍵と、前記外部通信装置が前記送信データを他の前記外部通信装置に中継する中継装置である場合に前記ヘッダを暗号化するための第２暗号鍵と、が異なる長さとなるように、前記鍵共有ステップにより共有された暗号鍵を管理する鍵管理ステップと、
   を含む通信方法。
10. １以上の送信装置と、１以上の中継装置と、１以上の受信装置と、を備える通信システムであって、
    前記送信装置は、
    前記中継装置および前記受信装置を含む外部通信装置との間で暗号鍵を共有する鍵共有部と、
    前記暗号鍵の残量に基づいて送信データを前記受信装置に送信する経路を決定する決定部と、
    前記経路に含まれる１以上の前記外部通信装置ごとに、前記外部通信装置を送信先として設定するヘッダを前記外部通信装置との間で共有する前記暗号鍵で暗号化する暗号化部と、
    前記送信データと、暗号化された１以上の前記ヘッダと、を含むパケットを生成するパケット生成部と、
    生成された前記パケットを前記経路に従い送信する送信部と、
    前記外部通信装置が前記送信データを受信する受信装置である場合に前記ヘッダを暗号化するための第１暗号鍵と、前記外部通信装置が前記送信データを他の前記外部通信装置に中継する中継装置である場合に前記ヘッダを暗号化するための第２暗号鍵と、が異なる長さとなるように、前記鍵共有部により共有された暗号鍵を管理する鍵管理部と、を備える、
    通信システム。
11. コンピュータに
    複数の外部通信装置との間で暗号鍵を共有する鍵共有ステップと、
    前記暗号鍵の残量に基づいて送信データを送信する経路を決定する決定ステップと、
    前記経路に含まれる１以上の前記外部通信装置ごとに、前記外部通信装置を送信先として設定するヘッダを前記外部通信装置との間で共有する前記暗号鍵で暗号化する暗号化ステップと、
    前記送信データと、暗号化された１以上の前記ヘッダと、を含むパケットを生成するパケット生成ステップと、
    生成された前記パケットを前記経路に従い送信する送信ステップと、
    前記外部通信装置が前記送信データを受信する受信装置である場合に前記ヘッダを暗号化するための第１暗号鍵と、前記外部通信装置が前記送信データを他の前記外部通信装置に中継する中継装置である場合に前記ヘッダを暗号化するための第２暗号鍵と、が異なる長さとなるように、前記鍵共有ステップにより共有された暗号鍵を管理する鍵管理ステップと、
    を実行させるためのプログラム。

Images