JP2009081768A - センサネットワーク、およびデータ通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサネットワークにおける効率的かつ安全なデータ通信を実現する。
【解決手段】センサネットワークにおいて、メッセージ送信装置からの署名設定パケットを受信したノードが公開鍵を適用した署名検証の成功を条件として、ノード固有共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第１ＭＡＣ設定パケットを生成して出力し、クラスタヘッドノードが、パケットを受信してＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を条件として、所属クラスタ内のセンサノードが共有するクラスタ共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力する。第２ＭＡＣ設定パケットを受信したセンサノードが、ＭＡＣ検証処理を実行して検証成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行する。
【選択図】図４

Description

本発明は、センサネットワーク、およびデータ通信方法に関する。さらに、詳細には、多数のセンサノードに対してコマンドやメッセージを伝える構成を持つセンサネットワーク、およびデータ通信方法に関する。

多数の通信可能なセンサによって構成されるセンサネットワークは様々な分野での利用が進んでいる。例えば温度や湿度などのセンサ部を有する通信可能なセンサノードを様々な位置に配置し、これらのセンサノードからの測定情報をセンタに集積して空調を行うシステムや、あるいは無人の倉庫や工場などにおいて移動物体を検出するセンサを様々な位置に配置して侵入者や物体の動きなどを検出するシステムなど様々な分野で利用されている。

このようなセンサネットワークの概要を図１に示す。図１には、多数のセンサノード（ＳＮ１，ＳＮ２，ＳＮ３・・・）が配置されたセンサノード設定領域１０を示している。各センサノード（ＳＮｍ）は例えば温度、湿度の測定部と通信部を有し、センサ測定情報などを通信部を介して近隣のセンサノードに送信する。通信は無線通信で行われ、少なくとも近隣のセンサノードが受信できるレベルでのデータ送信が実行される。

各センサは他のセンサからの受信データをさらに近隣のセンサノードに送信する。各センサノードはこれらの処理を繰り返し、センサノード設定領域１０の管理を実行するベースステーション２０に伝え、ベースステーションがセンサノードから受信した情報を解析して解析に従った処理を実行するといった構成である。なお、図１に示す矢印は情報の通信経路の一部のみを示している。

このようなセンサネットワークにおいて、センサノード（ＳＮｍ）に対してコマンドやメッセージを伝える場合がある。例えばセンサノード（ＳＮｍ）が温度測定を実行するセンサであり、２０度以上になったことが検出された場合にメッセージを出力する設定であったとする。このメッセージ出力の設定温度を２０度から３０度に変更する場合、全てのセンサノードの設定を変更することが必要であり、設定変更のためのコマンドを送信して設定を変更するといった処理が行われる。

このような場合、コマンドやメッセージを全てのセンサノードに伝えて、各センサノードでコマンドを実行させて設定を変更する処理が必要となる。センサノードに伝えるコマンドやメッセージは、ベースステーション２０や、その他のユーザ装置から出力され、各ノードに伝えられる。

ユーザ装置３０がメッセージ（コマンドを含む）を出力する場合の例を図２に示す。ユーザ装置３０は、メッセージの送信を行うが、この場合、不正なメッセージに基づいて各ノードで誤った処理が行われないように、メッセージの正当性を示すための検証用データを付加して送信し、各ノードで検証用データを利用してメッセージの正当性を検証して正当性が確認されたことを条件として受信メッセージ内のコマンド実行や、メッセージ転送処理が行われる。なお、メッセージ検証処理を伴う通信構成を持つワイヤレスセンサネットワークの構成については、例えば非特許文献１〜３などに記載されている。

ワイヤレスセンサネットワークにおいて、検証用データを付加したメッセージ通信の方式としては、
（１）公開鍵暗号方式
（２）共通鍵暗号方式
これらのいずれかの方式を適用した処理が一般的である。

例えば公開鍵暗号方式では、信頼できる管理センタ、例えば図２に示す例では、ベースステーション２０の秘密鍵による電子署名が検証用データとして利用される。
また、共通鍵方式では、メッセージ送信者やセンサノードが共有する共通鍵を利用したＭＡＣ（Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）が検証用データとして利用される。

図２に示すユーザ装置３０は、メッセージに検証用データを付加して送信する。図２に示すユーザ装置３０の近隣領域のセンサノード（ＳＮ１，ＳＮ２，ＳＮ３）がメッセージ格納パケットを受信すると、検証用データを用いた検証処理を実行して、メッセージが正当なメッセージであるか否かを検証し、正しいと確認された場合に、自ノードにおいて格納コマンドを実行し、受信メッセージをさらに近隣ノードに送信する。他のノードでも検証用データを利用した検証処理を実行して、検証処理の実行によって受信メッセージの正当性が確認された場合にのみデータ伝送を行い、コマンドを実行するといった処理が行われることになる。このような処理によって正しいコマンドのみが実行され、不正なコマンドの実行を防止することができる。

しかしながら、このような検証データに基づく検証処理を伴うメッセージ伝播を行うと、（１）公開鍵暗号方式、（２）共通鍵暗号方式いずれにおいても問題が発生する。以下各方式における問題点について説明する。

（１）公開鍵暗号方式を適用した場合、全てのノードで電子署名の検証を行うことが必要となる。この署名検証処理は負荷の大きい処理であり、数百〜数千の多数のノードの各々においてこの公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名検証を実行させると、全ノードのメッセージ伝播、コマンド実行に要する時間が長くなってしまう。また、各ノードに公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名検証処理を実行させるための機能を持たせることは各ノードのコストが高くなるという問題もある。また、電子署名の検証処理には、署名に適用した秘密鍵に対応する公開鍵が必要となるが、この公開鍵を各ノードに保有させると各ノードのメモリ容量を大きくすることが必要となる。公開鍵を公開鍵証明書としてメッセージに付加して伝播させることも可能であるが、この場合には通信パケットのデータ量が大きくなり、通信処理の負荷が大きくなる。

（２）共通鍵方式を適用した場合、検証用データとしてのＭＡＣの生成および検証には共通の鍵が用いられるが、各センサノードは、この共通鍵をメモリに格納しておくことが必要となる。例えばメッセージを発信しようとするユーザ装置が新たに追加された新規な装置である場合、その装置の持つ鍵を共通鍵としてすべてのノードに新たに格納しなければならなくなる。センサノードが数百〜数千といった多数のノードによって構成されている場合、この作業は膨大なものとなり、実質的にメッセージ発信装置の新規追加が困難となる。コマンドやメッセージを発行するユーザ装置が多数、存在する場合、センサノードは、それぞれのユーザ装置に対応する鍵を検証用の共通鍵として保持することが必要となり、ユーザ装置の数に応じて格納する鍵の数が増大し必要なメモリ容量が増加してしまうという問題がある。
T. Dimitriou and I. Krontiris. Autonomic communication security in sensor networks. In Proceedings of the 2nd International Workshop on Autonomic Communication, Oct. 2005. S. Banerjee and D. Mukhopadhyay. Symmetric key based authenticated querying in wireless sensor networks. In Proceedings of the 1st International Conference on Integrated Internet Ad hoc and Sensor Networks, May 2006. D. Liu, P. Ning, S. Zhu, and S. Jajodia. Practical broadcast authentication in sensor networks. In Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems: Networking and Services, Nov. 2005.

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、多数のセンサノードによって構成されるセンサネットワークにおいて、各センサノードの負荷を過大にすることなく安全な通信を行うことを可能としたセンサネットワーク、およびデータ通信方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、
複数の通信可能なセンサノードによって構成されるセンサネットワークであり、
前記センサネットワークは、複数のクラスタに分割され、
各クラスタは、センサノードとして、
複数のノーマルノードと、
少なくとも１つのクラスタヘッドノードを含み、
クラスタ内センサノード中、メッセージ送信装置から出力される公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名を設定した署名設定パケットを受信したセンサノードは、公開鍵を適用した署名検証処理による検証成功の確認を条件として、受信メッセージに対して該センサノードと同一クラスタ内のクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣ（Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）を設定した第１ＭＡＣ設定パケットを生成して出力する構成であり、
前記クラスタヘッドノードは、前記第１ＭＡＣ設定パケットを受信し、ＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を条件として受信メッセージに対して、所属クラスタ内のセンサノードが共有するクラスタ共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力する構成であり、
前記第２ＭＡＣ設定パケットを受信したセンサノードは、ＭＡＣ検証処理を実行し、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行する構成であることを特徴とするセンサネットワークにある。

さらに、本発明のセンサネットワークの一実施例において、前記クラスタは、他のクラスタと重複するクラスタ重複領域を有し、前記クラスタ重複領域には、所属クラスタが複数クラスタとなるゲートウェイノードが配置され、前記ゲートウェイノードは、前記第２ＭＡＣ設定パケットを受信してＭＡＣ検証処理を行い、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行するとともに、前記受信メッセージに対して、前記第２ＭＡＣ設定パケットの送信元クラスタと異なる別の所属クラスタのクラスタヘッドノードと、前記ゲートウェイノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第３ＭＡＣ設定パケットを生成して出力する構成であることを特徴とする。

さらに、本発明のセンサネットワークの一実施例において、前記クラスタヘッドノードは、前記第１ＭＡＣ設定パケットを受信し、ＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を行い、受信して検証が成功した第１ＭＡＣ設定パケット数が予め定めた閾値数以上となった場合に、メッセージが正当であると判断して、前記第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力する構成であることを特徴とする。

さらに、本発明のセンサネットワークの一実施例において、前記署名設定パケットを受信するセンサノードは、署名設定パケットに付加された公開鍵証明書から公開鍵を取得して取得した公開鍵を適用して署名検証処理を実行する構成であることを特徴とする。

さらに、本発明のセンサネットワークの一実施例において、前記ノーマルノードは、該ノーマルノードと、ノーマルノードの所属するクラスタのクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵と、前記ノーマルノードの所属するクラスタのセンサノードが共有するクラスタ共有鍵をメモリに格納した構成であり、前記クラスタヘッドノードは、前記クラスタヘッドノードの所属するクラスタに含まれるセンサノードの各々が保持するノード固有共通鍵と、前記クラスタヘッドノードの所属するクラスタのセンサノードが共有するクラスタ共有鍵をメモリに格納した構成であることを特徴とする。

さらに、本発明のセンサネットワークの一実施例において、前記ゲートウェイノードは、該ゲートウェイノードと、ゲートウェイノードの所属する複数クラスタのいずれかのクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵を所属クラスタ数分、メモリに格納し、さらに、前記ゲートウェイノードの所属する複数クラスタの各々のセンサノードがそれぞれ共有するクラスタ共有鍵を所属クラスタ数分、メモリに格納した構成であることを特徴とする。

さらに、本発明の第２の側面は、
複数の通信可能なセンサノードによって構成されるセンサネットワークにおけるデータ通信方法であり、
前記センサネットワークは、複数のクラスタに分割され、
各クラスタは、センサノードとして、
複数のノーマルノードと、
少なくとも１つのクラスタヘッドノードを含み、
クラスタ内センサノード中、メッセージ送信装置から出力される公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名を設定した署名設定パケットを受信したセンサノードが、
公開鍵を適用した署名検証処理による検証成功の確認を条件として、受信メッセージに対して該センサノードと同一クラスタ内のクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣ（Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）を設定した第１ＭＡＣ設定パケットを生成して出力するステップと、
前記クラスタヘッドノードが、
前記第１ＭＡＣ設定パケットを受信し、ＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を条件として受信メッセージに対して、所属クラスタ内のセンサノードが共有するクラスタ共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力するステップと、
前記第２ＭＡＣ設定パケットを受信したセンサノードが、
ＭＡＣ検証処理を実行し、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行するステップと、
を有することを特徴とするデータ通信方法にある。

さらに、本発明のデータ通信方法の一実施例において、前記クラスタは、他のクラスタと重複するクラスタ重複領域を有し、前記クラスタ重複領域には、所属クラスタが複数クラスタとなるゲートウェイノードが配置され、前記ゲートウェイノードは、前記第２ＭＡＣ設定パケットを受信してＭＡＣ検証処理を行い、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行するとともに、前記受信メッセージに対して、前記第２ＭＡＣ設定パケットの送信元クラスタと異なる別の所属クラスタのクラスタヘッドノードと、前記ゲートウェイノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第３ＭＡＣ設定パケットを生成して出力することを特徴とする。

さらに、本発明のデータ通信方法の一実施例において、前記クラスタヘッドノードは、前記第１ＭＡＣ設定パケットを受信し、ＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を行い、受信して検証が成功した第１ＭＡＣ設定パケット数が予め定めた閾値数以上となった場合に、メッセージが正当であると判断して、前記第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力することを特徴とする。

さらに、本発明のデータ通信方法の一実施例において、前記署名設定パケットを受信するセンサノードは、署名設定パケットに付加された公開鍵証明書から公開鍵を取得して取得した公開鍵を適用して署名検証処理を実行することを特徴とする。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。なお、本明細書においてシステムとは、複数の装置の論理的集合構成であり、各構成の装置が同一筐体内にあるものには限らない。

本発明の一実施例の構成によれば、複数の通信可能なセンサノードによって構成されるセンサネットワークにおいて、メッセージ送信装置から出力される公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名を設定した署名設定パケットを受信したセンサノードが、公開鍵を適用した署名検証処理による検証成功の確認を条件として、受信メッセージに対して該センサノードと同一クラスタ内のクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第１ＭＡＣ設定パケットを生成して出力し、クラスタヘッドノードが、第１ＭＡＣ設定パケットを受信してＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を条件として受信メッセージに対して、所属クラスタ内のセンサノードが共有するクラスタ共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力し、第２ＭＡＣ設定パケットを受信したセンサノードが、ＭＡＣ検証処理を実行して、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行する構成とした。本構成によれば、不正なメッセージパケットを確実に排除し、かつ各センサノードの処理負荷を軽減した効率的なセンサネットワーク制御構成が実現される。

さらに、本発明の一実施例の構成によれば、クラスタ重複領域に所属クラスタが複数クラスタとなるゲートウェイノードを配置し、ゲートウェイノードが、上記第２ＭＡＣ設定パケットを受信してＭＡＣ検証処理を行い、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行するとともに、受信メッセージに対して、第２ＭＡＣ設定パケットの送信元クラスタと異なる別の所属クラスタのクラスタヘッドノードと、ゲートウェイノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第３ＭＡＣ設定パケットを生成して別の所属クラスタに出力する構成としたので、クラスタ間でのスムーズなデータ転送が実現され、不正なメッセージパケットを確実に排除し、かつ各センサノードの処理負荷を軽減した効率的なセンサネットワーク制御構成が実現される。

以下、図面を参照しながら本発明のセンサネットワーク、およびデータ通信方法の詳細について説明する。

図３に本発明のセンサネットワークの一実施例を示す。センサネットワーク１００は、複数のセンサノードから構成される。図に示す［Ｓ］、［Ｇ］、［ＣＨ］はすべてセンサノードである。センシング情報は様々なであり、温度、湿度などの環境情報、人、物体の移動検出などの情報が各センサノードにおいて取得される。

各センサノードは、センサ部と通信部を有し、近隣センサとの通信を実行することが可能な構成を有する。右上部に示すベースステーション１８０は、例えばこれらのセンサノードの管理を行い、センサノードからのセンサ情報の収集処理や、センサノードに対するコマンド、メッセージ発行処理などを行う。なお、コマンドやメッセージの発行は、ベースステーション１８０以外のユーザ装置からも行うことができる。この具体例については後述する。

本発明の一実施例に従ったセンサネットワークは、図３に示すように、複数の区分領域である［クラスタ］を有する。図３に示す例では、
（１）第１クラスタ１１０、
（２）第２クラスタ１２０、
（３）第３クラスタ１３０、
（４）第４クラスタ１４０、
これらの４つのクラスタに区分されている。なお、クラスタには複数のクラスタが重なったクラスタ重なり領域１６１〜１６４を有する。

図３に示すセンサネットワーク１００に設定されたクラスタ領域は、以下の４つのクラスタである。
（１）第１クラスタ１１０は、（Ｐ１），（Ｐ２），（Ｐ３），（Ｐ４）を４頂点とする矩形領域、
（２）第２クラスタ１２０は、（Ｐ５），（Ｐ６），（Ｐ７），（Ｐ８）を４頂点とする矩形領域、
（３）第３クラスタ１３０は、（Ｐ９），（Ｐ１０），（Ｐ１１），（Ｐ１２）を４頂点とする矩形領域、
（４）第４クラスタ１４０は、（Ｐ１３）（Ｐ１４），（Ｐ１５），（Ｐ１６）を４頂点とする矩形領域、
である。なお、本例では、各クラスタは矩形領域として設定してあるが、クラスタ形状は矩形領域に限らず円形、楕円形など様々な任意形状に設定可能である。また、センサネットワーク１００は平面領域である必要はなく、例えばビルの複数フロアに渡る領域によって構成されるなど、様々な領域設定が可能である。

また、クラスタの重なり領域１６１，１６２，１６３，１６４が以下の領域として設定されている。
（ａ）クラスタ重なり領域１６１：第１クラスタ１１０と第２クラスタ１２０の重なり部分であり、（Ｐ５），（Ｐ６），（Ｐ３），（Ｐ４）を４頂点とする矩形領域、
（ｂ）クラスタ重なり領域１６２：第２クラスタ１２０と第４クラスタ１４０の重なり部分であり、（Ｐ１３），（Ｐ６），（Ｐ７），（Ｐ１６）を４頂点とする矩形領域、
（ｃ）クラスタ重なり領域１６３：第３クラスタ１３０と第４クラスタ１４０の重なり部分であり、（Ｐ１３），（Ｐ１４），（Ｐ１１），（Ｐ１２）を４頂点とする矩形領域、
（ｄ）クラスタ重なり領域１６４：第１クラスタ１１０と第３クラスタ１３０重なり部分であり、（Ｐ９），（Ｐ２），（Ｐ３），（Ｐ１２）を４頂点とする矩形領域、
これらのクラスタ重なり領域が設定されている。

前述したように、図に示す［Ｓ］、［Ｇ］、［ＣＨ］はすべてセンサノードであり、例えば温度、湿度、あるいは物体の動きなどを測定、検出するセンサによって構成されるが、
［Ｓ］は、ノーマルノード
［Ｇ］は、ゲートウェイノード
［ＣＨ］は、クラスタヘッドノード
であり、それぞれが異なる機能を持つ。

（Ａ）ノーマルノード［Ｓ］はセンサノードとしての基本的な処理を行うセンサノードであり、単一のクラスタに所属するセンサノードである。
（Ｂ）ゲートウェイノード［Ｇ］はセンサノードとしての基本的な処理を行うとともに、複数の異なるクラスタ間の通信処理を実行するセンサノードであり、複数のクラスタに所属するセンサノードである。すなわち、図に示すクラスタ重なり領域に所属するセンサノードである。
（Ｃ）クラスタヘッドノード［ＣＨ］は、各クラスタに少なくとも１つ存在し、センサノードとしての基本的な処理を行うとともに、クラスタ所属ノードに対して、コマンドやメッセージをブロードキャスト送信するノードである。

通常の動作状態では、センサネットワークに含まれるすべてのセンサノード［Ｓ］，［Ｇ］，［ＣＨ］、これらのセンサノードは予め設定されたセンシング処理を実行して、センシング結果を含む通信データを生成して近隣ノードに送信する。送信データは各ノードを伝播してベースステーション１８０によって受信され、ベースステーションにおいてセンサ情報を利用した様々な処理が実行される。

前述したように、センサネットワークを構成するセンサノードに対してコマンドやメッセージを伝える場合がある。例えばセンサノードが温度測定を実行するセンサであり２０度以上になったことが検出された場合にメッセージを出力する設定を変更してメッセージ出力設定温度を２０度から３０度にするといったような場合や、センサ情報の出力スパンを変更するような場合などである。

このような場合、全てのセンサノードの設定を変更することが必要であり、設定変更のためのコマンドを送信して、コマンドを受信したセンサがコマンドを実行して設定を変更するといった処理が行われる。センサノードに伝えるコマンドやメッセージは、ベースステーション１８０や、その他のユーザ装置から出力され、各ノードに伝えられる。

ただし、センサノードは広範な領域に設定され、ベースステーション１８０や、その他のユーザ装置から一斉に全てのセンサノードに対してメッセージを送信することは困難であり、例えば、ユーザ装置から出力されたメッセージは、ユーザ装置の近隣のノードが受信し、その受信メッセージをさらに近隣のノードに転送するといった処理が行われる。

ユーザ装置２００がメッセージ（コマンドを含む）を出力する場合の例を図４に示す。ユーザ装置２００は、メッセージの送信を行うが、この場合、不正なメッセージに基づいて各ノードで誤った処理が行われないように、メッセージの正当性を示すための検証用データを付加して送信する。

前述したように、ワイヤレスセンサネットワークにおいて、検証用データを付加したメッセージ通信の方式としては、
（１）公開鍵暗号方式
（２）共通鍵暗号方式
これらのいずれかの方式を適用した処理が一般的である。しかし、先に説明したように、いずれの方式においてもセンサノードにおける処理負荷の増大やノード間の送受信データの増大といった問題、メッセージ送信者の追加などに対応できないといった様々な問題を発生させるものとなっている。

本発明のセンサネットワークは、これらの問題を解決したノード間通信を実現している。図４を参照して本発明のセンサネットワークにおける処理について説明する。

ユーザ装置２００は、公開鍵暗号方式に従った電子署名、例えばベースステーション１８０の秘密鍵によって署名を生成して、コマンドなどのメッセージに検証用データとしての電子署名を設定した署名設定パケットを生成して出力する。また，別の例としては，コマンドへの署名はユーザ装置２００が固有に持つ秘密鍵を用いて生成し，その検証のための公開鍵を公開鍵証明書に格納し，署名設定パケットに格納して送信してもよい．この場合，公開鍵証明書にはベースステーション１８０の秘密鍵によって署名が施され，その検証は各センサノードがあらかじめ保持するベースステーション１８０の公開鍵によって行われる．ユーザ装置２００の出力したメッセージパケット３１０は、ユーザ装置２００の近隣ノードにおいてのみ受信される。図４に示す例では、第１クラスタ１１０に属する３つのノーマルノード［ＳＮ１］，［ＳＮ２］，［ＳＮ３］である。その後、これらのノードで公開鍵暗号方式に従った署名検証が実行される。

ユーザ装置２００の出力した公開鍵暗号方式に従った電子署名を設定した電子署名設定パケットを受信したセンサノード［ＳＮ１］，［ＳＮ２］，［ＳＮ３］において、メッセージの正当性が確認された場合、ノーマルノード［ＳＮ１］，［ＳＮ２］，［ＳＮ３］の各々は、受信メッセージに対して共通鍵暗号方式に従った検証用データであるＭＡＣ（Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）を設定したパケットを新たに生成して、このＭＡＣ設定パケットを、クラスタヘッドノード（ＣＨ）を宛先として送信する。このＭＡＣは、ノーマルノード［ＳＮｍ］とクラスタヘッドノード（ＣＨ１）のみが共有する共通鍵［ノード固有共通鍵］を用いて生成される。

なお、例えばノーマルノード［Ｓ］であるノード［ＳＮ１］は、
第１クラスタ１１０に共通の第１クラスタ共通鍵＝［クラスタ共通鍵］、
ノーマルノード［ＧＮ１］と第１クラスタ１１０のクラスタヘッドノード［ＣＨ１］のみが共有する共通鍵＝［ノード固有共通鍵］、
これらの鍵を保持している。

ノーマルノード［ＳＮ１］，［ＳＮ２］，［ＳＮ３］の各々が生成した［ノード固有共通鍵］によるＭＡＣの設定されたＭＡＣ設定パケットは各ノードを介して転送され、ノーマルノード［ＳＮ１］，［ＳＮ２］，［ＳＮ３］の所属するクラスタヘッドノード（ＣＨ１）が受信する。なお、ＭＡＣ設定パケットのノード間転送において、転送処理を行うノードではＭＡＣ検証は実行されない。ＭＡＣは、ノーマルノード［ＳＮ１］，［ＳＮ２］，［ＳＮ３］のいずれかとクラスタヘッドノード（ＣＨ１）のみが共有する共通鍵［ノード固有共通鍵］を用いて生成されたものであり、パケット転送処理を実行するセンサノードはＭＡＣ検証用の鍵を有しておらずＭＡＣ検証は実行できない。

第１クラスタ１１０のクラスタヘッドノード（ＣＨ１）は、ノーマルノード［ＳＮ１］，［ＳＮ２］，［ＳＮ３］の出力したＭＡＣ設定パケットを、複数のルートから受信し、受信したパケットのＭＡＣ検証処理を実行する。

クラスタヘッドノード（ＣＨ１）は、同一クラスタに属する全てのノードに個別に配布されている［ノード固有共通鍵］を全て保持しており、ノーマルノード［ＳＮ１］，［ＳＮ２］，［ＳＮ３］の出力したＭＡＣ設定パケットに設定されたＭＡＣの検証用鍵である。
ノーマルノード［ＳＮ１］対応の［ノード固有共通鍵］、
ノーマルノード［ＳＮ２］対応の［ノード固有共通鍵］、
ノーマルノード［ＳＮ３］対応の［ノード固有共通鍵］、
これらを全て保持しているので、
これらの受信パケットについて、それぞれの［ノード固有共通鍵］を選択適用してＭＡＣ検証処理を行うことができる。

クラスタヘッドノード（ＣＨ１）は、複数のパケット検証を行い、それぞれ異なるノーマルノードが作成した正当性の確認されたパケット数が予め定めた閾値数以上となった場合、受信パケットが正当なメッセージパケットであると判定し、そのメッセージに対してクラスタの全てのノードが格納している共通鍵［クラスタ共通鍵］でＭＡＣを設定した新たなＭＡＣ設定パケットを生成して、クラスタ内のセンサノードに対してブロードキャスト配信を行う。

クラスタ共通鍵は、クラスタ内のセンサノードのすべてが保持しており、クラスタ共通鍵でＭＡＣが設定されたパケットは、クラスタ内のセンサノードのすべてにおいて検証可能となる。このＭＡＣ設定パケットを受信したセンサノードは、ＭＡＣ検証処理を実行して正当性が確認された場合に、そのメッセージであるコマンドを実行し、かつ他のノードに対してＭＡＣ設定パケットの転送処理を実行する。なお、この［クラスタ共通鍵］によるＭＡＣ設定を行ったＭＡＣ設定パケットを受信して正当性検証を行い、コマンド実行をおこなうセンサノードには、同一クラスタに属するノーマルノード［Ｓ］のみならず、ゲートウェイノード［Ｇ］も含まれる。

なお、複数のクラスタに属するゲートウェイノード［Ｇ］は、クラスタ間でのメッセージパケットの転送処理も行う。
例えば図４に示す第１クラスタ１１０と、第２クラスタに属するクラスタ重なり領域１６１に属するゲートウェイノード［Ｇ］である［ＧＮ１］，［ＧＮ２］，［ＧＮ３］は、第１クラスタ１１０のクラスタヘッドノード［ＣＨ１］の生成した［第１クラスタ共通鍵］でＭＡＣが設定されたパケットを受信して、ＭＡＣ検証を実行してメッセージの正当性が確認されると、第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］を宛先としたＭＡＣ設定パケットを新たに生成して出力する。

例えばゲートウェイノード［Ｇ］である［ＧＮ１］は、
第１クラスタ１１０に共通の共通鍵［第１クラスタ共通鍵］、
第２クラスタ１１０に共通の共通鍵［第２クラスタ共通鍵］、
ゲートウェイノード［ＧＮ１］と第１クラスタ１１０のクラスタヘッドノード［ＣＨ１］のみが共有する共通鍵［ノード固有共通鍵（第１クラスタ対応）］、
ゲートウェイノード［ＧＮ１］と第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］のみが共有する共通鍵［ノード固有共通鍵（第２クラスタ対応）］、
これらの鍵を保持している。

例えば図４に示す第１クラスタ１１０と、第２クラスタに属するクラスタ重なり領域１６１に属するゲートウェイノード［Ｇ］である［ＧＮ１］は、第１クラスタ１１０のクラスタヘッドノード［ＣＨ１］の生成した［第１クラスタ共通鍵］でＭＡＣが設定されたパケットを受信して、ＭＡＣ検証を実行してメッセージの正当性が確認されると、ゲートウェイノード［ＧＮ１］と第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］のみが共有する共通鍵［ノード固有共通鍵（第２クラスタ対応）］を適用してＭＡＣ生成を行った新たなＭＡＣ設定パケットを生成して、第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］を宛先としたＭＡＣ設定パケットを新たに生成して出力する。

このパケットは、第２クラスタ１２０内のノーマルノードを経由して第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］に到達する。て第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］は、複数のルートから複数のＭＡＣ設定パケットを受信し、受信したパケットのＭＡＣ検証処理を実行し、それぞれ異なるノーマルノードが作成した予め定めた閾値数のパケット検証に成功した場合、正しいメッセージであると判定し、そのメッセージに対して第２クラスタ１２０の全てのノードが格納している［第２クラスタ共通鍵］でＭＡＣを設定した新たなＭＡＣ設定パケットを生成して、第２クラスタ内のセンサノードに対してＭＡＣ設定パケットをブロードキャストして配信する。

このＭＡＣ設定パケットを受信した第２クラスタ内のセンサノードは、ＭＡＣ検証処理を実行して正当性が確認された場合に、そのメッセージであるコマンドを実行し、かつ他のノードに対してＭＡＣ設定パケットの転送処理を実行する。このようにして、各クラスタに対してデータ送信が実行される。

図５を参照して、本発明のセンサネットワークを構成する各ノードのメモリに格納される鍵データについて説明する。

図５には、ノーマルノード［Ｓ］、ゲートウェイノード［Ｇ］、クラスタヘッドノード［ＣＨ］の所有する鍵データを示している。なお、ノーマルノード［Ｓ］の所属クラスタは［クラスタｉ］、ゲートウェイノード［Ｇ］の所属クラスタは２つのクラスタ［クラスタｉとクラスタｊ］、クラスタヘッドノード［ＣＨ］の所属クラスタは［クラスタｉ］とする。

（１）ノーマルノード［Ｓ］の格納鍵
クラスタｉに所属するｍ番目のノーマルノード［Ｓ（ｉ）］のメモリに格納される鍵データは、
（Ｓ１）ノード固有共通鍵Ｋｍ（ｉ）、
（Ｓ２）クラスタ共通鍵Ｋｃ（ｉ）
この２つの鍵となる。

なお、上記表記［Ｋｍ（ｉ）］，［Ｋｃ（ｉ）］において、
ｍはクラスタｉに所属するセンサノード（ノーマルノード［Ｓ］，ゲートウェイノード［Ｇ］を含む）のシーケンスナンバー、
ｉは、クラスタナンバー、
ｃはクラスタ共通鍵であることを示す識別子、
であり、
ｍ＝１，２，３，・・・・
ｉ＝１，２，３・・・
である。

（Ｓ１）ノード固有共通鍵Ｓｍ（ｉ）は、クラスタｉのｍ番目のノードと、そのクラスタｉのクラスタヘッドノード［ＣＨ（ｉ）］のみが共通に保持する共通鍵である。
（Ｓ２）クラスタ共通鍵Ｋｃ（ｉ）は、クラスタｉに属する全てのノード［Ｓ（ｉ）］，［Ｇ（ｉ）］，［ＣＨ（ｉ）］が共通に保持するクラスタ全体の共通鍵である。

（２）ゲートウェイノード［Ｇ］の格納鍵
クラスタｉとクラスタｊに所属するｍ番目のゲートウェイノード［Ｇ（ｉ，ｊ）］のメモリに格納される鍵データは、
（Ｇ１）ノード固有共通鍵Ｋｍ（ｉ）、
（Ｇ２）ノード固有共通鍵Ｋｍ（ｊ）、
（Ｇ３）クラスタ共通鍵Ｋｃ（ｉ）、
（Ｇ４）クラスタ共通鍵Ｋｃ（ｊ）
この４つの鍵となる。

（Ｇ１）ノード固有共通鍵Ｋｍ（ｉ）は、クラスタｉのｍ番目のノードと、そのクラスタｉのクラスタヘッドノード［ＣＨ（ｉ）］のみが共通に保持する共通鍵である。
（Ｇ２）ノード固有共通鍵Ｋｍ（ｊ）は、クラスタｊのｍ番目のノードと、そのクラスタｊのクラスタヘッドノード［ＣＨ（ｊ）］のみが共通に保持する共通鍵である。
（Ｇ３）クラスタ共通鍵Ｋｃ（ｉ）は、クラスタｉに属する全てのノード［Ｓ（ｉ）］，［Ｇ（ｉ）］，［ＣＨ（ｉ）］が共通に保持するクラスタ全体の共通鍵である。
（Ｇ４）クラスタ共通鍵Ｋｃ（ｊ）は、クラスタｊに属する全てのノード［Ｓ（ｊ）］，［Ｇ（ｊ）］，［ＣＨ（ｊ）］が共通に保持するクラスタ全体の共通鍵である。

（３）クラスタヘッドノード［ＣＨ］の格納鍵
クラスタｉに所属するクラスタヘッドノード［ＣＨ（ｉ）］のメモリに格納される鍵データは、
（ＣＨ１）クラスタ［ｉ］に所属するセンサノード全てのノード固有共通鍵
Ｋｍ（ｉ）＝｛Ｋ１（ｉ），Ｋ２（ｉ），・・・｝，
（ＣＨ２）クラスタ共通鍵Ｋｃ（ｉ）
これらの鍵となる。

（ＣＨ１）ノード固有共通鍵Ｋｍ（ｉ）は、クラスタｉのｍ番目のノードと、そのクラスタｉのクラスタヘッドノード［ＣＨ（ｉ）］のみが共通に保持する共通鍵であり、クラスタヘッドノード［ＣＨ（ｉ）］は、クラスタ（ｉ）に属する全てのセンサノード（ノーマルノード［Ｓ］とゲートウェイノード［Ｇ］を含む）が個別に保有している［ノード固有共通鍵］を全て保持している。
（ＣＨ２）クラスタ共通鍵Ｋｃ（ｉ）は、クラスタｉに属する全てのノード［Ｓ（ｉ）］，［Ｇ（ｉ）］，［ＣＨ（ｉ）］が共通に保持するクラスタ全体の共通鍵である。

図６、図７を参照してユーザ装置３００から出力されるメッセージパケットの構成および処理について説明する。

図６には、
メッセージパケットを送信するユーザ装置２００、
ユーザ装置２００からのメッセージパケットを直接受信するセンサノード２５１を含む第１クラスタ１１０、
第１クラスタ１１０と第２クラスタの両者に所属するゲートウェイノード［Ｇ］を介してメッセージパケットを受信する第２クラスタ１２０
これらの構成を示している。
なお、クラスタ間のデータ転送はゲートウェイノードを介して次々に実行されることになり、第３クラスタ、第４クラスタ、第５クラスタ・・・など、任意のクラスタ数が設定されていても、すべてのクラスタに対してメッセージは順次転送される。

まず、ユーザ装置２００は、公開鍵暗号方式に従った電子署名、例えばベースステーション１８０の秘密鍵によって署名を生成して、コマンドなどのメッセージに検証用データとしての電子署名を設定した署名設定パケットを生成して出力する。また，別の例としては，コマンドへの署名はユーザ装置２００が固有に持つ秘密鍵を用いて生成し，その検証のための公開鍵を公開鍵証明書に格納し，署名設定パケットに格納して送信してもよい．この場合，公開鍵証明書にはベースステーション１８０の秘密鍵によって署名が施され，その検証は各センサノードがあらかじめ保持するベースステーション１８０の公開鍵によって行われる．

このメッセージパケットの構成例を図７（Ａ）に示す。ユーザ装置２００の出力する署名設定パケットは、図７（Ａ）に示すように、コマンドなどからなるメッセージ３１１と、メッセージ３１１に対して例えばベースステーション１８０またはユーザ装置２００の秘密鍵によって生成した電子署名３１２、電子署名の検証に必要となる公開鍵を格納した公開鍵証明書３１３を含むメッセージ格納パケット３１０であり、この署名設定パケット３１０を生成して出力する。

ユーザ装置２００の出力した署名設定パケット３１０は、ユーザ装置２００の近隣ノードにおいてのみ受信される。図６に示す例では、第１クラスタ１１０に属するノーマルノード［Ｓ］２５１などが受信することになる。

ユーザ装置２００の出力した署名設定パケット３１０を受信するノードが複数の場合でもその受信ノードの処理は共通であるので、図６では、ノーマルノード［Ｓ］２５１の処理を代表例として説明する。第１クラスタ１１０に属するノーマルノード［Ｓ］２５１では、公開鍵暗号方式に従った署名検証が実行される。

ノーマルノード［Ｓ］２５１は、図７（Ａ）に示す公開鍵証明書３１３から公開鍵を取得する。この公開鍵証明書には、電子署名３１２の署名生成に適用した秘密鍵に対応する公開鍵が格納されている。ノーマルノード［Ｓ］２５１は、公開鍵証明書から取り出した公開鍵を適用して公開鍵暗号アルゴリズムに従った署名検証処理を行う。

署名検証により、署名設定パケット３１０の正当性が確認された場合、ノーマルノード［Ｓ］２５１は、受信メッセージに対して共通鍵暗号方式に従った検証用データであるＭＡＣ（Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）を設定したパケットを新たに生成して、このＭＡＣ設定パケットを、同一クラスタである第１クラスタ１１０のクラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５２を宛先として送信する。このＭＡＣは、ノーマルノード［Ｓ］２５１とクラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５２のみが共有する共通鍵［ノード固有共通鍵］を用いて生成される。

ノーマルノード［Ｓ］２５１の生成するＭＡＣ設定パケットの構成例を図７（Ｂ）に示す。図７（Ｂ）に示すように、ノーマルノード［Ｓ］２５１の生成するＭＡＣ設定パケット（ｂｙノード固有共通鍵）は、コマンドなどからなるメッセージ３２１と、メッセージ３２１に対して、センサノードとクラスタヘッドノードのみが共有する共通鍵［ノード固有共通鍵］を適用して生成したＭＡＣ３２２を含むメッセージ格納パケット３２０である。

先に図５を参照して説明したように、ノーマルノード［Ｓ］であるノード［ＳＮ１］は、
第１クラスタ１１０に共通の第１クラスタ共通鍵＝［クラスタ共通鍵］、
ノーマルノード［ＧＮ１］と第１クラスタ１１０のクラスタヘッドノード［ＣＨ１］のみが共有する共通鍵＝［ノード固有共通鍵］、
これらの鍵を保持しており、ノーマルノード［Ｓ］２５１は、［ノード固有共通鍵］を適用したＭＡＣを生成し、図７（Ｂ）に示すＭＡＣ設定パケット（ｂｙノード固有共通鍵）を生成して送信する。

ノーマルノード［Ｓ］２５１が生成した［ノード固有共通鍵］によるＭＡＣの設定されたＭＡＣ設定パケットは各ノードを介して転送され、ノーマルノード［Ｓ］２５１の所属するクラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５２が受信する。

前述したように、ＭＡＣ設定パケットのノード間転送において、転送処理を行うノードではＭＡＣ検証は実行されない。第１クラスタ１１０のクラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５１は、受信した［ＭＡＣ設定パケット（ｂｙノード固有共通鍵）］のＭＡＣ検証処理を実行する。

先に図５を参照して説明したように、クラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５２は、同一クラスタに属する全てのノードに個別に配布されている［ノード固有共通鍵］を全て保持しており、ノーマルノード［Ｓ］２５１の出力したＭＡＣ設定パケットに設定されたＭＡＣの検証用鍵を保持しているので、［ノード固有共通鍵］を選択適用してＭＡＣ検証処理を行うことができる。

クラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５２は、第１クラスタ１１０に散在する多数のセンサノードから複数の［ＭＡＣ設定パケット（ｂｙノード固有共通鍵）］を受信する。これは、ユーザ装置２００から署名設定パケット３１０を受信するノードが複数存在し、また第１クラスタ内のノード間転送も様々なルートで実行されるためである。

クラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５２は、複数のパケット検証を行い、それぞれ異なるノーマルノードが作成した，正当性の確認されたパケット数が予め定めた閾値数以上となった場合、受信パケットが正当なメッセージパケットであると判定し、そのメッセージに対してクラスタの全てのノードが格納している共通鍵［クラスタ共通鍵］でＭＡＣを設定した新たなＭＡＣ設定パケットを生成して、クラスタ内のセンサノードに対してブロードキャスト配信を行う。

クラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５２の生成するＭＡＣ設定パケットの構成例を図７（Ｃ）に示す。図７（Ｃ）に示すように、クラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５２の生成するＭＡＣ設定パケット（ｂｙクラスタ共通鍵）は、コマンドなどからなるメッセージ３３１と、メッセージ３３１に対して、同一クラスタに即する全てのセンサノード（ノーマルノード［Ｓ］，ゲートウェイノード［Ｇ］，クラスタヘッドノード［ＣＨ］）が共有する共通鍵［クラスタ共通鍵］を適用して生成したＭＡＣ３３２を含むメッセージ格納パケット３３０である。

クラスタヘッドノード（ＣＨ１）２５２は、図７（Ｃ）に示すＭＡＣ設定パケット（ｂｙクラスタ共通鍵）３３０をクラスタ内のセンサノードに対してブロードキャスト配信を行う。

クラスタ共通鍵は、クラスタ内のセンサノードのすべてが保持しており、クラスタ共通鍵でＭＡＣが設定されたパケットは、クラスタ内のセンサノードのすべてにおいて検証可能となる。このＭＡＣ設定パケットを受信したセンサノードは、ＭＡＣ検証処理を実行して正当性が確認された場合に、そのメッセージであるコマンドを実行し、かつ他のノードに対してＭＡＣ設定パケットの転送処理を実行する。

第１クラスタ１１０と第２クラスタ１２０の双方に属するゲートウェイノード、例えばゲートウェイノード２６１も、ＭＡＣ検証処理を実行して正当性が確認された場合に、そのメッセージであるコマンドを実行し、かつ他のノードに対してＭＡＣ設定パケットの転送処理を実行する。この転送処理に際して、ゲートウェイノード２６１は、第２クラスタのセンサノードに対応するＭＡＣ設定パケットを生成して送信する処理を行う。

第１クラスタ１１０と、第２クラスタに属するクラスタ重なり領域１６１に属するゲートウェイノード［Ｇ］２６１は、第１クラスタ１１０のクラスタヘッドノード［ＣＨ１］２５２の生成した［第１クラスタ共通鍵］でＭＡＣが設定されたパケットを受信して、ＭＡＣ検証を実行してメッセージの正当性が確認されると、ゲートウェイノード［Ｇ］２６１と第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］２６２のみが共有する共通鍵［ノード固有共通鍵（第２クラスタ対応）］を適用してＭＡＣ生成を行った新たなＭＡＣ設定パケットを生成して、第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］を宛先としたＭＡＣ設定パケットを新たに生成して出力する。

このパケットは、図７（Ｂ）に示すＭＡＣ設定パケット（ｂｙノード固有共通鍵）３２０の構成を持つ。このＭＡＣ設定パケット（ｂｙノード固有共通鍵）３２０は、第２クラスタ１２０内のノーマルノードを経由して第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］２６２に到達する。て第２クラスタ１２０のクラスタヘッドノード［ＣＨ２］２６２は、複数のルートから複数のＭＡＣ設定パケットを受信し、受信したパケットのＭＡＣ検証処理を実行し、予め定めた閾値数のパケット検証に成功した場合、正しいメッセージであると判定し、そのメッセージに対して第２クラスタ１２０の全てのノードが格納している［第２クラスタ共通鍵］でＭＡＣを設定した新たなＭＡＣ設定パケットを生成して、第２クラスタ内のセンサノードに対してＭＡＣ設定パケットをブロードキャストして配信する。

このＭＡＣ設定パケットは図７（Ｃ）に示すＭＡＣ設定パケット（ｂｙクラスタ共通鍵）３３０の構成を持つ。このＭＡＣ設定パケットを受信した第２クラスタ内のセンサノードは、ＭＡＣ検証処理を実行して正当性が確認された場合に、そのメッセージであるコマンドを実行し、かつ他のノードに対してＭＡＣ設定パケットの転送処理を実行する。このようにして、各クラスタに対してデータ送信が実行される。この処理が順次実行されることになる。

次に、図８〜図１０に示すフローチャートを参照して、
（１）ノーマルノード［Ｓ］の処理（図８）、
（２）クラスタヘッドノード［ＣＨ］の処理（図９）、
（３）ゲートウェイノード［Ｇ］の処理（図１０）、
これらの各ノードの処理シーケンスについて説明する。

まず、図８に示すフローチャートを参照して、ノーマルノード［Ｓ］の処理シーケンスについて説明する。

ノーマルノード［Ｓ］は、ステップＳ１０１において、受信パケットの種類を判別する。すなわち受信パケットが、
公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名設定パケット、
共通鍵暗号アルゴリズムに従ったＭＡＣ設定パケット、
これらのいずれであるかを判別する。

公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名設定パケットであると判定した場合は、ステップＳ１０２に進み、共通鍵暗号アルゴリズムに従ったＭＡＣ設定パケットであると判定した場合は、ステップＳ１１１に進む。

公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名設定パケットであると判定した場合は、その受信パケットはクラスタ外の例えばユーザ装置から受信したパケットであると判定し、ステップＳ１０２において、パケットに設定された電子署名の検証処理を行う。この電子署名検証は公開鍵を用いて公開鍵暗号アルゴリズムに従って実行される。

ステップＳ１０３において署名検証に成功、すなわちメッセージパケットの正当性が確認されたか否かを判定し、署名検証に失敗した場合は、メッセージパケットが不正なパケットであると判断し、ステップＳ１３１に進みパケットを廃棄して処理を終了する。

ステップＳ１０３において署名検証に成功、すなわちメッセージパケットの正当性が確認された場合は、メッセージパケットが正当なパケットであると判断し、ステップＳ１０４に進み署名設定パケット内に含まれるメッセージに対するＭＡＣを［ノード固有共通鍵］を適用して生成し、ＭＡＣ設定パケット（ｂｙノード固有共通鍵）（図７（Ｂ）に示すパケット）を生成してステップＳ１０５において、近隣ノードに出力する。

このステップＳ１０２〜１０５の処理は、ユーザ装置などの外部装置からの署名設定パケットを受信した場合の処理である。

一方、ステップＳ１０１において、受信パケットが、共通鍵暗号アルゴリズムに従ったＭＡＣ設定パケットであると判定した場合は、ステップＳ１１１に進み、ステップＳ１１１において、受信したＭＡＣ設定パケットが、
ノード固有共通鍵によって生成されたＭＡＣが設定されたＭＡＣ設定パケットであるか、
クラスタ共通鍵によって生成されたＭＡＣが設定されたＭＡＣ設定パケットであるか、
いずれのＭＡＣ設定パケットであるかを判別する。

ノード固有共通鍵によって生成されたＭＡＣが設定されたＭＡＣ設定パケットである場合は、ステップＳ１２１に進み、受信パケットを近隣ノードに転送する。この処理は、クラスタヘッドノード宛のパケットのノード間転送処理に相当する。

一方、ステップＳ１１１において、受信したＭＡＣ設定パケットが、クラスタ共通鍵によって生成されたＭＡＣが設定されたＭＡＣ設定パケットであると判定した場合は、ステップＳ１１２に進み、ノードが保持するクラスタ共通鍵を適用してＭＡＣ検証処理を行う。このＭＡＣ検証処理は共通鍵暗号アルゴリズムに従って実行される。

ステップＳ１１３においてＭＡＣ検証に失敗、すなわちメッセージの正当性が確認されなかった場合は、ステップＳ１３２に進み、パケットを廃棄する。ステップＳ１１３においてＭＡＣ検証に成功、すなわちメッセージの正当性が確認された場合は、ステップＳ１１４に進み、ＭＡＣ設定パケット内のメッセージに対応する処理、例えばメッセージとして格納されたコマンドを実行する。次に、ステップＳ１１５において受信したＭＡＣ設定パケットを近隣のセンサノードに転送して処理を終了する。

このステップＳ１１２〜Ｓ１１５の処理は、クラスタヘッドノード［ＣＨ］がブロードキャスト配信するＭＡＣ設定パケット（ｂｙクラスタ共通鍵）に対応する処理である。
なお，上記のステップＳ１０１とＳ１１１におけるパケットの判別であるが、そのパケットがユーザが発信した電子署名設定パケットであるか、あるノーマルノード［Ｓ］からクラスタヘッドノード［ＣＨ］へ送信されるＭＡＣ設定パケットであるか、クラスタヘッドノード［ＣＨ］からクラスタ内の全センサノードに同報送信されるＭＡＣ設定パケットであるかを表す情報をパケット内に格納し、これを用いて判別するようにしてもよい。

次に、図９に示すフローチャートを参照して、クラスタヘッドノード［ＣＨ］の処理シーケンスについて説明する。

クラスタヘッドノード［ＣＨ］は、まずステップＳ２０１において、ＭＡＣ設定パケットを受信する。このＭＡＣ設定パケットは、例えばユーザ装置等から出力されクラスタの最初の受信ノードが検証を行い、検証成功に応じて［ノード固有共通鍵］を適用して生成したＭＡＣ設定パケット（ｂｙノード固有共通鍵）である。

クラスタヘッドノード［ＣＨ］は、ステップＳ２０１において、ＭＡＣ設定パケット（ｂｙノード固有共通鍵）を受信すると、ステップＳ２０２において、自己のメモリに格納したノード固有共通鍵を適用してＭＡＣ検証を実行する。このＭＡＣ検証処理は共通鍵暗号アルゴリズムに従って実行される。

ステップＳ２０３においてＭＡＣ検証に失敗、すなわちメッセージの正当性が確認されなかった場合は、ステップＳ２１１に進み、パケットを廃棄した後にステップＳ２０１に戻り次の受信パケットを待機する。ステップＳ２０３においてＭＡＣ検証に成功、すなわちメッセージの正当性が確認された場合は、ステップＳ２０４に進み、それぞれ異なるノーマルノードが作成したＭＡＣ検証成功パケット数が予め設定された閾値数以上になったか否かを判定する。

ＭＡＣ検証成功パケット数が予め設定された閾値数以上になっていない場合は、ステップＳ２０１に戻り次の受信パケットを待機する。

ステップＳ２０４において、ＭＡＣ検証成功パケット数が予め設定された閾値数以上になったと判定された場合、ステップＳ２０５に進み、パケット内のメッセージに対してクラスタ共通鍵を適用したＭＡＣを生成し、そのＭＡＣを設定した新たなＭＡＣ設定パケットを生成してクラスタ内にブロードキャスト配信を行う。このパケットは図７（Ｃ）に示すＭＡＣ設定パケット（ｂｙクラスタ共通鍵）である。

なお、ステップＳ２０４の処理、すなわち、ＭＡＣ検証成功パケット数が予め設定された閾値数以上になったか否かの判定処理は、省略して１つのＭＡＣ設定パケットの検証に成功した場合にはステップＳ２０５の処理を実行する構成としてもよい。すなわちこの場合、閾値パケット数＝１に相当する。

次に、図１０を参照してゲートウェイノード［Ｇ］の処理シーケンスについて説明する。ゲートウェイノード［Ｇ］は、図８のフローチャートを参照して説明したノーマルノード［Ｓ］の処理を実行するとともに、さらに付加的な処理を行うノードである。

図１０に示すフローチャート中、右側に示すステップＳ３０１，Ｓ３０２の処理が、ゲートウェイノード［Ｇ］が図８のフローチャートを参照して説明した処理に加えて実行する処理ステップとなる。

すなわち、先に図８を参照して説明したクラスタヘッドノード［ＣＨ］の送信するブロードキャストパケットであるＭＡＣ設定パケット（ｂｙクラスタ共通鍵）に対する処理ステップＳ１１２〜Ｓ１１５の処理の後、ステップＳ３０１、ステップＳ３０２の処理を行う。

ステップＳ１１２〜Ｓ１１５では、クラスタヘッドノード［ＣＨ］の送信するブロードキャストパケットであるＭＡＣ設定パケット（ｂｙクラスタ共通鍵）の正当性が確認され、自ノードでのメッセージ処理、例えばコマンド実行および近隣ノードに対する送信を行うステップである。ゲートウェイノード［Ｇ］はその後、ステップＳ３０１において、受信パケットに含まれるメッセージに対して第２クラスタ対応のノード固有共通鍵でＭＡＣを生成して、ステップＳ３０２において、生成したＭＡＣ生成パケットを第２クラスタのノードに対して出力する。なお、ゲートウェイノード［Ｇ］の受信パケットは第１クラスタのクラスタヘッドノード［ＣＨ］の送信したブロードキャストパケットであり、ゲートウェイノード［Ｇ］は第１クラスタと第２クラスタに所属しているものとする。

この処理によって、他のクラスタへのメッセージ転送が実行されることになる。なお、上述した実施例では、ゲートウェイノード［Ｇ］は２のクラスタに所属している実施例を説明したが、例えば３つ以上のクラスタに所属する設定としてもよい。

３つ以上のクラスタに所属するゲートウェイノードは、所属するクラスタに対応する［ノード固有共通鍵］と［クラスタ共通鍵］のセットを所属クラスタ数分保持し、ある１つのクラスタかのクラスタヘッドノードのブロードキャストパケット［ＭＡＣ設定パケット（ｂｙクラスタ共通鍵）］を受信した場合、その受信パケットのＭＡＣ検証を行ってＭＡＣ検証に成功した場合は、他のクラスタに対応する複数の［ノード固有共通鍵］を個別に適用したＭＡＣを設定したＭＡＣ設定パケットを複数生成して、それぞれのクラスタに転送する処理を行う。

最後にセンサノードの構成例について、図１１を参照して説明する。図１１に示すセンサノードの構成は、ノーマルノード［Ｓ］、ゲートウェイノード［Ｇ］、クラスタヘッドノード［ＣＨ］に共通する構成である。

センサノード５００は、図１１に示すように、データ処理部５０１、センサ５０２、通信部５０３、メモリ５０４を有する。センサは例えば温度、湿度などの環境情報を測定するセンサ、人や物の動きを検出するセンサなど用途に応じて様々なタイプのセンサが設定される。センサのセンシング情報はデータ処理部５０１に送られる。

データ処理部５０１は、メモリ５０４に格納されているデータ処理プログラムに従った様々なデータ処理を行う。例えばセンサ５０２からの入力情報を格納したパケットを生成して通信部５０３を介して出力する。この際、メモリに格納された鍵を適用して検証データ、例えばＭＡＣを生成して送信パケットに付加するといった処理を行う。通信部は、データ処理部５０１の生成したパケットを出力し、また近隣ノードから送信されるパケットを受信する。

データ処理部５０１は、先に説明した図８〜図１０のフローチャートに従った処理を実行する。この処理シーケンスは、センサノードがノーマルノード［Ｓ］であるか、ゲートウェイノード［Ｇ］であるか、クラスタヘッドノード［ＣＨ］であるかによって異なるものとなり、これらの処理プログラムはメモリ５０４に格納されている。

また、先に図５を参照して説明したように、メモリ５０４には、ＭＡＣ検証用、ＭＡＣ生成用の鍵が格納されている。これらの鍵の種類は、ノーマルノード［Ｓ］であるか、ゲートウェイノード［Ｇ］であるか、クラスタヘッドノード［ＣＨ］であるかによって異なるものとなる。

なお、ユーザ装置からの最初のメッセージパケットを受信するノードでは公開鍵暗号アルゴリズムに基づく署名検証を行うことになるが、この際に適用する公開鍵は、前述の実施例では署名設定パケットに付加さている公開鍵証明書から取得する構成として説明したが、予め外部のユーザ装置からの署名設定パケットを受信する可能性のある選択されたセンサノードのメモリに公開鍵を格納しておいてもよい。このような設定とすれば、図７（Ａ）を参照して説明した署名設定メッセージパケットは公開鍵証明書を省略したパケット構成とすることが可能である。

以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

また、明細書中において説明した一連の処理はハードウェア、またはソフトウェア、あるいは両者の複合構成によって実行することが可能である。ソフトウェアによる処理を実行する場合は、処理シーケンスを記録したプログラムを、専用のハードウェアに組み込まれたコンピュータ内のメモリにインストールして実行させるか、あるいは、各種処理が実行可能な汎用コンピュータにプログラムをインストールして実行させることが可能である。例えば、プログラムは記録媒体に予め記録しておくことができる。記録媒体からコンピュータにインストールする他、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、インターネットといったネットワークを介してプログラムを受信し、内蔵するハードディスク等の記録媒体にインストールすることができる。

なお、明細書に記載された各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。また、本明細書においてシステムとは、複数の装置の論理的集合構成であり、各構成の装置が同一筐体内にあるものには限らない。

以上、説明したように、本発明の一実施例の構成によれば、複数の通信可能なセンサノードによって構成されるセンサネットワークにおいて、メッセージ送信装置から出力される公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名を設定した署名設定パケットを受信したセンサノードが、公開鍵を適用した署名検証処理による検証成功の確認を条件として、受信メッセージに対して該センサノードと同一クラスタ内のクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第１ＭＡＣ設定パケットを生成して出力し、クラスタヘッドノードが、第１ＭＡＣ設定パケットを受信してＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を条件として受信メッセージに対して、所属クラスタ内のセンサノードが共有するクラスタ共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力し、第２ＭＡＣ設定パケットを受信したセンサノードが、ＭＡＣ検証処理を実行して、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行する構成とした。本構成によれば、不正なメッセージパケットを確実に排除し、かつ各センサノードの処理負荷を軽減した効率的なセンサネットワーク制御構成が実現される。

さらに、本発明の一実施例の構成によれば、クラスタ重複領域に所属クラスタが複数クラスタとなるゲートウェイノードを配置し、ゲートウェイノードが、上記第２ＭＡＣ設定パケットを受信してＭＡＣ検証処理を行い、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行するとともに、受信メッセージに対して、第２ＭＡＣ設定パケットの送信元クラスタと異なる別の所属クラスタのクラスタヘッドノードと、ゲートウェイノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第３ＭＡＣ設定パケットを生成して別の所属クラスタに出力する構成としたので、クラスタ間でのスムーズなデータ転送が実現され、不正なメッセージパケットを確実に排除し、かつ各センサノードの処理負荷を軽減した効率的なセンサネットワーク制御構成が実現される。

センサネットワークの構成について説明する図である。 センサネットワークにおける通信処理例について説明する図である。 本発明の一実施例に従ったセンサネットワークの構成例について説明する図である。 本発明の一実施例に従ったセンサネットワークにおける通信処理例について説明する図である。 本発明の一実施例に従ったセンサネットワークにおける各センサノードの格納鍵データ例について説明する図である。 本発明の一実施例に従ったセンサネットワークの通信処理例について説明する図である。 本発明の一実施例に従ったセンサネットワークの通信処理に際して利用されるパケット構成例について説明する図である。 本発明の一実施例に従ったセンサネットワークにおけるノーマルノードの処理シーケンスについて説明するフローチャートを示す図である。 本発明の一実施例に従ったセンサネットワークにおけるクラスタヘッドノードの処理シーケンスについて説明するフローチャートを示す図である。 本発明の一実施例に従ったセンサネットワークにおけるゲートウェイノードの処理シーケンスについて説明するフローチャートを示す図である。 本発明の一実施例に従ったセンサネットワークを構成するセンサノードの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ センサネットワーク
２０ ベースステーション
３０ ユーザ装置
１００ センサネットワーク
１１０ 第１クラスタ
１２０ 第２クラスタ
１３０ 第３クラスタ
１４０ 第４クラスタ
１６１〜１６３ クラスタ重なり領域
１８０ ベースステーション
２００ ユーザ装置
２５１ ノーマルノード
２５２ クラスタヘッドノード
２６１ ゲートウェイノード
２６２ クラスタヘッドノード
３１０ 署名設定パケット
３１１ メッセージ
３１２ 電子署名
３１３ 公開鍵証明書
３２０ ＭＡＣ設定パケット
３２１ メッセージ
３２２ ＭＡＣ
３３０ ＭＡＣ設定パケット
３３１ メッセージ
３３２ ＭＡＣ
５００ センサノード
５０１ データ処理部
５０２ センサ
５０３ 通信部
５０４ メモリ

Claims (10)

1. 複数の通信可能なセンサノードによって構成されるセンサネットワークであり、
   前記センサネットワークは、複数のクラスタに分割され、
   各クラスタは、センサノードとして、
   複数のノーマルノードと、
   少なくとも１つのクラスタヘッドノードを含み、
   クラスタ内センサノード中、メッセージ送信装置から出力される公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名を設定した署名設定パケットを受信したセンサノードは、公開鍵を適用した署名検証処理による検証成功の確認を条件として、受信メッセージに対して該センサノードと同一クラスタ内のクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣ（Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）を設定した第１ＭＡＣ設定パケットを生成して出力する構成であり、
   前記クラスタヘッドノードは、前記第１ＭＡＣ設定パケットを受信し、ＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を条件として受信メッセージに対して、所属クラスタ内のセンサノードが共有するクラスタ共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力する構成であり、
   前記第２ＭＡＣ設定パケットを受信したセンサノードは、ＭＡＣ検証処理を実行し、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行する構成であることを特徴とするセンサネットワーク。
2. 前記クラスタは、他のクラスタと重複するクラスタ重複領域を有し、
   前記クラスタ重複領域には、所属クラスタが複数クラスタとなるゲートウェイノードが配置され、
   前記ゲートウェイノードは、
   前記第２ＭＡＣ設定パケットを受信してＭＡＣ検証処理を行い、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行するとともに、
   前記受信メッセージに対して、前記第２ＭＡＣ設定パケットの送信元クラスタと異なる別の所属クラスタのクラスタヘッドノードと、前記ゲートウェイノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第３ＭＡＣ設定パケットを生成して出力する構成であることを特徴とする請求項１に記載のセンサネットワーク。
3. 前記クラスタヘッドノードは、
   前記第１ＭＡＣ設定パケットを受信し、ＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を行い、受信して検証が成功した第１ＭＡＣ設定パケット数が予め定めた閾値数以上となった場合に、メッセージが正当であると判断して、前記第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力する構成であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサネットワーク。
4. 前記署名設定パケットを受信するセンサノードは、
   署名設定パケットに付加された公開鍵証明書から公開鍵を取得して取得した公開鍵を適用して署名検証処理を実行する構成であることを特徴とする請求項１に記載のセンサネットワーク。
5. 前記ノーマルノードは、
   該ノーマルノードと、ノーマルノードの所属するクラスタのクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵と、
   前記ノーマルノードの所属するクラスタのセンサノードが共有するクラスタ共有鍵をメモリに格納した構成であり、
   前記クラスタヘッドノードは、
   前記クラスタヘッドノードの所属するクラスタに含まれるセンサノードの各々が保持するノード固有共通鍵と、
   前記クラスタヘッドノードの所属するクラスタのセンサノードが共有するクラスタ共有鍵をメモリに格納した構成であることを特徴とする請求項１に記載のセンサネットワーク。
6. 前記ゲートウェイノードは、
   該ゲートウェイノードと、ゲートウェイノードの所属する複数クラスタのいずれかのクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵を所属クラスタ数分、メモリに格納し、
   さらに、前記ゲートウェイノードの所属する複数クラスタの各々のセンサノードがそれぞれ共有するクラスタ共有鍵を所属クラスタ数分、メモリに格納した構成であることを特徴とする請求項２に記載のセンサネットワーク。
7. 複数の通信可能なセンサノードによって構成されるセンサネットワークにおけるデータ通信方法であり、
   前記センサネットワークは、複数のクラスタに分割され、
   各クラスタは、センサノードとして、
   複数のノーマルノードと、
   少なくとも１つのクラスタヘッドノードを含み、
   クラスタ内センサノード中、メッセージ送信装置から出力される公開鍵暗号アルゴリズムに従った電子署名を設定した署名設定パケットを受信したセンサノードが、
   公開鍵を適用した署名検証処理による検証成功の確認を条件として、受信メッセージに対して該センサノードと同一クラスタ内のクラスタヘッドノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣ（Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）を設定した第１ＭＡＣ設定パケットを生成して出力するステップと、
   前記クラスタヘッドノードが、
   前記第１ＭＡＣ設定パケットを受信し、ＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を条件として受信メッセージに対して、所属クラスタ内のセンサノードが共有するクラスタ共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力するステップと、
   前記第２ＭＡＣ設定パケットを受信したセンサノードが、
   ＭＡＣ検証処理を実行し、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行するステップと、
   を有することを特徴とするデータ通信方法。
8. 前記クラスタは、他のクラスタと重複するクラスタ重複領域を有し、
   前記クラスタ重複領域には、所属クラスタが複数クラスタとなるゲートウェイノードが配置され、
   前記ゲートウェイノードは、
   前記第２ＭＡＣ設定パケットを受信してＭＡＣ検証処理を行い、検証処理の成功を条件として受信メッセージの適用処理を実行するとともに、
   前記受信メッセージに対して、前記第２ＭＡＣ設定パケットの送信元クラスタと異なる別の所属クラスタのクラスタヘッドノードと、前記ゲートウェイノードのみが共有するノード固有共通鍵を適用したＭＡＣを設定した第３ＭＡＣ設定パケットを生成して出力することを特徴とする請求項７に記載のデータ通信方法。
9. 前記クラスタヘッドノードは、
   前記第１ＭＡＣ設定パケットを受信し、ＭＡＣ検証処理による検証成功の確認を行い、受信して検証が成功した第１ＭＡＣ設定パケット数が予め定めた閾値数以上となった場合に、メッセージが正当であると判断して、前記第２ＭＡＣ設定パケットを生成して出力することを特徴とする請求項７または８に記載のデータ通信方法。
10. 前記署名設定パケットを受信するセンサノードは、
    署名設定パケットに付加された公開鍵証明書から公開鍵を取得して取得した公開鍵を適用して署名検証処理を実行することを特徴とする請求項７に記載のデータ通信方法。

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