JP2010501150A

JP2010501150A - ワイヤレスメッシュネットワークにおけるセキュア通信用の鍵導出技術

Info

Publication number: JP2010501150A
Application number: JP2009524825A
Authority: JP
Inventors: ウォーカー、ジェシー; ザオ、メイユアン
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2006-09-18
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2027-09-18
Also published as: EP2070376A4; CN101518112A; EP2070376A2; WO2008039662A3; JP5041607B2; WO2008039662A2; US20080069348A1; CN101518112B; US9049592B2

Abstract

メッシュネットワークにいて用いられるメッシュリンク確立プロトコルに適合する鍵導出手続きおよび鍵階層。ｋｄｆ_Ｋで示される鍵導出関数である単一暗号化プリミティブが利用される。Ｋはキャッシュされたペアワイズマスター鍵である。関数ｋｄｆ_Ｋの結果は、リンク確立および後にリンク上を交換されるデータをセキュアにするために用いられる鍵を導出するために用いられる。

Description

関連出願

本出願は、２００６年９月１８日に出願された米国仮特許出願番号第６０/８４５６３４号の利益を主張する。

本発明の実施形態は、ワイヤレス通信に関する。より詳しくは、本発明の実施形態は、ワイヤレスメッシュネットワークにおけるセキュリティに関する。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｓは、ＩＥＥＥ８０２．１１規格に対する策定中の改定であり、完成した場合には、ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）規格にメッシュ機能を追加するプロトコルを提供することを目的としている。メッシュアーキテクチャにより、複数のワイヤレスホップで構成される複数の経路上にデータを送ることが可能になる。ＩＥＥＥ８０２．１１ｓは、トランジションにわたるサービス品質（ＱｏＳ）を下げることなく、かつ、セキュリティを損うことなくメッシュ機能を追加することで、データ送信のスループットを向上させることを可能にする。この改定から生まれる効果の1つは、メッシュネットワーク上でビデオストリーミングを提供する能力である。

発明の実施形態は、類似の要素が類似の参照番号で参照されている添付の図面の図の中で、限定ではなく一例により説明される。
電子システムの一実施形態のブロック図である。メッシュネットワークの２ポイント間でのリンク確立の一実施形態を例示する。ここで説明されるように通信する２つのメッシュポイントの一実施形態のブロック図である。

以下の説明において、数々の具体的な詳細が説明される。しかしながら、この発明の実施形態は、これらの具体的な詳細なしで実施することができる。本説明の理解が不明瞭にならないよう、他の例では知られた回路、構造および技術は詳細には示されていない。

ビデオストリーム配信は、Ｗｉ−Ｆｉメディア上のノイズにかかわらずメッシュの複数のピアリンクが確立されなければならないという点で、制約をメッシュネットワーク設計に課す。ビデオストリーム配信により課せられる制約に対処するために、セキュアなピアリンク確立プロセスが短い期間で完了することができるか否かについて懸念があった。

１つの技術は、基本的なピアリンク確立プロトコル上にセキュリティハンドシェイクを覆い被せることにより、セキュアなピアリンクを確立する手続きを促進することである。このスキームは、複数のワイヤレスＬＡＮメッシュポイント（複数のＭＰ）が先見的な知識と以前に確立されたペアワイズマスタ鍵（ＰＭＫ）のコントロールとを有していれば、それらがセキュアなリンク接続プロセスにおけるいくつかのステップを省略することを可能にする。複数のＭＰがあるリンク上のコネクティビティを頻繁に失うことがある場合には、このアプローチにより、メッシュ上のビデオストリームアプリケーションのユーザ体験が高まる。一実施形態において、ここに説明されている技術は、８０２．１１ｉの鍵階層を用いてなされる場合よりも、リンク確立プロセスのごく初期の段階で複数の鍵を利用する。このことは、８０２．１１ｉの鍵手続きが８０２．１１ｓ要件で正しく機能し得ないことを意味する。

１つのメッシュネットワークの各メッシュポイントは、１つの電子システムであってよい。図１は、１つの電子システムの一実施形態のブロック図である。図１で例示される電子システムは、（有線ないし無線の）電子システムの範囲を表すことを目的とする。電子システムは、例えば、複数のデスクトップコンピュータシステム、複数のラップトップコンピュータシステム、複数のセルラー電話、複数の携帯情報端末（複数のＰＤＡ）、複数のセットトップボックスを含む。複数の携帯情報端末は、セルラーイネーブルされた複数のＰＤＡを含む。他の複数の電子システムは、より多くの構成要素、より少数の構成要素、および／または異なる構成要素を含むことができる。

電子システム１００は、情報を通信することができるバス１０５または他の通信デバイスと、バス１０５に接続され、情報を処理することができるプロセッサ１１０とを備える。電子システム１００がシングルプロセッサで例示されたが、電子システム１００は複数のプロセッサおよび／またはコプロセッサを備えることができる。電子システム１００は、バス１０５に接続され、プロセッサ１１０により実行される命令および情報を記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または他の動的記憶デバイス１２０（メインメモリと称する）を、さらに備えてよい。メインメモリ１２０は、また、テンポラリ変数または他の中間情報をプロセッサ１１０による命令実行中に記憶することに使用することができる。

電子システム１００は、また、バス１０５に接続され、プロセッサ１１０のための命令および静的情報を記憶することができるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）および／または他の静的記憶デバイス１３０を含むことができる。データストレージデバイス１４０は、バス１０５に接続され、情報および命令を記憶する。磁気ディスクまたは光ディスクおよび対応するドライブのようなデータストレージデバイス１４０は、電子システム１００に接続されてよい。

電子システム１００は、また、陰極線管（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような、ユーザへの情報を表示するディスプレイデバイス１５０に、バス１０５を介して接続されてよい。英数字入力デバイス１６０は、英数字および他のキーを含んでおり、情報およびコマンド選択をプロセッサ１１０に伝えるべくバス１０５に接続されてよい。他のタイプのユーザインプットデバイスは、マウス、トラックボール、またはカーソル方向キーのような、方向情報およびコマンド選択をプロセッサ１１０に伝え、ディスプレイ１５０上のカーソル移動をコントロールするカーソルコントロール１７０である。

電子システム１００は、ローカルエリアネットワークのような１つのネットワークへのアクセスを提供する（複数の）ネットワークインタフェース１８０をさらに備えることができる。（複数の）ネットワークインタフェース１８０は、例えば、１以上のアンテナを表すアンテナ１８５を持つ１つのワイヤレスネットワークインタフェースを含むことができる。（複数の）ネットワークインタフェース１８０は、また、例えば、ネットワークケーブル１８７を通じて複数のリモートデバイスと通信するための１つの有線ネットワークインタフェースを含むことができる。ネットワークケーブル１８７は、例えば、イーサネット（登録商標）ケーブル、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、シリアルケーブル、またはパラレルケーブルであってよい。

一実施形態において、（複数の）ネットワークインタフェース１８０は、例えばＩＥＥＥ８０２．１１規格に準拠することでローカルエリアネットワークへのアクセスを提供することができ、および／または、ワイヤレスネットワークインタフェースは、例えばブルトゥース（登録商標）規格に準拠することでパーソナルエリアネットワークへのアクセスを提供することができる。ブルートゥース（登録商標）は、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈＳＩＧ社が所有する登録商標である。他の複数のワイヤレスネットワークインタフェースおよび／または複数のプロトコルもまた、サポートされてよい。

ＩＥＥＥ８０２．１１規格は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ、および、ここでは具体的に言及しない他のＩＥＥＥ８０２．１１規格を含むことができる。ＩＥＥＥ８０２．１１ｂは、１９９９年９月１６日に成立した"Local and Metropolitan Area Networks, Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band "と題されたＩＥＥＥ規格８０２．１１ｂ−１９９９および関連文書に対応する。ＩＥＥＥ８０２．１１ｇは、２００３年６月２７日に成立した"Local and Metropolitan Area Networks, Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Amendment 4: Further Higher Rate Extension in the 2.4 GHz Band"と題されたＩＥＥＥ規格８０２．１１ｇ−２００３および関連文書に対応する。ブルートゥースプロトコルは、２００１年２月２２日にＢｌｕｅｔｏｏｔｈＳｐｅｃｉａｌＩｎｔｅｒｅｓｔＧｒｏｕｐ社から発行された"Spcificaio of h Blooh Sysm: Co, Vsio 1.1"に記載されている。以前のまたは後のブルートゥース規格のバージョンに関するものもまた、サポートされる。

ここで説明されているのは、メッシュネットワークで用いるメッシュの４メッセージリンク確立プロトコルに適合する複数の鍵導出手続きおよび複数の鍵階層である。一実施形態において、ｋｄｆ_Ｋで表される鍵導出関数である単一の暗号プリミティブを利用することができる。ここで、Ｋは、キャッシュされたペアワイズマスター鍵である。一実施形態において、ｋｄｆ_Ｋは、リンク確立とリンク上で後に交換されるデータとを共にセキュアにすべく用いられる複数の鍵を導出するために用いることができる。

鍵導出プロセスは、２つのメッシュポイントの間で遂行されてよい。第１メッシュポイントは、メッシュポイントＡと称され、そのＩＥＥＥ８０２．１１のＭＡＣアドレスＭＰＡで特定される。第２メッシュポイントは、メッシュポイントＢと称され、そのＩＥＥＥ８０２．１１ＭＡＣアドレスＭＰＢで特定される。一実施形態において、メッシュポイントＡおよびメッシュポイントＢは、キャッシュされた１つのペアワイズマスター鍵Ｋを保持することができる。ＩＥＥＥ８０２．１１ｉで定められるように、ペアワイズマスター鍵Ｋは、それを所有することがワイヤレス通信チャネルをアクセスするための認証を証明する、認証トークンであってよい。他の実施形態において、ＭＡＣアドレス以外の情報により、特定がなされてよい。

続く説明は、メッシュポイントＡおよびメッシュポイントＢだけの間で、１つのペアワイズマスター鍵Ｋが共有されると仮定する。この説明は、いくつかのセキュアな方法でＫが確立されたとさらに仮定する。セキュアな方法は、この説明の範囲外であり、当技術分野で知られたいかなる方法でもなされることができる。

Ｋは、ＡおよびＢによってだけ知られているので、Ａに対してＢを認証すること、およびその逆をすることに用いることができる。したがって、ここで説明される技術は、ＡおよびＢの両方がＫについての使用目的を理解する、ということを仮定する。使用目的は、ＡとＢとの間の新たな複数のリンクを確立することを含む。一実施形態において、ＩＥＥＥ８０２．１１ＭＡＣアドレスは辞書順で順序づけされてよい。したがって、比較的に大きい、比較的に小さい、最小、および最大の概念が、明確に定められる。

関数ｋｄｆは、疑似乱数関数に基づいてよい。このことは、鍵導出に用いられる入力が１ビットだけ異なる場合であっても、Ｋのもとでｋｄｆにより算出された２つの異なる鍵を敵対者が関連づけることがコンピュータ的に実行不可能となり得ることを意味する。図２は、メッシュネットワークの２ポイント間のリンク確立の一実施形態を示す。

ＡまたはＢは、他方とのセキュアなリンクを確立することを望む場合、Ｋを用いて次式を計算する。

ここで、"ａ←ｂ"は、表現ｂの変数ａへのアサイン（ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ）を示す。"ａ‖ｂ"は、ａおよびｂの連結(ｃｏｎｃａｔｅｎａｔｉｏｎ）を示す。ＫＣＫは、導出された鍵認証鍵を示し、リンク確立の間に使用され、認証鍵としても知られる。ＫＥＫは、導出された鍵暗号鍵であり、リンク確立において複数のブロードキャスト鍵を配布するために用いられる。ＫＤＫは、導出された鍵導出鍵であり、メッシュリンク確立プロトコルによって確立される１つのセッション鍵を構築するために使用される。ＫＤＫは、ＩＥＥＥ８０２．１１のデータ暗号鍵ＴＫのメッシュアナログを導出すべく、メッシュリンク確立プロトコルの第２メッセージとともに次式のように用いられる。

ここで、ＲＡは、Ａにより第１リンク確立メッセージにおいて提供される１つのランダムなビット列であり、ＲＢは、Ｂにより第１リンク確立メッセージにおいて提供される１つのランダムなビット列である。

このプロセスは、導出された複数の鍵を、それぞれＡおよびＢのＭＡＣアドレスＭＰＡおよびＭＰＢに結びつける。これにより、導出された複数の鍵がＡとＢとの間の通信にだけ使用され得るということが言える。ここで説明された技術は、ｋｄｆが疑似ランダム関数に基づくということを仮定しているので、敵対者が複数の鍵の１つについて、他のいずれの鍵から何かを知ることは、コンピュータ的に不可能である。

このプロトコルはピアツーピアモデルでオペレートするので、リンク確立プロトコルをセキュアにするためには、第１メッセージにおけるＫＣＫおよびＫＥＫを用いることが有利となる場合がある。これは、ピアツーピアモデルでのリンク確立プロトコルをセキュアにするために、８０２．１１ｉの鍵導出で行われるよりも、ＩＥＥＥ８０２．１１ｓのメッシュにおいて比較的初期にＫＣＫを使用することを可能にする。一実施形態において、８０２．１１ｉの鍵導出手続きは、次式である。

ここで、ＲＡは、Ａにより生成された１つのランダム値であり、ＲＢは、Ｂにより生成された１つのランダム値である。これは、リンク確立インスタンスに複数の鍵を結びつけることができる。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｉプロトコルは、クライアントサーバモデルに基づくので、この技術を使用し得る。ここでは、鍵の使用を、第２リンク確立メッセージまで遅延させることができる。この遅延は、従来のピアツーピアモデルでは可能ではない。特に、ピアツーピアモデルにおいて鍵導出を第２メッセージまで遅延させると、ＡおよびＢが相互に認証するためにＫＣＫを使用することができなくなる。

図３は、ここで説明されるように通信する２つのメッシュポイントの一実施形態のブロック図である。メッシュポイント３００およびメッシュポイント３５０は、比較的に大きいメッシュネットワーク（図３には示されない）の一部として構成されることができ、当技術分野で知られたいかなるワイヤレスプロトコル（例えばＩＥＥＥ８０２．１１規格）をも利用して通信することができる。

各メッシュポイントは、上述のように１つの暗号鍵を導出するために用いられる鍵導出エージェント（３１０および３８０）を含むことができる。複数の鍵導出エージェントは、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらのいかなる組み合わせでも実装され得る。各メッシュポイントは、また、ここで説明されるように使用される鍵情報を記憶するために用いられるキャッシュメモリ（３３０および３７０）を含むことができる。複数のキャッシュメモリは、対応する鍵導出エージェントと通信可能に接続されてよい。各メッシュポイントは、メッシュネットワーク内でのセキュアな通信のために使用される認証済みアイデンティティ（３２０および３６０）をさらに含むことができる。各メッシュポイントは、例えば１つのプロセッサ、１つの記憶デバイス、複数の入出力デバイスなどの、他の複数の構成要素および／または複数の要素（図３には示されない）をさらに含むことができる。

このように、ここで説明された技術は、リンク認証の構築および複数の鍵暗号鍵を、セッション暗号鍵から分離するよう機能する。ＩＥＥＥ８０２．１１ｉにおいては、これら複数の鍵全てが共に導出される。この分離は、メッシュリンク接続プロトコルの上に覆い被せられるセキュリティを可能にする。このようなオーバーレイは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｉの鍵導出アプローチを用いて行うことはできない。なぜなら、リンク確立メッセージの数を４を超えて増やすことによる以外、ピアツーピアモデルにおいてＩＥＥＥ８０２．１１ｉのアプローチを用いて相互認証することが不可能であるからである。

明細書における"１つの実施形態"または"一実施形態"という参照は、明細書に関連して説明された特定の特徴、特定の構造、または特定の特性が、発明の実施の形態の少なくとも１つに含まれることを意味する。明細書の様々な箇所における"１つの実施形態において"のフレーズの出現は、かならずしも全て同じ実施形態を示しているというわけではない。

いくつかの実施形態に関連してこの発明が説明されたが、当業者は、記載された実施形態にこの発明が限られておらず、添付の複数の請求項の範囲内で変形および改変して実施できるということを理解することができる。したがって、この説明は、限定ではなく例示とみなすことができる。

Claims

ワイヤレスメッシュネットワークにおいてセキュアなリンクを確立する方法であって、
メッシュネットワークにおけるリモートポイントのアドレスを含むメッセージに応じて１以上の暗号鍵を算出する段階と、
前記メッシュネットワークの前記リモートポイントと、１以上の疑似乱数値を交換する段階と、
前記１以上の暗号鍵および１以上の疑似乱数値に少なくとも一部基づいて、鍵値を生成する段階と、
前記生成された鍵値を、前記メッシュネットワークの前記リモートポイントとのセキュア通信に使用する段階と
を備える方法。
前記メッセージは、ビーコンメッセージを含む
請求項１に記載の方法。
前記メッセージは、プローブ応答メッセージを含む
請求項１に記載の方法。
前記１以上の暗号鍵および１以上の疑似乱数値に少なくとも一部基づいて鍵値を生成する段階は、

を評価する段階
を有し、
"←"は、ｋｄｆ_Ｋ表現の変数ＫＣＫ‖ＫＥＫへのアサインを示し、
"ＫＣＫ‖ＫＥＫ"は、導出された鍵認証鍵と導出された鍵暗号鍵との連結を示し、ブロードキャスト鍵を配布すべくリンク確立において用いられる
請求項１に記載の方法。
前記１以上の暗号鍵および１以上の疑似乱数値に少なくとも一部基づいて鍵値を生成する段階は、

を評価する段階
を有し、
"←"は、ｋｄｆ_Ｋ表現の変数ＫＤＫへのアサインを示し、
"ＫＤＫ"は、導出された鍵導出鍵を示し、メッシュリンク確立プロトコルにより確立されるセッション鍵を構築すべく使用される
請求項１に記載の方法。
前記１以上の暗号鍵および１以上の疑似乱数値に少なくとも一部基づいて鍵値を生成する段階は、

を評価する段階
を有し、
"←"は、ｋｄｆ_Ｋ表現の変数ＫＣＫ‖ＫＥＫ‖ＴＫへのアサインを示し、
"ＫＣＫ‖ＫＥＫ‖ＴＫ"は、導出された鍵認証鍵と、導出された鍵暗号鍵と、データ暗号鍵との連結を示し、
ＲＡは前記メッシュネットワークの前記リモートポイントにより生成されたランダム値であり、ＲＢは前記メッシュネットワークのローカルポイントにより生成されたランダム値である
請求項１に記載の方法。
前記メッシュネットワークの前記リモートポイントとの前記セキュア通信は、ＩＥＥＥ８０２．１１ｓ準拠の通信を含む
請求項１に記載の方法。
物品であって、コンピュータ読み込み可能であり、命令が記録された実体的な媒体であって、前記命令が１以上のプロセッサにより実行された場合に、前記１以上のプロセッサに、
メッシュネットワークにおけるリモートポイントのアドレスを含むメッセージに応じて１以上の暗号鍵を算出させ、
前記メッシュネットワークの前記リモートポイントと、１以上の疑似乱数値を交換させ、
前記１以上の暗号鍵および１以上の疑似乱数値に少なくとも一部基づいて、鍵値を生成させ、
前記生成された鍵値を、前記メッシュネットワークの前記リモートポイントとのセキュア通信に使用させる
物品。
前記メッセージは、ビーコンメッセージを含む
請求項８に記載の物品。
前記メッセージは、プローブ応答メッセージを含む
請求項８に記載の物品。
前記１以上のプロセッサに、前記１以上の暗号鍵および１以上の疑似乱数値に少なくとも一部基づいて鍵値を生成させる前記命令は、前記１以上のプロセッサに

を評価させる命令を有し、
"←"は、ｋｄｆ_Ｋ表現の変数ＫＣＫ‖ＫＥＫへのアサインを示し、
"ＫＣＫ‖ＫＥＫ"は、導出された鍵認証鍵と導出された鍵暗号鍵との連結を示し、ブロードキャスト鍵を配布すべくリンク確立において用いられる
請求項８に記載の物品。
前記１以上のプロセッサに、前記１以上の暗号鍵および１以上の疑似乱数値に少なくとも一部基づいて鍵値を生成させる前記命令は、前記１以上のプロセッサに

を評価させる命令を有し、
"←"は、ｋｄｆ_Ｋ表現の変数ＫＤＫへのアサインを示し、
"ＫＤＫ"は、導出された鍵導出鍵を示し、メッシュリンク確立プロトコルにより確立されるセッション鍵を構築すべく使用される
請求項８に記載の物品。
前記１以上のプロセッサに、前記１以上の暗号鍵および１以上の疑似乱数値に少なくとも一部基づいて鍵値を生成させる前記命令は、前記１以上のプロセッサに

を評価させる命令を有し、
"←"は、ｋｄｆ_Ｋ表現の変数ＫＣＫ‖ＫＥＫ‖ＴＫへのアサインを示し、
"ＫＣＫ‖ＫＥＫ‖ＴＫ"は、導出された鍵認証鍵と、導出された鍵暗号鍵と、データ暗号鍵との連結を示し、
ＲＡは前記メッシュネットワークの前記リモートポイントにより生成されたランダム値であり、ＲＢは前記メッシュネットワークのローカルポイントにより生成されたランダム値である
請求項８に記載の物品。
前記メッシュネットワークの前記リモートポイントとの前記セキュア通信は、ＩＥＥＥ８０２．１１ｓ準拠の通信を含む
請求項８に記載の物品。