JP7064653B2 - 通信システム - Google Patents

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Description

本発明は、あらゆるデバイスをインターネットに接続するＩｏＴ（Internet of Things）の通信システムに関する。
ＩｏＴの通信システムは、デバイスをインターネットに接続するために、例えば、ゲートウェイ（＝インターネット・ゲートウェイ）を有するネットワークのエンドノートとしてデバイスが配置されるように構成される。このようなネットワークの代表例として、センサネットワークがある。例えば、特許文献１には、複数のセンサから収集したセンサ情報をゲートウェイ経由でデータ収集サーバへ送信するセンサネットワークが開示されている。
センサネットワークの主たる目的は、センサノード（＝エンドノード）のセンシングデータをデータ蓄積・分析用のサーバに伝送するために、センサノードからゲートウェイへのアップリンク通信を行うことである。このため、通信帯域を、ダウンリンク通信よりもアップリンク通信へ優先的に確保しているケースが多い。
従来のＩｏＴ通信システムについて、図１を参照しながら説明する。
図１は、従来例に係るＩｏＴ通信システムの概観図であり、センサネットワークを使用した構成を例示している。図１のシステムでは、サーバ１０と、オペレータ端末１１とが、インターネット上、又は、事業所に存在している。また、センサノード１２と、センサネットワーク基地局１３と、ゲートウェイ１４とが、センサネットワーク上に存在している。
センサノード１２には、温度・光・圧力などをセンシングするセンサ群１２０が接続されている。センサ群１２０により得られたセンシングデータは、センサネットワーク通信を介してサーバ１０に送信され、サーバ１０で蓄積・分析される。
特開２０１６－２０１６０５号公報
センサネットワークでは、ダウンリンク通信よりもアップリンク通信が優先されるため、ゲートウェイ１４からセンサノード１２への大容量データのダウンロードが難しいという問題がある。また、センサネットワークはデータ到達性に関する信頼性が確保されていないケースがあるため、センサノード１２のファームウェアの更新データなどのように、信頼性が求められるデータのやり取りには適さない。このため、信頼性が求められるデータのやり取りは、作業者がモバイル端末１５を携帯して現地（センサノード１２の設置場所）に赴き、モバイル端末１５とセンサノード１２とをローカル通信により接続して行われていた。
しかしながら、ローカル通信の安全性を確保するためには、通信ポートを物理的な鍵でロックする必要や、作業者及びモバイル端末１５についてＩＤ／パスワード認証や生体認証などを行う必要がある。センサノード１２の台数が少なければあまり問題にならないが、１０００台規模を超える大量のセンサノード１２を有するシステムでは、物理的な鍵の管理や、作業者及びモバイル端末１５の認証に使用する情報の登録・管理の業務などが、システム運用の負担になっている。
本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、モバイル端末とセンサノードとの間のローカル通信を効率的かつ安全に行うことが可能な通信システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、通信システムを以下のように構成した。
すなわち、センサからセンシングデータを取得するセンサノードと、前記センサノードにセンサネットワーク通信を介して接続されるサーバとを備えた通信システムにおいて、前記サーバにモバイル回線通信を介して接続されるとともに、前記センサノードにローカル通信により接続可能なモバイル端末を更に備え、前記モバイル端末は、自身の秘密鍵および公開鍵のペアであるモバイル端末鍵ペアを有し、前記センサノードは、自身の秘密鍵および公開鍵のペアであるセンサノード鍵ペアを有し、前記センサノード鍵ペアの公開鍵は、前記センサノードから前記サーバへ前記センサネットワーク通信を介して送信され、更に前記サーバから前記モバイル端末へ前記モバイル回線通信を介して送信され、前記モバイル端末鍵ペアの公開鍵は、前記モバイル端末から前記センサノードへ前記ローカル通信により送信され、前記センサノード及び前記モバイル端末が、自身の秘密鍵と相手の公開鍵とを組み合わせて共通鍵を生成し、前記共通鍵を用いて前記ローカル通信を暗号化することを特徴とする。
ここで、前記モバイル端末は、第１の暗号鍵を更に有し、前記センサノードは、前記第１の暗号鍵を用いて暗号化されたデータを復号可能な第２の暗号鍵を更に有し、前記モバイル端末鍵ペアの公開鍵は、前記モバイル端末で前記第１の暗号鍵を用いて暗号化され、前記モバイル端末から前記センサノードへ前記ローカル通信により送信され、前記センサノードで前記第２の暗号鍵を用いて復号される構成としてもよい。
また、前記センサノードは、前記センシングデータに基づいて乱数を発生する乱数発生器を備え、前記ローカル通信のセッション毎に、前記乱数発生器により発生された乱数を用いて前記センサノード鍵ペアを生成する構成としてもよい。
また、前記センサノードは、暗号化された前記ローカル通信により受信したデータのハッシュ値を計算して、前記センサネットワーク通信により前記サーバへ送信し、前記サーバは、前記センサノードから受信した前記ハッシュ値に基づいて、前記データの正当性を検証する構成としてもよい。
また、前記センサノードは、自身の認証用の秘密鍵および公開鍵のペアであるセンサノード認証用鍵ペアを有し、前記サーバは、前記センサノード認証用鍵ペアの公開鍵を対象に発行した証明書であるセンサノード証明書を有し、前記モバイル端末は、前記センサノードとの前記ローカル通信を開始する際に、前記センサノード証明書を前記サーバから前記モバイル回線通信を介して受信し、自身のルート証明書で前記センサノード証明書の正当性及び有効性を確認し、前記センサノード証明書が正当且つ有効である場合に、前記センサノードとの前記ローカル通信を続行する構成としてもよい。
また、前記モバイル端末は、前記センサノードへ前記ローカル通信により接続リクエストを送信し、前記センサノードは、前記接続リクエストに応じてチャレンジ文を生成し、前記チャレンジ文は、前記センサノードから前記モバイル端末へ前記ローカル通信により送信され、更に前記モバイル端末から前記サーバへ前記モバイル回線通信を介して送信され、前記サーバは、受信した前記チャレンジ文に対応するレスポンス文を生成し、前記レスポンス文は、前記サーバから前記モバイル端末へ前記モバイル回線通信を介して送信され、更に前記モバイル端末から前記センサノードへ前記ローカル通信により送信され、前記センサノードは、前記チャレンジ文に対応して前記サーバで生成された前記レスポンス文を確認し、前記レスポンス文が適切である場合に、前記モバイル端末との前記ローカル通信を続行する構成としてもよい。
また、前記センサノードは、第３の暗号鍵を更に有し、前記サーバは、前記第３の暗号鍵を用いて暗号化されたデータを復号可能な第４の暗号鍵を更に有し、前記チャレンジ文は、前記センサノードで前記第３の暗号鍵を用いて暗号化され、前記センサノードから前記モバイル端末へ前記ローカル通信により送信され、更に前記モバイル端末から前記サーバへ前記モバイル回線通信を介して送信され、前記サーバで前記第４の暗号鍵を用いて復号される構成としてもよい。
また、前記センサノードは、第５の暗号鍵と、前記第５の暗号鍵を用いて暗号化されたデータを復号可能な第６の暗号鍵を更に有し、前記第５の暗号鍵は、前記センサノードで前記チャレンジ文と共に前記第３の暗号鍵を用いて暗号化され、前記センサノードから前記モバイル端末へ前記ローカル通信により送信され、更に前記モバイル端末から前記サーバへ前記モバイル回線通信を介して送信され、前記サーバで前記第４の暗号鍵を用いて復号され、前記レスポンス文は、前記サーバで前記第５の暗号鍵を用いて暗号化され、前記サーバから前記モバイル端末へ前記モバイル回線通信を介して送信され、更に前記モバイル端末から前記センサノードへ前記ローカル通信により送信され、前記センサノードで前記第６の暗号鍵を用いて復号される構成としてもよい。
また、前記センサノードは、前記センシングデータに基づいて乱数を発生する乱数発生器を備え、前記ローカル通信のセッション毎に、前記乱数発生器により発生された乱数を用いて前記チャレンジ文を生成する構成としてもよい。
本発明によれば、モバイル端末とセンサノードとの間のローカル通信を効率的かつ安全に行うことが可能な通信システムを提供することができる。
従来例に係るＩｏＴ通信システムの概観図である。 本発明の一実施形態に係るＩｏＴ通信システムの概観図である。 本発明の第１実施例及び第２実施例を説明するシーケンス図である。 本発明の第３実施例を説明するシーケンス図である。 本発明の第４実施例を説明するシーケンス図である。 本発明の第５実施例及び第６実施例を説明するシーケンス図である。 本発明の第７実施例を説明するシーケンス図である。
本発明の一実施形態に係るＩｏＴ通信システムについて、図面を参照して説明する。
図２には、本発明の一実施形態に係るＩｏＴ通信システムの概観図であり、センサネットワークを使用した構成を例示している。図２のシステムでは、サーバ２０と、オペレータ端末２１とが、インターネット上、又は、事業所に存在している。また、センサノード２２と、センサネットワーク基地局２３と、ゲートウェイ２４とが、センサネットワーク上に存在している。また、モバイル端末２５と、モバイル回線基地局２６と、ゲートウェイ２７とが、モバイル回線上に存在している。
センサノード２２には、温度・光・圧力などをセンシングするセンサ群２２０が接続されている。センサ群２２０により得られたセンシングデータは、センサネットワーク通信を介してサーバ２０に送信され、サーバ２０で蓄積・分析される。モバイル端末２５は、現地（センサノード２２の設置場所）に赴く作業員によって携帯され、センサノード２２とのローカル通信により、センサノード２２に各種のデータ（例えば、ファームウェアの更新データ）をセットする。また、モバイル端末２５は、モバイル回線通信を介して、サーバ２０とのデータのやり取りを行う。
本例のＩｏＴ通信システムは、モバイル端末２５とサーバ２０との間のモバイル回線通信を利用することで、モバイル端末２５とセンサノード２２との間のローカル通信を効率的かつ安全に行えるようにするものである。ここでいう「効率的」とは、「ローカル通信のポートに対する物理的な鍵を不要にする」、「作業者及びモバイル端末の登録・管理はセンサノードではなくサーバで一括して行う」、「センサノードへのデータのダウンロードにおいてセンサネットワーク通信を低容量及び低頻度に抑制しながら安全な通信を実現する」などを意図したものである。また、「安全」とは、センサノードへのデータのダウンロードにおいて、「暗号化通信のための鍵交換の盗聴を困難にする」、「センサノードへの不正なデータのダウンロードを速やかに検知する」、「モバイル端末がセンサノードの認証を行う」、「センサノードがモバイル端末の認証を行う」、「サーバがモバイル端末の認証を行う」などを意図したものである。
以下、本例のＩｏＴ通信システムの動作について、実施例を用いて説明する。
［第１実施例］
本発明の第１実施例について、図３のシーケンス図を参照しながら説明する。第１実施例は、図３のシーケンスの一部に対応している。
第１実施例では、まず、センサノード２２が、自身の秘密鍵および公開鍵のペアであるセンサノード鍵ペアを生成する（ステップＳ１０１）。センサノード２２は、センサノード鍵ペアの生成を事前に行っておいてもよい。センサノード鍵ペアの公開鍵は、センサノード２２からサーバ２０へセンサネットワーク通信を介して送信され（ステップＳ１０２）、更にサーバ２０からモバイル端末２５へモバイル回線通信を介して送信される（ステップＳ１０３）。
また、モバイル端末２５が、自身の秘密鍵および公開鍵のペアであるモバイル端末鍵ペアを生成する（ステップＳ１０４）。モバイル端末２５は、モバイル端末鍵ペアの生成を事前に行っておいてもよい。モバイル端末鍵ペアの公開鍵は、モバイル端末２５からセンサノード２２へローカル通信により送信される（ステップＳ１０５）。モバイル端末２５は、第三者機関である認証局（ＣＡ：Certification Authority）によってセンサノード２２に対して発行された証明書であるセンサノード証明書を有する場合には、モバイル端末鍵ペアの公開鍵をセンサノード証明書に含まれている公開鍵で暗号化して送信してもよい。
次いで、センサノード２２とモバイル端末２５が、自身の秘密鍵と相手の公開鍵とを組み合わせて共通鍵を生成する（ステップＳ１０６，Ｓ１０７）。すなわち、センサノード２２が、センサノード鍵ペアの秘密鍵とモバイル端末鍵ペアの公開鍵とを組み合わせて共通鍵を生成し、モバイル端末２５が、モバイル端末鍵ペアの秘密鍵とセンサノード鍵ペアの公開鍵とを組み合わせて共通鍵を生成する。この組み合わせ方法は、ディフィー・ヘルマン鍵共有（ＤＨ：Diffie-Hellman key exchange）などの公知の鍵共有方式を用いてもよい。ここで、モバイル端末２５は、モバイル端末鍵ペアの公開鍵がセンサノード証明書の公開鍵で暗号化されている場合は、センサノード証明書の公開鍵とペアをなす秘密鍵を用いて復号すればよい。
そして、センサノード２２とモバイル端末２５は、上記のようにして生成した共通鍵を用いて、以降のローカル通信を暗号化して行う（ステップＳ１０８）。
以上のように、第１実施例では、センサノード鍵ペアの公開鍵が、センサノード２２からサーバ２０へセンサネットワーク通信を介して送信され、更にサーバ２０からモバイル端末２５へモバイル回線通信を介して送信される。また、モバイル端末鍵ペアの公開鍵が、モバイル端末２５からセンサノード２２へローカル通信により送信される。そして、センサノード２２及びモバイル端末２５が、自身の秘密鍵と相手の公開鍵とを組み合わせて共通鍵を生成し、この共通鍵を用いてローカル通信を暗号化する構成となっている。
このように、センサノード２２からモバイル端末２５へのモバイル端末鍵ペアの公開鍵の送信にサーバ２０を介在させることで、サーバ２０に接続できるモバイル端末２５でなければ、センサノード鍵ペアの公開鍵を入手することができなくなる。したがって、ローカル通信の暗号化に使用されるセンサノード鍵ペアの公開鍵が悪意のある者に入手されることを防止できる。また、鍵交換が完了する前のローカル通信の回数を１つ減らすことができるので、通信の安全性をより高めることができる。
更に、モバイル端末鍵ペアの公開鍵を暗号化して送信する場合には、鍵交換が完了する前を含む全てのローカル通信を暗号化することができる。これにより、暗号化通信のための鍵交換の盗聴を困難にすることができる。なお、第１実施例では、モバイル端末２５が、モバイル端末鍵ペアの公開鍵をセンサノード証明書に含まれている公開鍵（第１の暗号鍵）で暗号化し、センサノード２２が、センサノード証明書の公開鍵とペアをなす秘密鍵（第２の暗号鍵）で復号する例について説明しているが、第１及び第２の暗号鍵はこれらに限定されない。
一例として、センサノード２２が、上記のセンサノード鍵ペアとは別に鍵交換用のセンサノード鍵ペアを生成しておき、鍵交換用のセンサノード鍵ペアの公開鍵を第１の暗号鍵とし、鍵交換用のセンサノード鍵ペアの秘密鍵を第２の暗号鍵としてもよい。この場合、モバイル端末２５へサーバ２０経由でセンサノード鍵ペアの公開鍵を送信する際に、これと一緒に鍵交換用のセンサノード鍵ペアの公開鍵（第１の暗号鍵）も送信すればよい。
また別の例として、センサノード２２が、鍵交換用の共通鍵（事前鍵共有方式の共通鍵）を保持しておき、これを第１の暗号鍵および第２の暗号鍵としてもよい。この場合、モバイル端末２５へサーバ２０経由でセンサノード鍵ペアの公開鍵を送信する際に、これと一緒に鍵交換用の共通鍵（第１の暗号鍵）も送信しておけばよい。
［第２実施例］
本発明の第２実施例について、図３のシーケンス図を参照しながら説明する。第２実施例は、図３のシーケンスの一部に対応している。
第２実施例では、第１実施例のステップＳ１０１においてセンサノード鍵ペアを生成する際に、センサノード２２が、センサノード鍵ペアの秘密鍵となる乱数をセンサ群２２０のセンシングデータを加工して生成する。センシングデータに基づく乱数の発生には、種々の乱数発生器を用いることが可能である。一例として、センシングデータの時間的変化確率がほぼ０となる時間間隔とほぼ１となる時間間隔との間の約０．５となる時間間隔でセンシングデータをサンプリングして、変化点（直前のサンプリング時点から値が変化している場合）は「１」、無変化点（直前のサンプリング時点から値が変化していない場合）は「０」としたビット列（乱数）を生成する乱数発生器を用いることができる。また、乱数発生器は、ビット「１」とビット「０」の生成確率が等しくなるような公知の他の乱数発生方式で、物理情報（センサ群２２０で得られるセンシングデータ）に応じた乱数を発生してもよい。
センサノード２２は、上記のような乱数発生器により発生された乱数を用いて、ローカル通信のセッション毎にセンサノード鍵ペアを生成する。したがって、センサノード２２は、センサ群２２０のセンシングデータに応じた真正乱数を元にして、センサノード鍵ペアを生成することができる。
以上のように、第２実施例では、センサノード２２が、センシングデータに基づいて乱数を発生する乱数発生器を備え、ローカル通信のセッション毎に、乱数発生器により発生された乱数を用いてセンサノード鍵ペアを生成する構成となっている。
このように、センサノード鍵ペアの生成に使用する乱数を、センサ群２２０で得られるセンシングデータを加工して生成することで、乱数を発生するために別の物理的装置や機構を追加する必要がなくなる。したがって、追加のコストを抑えながら真正乱数を生成することが可能となる。また、ローカル通信のセッション毎に、その時点のセンシングデータに応じた乱数を用いてセンサノード鍵ペアを生成するので、センサノード鍵ペアの公開鍵を盗まれたとしても、そのセッション以外の暗号化通信の盗聴を困難にすることができる。
［第３実施例］
本発明の第３実施例について、図４のシーケンス図を参照しながら説明する。
モバイル端末２５が、図３のシーケンスに則って鍵交換を行った後に、暗号化したローカル通信によりセンサノード２２へファイルを伝送する（ステップＳ２０１）。その後、モバイル端末２５は、サーバ２０へモバイル回線通信を介してファイル伝送の結果を通知する（ステップＳ２０２）。ファイルの伝送には、ＴＣＰ（Transmission Control Protocol）などの、データ到達性に関する信頼性がある公知のプロトコルを用いてもよい。この場合には、モバイル端末２５は、ファイル伝送の結果として、ファイル伝送の成功／失敗を通知すればよい。また、ファイルの伝送には、ＵＤＰ（User Datagram Protocol）など、データ到達性に関する信頼性がない公知のプロトコルを用いてもよい。この場合には、モバイル端末２５は、ファイル伝送の結果として、ファイル伝送の成功／失敗を通知せずに、一方的なファイル伝送の完了を通知してもよい。
センサノード２２は、モバイル端末２５からファイルを受信すると、そのファイルのハッシュ値を計算する（ステップＳ２０３）。ハッシュ値の計算には、ＳＨＡ－２（Secure Hash Algorithm 2）などの公知のアルゴリズムを用いることができる。また、ハッシュ値の計算では、そのファイルに付随情報を付加したものを入力として用いてもよい。ファイルの付随情報としては、モバイル端末２５を識別するモバイル端末ＩＤ、センサノード２２を識別するセンサノードＩＤ、ファイルのバージョンを示すシーケンシャル番号、更新前後のファイルの有効期限など、そのファイルに関連する種々の情報を用いることができる。センサノード２２は、計算したハッシュ値をサーバ２０へセンサネットワーク通信を介して通知する（ステップＳ２０４）。
サーバ２０は、センサノード２２から通知されたハッシュ値と、予め計算して登録されているファイルのハッシュ値とを照合し、センサノード２２に伝送されたファイルの正当性を検証する（ステップＳ２０５）。そして、ハッシュ値が不整合の場合には、サーバ２０は、不整合アラートをオペレータ端末２１に発報する（ステップＳ２０６）。サーバ２０側でのハッシュ値の計算に用いる入力は、センサノード２２でハッシュ値の計算に用いる入力と同じにして、ハッシュ値の計算の条件を揃える。サーバ２０に予め登録するハッシュ値は、モバイル端末２５で計算してサーバ２０に送信しておいてもよい。不整合アラートは、モバイル端末２５によるファイル伝送に関する通知と、センサノード２２からの通知（ハッシュ値）の照合結果を含んでもよい。
オペレータ端末２１を操作するオペレータは、フィールド対応を行う（ステップＳ２０７）。フィールド対応は、該当するセンサノード２２に最も早く到着できるモバイル端末２５を持つ作業員に実施させてもよい。また、ダウンリンクを含むセンサネットワーク通信を介して、データ到達性に関する信頼性がある通信プロトコルを一度だけ用いて、該当するセンサノード２２を遠隔で制御してもよい。具体的には、ファイル伝送のログをセンサノード２２からサーバ２０へ送信させる制御信号や、センサノード２２の装置起動も含めた機能を停止させる制御信号などの、少量（例えば、数バイト）の制御信号をサーバ２０からセンサノード２２へ送信してもよい。
以上のように、第３実施例では、センサノード２２が、暗号化されたローカル通信により受信したデータのハッシュ値を計算して、センサネットワーク通信によりサーバ２０へ送信する。そして、サーバ２０が、センサノード２２から受信したハッシュ値に基づいて、センサノード２２が受信したデータの正当性を検証する構成となっている。
このような構成により、サーバ２０がセンサノード２２へのローカル通信によるファイル伝送を検知できると共に、そのファイルの正当性も検証できる。したがって、センサノード２２への不正なファイル伝送を、サーバ２０からセンサノード２２へのセンサネットワーク通信のダウンリンクを介さずに検出することができる。また、悪意のあるファームウェアの更新などに対して速やかに（例えば、数秒から数十分で）対応することが可能となる。なお、更なる低遅延な対応は、センサネットワークが在圏情報の管理を常時行っていれば可能であるが、センサネットワークはそのようなシステムではない。
［第４実施例］
本発明の第４実施例について、図５のシーケンス図を参照しながら説明する。
第４実施例では、まず、センサノード２２が、自身の認証用の秘密鍵および公開鍵のペアであるセンサノード認証用鍵ペアを生成する（ステップＳ３０１）。また、センサノード２２は、センサノード認証用鍵ペアの公開鍵に対する証明書であるセンサノード証明書の発行を申請するＣＳＲ（Certificate Signing Request）を、サーバ２０へセンサネットワーク通信を介して送信する（ステップＳ３０２）。
サーバ２０は、センサノード２２からＣＳＲを受信すると、センサノード認証用鍵ペアの公開鍵に対するセンサノード証明書を発行する（ステップＳ３０３）。センサノード証明書は、認証局（ＣＡ）の秘密鍵でＣＳＲに署名することで、発行される。認証局は、サーバ２０であってもよいし、サーバ２０とは別の第三者機関であってもよい。センサネットワークを構築する組織に利用者が限られるケースなど、センサノード証明書の利用者が限定される場合には、これと同じ組織が認証局であってもよいが、後述するセンサノード証明書の検証は行う必要がある。
センサノード認証用鍵ペアは、センサノード２２の工場出荷時に生成しておいてもよく、センサノード２２を現地に設置して初回立ち上げした際に生成してもよい。現地設置後にセンサノード認証用鍵ペアを生成する場合には、センサノード２２からサーバ２０へセンサネットワークを介してセンサノード鍵ペアの公開鍵を送信すればよい。
次いで、モバイル端末２５は、センサノード２２に対してローカル通信により接続リクエストを送信して、センサノード２２へのアクセスを試行する（ステップＳ３０４）。これに対し、センサノード２２は、センサノード２２を識別するセンサノードＩＤを含む任意の応答をモバイル端末２５へ返す（ステップＳ３０５）。モバイル端末２５は、センサノード２２から応答を受信すると、その応答に含まれるセンサノードＩＤで識別されるセンサノード２２のセンサノード証明書の送信をサーバ２０に要求する（ステップＳ３０６）。サーバ２０は、モバイル端末２５からの要求に従い、該当するセンサノード証明書をモバイル端末２５へセンサネットワーク通信を介して送信する（ステップＳ３０７）。
次いで、モバイル端末２５は、サーバ２０から受信したセンサノード証明書の正当性及び有効性を確認する（ステップＳ３０８）。センサノード証明書の正当性は、モバイル端末２５に事前にインストールしておいたルート証明書を用いて確認することができる。センサノード証明書の有効性は、センサノード証明書の有効期限と失効リスト（ＣＬＲ：Certificate Revocation Lists）を用いて確認することができる。
モバイル端末２５は、センサノード証明書が正当で有効な場合は、センサノード２２の認証成功としてセンサノード２２とのローカル通信を続行し、そうでない場合は、センサノード２２の認証失敗としてセンサノード２２とのローカル通信を中止する。以下、センサノード２２の認証に成功した場合（センサノード２２とのローカル通信を続行する場合）の動作について説明する。
第４実施例では、モバイル端末２５は、ローカル通信の暗号化に用いる共通鍵を生成する（ステップＳ３０９）。モバイル端末２５は、生成した共通鍵をセンサノード証明書に含まれる公開鍵を用いて暗号化し（ステップＳ３１０）、センサノード２２へローカル通信により送信する（ステップＳ３１１）。センサノード２２は、モバイル端末２５から受信した共通鍵をセンサノード認証用鍵ペアの秘密鍵で復号する（ステップＳ３１２）。
その後、センサノード２２とモバイル端末２５は、上記の共通鍵を用いて、以降のローカル通信を暗号化して行う（ステップＳ３１３）。
そして、モバイル端末２５からセンサノード２２へファイルが伝送された後、第３実施例で説明したように、モバイル端末２５が、サーバ２０へファイル伝送の結果を通知し（ステップＳ３１４）、センサノード２２が、ファイルのハッシュ値をサーバ２０へ通知する（ステップＳ３１５）。その後、センサノード２２から通知されたハッシュ値と、予め計算して登録されているファイルのハッシュ値とを照合し、センサノード２２に伝送されたファイルの正当性を検証する（ステップＳ３１６）。
以上のように、第４実施例では、モバイル端末２５が、センサノード２２とのローカル通信を開始する際に、センサノード証明書をサーバ２０からモバイル回線通信を介して受信し、自身のルート証明書でセンサノード証明書の正当性及び有効性を確認し、センサノード証明書が正当且つ有効である場合に、センサノード２２とのローカル通信を続行する構成となっている。
このように、モバイル端末２５が、センサノード２２とのローカル通信に先立って、サーバ２０からセンサノード証明書を取得して検証することで、センサノード２２の正当性と有効性を確認することができる。したがって、センサノード２２のなりすましを試みる攻撃を防ぐことが可能となる。また、センサノード証明書の公開鍵を用いて暗号化通信のための鍵交換を行えるので、第三者が暗号化されたローカル通信を復号することが困難になる。このため、ローカル通信の盗聴を防ぐことができる。
なお、上記の説明では、モバイル端末２５が、暗号化通信用の共通鍵を生成し、センサノード証明書に含まれる公開鍵で暗号化してセンサノード２２に送信しているが、第１実施例と同様な手法で鍵交換を行ってもよい。すなわち、モバイル端末２５が、モバイル端末鍵ペアの公開鍵をセンサノード証明書の公開鍵で暗号化してセンサノード２２に送信し、センサノード２２とモバイル端末２５が、自身の秘密鍵と相手の公開鍵とを組み合わせて共通鍵を生成してもおい。
［第５実施例］
本発明の第５実施例について、図６のシーケンス図を参照しながら説明する。第５実施例は、図６のシーケンスの一部に対応している。
第５実施例では、まず、モバイル端末２５が、センサノード２２に対してローカル通信により接続リクエストを送信して、センサノード２２へのアクセスを試行する（ステップＳ４０１）。これに対し、センサノード２２は、乱数発生器がその都度生成する乱数を元に、チャレンジ・レスポンス方式の認証に用いるチャレンジ文を生成する（ステップＳ４０２）。また、センサノード２２は、サーバ２０が後にレスポンス文の暗号化に用いるレスポンス暗号鍵とチャレンジ文とのセットを、サーバ２０が有する秘密鍵および公開鍵のペアであるサーバ鍵ペアの公開鍵で暗号化する（ステップＳ４０３）。暗号化されたレスポンス暗号鍵とチャレンジ文とのセットは、センサノード２２からモバイル端末２５へローカル通信により送信される（ステップＳ４０４）。
チャレンジ・レスポンス方式としては、ＳＨＡ－２などの公知のアルゴリズムを用いて求めたチャレンジ文のハッシュ値をレスポンス文とするような、公知のチャレンジ・レスポンス方式を用いてもよい。レスポンス暗号鍵は、センサノード２２が有する秘密鍵および公開鍵のペアにおける公開鍵であってもよく、センサノード２２とサーバ２０で共有する共通鍵であってもよい。
次いで、モバイル端末２５が、チャレンジ文を自身のクライアント証明書とともにモバイル回線通信を介してサーバへ送信する（ステップＳ４０５）。クライアント証明書は、事前に認証局により発行され、モバイル端末２５が保持しているものとする。
次いで、サーバ２０が、モバイル端末２５から受信したクライアント証明書の正当性及び有効性を確認してモバイル端末２５を認証し、暗号化されたチャレンジ文とレスポンス暗号鍵をサーバ鍵ペアの秘密鍵で復号する（ステップＳ４０６）。クライアント証明書の正当性は、サーバ２０に事前にインストールしておいたルート証明書を用いて確認することができる。クライアント証明書の有効性は、クライアント証明書の有効期限と失効リストを用いて確認することができる。
次いで、サーバ２０が、センサノード２２と共通のチャレンジ・レスポンス方式でチャレンジ文に対するレスポンス文を生成し、レスポンス文をレスポンス暗号鍵で暗号化する（ステップＳ４０７）。暗号化されたレスポンス文は、サーバ２０からモバイル端末２５へモバイル回線通信を介して送信され（ステップＳ４０８）、モバイル端末２５からサーバ２０へローカル通信により送信される（ステップＳ４０９）。
次いで、センサノード２２が、暗号化されたレスポンス文をレスポンス暗号鍵で復号し（ステップＳ４１０）、センサノード２２で計算したレスポンス文と照合する（ステップＳ４１１）。その後、センサノード２２は、レスポンス文の照合結果をモバイル端末２５へローカル通信により通知する（ステップＳ４１２）。具体的には、センサノード２２は、レスポンス文が一致した場合は、モバイル端末２５の認証成功としてモバイル端末２５とのローカル通信を続行し、そうでない場合は、モバイル端末２５の認証失敗としてモバイル端末２５とのローカル通信を中止する。
モバイル端末２５の認証に成功した場合（モバイル端末２５とのローカル通信を続行する場合）の動作は、第３実施例と同様である。すなわち、モバイル端末２５からセンサノード２２へファイルが伝送された後（ステップＳ４１３）、モバイル端末２５が、サーバ２０へファイル伝送の結果を通知し（ステップＳ４１４）、センサノード２２が、ファイルのハッシュ値をサーバ２０へ通知する（ステップＳ４１５）。その後、センサノード２２から通知されたハッシュ値と、予め計算して登録されているファイルのハッシュ値とを照合し、センサノード２２に伝送されたファイルの正当性を検証する（ステップＳ４１６）。この場合、モバイル端末２５からセンサノード２２へファイルを伝送するに先立って鍵交換を行い、ローカル通信を暗号化してもよいことは言うまでもない。
以上のように、第５実施例では、モバイル端末２５が、センサノード２２へローカル通信により接続リクエストを送信する。センサノード２２が、接続リクエストに応じてチャレンジ文を生成する。このチャレンジ文は、センサノード２２からモバイル端末２５へローカル通信により送信され、更にモバイル端末２５からサーバ２０へモバイル回線通信を介して送信される。サーバ２０は、受信したチャレンジ文に対応するレスポンス文を生成する。このレスポンス文は、サーバ２０からモバイル端末２５へモバイル回線通信を介して送信され、更にモバイル端末２５からセンサノード２２へローカル通信により送信される。そして、センサノード２２が、チャレンジ文に対応してサーバ２０で生成されたレスポンス文を確認し、レスポンス文が適切である場合に、モバイル端末２５とのローカル通信を続行する構成となっている。
このような構成によれば、センサノード２２から見て、モバイル端末２５が正しいレスポンス文を返すことができるかを検証できるので、センサノード２２がモバイル端末２５の正当性を確認することができる。したがって、モバイル端末２５のなりすましを試みる攻撃を防ぐことが可能となる。
また、第５実施例では、センサノード２２により生成されたチャレンジ文が、センサノード２２でサーバ鍵ペアの公開鍵（第３の暗号鍵）を用いて暗号化され、センサノード２２からモバイル端末２５へローカル通信により送信され、更にモバイル端末２５からサーバ２０へモバイル回線通信を介して送信され、サーバ２０でサーバ鍵ペアの秘密鍵（第４の暗号鍵）を用いて復号される構成となっている。
更に、第５実施例では、センサノード２２が保持するレスポンス暗号鍵が、センサノード２２でチャレンジ文と共に暗号化され、センサノード２２からモバイル端末２５へローカル通信により送信され、更にモバイル端末２５からサーバ２０へモバイル回線通信を介して送信され、サーバ２０で復号される。そして、サーバ２０で生成されたレスポンス文が、サーバ２０でレスポンス暗号鍵（第５の暗号鍵）を用いて暗号化され、サーバ２０からモバイル端末２５へモバイル回線通信を介して送信され、更にモバイル端末２５からセンサノード２２へローカル通信により送信され、センサノード２２でレスポンス暗号鍵（第６の暗号鍵）を用いて復号される構成となっている。
このように、チャレンジ文やレスポンス文を暗号化して送信することで、通信途中でチャレンジ文やレスポンス文の盗聴を防止することができる。したがって、チャレンジ文の生成パターンを推定不能にし、同様にレスポンス文を推定不能にできるので、モバイル端末のなりすましを困難にすることができる。なお、第５実施例で挙げた第３の暗号鍵と第４の暗号鍵の組み合わせ、及び、第５の暗号鍵と第６の暗号鍵の組み合わせは一例に過ぎず、秘密鍵および公開鍵のペアであってもよいし、事前鍵共有方式の共通鍵であってもよい。
［第６実施例］
本発明の第６実施例について、図６のシーケンス図を参照しながら説明する。第６実施例は、図６のシーケンスの一部に対応している。
第６実施例では、第５実施例のステップＳ４０２においてチャレンジ文を生成する際に、センサノード２２が、チャレンジ文となる乱数をセンサ群２２０のセンシングデータを加工して生成する。センシングデータに基づく乱数の発生には、第２実施例と同様に、種々の乱数発生器を用いることが可能である。センサノード２２は、上記のような乱数発生器により発生された乱数を用いて、モバイル端末２５からの接続リクエストに応じてチャレンジ文を生成する。
以上のように、第６実施例では、センサノード２２が、センシングデータに基づいて乱数を発生する乱数発生器を備え、ローカル通信のセッション毎に、乱数発生器により発生された乱数を用いてチャレンジ文を生成する構成となっている。
このように、チャレンジ文の生成に使用する乱数を、センサ群２２０で得られるセンシングデータを加工して生成することで、乱数を発生するために別の物理的装置や機構を追加する必要がなくなる。したがって、追加のコストを抑えながら真正乱数を生成することが可能となる。また、ローカル通信のセッション毎に、その時点のセンシングデータに応じた乱数を用いてチャレンジ文を生成するので、チャレンジ文を盗まれたとしても、そのセッション以外の暗号化通信の盗聴を困難にすることができる。
［第７実施例］
本発明の第７実施例について、図７のシーケンス図を参照しながら説明する。
第７実施例では、まず、第４実施例と同様にして、センサノード２２の認証を行う（ステップＳ５０１～Ｓ５０５）。具体的には、モバイル端末２５が、センサノード２２に対してローカル通信により接続リクエストを送信して、センサノード２２へのアクセスを試行する（ステップＳ５０１）。これに対し、センサノード２２は、センサノード２２を識別するセンサノードＩＤを含む任意の応答をモバイル端末２５へ返す（ステップＳ５０２）。モバイル端末２５は、センサノード２２から応答を受信すると、その応答に含まれるセンサノードＩＤで識別されるセンサノード２２のセンサノード証明書の送信をサーバ２０に要求する（ステップＳ５０３）。サーバ２０は、モバイル端末２５からの要求に従い、該当するセンサノード証明書をモバイル端末２５へセンサネットワーク通信を介して送信する（ステップＳ５０４）。その後、モバイル端末２５は、サーバ２０から受信したセンサノード証明書の正当性及び有効性を確認する（ステップＳ５０５）。そして、センサノード証明書が正当で有効な場合はセンサノード２２の認証成功とし、そうでない場合は、センサノード２２の認証失敗とする。
センサノード２２の認証に成功した場合は、第５実施例や第６実施例と同様にして、モバイル端末２５の認証を行う（ステップＳ５０６～Ｓ５１２）。具体的には、モバイル端末２５が、センサノード２２に対してローカル通信により接続リクエストを送信して、センサノード２２へのアクセスを試行する（ステップＳ５０６）。これに対し、センサノード２２は、チャレンジ・レスポンス方式の認証に用いるチャレンジ文を生成して暗号化し、ローカル通信によりモバイル端末２５へ送信する（ステップＳ５０７）。モバイル端末２５は、センサノード２２から暗号化されたチャレンジ文を受信すると、自身のクライアント証明書とともにモバイル回線通信を介してサーバへ送信する（ステップＳ５０８）。サーバ２０は、モバイル端末２５から受信したクライアント証明書の正当性及び有効性を確認した後に、暗号化されたチャレンジ文を復号し、チャレンジ文に対するレスポンス文を生成し、レスポンス文を暗号化する。暗号化されたレスポンス文は、サーバ２０からモバイル端末２５へモバイル回線通信を介して送信され（ステップＳ５０９）、モバイル端末２５からサーバ２０へローカル通信により送信される（ステップＳ５１０）。センサノード２２が、暗号化されたレスポンス文を復号し、センサノード２２で計算したレスポンス文と照合する（ステップＳ５１１）。そして、レスポンス文が一致した場合は、モバイル端末２５の認証成功とし、そうでない場合は、モバイル端末２５の認証失敗とする。
モバイル端末２５の認証にも成功した場合は、第１実施例や第２実施例と同様にして、ローカル通信の暗号化のための鍵交換を行う（ステップＳ５１３）。その後、第３実施例と同様にして、不正ダウンロードの検出を行う（ステップＳ５１４～Ｓ５１７）。具体的には、モバイル端末２５からセンサノード２２へファイルが伝送された後（ステップＳ５１４）、モバイル端末２５が、サーバ２０へファイル伝送の結果を通知し（ステップＳ５１５）、センサノード２２が、ファイルのハッシュ値をサーバ２０へ通知する（ステップＳ５１６）。その後、センサノード２２から通知されたハッシュ値と、予め計算して登録されているファイルのハッシュ値とを照合し、センサノード２２に伝送されたファイルの正当性を検証する（ステップＳ５１７）。
以上のように、第７実施例では、第４実施例に記載のセンサノード認証と、第５実施例や第６実施例に記載のモバイル端末認証とを行った後に、第１実施例や第２実施例に記載の鍵交換を行い、第３実施例に記載の伝送ファイル検証を行う構成となっている。なお、第７実施例では、最初にセンサノード認証を行い、次にモバイル端末認証を行っているが、これらは逆でもよい。
このような構成によれば、センサノード２２とモバイル端末２５との間のローカル通信用のポートを物理的な鍵でロックする必要や、作業者及びモバイル端末１５についてＩＤ／パスワード認証や生体認証などを行う必要がない。また、１回のセンサネットワークのアップリンク通信でセンサノード認証とモバイル端末認証を行えるので、安全に共通鍵交換を行うことが可能となる。また、センサノード２２への不正なデータのダウンロード検出を、センサネットワークのアップリンク通信を用いて行ったとしても、センサネットワークのアップリンク通信は２回で済むので、効率的かつ安全にローカル通信を行うことができる。また、センサノード認証とモバイル端末認証に失敗した場合には、センサネットワークの通信を行わずに、その他の通信手段によって攻撃者への対処を行うことが可能となる。
ここで、上記の実施例は、センサノード２２自身が使用するデータ（例えば、ファームウェアの更新データ）を、ローカル通信によりセンサノード２２からモバイル端末２５へ送信する構成となっているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、センサノード２２に接続された他の装置に対するデータをセンサノード２２とモバイル端末２５とのローカル通信により送信する場合にも、本発明を適用することが可能である。例えば、センサノード２２に接続された映像再生装置に対して再生用の映像コンテンツのデータをセットする場合にも、上述したシーケンスと同様の手順を用いることができる。
なお、ＩｏＴ通信システムは、その規模が１０００台程度に限定されず、１００万台以上のデバイスを管理するケースも想定されている。したがって、センサネットワークを使用した通信システムでは、センサネットワーク通信だけでなく、センサノードとのローカル通信を含むあらゆる通信に対して、効率的で安全な通信手段を確立する必要がある。このため、本発明は、ＩｏＴ通信システムに好適である。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記のような構成に限定されるものではなく、上記以外の構成により実現してもよいことは言うまでもない。
また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法や方式、そのような方法や方式をプロセッサやメモリ等のハードウェア資源を有するコンピュータにより実現するためのプログラム、そのプログラムを記憶する記憶媒体などとして提供することも可能である。
本発明は、センサからセンシングデータを取得するセンサノードと、センサノードにセンサネットワーク通信を介して接続されるサーバとを備えた通信システムに利用することができる。
１０：サーバ、 １１：オペレータ端末、 １２：センサノード、 １２０：センサ群、 １３：センサネットワーク基地局、 １４：ゲートウェイ、 １５：モバイル端末、 ２０：サーバ、 ２１：オペレータ端末、 ２２：センサノード、 ２２０：センサ群、 ２３：センサネットワーク基地局、 ２４：ゲートウェイ、 ２５：モバイル端末、 ２６：モバイル回線基地局、 ２７：ゲートウェイ

Claims (9)

  1. センサからセンシングデータを取得するセンサノードと、前記センサノードにセンサネットワーク通信を介して接続されるサーバとを備えた通信システムにおいて、
    前記サーバにモバイル回線通信を介して接続されるとともに、前記センサノードにローカル通信により接続可能なモバイル端末を更に備え、
    前記モバイル端末は、自身の秘密鍵および公開鍵のペアであるモバイル端末鍵ペアを有し、
    前記センサノードは、自身の秘密鍵および公開鍵のペアであるセンサノード鍵ペアを有し、
    前記センサノード鍵ペアの公開鍵は、前記センサノードから前記サーバへ前記センサネットワーク通信を介して送信され、更に前記サーバから前記モバイル端末へ前記モバイル回線通信を介して送信され、
    前記モバイル端末鍵ペアの公開鍵は、前記モバイル端末から前記センサノードへ前記ローカル通信により送信され、
    前記センサノード及び前記モバイル端末が、自身の秘密鍵と相手の公開鍵とを組み合わせて共通鍵を生成し、前記共通鍵を用いて前記ローカル通信を暗号化することを特徴とする通信システム。
  2. 請求項１に記載の通信システムにおいて、
    前記モバイル端末は、第１の暗号鍵を更に有し、
    前記センサノードは、前記第１の暗号鍵を用いて暗号化されたデータを復号可能な第２の暗号鍵を更に有し、
    前記モバイル端末鍵ペアの公開鍵は、前記モバイル端末で前記第１の暗号鍵を用いて暗号化され、前記モバイル端末から前記センサノードへ前記ローカル通信により送信され、前記センサノードで前記第２の暗号鍵を用いて復号されることを特徴とする通信システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の通信システムにおいて、
    前記センサノードは、前記センシングデータに基づいて乱数を発生する乱数発生器を備え、前記ローカル通信のセッション毎に、前記乱数発生器により発生された乱数を用いて前記センサノード鍵ペアを生成することを特徴とする通信システム。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の通信システムにおいて、
    前記センサノードは、暗号化された前記ローカル通信により受信したデータのハッシュ値を計算して、前記センサネットワーク通信により前記サーバへ送信し、
    前記サーバは、前記センサノードから受信した前記ハッシュ値に基づいて、前記データの正当性を検証することを特徴とする通信システム。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の通信システムにおいて、
    前記センサノードは、自身の認証用の秘密鍵および公開鍵のペアであるセンサノード認証用鍵ペアを有し、
    前記サーバは、前記センサノード認証用鍵ペアの公開鍵を対象に発行した証明書であるセンサノード証明書を有し、
    前記モバイル端末は、前記センサノードとの前記ローカル通信を開始する際に、前記センサノード証明書を前記サーバから前記モバイル回線通信を介して受信し、自身のルート証明書で前記センサノード証明書の正当性及び有効性を確認し、前記センサノード証明書が正当且つ有効である場合に、前記センサノードとの前記ローカル通信を続行することを特徴とする通信システム。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の通信システムにおいて、
    前記モバイル端末は、前記センサノードへ前記ローカル通信により接続リクエストを送信し、
    前記センサノードは、前記接続リクエストに応じてチャレンジ文を生成し、
    前記チャレンジ文は、前記センサノードから前記モバイル端末へ前記ローカル通信により送信され、更に前記モバイル端末から前記サーバへ前記モバイル回線通信を介して送信され、
    前記サーバは、受信した前記チャレンジ文に対応するレスポンス文を生成し、
    前記レスポンス文は、前記サーバから前記モバイル端末へ前記モバイル回線通信を介して送信され、更に前記モバイル端末から前記センサノードへ前記ローカル通信により送信され、
    前記センサノードは、前記チャレンジ文に対応して前記サーバで生成された前記レスポンス文を確認し、前記レスポンス文が適切である場合に、前記モバイル端末との前記ローカル通信を続行することを特徴とする通信システム。
  7. 請求項６に記載の通信システムにおいて、
    前記センサノードは、第３の暗号鍵を更に有し、
    前記サーバは、前記第３の暗号鍵を用いて暗号化されたデータを復号可能な第４の暗号鍵を更に有し、
    前記チャレンジ文は、前記センサノードで前記第３の暗号鍵を用いて暗号化され、前記センサノードから前記モバイル端末へ前記ローカル通信により送信され、更に前記モバイル端末から前記サーバへ前記モバイル回線通信を介して送信され、前記サーバで前記第４の暗号鍵を用いて復号されることを特徴とする通信システム。
  8. 請求項７に記載の通信システムにおいて、
    前記センサノードは、第５の暗号鍵と、前記第５の暗号鍵を用いて暗号化されたデータを復号可能な第６の暗号鍵を更に有し、
    前記第５の暗号鍵は、前記センサノードで前記チャレンジ文と共に前記第３の暗号鍵を用いて暗号化され、前記センサノードから前記モバイル端末へ前記ローカル通信により送信され、更に前記モバイル端末から前記サーバへ前記モバイル回線通信を介して送信され、前記サーバで前記第４の暗号鍵を用いて復号され、
    前記レスポンス文は、前記サーバで前記第５の暗号鍵を用いて暗号化され、前記サーバから前記モバイル端末へ前記モバイル回線通信を介して送信され、更に前記モバイル端末から前記センサノードへ前記ローカル通信により送信され、前記センサノードで前記第６の暗号鍵を用いて復号されることを特徴とする通信システム。
  9. 請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の通信システムにおいて、
    前記センサノードは、前記センシングデータに基づいて乱数を発生する乱数発生器を備え、前記ローカル通信のセッション毎に、前記乱数発生器により発生された乱数を用いて前記チャレンジ文を生成することを特徴とする通信システム。
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