JP2008547257A - アドホックネットワーク内でデータを安全に伝送するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのノードから成る少なくとも１つのネットワークを有するマルチホップ方式を利用した通信システムにおいてデータを伝送する本発明による方法および装置において、第１の送信ノードから第２の受信ノードへのデータは、第１の送信ノードと第２の受信ノードとの間に配置された少なくとも１つの第３のノードによってそれぞれ受信および転送され、その際、伝送のために、前記データは、ペイロードデータ成分とマルチホップ方式に割り当てられる少なくとも１つの第１の制御データ成分とネットワークに割り当てられる第２の制御データ成分を有するパケットに断片化され、データの暗号化は第１のノードと第２のノードとにより決まる少なくとも１つの第１のマスター鍵に基づいて行われ、ペイロードデータ成分のみが第１のマスター鍵に基づいて暗号化する。

Description

本発明は請求項１の上位概念によるマルチホップ方式を利用した通信システムにおいてデータを安全に伝送する方法に関する。さらに、本発明は、請求項１５の上位概念による、上記方法を実行するための装置にも関する。
無線通信システムにおいては、例えば音声情報、画像情報、ビデオ情報、ＳＭＳ（ショートメッセージサービス）、ＭＭＳ（マルチメディアメッセージサービス）または他のデータを有するメッセージが電磁波により無線インタフェースを介して送信局と無線受信局との間で伝送される。無線局はネットワーク用語ではノードとも呼ばれるが、ここでは、無線通信システムの具体的な形態に応じて、多種多様な加入者無線局、または、無線アクセスポイントや基地局のようなネットワーク側の無線局であってよい。移動無線通信システムでは、加入者無線局の少なくとも一部は移動無線局である。電磁波の放射は個々の装置に対して設定されている周波数帯域内の搬送波周波数によって行われる。

移動無線通信システムは、例えばＧＳＭ（Global System for Mobile Communication）規格またはＵＭＴＳ（Universal Mobile Telecommunications System）規格に準拠するセルラシステムとして、複数の基地局、これらの基地局を監視および制御する装置、ならびにその他のネットワーク装置などから成るネットワークインフラストラクチャによって構築されていることが多い。

これらの広域的に組織された階層的なセルラ無線ネットワークの他に、ワイヤレスローカルネットワーク（ＷＬＡＮ，Wireless Local Area Network）も存在しているが、通常その無線カバー領域は空間的に見て明らかに大幅に制限されている。 ＷＬＡＮの無線アクセスポイント（ＡＰ：Access Point）がカバーするセルは例えば数百メートルの直径を有しているが、これは通常の移動無線セルに比べれば小さい。ＷＬＡＮに関する種々の規格の例としては、ＨｉｐｅｒＬＡＮ、ＤＥＣＴ、ＩＥＥＥ８０２．１１、ブルートゥースおよびＷＡＴＭが挙げられる。

ＷＬＡＮに対しては、２．４ＧＨｚのアンライセンスバンドが使用されることが多い。５ＧＨｚ帯域にも、ＷＬＡＮによってよく使用される、統一的には規制されていない国際的な周波数帯域が存在する。従来のＷＬＡＮでは５０Ｍｂｉｔ／ｓを超えるデータ伝送速度が達成されるが、将来のＷＬＡＮ規格（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ）では、１００Ｍｂｉｔ／ｓを超えるデータ伝送速度が達成される。このため、ＷＬＡＮの加入者にとって、例えばＵＭＴＳのような移動無線の第３世代によって提供されるデータレートよりも遥かに高いデータレートの利用が可能になる。したがって、特にインターネットアクセスに関連した大容量データ伝送に関しては、高ビットレートのコネクションのためにはＷＬＡＮへのアクセスが有利である。

ＷＬＡＮ無線アクセスポイントを介せば、他の通信システムへの、例えばインターネットなどへの接続を行うことも可能である。このために、ＷＬＡＮの無線局は無線アクセスポイントと直接通信するか、または、さらに遠隔の無線局の場合には、他の無線局を介して通信する。後者の場合、他の無線局は無線局と無線アクセスポイントの間の経路を介して無線局と無線アクセスポイントの間で情報を転送する。 マルチホップ通信システムと呼ばれるこのような通信システムでは、データは送信局から最終的な受信局まで直接伝送されるか、または、中間に接続された多数の中間局ないし中継局を介して伝送される。ただ１つの中間接続された中継局を介してデータを伝送する他に、次々と直列に接続された多数の中継局を介してデータを伝送することもでき、これもマルチホップと呼ばれる。

非マルチホップＷＬＡＮシステムに関しては、伝送されるデータの盗聴を防止するセキュリティ機構を使用することが周知である。このために、例えばＩＥＥＥ８０２．１１１は、図１から分かるように、論理コネクションごとに異なる鍵を使用している。しかしながら、このアプローチは、ホップが１つだけの場合には最適であるが、マルチホップシステムには適さないという欠点を有している。

これについては、この欠点を解消するバリアントが存在している。例えば、いわゆる「事前共有鍵」（ＰＳＫ）を用いるアプローチが存在している。この場合、認証と鍵協定とに使用されるネットワーク全体で有効な鍵が生成される。しかしながら、これはセキュリティレベルの低下をもたらす。

それゆえ、将来の規格のために、コネクションごとに異なる鍵を使用することについて検討する。しかし、これはシステムに負荷をかける。というのも、各ノードにおいて、データ伝送を遅延させる暗号化と復号化が行われるが、このことがまさにVoice over IPのようなリアルタイム要件のあるアプリケーションにとっては障害だからである。

本発明の課題は、上記の欠点を回避した、マルチホップシステムにおける安全な無線通信のための方法を提供することである。

この課題は、請求項１に記載された特徴を備えた方法および対応する請求項１５に記載された特徴を備えた装置により解決される。

少なくとも１つのノードから成る少なくとも１つのネットワークを備えたマルチホップ方式を利用した通信システムにおける本発明によるデータ伝送方法においては、第１の送信ノードから第２の受信ノードへのデータは第１の送信ノードと第２の受信ノードとの間に配置された少なくとも１つの第３のノードによってそれぞれ受信および転送され、その際、伝送のために、前記データはペイロードデータ成分とマルチホップ方式に割り当てられる少なくとも１つの第１の制御データ成分とネットワークに割り当てられる第２の制御データ成分を有するパケットに断片化され、第１のノードと第２のノードとにより決まる少なくとも１つの第１のマスター鍵に基づいてデータの暗号化が行われるが、その際、ペイロードデータ成分のみが第１のマスター鍵に基づいて暗号化される。

本発明の方法によれば、有利には、ペイロードデータのエンドツーエンド暗号化が達成される、すなわち、ペイロードデータは目標ノードに到着するまで暗号化されたままであり、保護された状態に留まる。さらに、中間ノードの負担も軽減される。というのも、本発明の方法によれば、従来技術から公知のアプローチのようにペイロードデータの復号化しなくてもよいからである。本発明の方法によれば、単に制御データ成分に含まれている情報に従って転送を行うだけでよい。これにより、暗号化と復号化によって生じうる遅延も可能な限り防止される。
第１の各送信ノードと第３のノードとして適切な隣接ノードとによって決まる第２のマスター鍵が生成され、有利には、第１の制御データ成分は第２のマスター鍵に基づいて暗号化される。したがって、パケットのための経路を含むマルチホップ方式に割り当てられた情報も解読不能となり、このことがシステムのセキュリティを明らかに向上させる。また、鍵は送信ノードと隣接ノードとによって生成されるマスター鍵に基づいているので、制御データ成分を解読および分析することができるのは隣接ノードだけであり、また、含まれている情報に従って、必要に応じて次の隣接ノードへの転送を開始することができるのも隣接ノードだけである。

暗号化の、したがってまたセキュリティのさらなる改善は次のようにして得られる。すなわち、第１のマスター鍵から導出される第２の鍵を求め、第２のマスター鍵から導出される第１の鍵を求め、第１のノードの各々において、伝送のために、第１の制御データ成分を第１の鍵で暗号化し、ペイロードデータ成分を第２の鍵で暗号化し、第２の制御データ成分については暗号化しないようにすることにより、パケットを暗号化し、続いてパケットを第３のノードに伝送し、第３のノードにおいて、第１の鍵で暗号化された第１の制御データ成分を復号化し、この制御データ成分を評価し、その際、第３のノードが第２のノードに一致している場合には、ペイロードデータを第２の鍵で復号化して、伝送を終了し、第３のノードが第２のノードに一致していない場合には、第３のノードを第１のノードに設定し、第１の鍵の導出から始まるステップ−第２の鍵を新たに生成する必要はない、というのも、本発明によれば、ペイロードデータのエンドツーエンド暗号化、すなわち、ソースツーシンク暗号化しか必要ないからである−を繰り返す。 セキュリティの改善は、鍵を導出する際に、例えば、乱数発生器を使用して第２の鍵を生成するなど、攻撃者または盗聴者によるデータの解読を困難にするまたは防ぐことのできる別の暗号化手段を実施することで得られるので、通常は転送の度に鍵が繰り返し生成されることはない。

さらに、マルチホップ方式に従って生成されたルーティングメッセージのみを含んだパケットを完全に暗号化すれば、通常ペイロードデータの本来の伝送に先立って経路の交渉のために交換されるデータは攻撃者にとって判読不能となるので、伝送に使用される中間ノードへの攻撃の集中は不可能である。これによって、さらなるセキュリティレベルが確立されるとともに、結果的にペイロードデータ伝送の遅延も生じない。

その際、有利には、ルーティングパケットはルーティングプロトコルに従って生成されるので、ノードまたはネットワーク間の標準化された通信が保証される。

その際、ルーティングメッセージパケットの生成をＯＳＩ参照モデルのレイヤ２で、またはＯＳＩ参照モデルのレイヤ３で行ってもよい。というのも、これらのレイヤは本発明による方法の実施に特に適しているからである。

有利には、特にレイヤ３での生成の際に、プロトコルとして、ＡＯＤＶプロトコル、ＯＬＳＲプロトコル、または、これらプロトコルからの派生プロトコルを使用する。

ＩＥＥＥ８０２．１Ｘに準拠したセキュリティ方式による暗号化を行えば、今日のネットワークにおいて広く普及したセキュリティモデルを基礎として有することになるので、インプリメンテーションが簡単になり、本発明による方法の受容も増すことになる。このことは、特に、ネットワークのうちの少なくとも１つがＩＥＥＥ８０２．１１またはその派生規格に準拠して動作する場合に当てはまる。

有利には、第２の制御データ成分はＩＥＥＥ８０２．１１に準拠したヘッダデータにより生成され、第１の制御データ成分はマルチホップ方式に従ったヘッダデータにより生成される。なぜならば、これが通常の方式に一致するからであり、それゆえにこのように形成された通信システムとその中に含まれるネットワークは大した調整なしに本発明による方法を実行することができるからである。

カウンターモードＣＢＣ−ＭＡＣプロトコル"ＣＣＭＰ"に従って、１２８ビット長の鍵を用いた暗号化を行えば、データ暗号化の効率的な方法が得られる。

マルチホップ方式でデータを伝送する本発明による装置は、請求項１から１４のいずれか１項記載の方法を実行する手段を備えていることを特徴としている。

本発明のさらなる利点および詳細は図１〜４に関する説明に基づいてより詳細に解説される。
図１：ＩＥＥＥ８０２．１Ｘに準拠したシングルホップシステムにおける鍵協定を示す。
図２：本発明による通信システムにおけるペイロードデータパケットの構造を示す。
図３：本発明の実施例の基礎となる鍵階層を図式的に示す。
図４：本発明の１つの実施例によるフローチャートを図式的に簡略化して示す。

図１には、従来技術から公知の、ＩＥＥＥ８０２．１Ｘに従って標準化されたネットワークにおけるＩＥＥＥ８０２．１１iに準拠した鍵協定が示されている。

ここで気付くべきは、これはシングルホップに限定されたシステムであるということである。というのも、ホップは１つの中間局へと縮減されている、すなわち、加入者装置TといわゆるRadiusサーバRSの間を橋渡しするために、または、RadiusサーバRSと加入者装置（端末）Tの間にワイヤレスデータ伝送を確立するために用いられる図示のアクセスポイントAPへと縮減されているからである。

さらに気付くべきは、第１のステップS1において、共通鍵の協定に用いられるIEEE８０２．１Xに準拠して形成された図示のネットワーク上で、いわゆる拡張認証プロトコルEAPを介して認証が行われることである。なお、上記共通鍵は"Pairwise Master Key(PMK)"または短くマスター鍵とも呼ばれる。

第２のステップS２では、協定されたマスター鍵PMKがアクセスポイントAPに通知され、後続のステップS3からS6では、アクセスポイントAPが、いわゆるハンドシェイクメッセージ交換において、端末TとアクセスポイントAPとの間の通信のための転送セッションに必要な鍵を生成する。
このために、第３のステップS3では、アクセスポイントAPにおいて乱数列を生成し、端末Tに伝送する。端末Tは第４のステップ４において同様に乱数列を生成し、この乱数列をアクセスポイントAPの乱数列を用いて暗号化してアクセスポイントAPに伝送する。したがって、第５のステップS5では、アクセスポイントAPにおいて、マスター鍵に関連させて、アクセスポイントAPと端末Tの間のコネクションに有効なグループ鍵と呼ばれる鍵を生成することができ、また、この鍵を端末Tの乱数列で暗号化して端末Tに通知し、端末TとアクセスポイントAPの両方にとって、セッション継続中に有効ないわゆる"Pairwise Master Key（PMK)"の生成を可能にする情報が利用できるようにすることができる。
この生成が無事に終了すると、最後に第６のステップＳ６において、アクセスポイントＡＰに向けた、ＰＴＫで暗号化された確認メッセージが返される。

第７のステップでは、暗号化で保護されたデータ伝送をＲａｄｉｕｓサーバＲＳと端末Ｔとの間で行うことができる。
その際、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠して形成されたネットワークに基づく本発明の実施例に従って伝送を行うために、データは、図２に示されているように、ペイロードデータ成分Ｎと、マルチホップ方式の実行に必要な少なくとも１つの第１の制御データ成分ＭＨと、ＩＥＥＥ８０２．１１に従って形成される第２の制御データ成分ＩＨとから成るパケットに分割される。

図３には、さらに、本発明の実施例がどのセキュリティ階層に基づいているかが図式的に示されている。データの暗号化は、図示されているように、マスター鍵（Pairwise Master Key-PMK）によって特徴付けられる第１のプレーンＥ１から始まり、このマスター鍵から、第２のプレーンＥ２で行われる乱数発生（疑似乱数発生器）によりグループ鍵（Pairwise Transient Key-PTK）が生成され、なお、このグループ鍵はＴＫＩＰに従って５１２ビット長であってもよいし、またはＡＥＳに従って３８４ビット長であってもよいが、このグループ鍵の一部がそれぞれ、第４のプレーンＥ４から明らかなように、所定の種類のデータの暗号化に使用される、例えば、ＥＡＰｏｌ暗号化Ｆ１に１２８ビットが、ＥＡＰｏｌ ＭＩＣ Ｆ２に１２８ビットが、データ暗号化Ｆ３に１２８ビットがそれぞれ使用される。

最後に、図４には、上記システムに基づいて本発明による方法をベースとして形成されたフローチャートが示されている。

気付くべきは、第１の時点Ｔ１に、ソースノードＳによって目標ノードＤへのコネクション確立が開始されることである。実施例では、暗黙にかつ一般性を犠牲にすることなく、例えばＡＯＤＶのようなリアクティブルーティングプロトコルが前提される。

コネクション確立はＤへの転送に適した隣接ノードを探すためのルートリクエストメッセージの同報通信で始まる。メッセージは中間ノードＩから目標ノードＤへ転送される。これらのメッセージの暗号化には、グループ通信に使用されるマスター鍵ＧＭＫから導出された鍵が使用される。

続いて、第２の時点Ｔ２において、逆に目標ノードＤからソースノードＳへ、ルートが見付かったことが通知される。このメッセージはノードＤから直接ノードＩへ送られる。ノードＩはメッセージを直接ノードＳに転送する。その際、見付かったルートはアクティブな状態に切り換えられるので、データ通信に使用することができる。

時点Ｔ２でのメッセージの暗号化は次のようにして実行される。ノードＤからノードＩへのメッセージは、ＤとＩの間の通信に使用されるマスター鍵ＰＭＫ（Ｉ，Ｄ）から導出された鍵で暗号化される。ノードＩからノードＳへのメッセージは、ＩとＳの間の通信に使用されるマスター鍵ＰＭＫ（Ｉ，Ｓ）から導出された鍵で暗号化される。

第３の時点Ｔ３においては、ソースノードＳと目標ノードＤの間に安全なデータコネクションが可能である。このデータコネクションについては、ＩＥＥＥ８０２．１１iに記載されたメカニズムとマルチホップネットワークから到達可能なＡＡＡサーバを用いて、ソースノードＳと目標ノードＤの間のマスター鍵ＰＭＫ（Ｓ，Ｄ）が協定される。ＩＥＥＥ８０２．１１１では、マスター鍵の協定に、例えば、Ｒａｄｉｕｓサーバと、ＥＡＰ、８０２．１ｘを介した通信が使用されるのが一般的である。SとDの間の通信に使用されるこのマスター鍵PMK（S，D）は第４の時点T4において次のようにして設定される。

ソースノードSと目標ノードDの間で伝送されるデータパケットは、とりわけ、マルチホップネットワークにおいて目的のデータ転送のために各転送ノード（例ではノードI)が使用しなければならないヘッダ情報から構成されている。データパケットのデータ成分は目標ノードDに到達しなければ読むことができないようにしなければならない。それゆえ、SからIへの伝送のためのヘッダ情報は、鍵ＰＭＫ（Ｓ，Ｉ）から導出された鍵で暗号化され、中間ノードIにおいて復号化され、目標ノードDへの転送のために、鍵ＰＭＫ（Ｉ，Ｄ）から導出された鍵で暗号化される。データパケットのデータ成分は、ソースノードSにおいて、第３の時点T3にSとDの間で協定されたマスター鍵PMK（Ｓ，Ｄ）から導出された鍵で暗号化される。この場合、ノードIでは、データパケットをノードIから目標ノードDへ転送するために、データパケットのデータ成分に対する暗号演算を必要としない。データ成分は透過的にかつ目標ノードDに対する変更なしに転送することができ、目標ノードDにおいて、マスター鍵PMK（Ｓ，Ｄ）から導出された鍵で復号化される。

ＩＥＥＥ８０２．１Ｘに準拠したシングルホップシステムにおける鍵協定を示す。 本発明による通信システムにおけるペイロードデータパケットの構造を示す。 本発明の実施例の基礎となる鍵階層を図式的に示す。 本発明の１つの実施例によるフローチャートを図式的に簡略化して示す。

Claims (15)

1. 少なくとも１つのノードから成る少なくとも１つのネットワークを有するマルチホップ方式を利用した通信システムにおけるデータの伝送方法において、第１の送信ノード（Ｓ）から第２の受信ノード（Ｄ）へのデータを第１の送信ノード（Ｓ）と第２の受信ノード（Ｄ）との間に配置された少なくとも１つの第３のノード（Ｉ）によってそれぞれ受信および転送し、その際、伝送のために、前記データを、ペイロードデータ成分とマルチホップ方式に割り当てられる少なくとも１つの第１の制御データ成分とネットワークに割り当てられる第２の制御データ成分を有するパケットに断片化し、データの暗号化を第１のノード（Ｓ）と第２のノード（Ｄ）とにより決まる少なくとも１つの第１のマスター鍵（ＰＭＫ１）に基づいて行うようにした方法において、ペイロードデータ成分のみを前記第１のマスター鍵（ＰＭＫ１）に基づいて暗号化することを特徴とする、マルチホップ方式を利用した通信システムにおけるデータの伝送方法。
2. 第１の各送信ノード（Ｓ）と第３のノード（Ｉ）として適切な隣接ノードとによって決まる第２のマスター鍵を生成する、請求項１記載の方法。
3. 第１の制御データ成分を第２のマスター鍵に基づいて暗号化する、請求項２記載の方法。
4. ａ）第１のマスター鍵（ＰＭＫ）から導出される第２の鍵（ＰＴＫ２）を求め、
   ｂ）第２のマスター鍵から導出される第１の鍵（ＰＴＫ１）を求め、
   ｃ）第１のノード（Ｓ）の各々において、伝送のために、
   ｃ１）第１の制御データ成分を第１の鍵（ＰＴＫ１）で暗号化し、
   ｃ２）ペイロードデータ成分を第２の鍵（ＰＴＫ２）で暗号化し、
   ｃ３）第２の制御データ成分は暗号化しないようにすることにより、パケットを暗号化し、
   ｄ）パケットを第３のノード（Ｉ）に伝送し、
   ｅ）第３のノード（Ｉ）において、第１の鍵（ＰＴＫ１）で暗号化された第１の制御データ成分を復号化し、
   ｆ）該制御データ成分を第３のノード（Ｉ）において評価し、その際、
   ｆ１）第３のノード（Ｉ）が第２のノード（Ｄ）に一致している場合には、ペイロードデータを第２の鍵で復号化して伝送を終了し、
   ｆ２）第３のノード（Ｉ）が第２のノード（Ｄ）に一致していない場合には、第３のノード（Ｉ）を第１のノード（Ｓ）に設定し、ステップｂ）からｆ）を繰り返す、請求項２または３記載の方法。
5. マルチホップ方式に従って生成されたルーティングメッセージのみを含んだパケットは完全に暗号化される、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記ルーティングパケットをルーティングプロトコルに従って生成する、請求項５記載の方法。
7. ルーティングメッセージパケットの生成をＯＳＩ参照モデルのレイヤ２で行う、請求項６記載の方法。
8. ルーティングメッセージパケットの生成をＯＳＩ参照モデルのレイヤ３で行う、請求項５記載の方法。
9. 前記プロトコルとして、ＡＯＤＶプロトコル、ＯＬＳＲプロトコル、または、これらプロトコルからの派生プロトコルを使用する、請求項５から７のいずれか１項記載の方法。
10. ＩＥＥＥ８０２．１Ｘおよび／またはＩＥＥＥ８０２．１１１に準拠したセキュリティ方式に従って暗号化を行う、請求項１から９のいずれか１項記載の方法。
11. ネットワークのうちの少なくとも１つがＩＥＥＥ８０２．１１またはその派生規格に準拠して動作する、請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
12. 第２の制御データ成分をＩＥＥＥ８０２．１１に準拠したヘッダデータにより形成する、請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。
13. 第１の制御データ成分をマルチホップ方式に従ったヘッダデータにより形成する、請求項１から１２のいずれか１項記載の方法。
14. カウンターモードＣＢＣ−ＭＡＣプロトコル"ＣＣＭＰ"に従って、１２８ビット長の鍵を用いた暗号化を行う、請求項１から１３のいずれか１項記載の方法。
15. マルチホップ方式でデータを伝送する装置において、請求項１から１４のいずれか１項記載の方法を実行する手段を備えていることを特徴とするマルチホップ方式でデータを伝送する装置。

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