JP2017060083A - 通信装置および暗号通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イーサネット（登録商標）を利用した通信装置において、セキュリティとパフォーマンスを両立させる。【解決手段】ＥＣＵ１０は、ヘッダとペイロードを含むイーサネットフレームを生成するデータ生成部１１と、前記生成したイーサネットフレームのうち、ペイロードの少なくとも一部を暗号化する暗号化部１２と、暗号化されたイーサネットフレームを送信する通信部１３と、を有し、暗号化部１２は、前記ペイロードのうち、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して暗号化を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、暗号化通信を行う通信装置に関する。

近年、イーサネット（登録商標）を利用した車載ネットワークが提案されている。しかし、イーサネットはベストエフォート型の通信であるため、遅延時間に対する保証がなく、リアルタイム性が求められる車載環境への適用が難しい。そこで、高品質のオーディオ・ビジュアル環境をイーサネット経由で利用するための規格である、ＩＥＥＥ８０２．１オーディオ・ビデオ・ブリッジング（以下、イーサネットＡＶＢ）が注目されている。イーサネットＡＶＢは、帯域予約や時刻同期、遅延時間の制御などが可能なプロトコルであるため、これを車載ネットワークに適用することで、リアルタイム性を確保した通信環境が構築できるとされている。

特開２００７−２６７３０１号公報 特表２０１３−５４１８８７号公報

ところで、車載ネットワークは自動車の制御の根幹をなすものであるため、暗号通信が多く利用されている。
イーサネットによる通信を暗号化する方法の一つとして、あるレイヤに対応するフレームのペイロード（ユーザデータ）部分のみを暗号化するという方法がある。例えば、イーサネットＡＶＢはレイヤ２プロトコルであるため、イーサネットＡＶＢを利用する場合、レイヤ２におけるペイロード部分のみを暗号化する。
しかし、イーサネットＡＶＢでは、ペイロードの先頭部分に優先度制御を行うためのフィールドが含まれており、フレームをネットワーク間で転送する際に、優先度をブリッジが判断している。すなわち、ペイロードを暗号化してしまうと、当該判断が行えなくなるため、複数のネットワークを介した通信自体ができなくなってしまう。

一方で、暗号化技術のひとつにＭＡＣｓｅｃという手法がある。ＭＡＣｓｅｃは、レイヤ２レベルでフレームの暗号化を行う技術であり、これを利用することで、ブリッジがデータを復号できるようになる。すなわち、転送に必要な情報を得ることができるようになる。しかし、ブリッジがフレームを転送するごとにフレームを復号・再暗号化すると、通信に遅延が発生するという新たな問題が発生してしまう。また、ブリッジごとに鍵を持たせる必要があるため、管理コストが増加してしまう。

このように、イーサネットＡＶＢを車載環境に適用する場合、リアルタイム性とセキュリティのトレードオフが発生してしまうという課題がある。

本発明は上記の課題を考慮してなされたものであり、イーサネットを利用した通信装置において、セキュリティとパフォーマンスを両立させることを目的とする。

前述した課題を解決するための、本発明に係る通信装置は、
ヘッダとペイロードを含むイーサネットフレームを生成する情報生成手段と、前記生成
したイーサネットフレームのうち、ペイロードの少なくとも一部を暗号化する暗号化手段と、暗号化されたイーサネットフレームを送信するネットワークインタフェースと、を有し、前記暗号化手段は、前記ペイロードのうち、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して暗号化を行うことを特徴とする。

本発明に係る通信装置は、ヘッダとペイロードを含むイーサネットフレームを送信する装置である。ヘッダとペイロードは、いずれかのレイヤに対応するものであればよい。例えば、データリンク層（レイヤ２）に対応するフレームである場合、ヘッダには、送信先のＭＡＣアドレスおよび送信元のＭＡＣアドレスが含まれる。
本発明に係る通信装置は、暗号化手段が、暗号化対象のペイロードのうち、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して暗号化を行う。例えば、対象のフレームがイーサネットＡＶＢによるフレームである場合、ペイロードの先頭にＶＬＡＮタグが存在し、当該ＶＬＡＮタグの内部に優先度を表す値が定義されているため、これを暗号化の対象から除外する。もちろん、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドがペイロード中に存在するプロトコルであれば、他のプロトコルであってもよい。

かかる構成によると、ヘッダと優先度のみが平文であって、ペイロード中の他のデータが暗号化されたフレームを得ることができる。レイヤ２レベルで優先度制御を行うネットワークにおいて、暗号化されたフレームを送信する場合、ブリッジごとにフレームを復号する必要が生じていたが、本発明によると、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを暗号化の対象から除外するため、ブリッジごとにフレームを復号し再暗号化させる必要がなくなる。すなわち、セキュリティと通信のパフォーマンスを両立させることができる。
なお、暗号化手段は、ペイロードのうち、任意のデータを暗号化の対象から更に除外してもよい。例えば、ＭＡＣアドレスが格納されたレイヤ２ヘッダに続いて、レイヤ２レベルで制御（例えば暗号化制御など）を行うためのフィールドが存在する場合、当該フィールドを暗号化の対象から除外してもよい。

また、前記イーサネットフレームは、イーサネットＡＶＢによるプロトコルを利用したフレームであることを特徴としてもよい。
また、前記優先度制御を行うための値が格納されたフィールドは、前記ペイロードに配置されたＶＬＡＮタグに含まれるＰＣＰフィールドであることを特徴としてもよい。

本発明は、特にイーサネットＡＶＢによるプロトコルを利用したフレームを送受信する装置に好適に適用できる。当該プロトコルを利用したフレームは、ペイロードに制御用のデータとしてＶＬＡＮタグを含んでおり、ＶＬＡＮタグ内のＰＣＰフィールドに優先度を表す値を保持している。

また、前記暗号化手段が利用する暗号化方式はＭＡＣｓｅｃであり、前記ペイロードのうち、Ｓｅｃタグに対応する領域をさらに除外して暗号化を行うことを特徴としてもよい。

ＭＡＣｓｅｃによって暗号化を行う場合、Ｓｅｃタグと呼ばれるフィールドがペイロードの先頭に挿入される。この場合、Ｓｅｃタグに対応する領域を暗号化の対象から除外すればよい。

また、本発明の別形態に係る通信装置は、
前述した通信装置から暗号化されたイーサネットフレームを受信する受信手段と、前記受信したイーサネットフレームに含まれるペイロードに対して、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して復号を行う復号手段と、を有する。

また、本発明に係る車載ネットワークシステムは、
車載された複数のネットワークと、異なるネットワーク上にそれぞれ配置されデータの送受信を行う二つ以上の通信装置と、を有し、前記通信装置は、ヘッダとペイロードを含むイーサネットフレームを生成する情報生成手段と、前記生成したイーサネットフレームのうち、ペイロードの少なくとも一部を暗号化する暗号化手段と、前記暗号化されたイーサネットフレームを送信し、他の通信装置から暗号化されたイーサネットフレームを受信するネットワークインタフェースと、他の通信装置から受信したイーサネットフレームを復号する復号手段と、を有し、前記暗号化手段は、前記ペイロードのうち、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して暗号化を行い、前記復号手段は、前記受信したイーサネットフレームに含まれるペイロードに対して、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して復号を行うことを特徴とする。

本発明は、上記手段の少なくとも一部を含む通信装置として特定することができる。また、前記通信装置が実行する通信方法として特定することもできる。また、前記通信装置を含む車載ネットワークシステムとして特定することもできる。上記処理や手段は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、自由に組み合わせて実施することができる。

本発明によれば、イーサネットを利用した通信装置において、セキュリティとパフォーマンスを両立させることができる。

第一の実施形態に係る通信装置のシステム構成図である。 第一の実施形態におけるＡＶＢフレームのフォーマット図である。 ＶＬＡＮタグのフォーマット図である。 第一の実施形態において暗号化される部分を説明する図である。 第一の実施形態に係る通信装置の処理フローチャート図である。 第二の実施形態におけるＡＶＢフレームのフォーマット図である。 第二の実施形態において暗号化される部分を説明する図である。

（第一の実施形態）
<システム構成>
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
第一の実施形態に係るＥＣＵ１０は、車載ネットワークに接続されたコンピュータであって、同じく車載ネットワークに接続された他のコンピュータとデータを送受信する機能を有するコンピュータである。より具体的には、イーサネット（登録商標）を経由して、ＩＥＥＥ８０２．１ＡＶＢ（オーディオ・ビデオ・ブリッジ）規格のフレームを送受信する。

ＩＥＥＥ８０２．１ＡＶＢは、イーサネット網を利用してマルチメディア機器やコンピュータを相互接続するための規格である。当該規格により、遅延の少ない通信を実現することができる。本実施形態では、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑプロトコルを用いて構成されたフレームを転送する例について述べるが、本発明を適用できるプロトコルはこれに限られない。ＩＥＥＥ８０２．１Ｑはレイヤ２プロトコルであるため、通常のイーサネットフレームと同様に、ＭＡＣアドレスに基づいてフレームの送受信が行われる。

図１は、本実施形態に係るＥＣＵ１０のシステム構成図である。
ＥＣＵ１０は、データ生成部１１、暗号化部１２、通信部１３、復号部１４、データ処
理部１５から構成される。

データ生成部１１は、車載ネットワークを介して他のＥＣＵに送信するデータを生成する手段である。送信するデータの内容は特に限定されない。
暗号化部１２は、データ生成部１１が生成したデータをカプセル化し、イーサネットフレームを生成する手段である。また、暗号化部１２は、データをカプセル化する際に暗号化を施す機能を有する。具体的な方法については後述する。
通信部１３は、送信対象のフレームをネットワークに送信し、受信対象のフレームをネットワークから受信する手段である。通信部１３は、ネットワークに接続することができれば、有線ネットワークインタフェースであってもよいし、無線ネットワークインタフェースであってもよい。

復号部１４は、通信部１３が受信したフレーム（他のＥＣＵから送信された、暗号化されたフレーム）を復号し、データを取得する手段である。具体的な方法については後述する。
データ処理部１５は、復号部１４によって取得されたデータを処理する手段である。

以上に説明した各手段の制御は、専用のハードウェアによって実現されてもよいが、制御プログラムをＣＰＵなどの処理装置（不図示）が実行することによって実現されてもよい。また、当該機能は、ＦＰＧＡ（Field-programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

<フレームフォーマット>
処理の説明に入る前に、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑのフレームフォーマットについて説明する。図２は、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑにて利用されるフレーム（以下、ＡＶＢフレーム）のフォーマットを示した図である。
ＡＶＢフレームは、先頭から、送信先のＭＡＣアドレス（４８ビット）、送信元のＭＡＣアドレス（４８ビット）、ＶＬＡＮタグ情報（３２ビット）、イーサタイプ値（１６ビット）が配置され、続いてペイロードが配置される。
なお、通常のＭＡＣフレームでは、１２バイト目以降がペイロードであるが、ＡＶＢフレームでは、６バイトの追加情報が挿入されるため、１８バイト目以降が実質的なペイロードとなる。

図３は、ＶＬＡＮタグ情報（３２ビット）のフォーマットを示した図である。ＶＬＡＮタグは、ＶＬＡＮタグの存在を示すイーサタイプ値、優先度（Priority Code Point）、
ＣＦ（Canonical Format）、ＶＬＡＮＩＤから構成される。

ここで、ＡＶＢフレームに、通常のＭＡＣフレームにおけるペイロードを暗号化する手法を適用することを考える。しかし、通常のペイロードである１２バイト目以降を暗号化してしまうと、ＰＣＰ、すなわち優先度を表すフィールドも暗号化されてしまうため、ブリッジがフレームを転送する際に優先度を判断することができなくなり、通信が行えなくなってしまう。
そこで、本実施形態に係るＥＣＵは、送信するフレームに対して、図４のハッチングで示した部分のみを暗号化し、優先度（ＰＣＰ）フィールドを平文のままにするという暗号化処理を施す。かかる構成によると、ＡＶＢフレームを中継するブリッジが参照するフィールド（ＭＡＣアドレスおよび優先度）のみが平文のままとなるため、ブリッジが転送対象のフレームを復号および再暗号化することなく、フレームを転送させることが可能になる。すなわち、通信のパフォーマンスを保ったままでセキュリティを確保することができる。

<処理フローチャート>
図５は、本実施形態に係るＥＣＵ１０がフレームを送受信する処理のフローチャートである。図５（Ａ）がフレームの送信処理を示し、図５（Ｂ）がフレームの受信処理を示す。

フレームを送信する際は、まず、ステップＳ１１で、データ生成部１１が、送信先のＥＣＵに送信するデータを生成する。生成したデータは暗号化部１２へ送信される。
次に、ステップＳ１２で、暗号化部１２が、生成したデータに基づいてＡＶＢフレームを生成する。この際、前述したように、図４のハッチングした部分に対して暗号化処理を実施する。暗号化されたデータは通信部１３へ送信される。
次に、ステップＳ１３で、通信部１３が、暗号化されたＡＶＢフレームを送信する処理を行う。この結果、暗号化されたＡＶＢフレームがネットワークに送信される。

フレームを受信する際は、まず、ステップＳ２１で、通信部１３が、暗号化されたＡＶＢフレームを受信する処理を行う。具体的には、受信したフレームのヘッダにある送信先ＭＡＣアドレスを参照し、自装置宛であった場合は受け入れ、それ以外であった場合は受信したフレームを破棄する処理を行う。受信したフレームは、復号部１４へ送信される。
次に、ステップＳ２２で、復号部１４が、暗号化されたＡＶＢフレームを復号、すなわち、送信する際に暗号化を行った領域と同一の領域に対して復号処理を行う。復号されたデータはデータ処理部１５へ送信される。
最終的に、ステップＳ２３で、復号されたデータがデータ処理部１５によって処理される。

以上説明したように、本実施形態に係るＥＣＵ１０は、ＡＶＢフレームを送受信する際に、優先度が格納されているフィールドを除外したペイロード部分を対象として暗号化処理ならびに復号処理を行う。これにより、特別な処理を行うことなくブリッジを通過できるＡＶＢフレームを生成することができる。
すなわち、転送パフォーマンスとセキュリティを両立させることができる。

（第二の実施形態）
第一の実施形態では、ＭＡＣフレームにおけるペイロード全体を暗号化する手法を用いた例を述べた。これに対し、第二の実施形態では、ＡＶＢフレームに対してＭＡＣｓｅｃによる暗号化を行う場合の例について述べる。

ＭＡＣｓｅｃは、レイヤ２レベルでメッセージの暗号化および認証を行う技術である。ＡＶＢフレームに対してＭＡＣｓｅｃを適用すると、ペイロードの先頭に、Ｓｅｃタグと呼ばれる１６バイトのタグが挿入される。図６は、ＭＡＣｓｅｃを適用したＡＶＢフレームのフォーマット図である。

ＭＡＣｓｅｃを適用した場合、ＶＬＡＮタグが後方に１６バイトずれるため、優先度（ＰＣＰ）フィールドも後方に１６バイトシフトする。第二の実施形態では、第一の実施形態と同様に、このような位置に配置されるＰＣＰフィールドを避けて暗号化を行う。すなわち、図７のハッチングで示した部分のみを暗号化する。他の処理については同様であるため、詳細な説明は省略する。

（変形例）
上記の実施形態はあくまでも一例であって、本発明はその要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施しうる。
例えば、優先度フィールドは例示した位置に限られず、他の技術を適用することで位置
が変わる場合、当該位置にある優先度フィールドを暗号化の対象から除外すればよい。また、優先度フィールドは、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドであれば、必ずしも優先度そのものが格納されている必要はない。
また、本実施形態では、レイヤ２プロトコルであるイーサネットＡＶＢを例示したが、対象のプロトコルは必ずしもレイヤ２プロトコルである必要はない。優先度制御を行うための値が格納されたフィールドがペイロード中に存在するプロトコルであれば、他のプロトコルであってもよい。

１０ 通信装置
１１ データ生成部
１２ 暗号化部
１３ 通信部
１４ 復号部
１５ データ処理部

Claims (7)

1. ヘッダとペイロードを含むイーサネットフレームを生成する情報生成手段と、
   前記生成したイーサネットフレームのうち、ペイロードの少なくとも一部を暗号化する暗号化手段と、
   暗号化されたイーサネットフレームを送信するネットワークインタフェースと、
   を有し、
   前記暗号化手段は、前記ペイロードのうち、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して暗号化を行う、
   通信装置。
2. 前記イーサネットフレームは、イーサネットＡＶＢによるプロトコルを利用したフレームである、
   請求項１に記載の通信装置。
3. 前記優先度制御を行うための値が格納されたフィールドは、前記ペイロードに配置されたＶＬＡＮタグに含まれるＰＣＰフィールドである、
   請求項２に記載の通信装置。
4. 前記暗号化手段が利用する暗号化方式はＭＡＣｓｅｃであり、前記ペイロードのうち、Ｓｅｃタグに対応する領域をさらに除外して暗号化を行う
   請求項１から３のいずれかに記載の通信装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の通信装置から、暗号化されたイーサネットフレームを受信する受信手段と、
   前記受信したイーサネットフレームに含まれるペイロードに対して、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して復号を行う復号手段と、
   を有する通信装置。
6. 情報生成手段と、暗号化手段と、ネットワークインタフェースと、を含む通信装置が行う暗号通信方法であって、
   前記情報生成手段が、ヘッダとペイロードを含むイーサネットフレームを生成する情報生成ステップと、
   前記暗号化手段が、前記生成したイーサネットフレームのうち、ペイロードの少なくとも一部を暗号化する暗号化ステップと、
   前記ネットワークインタフェースが、暗号化されたイーサネットフレームを送信するステップと、
   を含み、
   前記暗号化ステップでは、前記ペイロードのうち、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して暗号化を行う、
   暗号通信方法。
7. 車載された複数のネットワークと、異なるネットワーク上にそれぞれ配置されデータの送受信を行う二つ以上の通信装置と、を有し、
   前記通信装置は、
   ヘッダとペイロードを含むイーサネットフレームを生成する情報生成手段と、
   前記生成したイーサネットフレームのうち、ペイロードの少なくとも一部を暗号化する暗号化手段と、
   前記暗号化されたイーサネットフレームを送信し、他の通信装置から暗号化されたイーサネットフレームを受信するネットワークインタフェースと、
   他の通信装置から受信したイーサネットフレームを復号する復号手段と、
   を有し、
   前記暗号化手段は、前記ペイロードのうち、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して暗号化を行い、
   前記復号手段は、前記受信したイーサネットフレームに含まれるペイロードに対して、優先度制御を行うための値が格納されたフィールドを除外して復号を行う、
   車載ネットワークシステム。

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