JP2006109413A - グループ要素の認証方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 グループ要素の認証、特に、好ましくは無線センサネットワークにおけるセンサノードの認証の方法を提供する。
【解決手段】 グループは１つの特別の要素である主要素（Ｄ）を有し、各グループ要素（Ｎ_i）が主要素（Ｄ）と情報を交換し、グループ要素（Ｎ_i）の認証が主要素（Ｄ）に対して行われる。主要素（Ｄ）がグループ要素（Ｎ_i）へ認証要求を送信し、認証要求はすべてのグループ要素（Ｎ_i）について同一であり、グループ要素（Ｎ_i）は、主要素（Ｄ）へ認証要求に基づいて認証応答をそれぞれ送信し、認証応答は各グループ要素（Ｎ_i）ごとに異なる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、グループ要素の認証方法に関し、特に、好ましくは無線センサネットワークにおけるセンサノードの認証方法に関する。ここで、グループは１つの特別の要素（主要素）を有し、各グループ要素はこの主要素と情報を交換することができる。グループ要素の認証は、主要素に対して行われる。

実務上、さまざまな認証方法が以前から知られている。これらの場合において、認証は、識別証明の役割を果たし、所定のグループだけが作成できることになっている情報を無権限のエンティティが作成できないようにするためのものである。ある当事者が自己の権限を証明するためには、認証プロセスにおいて別の当事者に対して特定の特性を証明しなければならない。必要な証明が与えられた後、すなわち認証プロセスが成功した後、権限があると識別された当事者に、公然にはアクセス可能でない情報へのアクセスを許可することができる。

特に、無線センサネットワーク（ＷＳＮ）では、例えば信頼できる情報の収集を確実にするために、効率的な認証プロセスが極めて重要である。このようなネットワークのいくつかの特殊な特徴のため、ネットワーク内での認証は大きな困難でもある。

一般的に、センサネットワークは、例えば環境データを収集する役割を果たす多数のセンサノードを備える。センサネットワークは、例えば、ブドウ園内の湿度や表面上の温度を測定したり、移動物体の移動パターンを作成したりするために使用可能である。無線で相互に通信するセンサネットワークの各センサは、一般にプローブ、処理ユニット、通信デバイスおよびバッテリからなる。センサノードは通常、小さいサイズで作成され、データの収集、通信および計算の機能が最小限の空間に統合される。したがって、送信機の電波到達範囲、プロセッサパワー、バッテリ容量、残存記憶スペース等の物理的に規定されるファクタが、センサノードの極めて重要なパラメータとなることが多い。多くの場合に見られるこれらの物理的制限のため、センサノードの認証に用いられる方法は特別の要件を満たさなければならない。

一対一認証のための複数の解決法が既知であるが、これらの解決法は、グループ要素がセンサノードのように制限された能力しか持たないという環境に直接用いることができない。大規模なセンサネットワークは分散化されて組織されなければならないことから、多くの場合、クラスタ方式のメカニズムが用いられることが見られる。したがって、主要素（いわゆるクラスタリーダあるいはディーラ）がグループ要素を認証できるトポロジーの場合、グループ認証方式が必要である。

実務上、さまざまなグループ認証方法も既知である。単一のグループキーに基づく純粋に対称的な方式（非特許文献１）は非常に効率的であるが、ペアごとの認証ができないという点で問題がある。この欠点は、非対称方式（非特許文献２）を用いることによって基本的には除去される。しかし、非対称方式は、計算量が膨大である点で多くの場合に問題となる。というのは、その計算量は、例えばアドホックネットワークやセンサネットワークで一般に利用可能な容量を超えることが多いからである。
rcf2040 "The RC5, RC5-CBC, RC5-CBC-Pad, and RC5-CTS Algorithms" pp. 1-29, October 1996 E. Mykletun, M. Narasimha and G. Tsudik Signature "Signature Bouquets: Immutability of Aggregated Signatures" European Symposium on Research in Computer Security (ESORICS'04), September 2004

そこで、本発明は、上記のようなグループ要素の認証方法を実施し改良するという課題を解決しようとするものである。この方法は、高いセキュリティレベルで、所定の主要素に対するペアごとの一方的認証を可能にし、特に、グループ要素の特性が制限された制限的環境において使用可能である。

本発明によれば、上記の課題は請求項１に記載の構成によって解決される。これによれば、本方法は、主要素Ｄがグループ要素Ｎ_iへ認証要求を送信する。すべてのグループ要素Ｎ_iに対する認証要求は同一であり、グループ要素Ｎ_iは、主要素Ｄへ認証要求に基づいて認証応答をそれぞれ送信する。認証応答は各グループ要素Ｎ_iごとに異なる。

本発明によって初めて認識されたこととして、主要素に対するグループ要素の安全な認証に必要な、ネットワーク経由でトランスポートされるべきデータ量は、主要素がすべてのグループ要素に同一の認証要求を送出することにより通常の認証プロセスに比べて大幅に低減できる。この共通のグループ認証要求に基づいて、グループ要素は、すべてのグループ要素にとって個別的で一意的な認証応答を主要素へ送信する。これにより、高いレベルのセキュリティが実現される。

主要素に対するグループ要素のペアごとの一方的認証を可能にする本発明による方法は、ほとんどあらゆるグループ通信状況において使用可能である。特に重要な応用例として、例えば、無線アドホックネットワークや無線センサネットワークにおける認証付きのデータ収集や、ルーティングその他のネットワーク管理業務の目的での認証付きのクラスタヘッド選出がある。利用可能な帯域幅、ＣＰＵ、記憶容量等に関する限り極めて制限的な環境においても、本発明による方法は、セキュリティレベルを低下させずに適用可能である。

特に有益な点として、認証プロセスの同期を提供できる。すべてのグループ要素が主要素の認証要求に対する自己の認証応答を送信した後で主要素が後続の認証要求を送信するという同期によって、認証に必要なエネルギーおよびデータ量を最小限にするだけでなく、効率のさらなる向上を達成できる。具体的には、例えば測定データの送信に関して、例えば時間同期した認証またはイベント同期した認証を提供することができる。

さらなるデータ低減に関して、主要素がグループ要素へサービス要求（ＳＲＥＱ）とともに認証要求を送信するようにしてもよい。サービス要求としては、例えば、現在の測定値を主要素へ送信することを求める、センサネットワークのグループ要素への要求が挙げられる。さらに、認証応答が主要素へサービス応答（ＳＲＥＳ）とともに送信されるようにしてもよい。個々のグループ要素と主要素との間の実際の通信（例えば測定データの送信）に認証プロセスをこのように結合することにより、別途のメッセージを省くことができる。

特に高いレベルの認証のセキュリティに関して、認証要求は共通チャレンジ、すなわち「グループチャレンジ」を含むようにしてもよい。グループチャレンジは、各グループ要素が、課題に解答する時に異なる結果を得るように設計される。

具体的実施態様に関して、最初の認証要求の前に初期化段階を設けることができる。この初期化段階において、まずハッシュ関数を設定する。ハッシュ関数は、とりわけ、計算は容易だが（ほとんど）元に戻せないことを特徴とする片方向の関数である。すなわち、ハッシュ関数に対して、与えられたターゲット値に対応するソース値を求めることができるような、効率的に計算可能な逆関数は存在しない。さらに、同一のハッシュ値を生じる２つのソース値を見つけることもほとんど不可能である（無衝突性）。ハッシュ関数を設定することに加えて、各グループ要素は、秘密キーを選択し、反復回数を設定する。次に、各グループ要素は、その要素固有のキーに基づいて、設定した反復回数に対応するハッシュ連鎖を計算する。ハッシュ連鎖とは、１つの値に対するハッシュ関数の反復適用である。ハッシュ連鎖の最終値を、実行した反復回数とともに主要素に通知し、主要素に記憶させる。

認証要求および関連する「チャレンジ」に関して、主要素は、整数ｊを設定し、この整数を共通チャレンジとしてすべてのグループ要素へ送信するようにしてもよい。ｊの値は、グループ要素によって初期化段階中にそのハッシュ連鎖について設定される最小の反復回数よりも小さくなるように選択される。チャレンジに対する解答は、各グループ要素がハッシュ関数をｊ回自己のキーに対して実行し、これに対して得られる結果を認証応答として主要素へ送信するものとすることができる。

最後に、主要素は、各グループ要素から受信した値に対するハッシュ関数を必要な回数だけ計算することにより、初期段階中に記憶されたハッシュ連鎖の最終値と比較できる。この比較により、主要素は、グループ要素が正当であるかどうかを推論することができる。

グループ要素の数および主要素の利用可能な記憶スペースに応じて、主要素は、初期段階中に送信されるハッシュ連鎖のそれぞれの最終値の特定の情報部分のみを取得してそれらを保存すれば有利な場合がある。そのような情報部分は、例えば、値の最初の８ビットを含むものとすることができ、それにより、必要な記憶スペースを大幅に低減することができる。特にセンサネットワークの場合、そのような低減は極めて有利である。というのは、ペイロードのサイズは一般にハッシュ値のサイズ（これは、実際に効率的に使用されるハッシュ関数の場合、少なくとも６４ビットである）よりもはるかに小さいからである。したがって、ネットワークの容量は、主としてペイロードに求められる要求に向けることができ、認証プロセスによって増大することは全くないか、少なくとも大幅に増大することはない。原則として、記憶すべき値の情報部分のサイズを設定する場合、その情報部分が小さすぎてアルゴリズムのセキュリティのレベルを低下させることがないように留意すべきである。

グループ要素の計算パワーおよび利用可能な記憶スペースに応じて、グループ要素がハッシュ連鎖の計算値の少なくとも一部を記憶すると有利であることが判明する場合がある。こうして、グループ要素が認証要求のチャレンジに対する解答を計算するために必要とする時間を大幅に短縮することができる。

各認証要求ごとに、整数ｊはグループチャレンジとして有利な方法で選択される。整数ｊは、先行する認証要求で選択されたいずれの整数ｊよりも小さい。具体的には、整数ｊは各認証要求後に１以上の値だけ減少させればよい。この手続きにより、潜在的攻撃者は、後続の認証プロセス中にグループ要素のうちの１つの識別を装うために、先行する認証プロセスからの情報を用いることができないようになる。

本発明の教示を有利に実施し改良するためのいくつかの方法がある。この目的のためには、一方で従属請求項を参照し、他方で図面に例示される本発明の好ましい実施例に関する以下の説明を参照されたい。図面による本発明の好ましい実施例の説明においては、教示の一般的に好ましい実施形態および改良形態が説明される。

図１は、実際の認証プロセスに先行する初期化段階を示している。図示されているグループは、主要素Ｄと、全部でｍ個のグループ要素Ｎ₁、Ｎ₂、・・・・Ｎ_mを示している。理解されるように、初期化は、潜在的攻撃者を排除することができる保護環境で行われる。無線センサネットワークの場合、初期化段階（その全部または一部）は、個々のセンサノードを配備する前に実行してもよい。

初期化段階の間に、まず、グループ要素Ｎ_iは、共通のハッシュ関数ｈについて合意する。さらに、各グループ要素Ｎ_iは、そのグループ要素自身のみに知られる秘密キーｘ_iを設定する。キーｘ_iは、例えば、グループ要素Ｎ_iによって生成される乱数としてよい。秘密キーｘ_iに基づいて、各グループ要素Ｎ_iはハッシュ関数を反復的に実行することによってハッシュ連鎖を計算する。すなわち、秘密キーｘ_iに対するハッシュ関数の最初の実行結果に対してもう一度ハッシュ関数を実行し、このプロセスを特定の反復回数Ｉ_iだけ実行する。数Ｉ_iもまた、グループ要素Ｎ_iによって個別に設定される。ハッシュ連鎖の最終値ｈ^Ii（ｘ_i）を反復回数Ｉ_iとともに主要素Ｄに開示し、そこにローカルに記憶させる。これで初期化段階が終わり、実際の認証プロセスを開始することができる。

図２は、図１のグループに対する認証プロセスの最初の部分を、グループ要素Ｎ₁〜Ｎ_mおよび主要素Ｄとともに示している。主要素Ｄがグループ要素Ｎ_iへサービス要求をブロードキャスト信号として送信する。これは破線の曲線で示されている。サービス要求（ＳＲＥＱ）は、例えばグループ要素Ｎ_iがセンサノードとして作用する場合には、例えば、グループ要素Ｎ_iに対して、主要素Ｄへ現在測定されているデータを送信することを求める要求であってもよい。サービス要求とともに、主要素Ｄは、グループ要素Ｎ_iへグループチャレンジをブロードキャストする。グループチャレンジは、反復回数を表す整数ｊである。数ｊは、ｊ≦ｍｉｎ｛Ｉ_i，ｉ＝１，...，ｍ｝が成り立つように選択される。したがって、初期化段階中にハッシュ連鎖を作成する時に、すべてのグループ要素Ｎ_iはハッシュ関数をｊ回実行済みであることが保証される。

最後に図３は、認証プロセス中に、グループ要素Ｎ_iが主要素Ｄへ自己の認証応答を送信することがどのように行われるかを示している。チャレンジに対応して、各グループ要素Ｎ_iは、解答を計算するために、ハッシュ関数をｊ回反復実行する。なお、初期化段階から秘密キーｘ_iを知るグループ要素Ｎ_iのみが、このような値ｈ^j（ｘ_i）の計算を行うことができることに留意されたい。

最後に主要素は、各グループ要素Ｎ_iごとに、必要な回数（すなわち、具体的には（Ｉ_i−ｊ）回）だけハッシュ関数を適用し、そうして計算した値を初期化段階中に記憶された値と比較することができる。両方の値が一致する場合、認証は成功し、主要素Ｄは対応するグループ要素Ｎ_iを権限のあるグループ要素として受け入れる。２つの値が異なる場合、無権限の攻撃者がグループへの無権限のアクセスをするために、対応するグループ要素Ｎ_iになりすまそうとしているものと推論することができる。

最後に、指摘しておくべき特に重要なことであるが、上記の実施例は、本発明による教示の実例としての役割を果たすに過ぎず、本発明を上記実施例に限定するものでは全くない。

初期化プロセスの概略図である。 グループ要素への認証要求の送信の概略図である。 主要素への認証応答の送信の概略図である。

Claims (15)

1. １つの特別の要素である主要素と複数のグループ要素との間で情報を交換し、各グループ要素の認証が前記主要素に対して行われるグループ要素の認証方法において、
   前記主要素は、すべてのグループ要素について同一である認証要求を前記複数のグループ要素へ送信し、
   前記複数のグループ要素は、前記認証要求に基づいて、グループ要素ごとに異なる認証応答を前記主要素へ送信する
   ことを特徴とするグループ要素の認証方法。
2. 前記複数のグループ要素は、前記主要素がすべてのグループ要素の時間同期またはイベント同期した認証応答を受信するように、前記主要素へそれぞれ自己の認証応答を送信することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記認証要求は、前記複数のグループ要素へサービス要求とともに送信されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記認証応答は、前記主要素へサービス応答とともに送信されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記認証要求は、すべてのグループ要素に対する共通の課題であるチャレンジを含み、それに対して各グループ要素が異なる解答を提供することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 最初の認証要求の前の初期化段階の間に、
   ハッシュ関数ｈが設定され、
   各グループ要素Ｎ_iが秘密キーｘ_iおよび反復回数Ｉ_iを設定し、
   各グループ要素Ｎ_iがｎ_i＝ｈ^Ii（ｘ_i）の値を計算するために前記キーｘ_iに前記ハッシュ関数ｈをＩ_i回適用し、
   前記グループ要素Ｎ_iが、計算した値ｎ_iを値Ｉ_iとともに前記主要素に通知し、
   前記主要素がｎ_iおよびＩ_iの値を記憶する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記主要素は、前記初期化段階の間に前記複数のグループ要素によって設定された反復回数のうち最小の反復回数Ｉ_iよりも小さい整数ｊを設定し、
   前記主要素は、前記整数ｊを共通のグループチャレンジとしてすべてのグループ要素へ送信し、
   各グループ要素Ｎ_iは、解答ｎ_i ^*＝ｈ^j（ｘ_i）を計算するために自己のキーｘ_iに前記ハッシュ関数ｈをｊ回適用し、
   各グループ要素Ｎ_iは、計算した解答ｎ_i ^*を認証応答として前記主要素へ送信する
   ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記主要素は、値ｎ_i′＝ｈ^(Ii-j)（ｎ_i ^*）を計算するために、受信した解答ｎ_i ^*に前記ハッシュ関数ｈを（Ｉ_i−ｊ）回適用し、計算した値ｎ_i′を記憶されている値ｎ_iと比較することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記主要素は、前記グループ要素Ｎ_iから受信した前記値ｎ_iのあらかじめ指定可能な情報部分のみを記憶することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 各グループ要素Ｎ_iは、ハッシュ連鎖の値の少なくとも一部を記憶することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 各認証要求に対するグループチャレンジとして、先行する認証要求に対して選択されたいずれの整数ｊよりも小さい整数ｊが選択されることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記整数ｊを、各認証要求の後に１以上の値を減少させることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. １つの特別の要素である主要素と複数のグループ要素との間で情報を交換し、各グループ要素の認証が前記主要素に対して行われるグループ要素の認証方法において、
    前記複数のグループ要素の各々は、
    自己の固有ソース値に対して、実質的な一方向性および無衝突性を有する所定関数を、自己が独立に定めた繰り返し回数だけ連鎖的に適用して第１連鎖最終値を生成し、
    前記第１連鎖最終値と前記独立に定めた繰り返し回数とを前記主要素へ送信し、
    前記主要素は、
    各グループ要素ごとに受信した前記第１連鎖最終値と前記独立に定めた繰り返し回数とを保持し、
    前記複数のグループ要素に対して、前記保持した独立に定めた繰り返し回数の最小回数を指定して前記所定関数の連鎖適用を指示し、
    前記複数のグループ要素の各々は、
    前記自己の固有ソース値に対して、前記所定関数を前記指定回数だけ連鎖的に適用して指定連鎖最終値を生成し、
    前記指定連鎖最終値を前記主要素へ送信し、
    前記主要素は、各グループ要素ごとに受信した前記指定連鎖最終値に対して、前記所定関数を、前記指定回数から各グループ要素が独立に定めた繰り返し回数に到達するまで連鎖的に適用して第２連鎖最終値を生成し、
    各グループ要素ごとに生成された前記第２連鎖最終値と保持されている同一グループ要素の前記第１連鎖最終値とを比較することで各グループ要素を認証する、
    ことを特徴とするグループ要素の認証方法。
14. 複数のグループ要素との間で情報を交換し各グループ要素の認証を行う方法において、
    前記複数のグループ要素の各々から、各グループ要素の固有ソース値に対して実質的な一方向性および無衝突性を有する所定関数を各グループ要素毎に独立に定めた繰り返し回数だけ連鎖的に適用して得られた第１連鎖最終値とそのときの繰り返し回数とを受信し、
    前記複数のグループ要素に対して、前記保持した独立に定めた繰り返し回数の最小回数を指定して前記所定関数の連鎖適用を指示し、
    前記複数のグループ要素の各々から前記自己の固有ソース値に対して前記所定関数を前記指定回数だけ連鎖的に適用して得られた指定連鎖最終値を受信し、
    各グループ要素ごとに受信した前記指定連鎖最終値に対して、前記所定関数を、前記指定回数から各グループ要素が独立に定めた繰り返し回数に到達するまで連鎖的に適用して第２連鎖最終値を生成し、
    各グループ要素ごとに生成された前記第２連鎖最終値と保持されている同一グループ要素の前記第１連鎖最終値とを比較することで各グループ要素を認証する、
    ことを特徴とするグループ要素の認証方法。
15. 前記複数のグループ要素は無線センサネットワークにおけるセンサノードであることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法。
    
    

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