(57)【要約】  本発明は、複数のノードを有するネットワークの第１ノードの動作方法であって、（ａ）第１識別子を有する前記第１ノードが、第２識別子を有する第２ノードに前記第１識別子を送信することによって、前記ネットワークに加わるステップと、（ｂ）前記第１ノードが、前記第２識別子に基づき第１キーを生成するステップと、（ｃ）前記第１ノードが、前記第１キーにより前記第２ノードを認証するステップと、（ｄ）前記第１ノードが、前記第１キーと前記第２キーとが等しい場合、第３ノードと通信するステップとを有する方法に関する。
2013509014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノードを有するネットワークの第１ノードの動作方法であって、
（ａ）第１識別子を有する前記第１ノードが、第２識別子を有する第２ノードに前記第１識別子を送信することによって、前記ネットワークに加わるステップと、
（ｂ）前記第１ノードが、前記第２識別子に基づき第１キーを生成するステップと、
（ｃ）前記第１ノードが、前記第１キーにより前記第２ノードを認証するステップと、
（ｄ）前記第１ノードが、前記第１キーと前記第２キーとが等しい場合、第３ノードと通信するステップと、
を有する方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｃ）の後であって前記ステップ（ｄ）の前に、（ｃ’）前記第１ノードが、前記第３ノードへのルートを検出するステップをさらに有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｃ）の後であって前記ステップ（ｃ’）の前に、（ｃ２）前記第１ノードが、通信媒体、ハードウェア又はソフトウェアによる通信遅延など、非暗号化手段に基づく前記ノードの実際の位置を検証するステップをさらに有する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記第３ノードは、第３識別子を有し、
前記ネットワークは、マルチホップネットワークであり、
前記ステップ（ｃ’）は、前記第１ノードが、前記第３ノードへのルートを検出するためのルートリクエストを近隣ノードに送信するステップをさらに有し、
前記ルートリクエストは、前記第３ノードのアドレスと、前記第３識別子に基づき前記第１ノードにより生成された第３キーにより暗号化されたルートリクエストメッセージとを含む、請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】
前記ステップ（ｄ）は、
（ｄ１）前記第３ノードの識別子に基づき第３キーを生成するサブステップと、
（ｄ２）通信を開始するための暗号化されたメッセージを前記第３ノードに送信するため、前記第３キーを用いて第１メッセージを暗号化するサブステップと、
を有する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項６】
前記サブステップ（ｄ２）は、前記第１ノードが、前記第１識別子と共に前記暗号化されたメッセージを送信することを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記第１キーと前記第３キーとは、２つの変数の１つとして前記第１識別子を有する前記２つの変数を有する多項式キー化ルートを推定することによって取得される第１多項式キー材料から生成される、請求項１乃至６何れか一項記載の方法。
【請求項８】
前記第１多項式キー化材料は、前記ステップ（ａ）前にトラストセンターから前記第１ノードによって受信される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第１、第２及び第３識別子は、前記第１、第２及び第３ノードの各自のルーティングアドレスである、請求項１乃至８何れか一項記載の方法。
【請求項１０】
複数のノードを有するネットワークの動作方法であって、
（ａ）第１識別子を有する第１ノードが、第２識別子を有する第２ノードに前記第１識別子を送信することによって、前記ネットワークに加わるステップと、
（ｂ１）前記第１ノードが、前記第２識別子に基づき第１キーを生成するステップと、
（ｂ２）前記第２ノードが、前記第１識別子に基づき第２キーを生成するステップと、
（ｃ）前記第２ノードが、前記第２キーを用いて前記第１ノードを認証するステップと、
（ｄ）前記第１ノードが、前記第１キーと前記第２キーとが等しい場合、第３ノードと通信するステップと、
を有する方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ｃ）の後であって前記ステップ（ｄ）の前に、（ｃ’）前記第１ノードが、前記第３ノードへのルートを検出するステップをさらに有する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記第３ノードは、第３識別子を有し、
前記ネットワークは、マルチホップネットワークであり、
前記ステップ（ｃ’）は、（ｃ’１）前記第１ノードが、前記第３ノードへのルートを検出するためのルートリクエストを前記第１ノードの近隣の第１近隣ノードに送信するステップを有し、
前記ルートリクエストは、前記第３ノードのアドレスと暗号化された第１ルート検証メッセージとを有し、
前記暗号化された第１ルート検証メッセージは、前記第３識別子に基づき前記第１ノードにより生成される第３キーにより暗号化される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ｃ’）はさらに、（ｃ’２）前記第２ノードが、前記第１ノードから前記ルートリクエストを受信し、前記第３識別子に基づき前記第２ノードにより生成された第４キーにより暗号化された第２ルート検証メッセージを生成し、前記第２ルート検証メッセージを含むよう変更された前記ルートリクエストを前記第２ノードの近隣の第２近隣ノードにブロードキャストするステップを有する、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記暗号化された第２ルート検証メッセージは、前記第４キーを用いた前記暗号化された第１ルート検証メッセージの暗号化の結果であり、
前記第２ノードは、前記ルートリクエストにおいて前記第１ルート検証メッセージを前記第２ルート検証メッセージと置換する、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記サブステップ（ｃ’２）は、前記第２ノードが、以降の前記ルートリクエストに前記第２識別子を加えることを含む、請求項１３又は１４記載の方法。
【請求項１６】
前記ステップ（ｃ’）はさらに、
（ｃ’３）前記第３ノードが、前記ルートリクエストを受信するサブステップと、
（ｃ’５）前記第３ノードが、前記第１識別子に基づき前記第３ノードにより生成される第５キーを用いて、前記暗号化された第１ルート検証メッセージを解読するサブステップと、
を有する、請求項１２又は１３記載の方法。
【請求項１７】
前記ステップ（ｃ’）は、前記サブステップ（ｃ’５）の前に、（ｃ’４）前記第３ノードが、前記第２識別子に基づき前記第３ノードにより生成される第６キーを用いて、前記暗号化された第２ルート検証メッセージを解読することを含む、請求項１３乃至１６何れか一項記載の方法。
【請求項１８】
前記ステップ（ｃ’）はさらに、（ｃ’６）前記第３ノードが、前記第５キーにより暗号化された第１ルートリプライ検証メッセージを生成し、前記第１ノードから前記第３ノードへの前記ルートの記述を有するルート検出リプライと、前記第１ルートリプライ検証メッセージとを送信することを含む、請求項１６又は１７記載の方法。
【請求項１９】
ステップ（ｃ’）はさらに、（ｃ’７）前記第２ノードは、前記ルート検出リプライを受信し、前記第２キーにより暗号化される第２ルートリプライ検証メッセージを生成し、前記ルート検出リプライを前記第１ノードに送信することを含み、
前記ルート検出リプライは、前記第２ルートリプライ検証メッセージを含むよう修正される、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記暗号化された第２ルートリプライ検証メッセージは、前記第２キーを用いた前記暗号化された第１ルートリプライ検証メッセージの暗号化の結果であり、
前記第２ノードは、前記ルート検出リプライにおいて前記第１ルート検証メッセージを前記第２ルート検証メッセージと置換する、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記ステップ（ｃ’）はさらに、
（ｃ’８）前記第１ノードが、前記ルート検出リプライを受信するサブステップと、
（ｃ’１０）前記第１ノードが、前記第２キーを用いて前記暗号化された第１ルートリプライ検証メッセージを解読するサブステップと、
を有する、請求項１８乃至２０何れか一項記載の方法。
【請求項２２】
前記ステップ（ｃ’）は、前記サブステップ（ｃ’１０）の前に、（ｃ’９）前記第１ノードが、前記第２キーを用いて前記暗号化された第２ルートリプライ検証メッセージを解読することを含む、請求項１９乃至２１何れか一項記載の方法。
【請求項２３】
前記ステップ（ｃ）において、前記第１ノードが、前記第１識別子に基づき前記第２ノードにより生成された第２キーを受信し、前記第１キーと前記第２キーとを比較することを含む、請求項１０乃至２２何れか一項記載の方法。
【請求項２４】
第１識別子を有し、ネットワークにおいて通信するための送受信機を有するノードであって、
前記送受信機は、第２識別子を有する第２ノードに前記第１識別子を送信することによって前記ネットワークに加わり、前記第１識別子に基づき前記第２ノードにより生成される第２キーにより暗号化される認証メッセージを受信するよう構成され、
当該ノードはさらに、
前記第２識別子に基づき第１キーを生成するよう構成されるキー生成手段と、
前記第１及び第２キーと前記認証メッセージとを比較する制御手段と、
を有し、
前記送受信機は、前記第１キーと前記第２キーとが等しい場合、第３ノードと通信するよう構成されるノード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネットワーク、特に無線センサネットワークにおけるノード動作方法に関する。
【０００２】
本発明は、例えば、ノードが通常はリソース制限のあるＺｉｇｂｅｅ（登録商標）ネットワークやアドホックネットワークであるセンサネットワークなどに関する。
【背景技術】
【０００３】
無線センサネットワーク（ＷＳＮ）は、無線リンクを介し通信する数千のリソース（エネルギー、ＣＰＵなど）制限されたセンサとアクチュエータとを有する可能性がある。ルーティングプロトコルは、多数のノードの間で情報を交換するのに利用される。セキュリティプロトコルは、セキュリティを確保し、基本的なセキュリティサービスを保証するのに利用される。
【０００４】
このようなＷＳＮの具体例として、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）  ＩＰ及び６ＬｏＷＰＡＮネットワークがあげられる。ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）は、キーの配布のため、ＡＯＤＶ（Ａｄ  ｈｏｃ  Ｏｎ  ｄｅｍａｎｄ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ  Ｖｅｃｔｏｒ）ベースのルーティングプロトコルと集中セキュリティアーキテクチャとを利用する。実際、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）ネットワークでは、トラストセンター（Ｔｒｕｓｔ  Ｃｅｎｔｅｒ）が、ネットワークにおいて利用される暗号キーを配布するようにしてもよい。６ＬｏＷＰＡＮは、ルーティングのためＩＥＥＥ８０２．１５．４  ＩＰｖ６に準拠したプロトコルの上で実行される。これについて、近隣検出やルート検出などに必要とされるアドレスの管理は煩雑である。従来のセキュリティプリミティブの利用は、セキュリティアーキテクチャに関してリソース制限のある装置上では実現できない。
【０００５】
このようなネットワークにおける第１の問題は、非セキュアな近隣検出とルーティングプロトコルについて言及する。図１Ａに示される一例となるネットワーク１００では、ノード１０１（ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）エンドデバイスなど）が最初にＺｉｇＢｅｅ（登録商標）ネットワークに加わると、ノード１０１は、当該ノード１０１がネットワークにおいて使用すべきアドレスを受信するルータ１０２〜１０３を検索する。しかしながら、この時点では、ノード１０１はキー化材料を全く有しておらず、当該関連付けはセキュアでない。例えば、攻撃者１０４は、“善良”なルータの役割を演じ、加入した装置１０１に完全に誤ったアドレス／情報を配布する可能性がある。ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）ネットワークキーが認証に利用されたとしても、キーは何れの識別子にもリンクされておらず、攻撃者は複数の身元をシミュレートする可能性があるため、システムは依然として攻撃を受ける可能性がある。
【０００６】
第２の問題は、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）などのセンサネットワークがルーティング及びセキュリティのためのプロトコルオーバヘッドについて言及することである。同一のネットワーク１００における図１Ｂに示される従来のシナリオでは、ノード１０１はまず近隣を検索し、その後に他のノード１０９との通信を所望するノード１０１は、ルーティングプロトコル（ＡＯＤＶなど）をスタートする。ルートがノード１０５，１０６，１０７，１０８にコンタクトすることによって確立されると、ノード１０１とノード１０９との双方が、例えば、キー共有及び認証などのため、セキュリティハンドシェイクを実行することが可能であり、最終的に情報を交換することが可能になる。明らかに、このアプローチは、セキュアでないだけでなく（非セキュアな近隣検出と多数のノードを介した非セキュアなルート検出のため）、エネルギー非効率である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、ネットワークに加入するノードのためのセキュア機構を提供するネットワークの動作方法を提案することである。
【０００８】
本発明の他の課題は、効率的であってセキュアであるルート検出によるネットワークの動作方法を提案することである。
【０００９】
本発明のさらなる他の課題は、上記問題の一部を軽減することである。
【００１０】
本発明は、その主たる目的がルーティングとセキュリティとの間のクロスレイヤ最適化技術によりパフォーマンス（エネルギー消費）とシステム処理（遅延、セキュリティ）とを向上させることである無線センサネットワークにおけるセキュリティとルーティングとに関するいくつかの問題に対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このため、本発明の第１の態様によると、複数のノードを有するネットワークの第１ノードの動作方法であって、（ａ）第１識別子を有する前記第１ノードが、第２識別子を有する第２ノードに前記第１識別子を送信することによって、前記ネットワークに加わるステップと、（ｂ）前記第１ノードが、前記第２識別子に基づき第１キーを生成するステップと、（ｃ）前記第１ノードが、前記第１キーにより前記第２ノードを認証するステップと、（ｄ）前記第１ノードが、前記第１キーと前記第２キーとが等しい場合、第３ノードと通信するステップとを有する方法が提案される。
【００１２】
本発明の第２の態様によると、複数のノードを有するネットワークの動作方法であって、（ａ）第１識別子を有する第１ノードが、第２識別子を有する第２ノードに前記第１識別子を送信することによって、前記ネットワークに加わるステップと、（ｂ１）前記第１ノードが、前記第２識別子に基づき第１キーを生成するステップと、（ｂ２）前記第２ノードが、前記第１識別子に基づき第２キーを生成するステップと、（ｃ）前記第２ノードが、前記第２キーを用いて前記第１ノードを認証するステップと、（ｄ）前記第１ノードが、前記第１キーと前記第２キーとが等しい場合、第３ノードと通信するステップとを有する方法に関する。
【００１３】
本発明の第３の態様によると、本発明の第１及び第２の態様とは独立に又は組み合わせて、複数のノードを有するネットワークの動作方法であって、（ｃ’）前記第１ノードが、前記第３ノードへのルートを検出するステップをさらに有し、前記第３ノードは、第３識別子を有し、前記ネットワークは、マルチホップネットワークであり、前記ステップ（ｃ’）は、（ｃ’１）前記第１ノードが、前記第３ノードへのルートを検出するためのルートリクエストを前記第１ノードの近隣の第１近隣ノードに送信するステップを有し、前記ルートリクエストは、前記第３ノードのアドレスと暗号化された第１ルート検証メッセージとを有し、前記暗号化された第１ルート検証メッセージは、前記第３識別子に基づき前記第１ノードにより生成される第３キーにより暗号化される。
【００１４】
本発明の第４の態様によると、第１識別子を有し、ネットワークにおいて通信するための送受信機を有するノードであって、前記送受信機は、第２識別子を有する第２ノードに前記第１識別子を送信することによって前記ネットワークに加わり、前記第１識別子に基づき前記第２ノードにより生成される第２キーにより暗号化される認証メッセージを受信するよう構成され、当該ノードはさらに、前記第２識別子に基づき第１キーを生成するよう構成されるキー生成手段と、前記第１及び第２キーと前記認証メッセージとを比較する制御手段とを有し、前記送受信機は、前記第１キーと前記第２キーとが等しい場合、第３ノードと通信するよう構成されるノードが提案される。
【発明の効果】
【００１５】
この結果、本アプローチの２つの主要な効果は、キー共有のためのメッセージが交換される必要がないため、セキュアな近隣検出、エネルギーシステム処理と、格納、処理及び交換される情報量を減少させる簡単化されたアドレッシングスキームとである。
【００１６】
本発明の上記及び他の態様は、後述される実施例を参照して明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１Ａ及び１Ｂは、上述した従来のネットワークのブロック図である。
【図２】図２は、従来のネットワークにおけるルーティング機構を表すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の第１実施例によるネットワークのブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施例によるネットワークの動作方法を示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の第３の態様によるネットワークの動作方法を示すフローチャートである。
【図６】図６Ａ〜６Ｄは、本発明の第３の態様の具体例におけるルート検出メッセージのコンテンツを示す。
【図７】図７Ａ〜７Ｄは、本発明の第３の態様の具体例におけるルートリプライメッセージのコンテンツを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、上述した問題点を解消するため、セキュリティとルーティングプロトコルとの間のクロスレイヤ最適化について記載する。主要なアイデアは、キー共有のためのＩＤベースの暗号化方式の利用と、暗号識別子としてのルーティングアドレスの利用とに依拠するものである。
【００１９】
ＩＤベース暗号化は、ノードに割り当てられた識別子とキー化材料とに基づくキー共有及び／又は認証を可能にする。本説明では、主要なアプローチは、多項式に基づくＩＤベースの暗号化システムを利用する。公開鍵暗号化やシードとしてルーティングアドレスを用いる他のキー生成などに基づく他のタイプのＩＤベース暗号化システムもまた存在することに留意されたい。
【００２０】
図１Ａ及び１Ｂに関して上述されたものとしての従来のシステムでは、エンド装置の加入とルート検出とは、図２のフローチャートに従って実行される。この処理は、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）−ＩＰネットワークが１以上のゲートウェイを介しインターネットにサブネット接続されるＺｉｇｂｅｅ（登録商標）ネットワークにおいて説明される。ネットワークの各ノードは、固定的なＩＰアドレスを取得する。サブネットサイズはＺｉｇｂｅｅ（登録商標）ネットワークの最大サイズに一致する２１６個の装置に限定されることが仮定される。同一のサブネットにおけるＩＰアドレスの最後の１６ビットのみが変更される。ネットワークの各装置は、それのＩＰアドレスの最後の１６ビットにリンクされた多項式のシェアを受信する。この多項式のシェアは、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）  ＩＰサブネットの図１Ａ又は１Ｂに示されないトラストセンターによって生成されるルートキー化材料から生成される。従って、ネットワークの装置は、何れか他の装置のＩＰアドレスの最後の１６ビットにおいてそれの多項式のシェアを評価することによって、当該他の装置とのペア単位キーを生成可能である。同じことが、２変数の対称多項式以外の他のキー化材料に適用されてもよい。
【００２１】
図２に示されるように、当該処理は、図１のノード１０９であるノードＣとの通信のためのキーの決定まではセキュアでない。図１Ａに示される近隣検出と図１Ｂに示されるルート検出とは、多数のノードにコンタクトし、攻撃者に遭遇する確率を増大させることを意味する、セキュア化されていないことを意味する。従って、例えば、ノードＡ（図１Ａ及び１Ｂの１０１）がノード１０４により攻撃され、損傷することを確認する危険がある。
【００２２】
この結果、第１実施例では、攻撃のリスクを低下することが提案される。図３は、本実施例が実現されるネットワークを示す。このネットワークでは、ノードＡは、ノードＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｘ，Ｙ，Ｚを有するネットワークに加入する。ノード間の通信のため、ホップ通信が中間ノードにより中継されることが要求される。例えば、ノードＡからノードＣへの通信のため、ノードＢがこの通信を中継することが求められる。ネットワークに加入すると、ノードＡはまずノード検出を実行する必要があり、すなわち、ノードＡは、当該ネットワークに加入することを所望する旨のメッセージをブロードキャストする。ノードＢ及びＸは、このようなメッセージを受信し、ノードＡの識別子に基づくキーにより暗号化された認証メッセージを送信するようにしてもよい。ここで、当該識別子はルーティングアドレスである。
【００２３】
同様に、ノードＡは、検出に対してリプライされる１つ又はすべてのノードに認証メッセージを送信してもよい。この認証メッセージは、ノードＢ及びＸの各自の識別子に基づくキーにより暗号化される。ここで、ノードＡはそれのキー化材料を使用する。このキー化材料は、ネットワークのトラストセンターから取得されるか、複数の可能性によりノードＡに存在するようにしてもよい。
【００２４】
以前の作業において、ノードＡはすでにネットワークに加わるときにキー化材料を有していてもよい。また、システムコンフィギュレーションは、ノードがキー化材料を有して構成されるようにすることも可能である。これは、オフライン又はオンラインで発生する可能性がある。また、ノードの配置後、システムは以下の実施例において説明されるようにセキュアに動作することも可能である。ネットワークノードはキー化材料なしに構成されることも可能である。その後、ネットワークノードが配置され、システムの動作がスタートする。これらのノードは、時間ゼロにおいて非セキュアなネットワークを形成する。この最初のコンフィギュレーションステップ中、ノードはネットワークコーディネータからキー化材料を受信する。キー化材料は、以下に実施例において説明されるような暗号識別子にリンクされる。最後に、以下の実施例で説明されるようにセキュアにネットワークが動作する通常のシステム処理が行われる。
【００２５】
第１実施例が図４に示される。それは以下のように実行されてもよい。
−初期設定：本例では、各ノードは識別子ＩＤを有する有限体における１変数の多項式Ｆ（ＩＤ，ｙ）（ｍｏｄ  ｑ）などの秘密の多項式のキー化材料を受信する。１変数のこれらの多項式は、対称多項式Ｆ（ｘ，ｙ）（ｍｏｄ  ｑ）から生成される。さらに、各ノードはセットアップ中に異なる識別子ＩＤを受信し、当該識別子ＩＤがルーティングアドレスとして利用される。
−図４に示される処理では、システム処理は３つの主要なステップを有する。
・ステップ１：セキュア近隣検出：ノードは、近隣を検索することによってネットワークに加入する。ノードＡが近隣Ｂ又はＸを検出すると、ノードＡは、それの多項式シェアＦ（Ａ，ｙ）（ｍｏｄ  ｑ）を利用して、ｙ＝Ｂによりその多項式を評価することによって、Ｂとのペア単位の秘密を生成する。システムの対称性によって、双方のノードは同一のキーを生成し、認証プロトコルを実行可能である。これが成功した場合、ＡはＢの身元を確認し（従って、セキュアな加入を可能にする）、ＢはＡが加入することが許可されていることを確認している。
【００２６】
ノードＢが高い精度によって実際にそれの近隣であり、当該ノードがさらに離れて配置されないことを確認することを可能にするため、ノードＡは、期間Ｔ以内でハンドシェイクが行われることを要求する。ここで、Ｔは認証ハンドシェイクを実行するためのリファレンス時間である。このようにして、２つの正当なノードの間の中継として機能する攻撃者は遅延Ｄを生じさせ、これにより、全体のハンドシェイク時間はＴ＋Ｄとなり、ネットワーク処理を妨害しようとする試みは失敗することになる。
・ステップ２：ルート検出：ノードＡがネットワークに加入すると、ノードＡは、第３ノードＥにメッセージを送信するためルーティングプロトコルをスタートする。
【００２７】
このステップは、ノードＥへのルートを検出するため、ノードＡがルートリクエストをブロードキャストする（すなわち、それの近隣の何れかの近隣ノードに送信する）ことを含む。ルートリクエストは、ノードＥのアドレス又は識別子を含む。さらに、本発明の他の実施例においてさらに詳細に説明されるように、ルートリクエストは、ノードＥの識別子に基づきノードＡにより生成されたキーにより暗号化されたメッセージを有してもよい。このメッセージは、それが各当事者から知られるとすぐに、単なるルートリクエストコードワード又は他の何れかの便利なコードワードであってもよい。
・ステップ３：セキュアメッセージ送信：最終的に、ノードＡは、それの多項式シェアを利用してＥによりキーを生成する。このキーは、Ｆ（Ａ，ｙ＝Ｅ）（ｍｏｄ  ｑ）として生成され、送信対象のメッセージを暗号化するのに利用される。このようにして、メッセージはキー決定ハンドシェイクを必要とすることなく直接送信可能となる。このメッセージは、ノードＡの識別子と共に送信されてもよい。
【００２８】
このことから、特に図１に示される方法と比較されると、ノードＥがノードＡの識別子によりキーを生成し、メッセージを解読することが可能となるように、このやりとりが処理の実際に早い段階でセキュアになることが明らかである。
【００２９】
以下の変形を有することも可能である。
−公開鍵ベースの暗号化などの他のＩＤベースのシステムの利用
−システムをノードキャプチャにとってより弾力的にするキー化材料のための他の多項式構成の利用
本発明の他の実施例によると、ルート検出をよりセキュアにすることを可能にする方法が検討される。クロスレイヤ最適化は、それが全体的なリソース要求を低減し、新たなキャパシティを提供することを可能にするため、分散化された無線センサネットワークの主要な特徴である。
【００３０】
従来のネットワークにおけるリアクティブなアドホックルーティングプロトコルとして、ＤＹＭＯは、ルート検出とルートメンテナンスとの２つのプロトコル処理を有する。ルートは、ノードがそれのルーティングテーブルに現在ない送信先にパケットを送信する必要があるとき、オンデマンドに検出される。ルートリクエストメッセージは、ブロードキャストを用いてネットワークに流入し、パケットがそれの送信先に到達した場合、蓄積した検出されたパスを含むリプライメッセージが返送される。各ノードは、ノードに関する情報を有するルーティングテーブルを維持する。各エンティティは、（ｉ）送信先アドレス、（ｉｉ）シーケンス番号、（ｉｉｉ）ホップカウント、（ｉｖ）次ホップアドレス、（ｖ）次ホップインタフェース、（ｖｉ）それのゲートウェイ、（ｖｉｉ）プリフィックス、（ｖｉｉｉ）有効タイムアウト、及び（ｉｘ）削除タイムアウトを有してもよい。
【００３１】
一例となるルート検出ハンドシェイクでは、送信元ノードは、ルートリクエスト（ＲＲＥＱ）を送信し、ターゲットからのルートレスポンス（ＲＲＥＰ）メッセージの受信を待機する。この待機時間は、さらなるパラメータＲＲＥＱ＿ＷＡＩＴ＿ＴＩＭＥによって制御される。ノードがＲＲＥＱパケットを受信すると、ノードは、必要に応じてそれのルーティングテーブルを更新する。ＲＲＥＱの送信元のエントリが、例えば、古いものであるなどと判明した場合、ＲＲＥＱは破棄される。そうでない場合、ＲＲＥＱを処理する各ノードは、ＲＲＥＱにアドレスが蓄積されたすべてのノードに対するリバースルートを生成することができる。ＲＲＥＱが送信先に到達すると、それはパケットを処理し、ＲＲＥＱに蓄積された情報を利用して、ルートテーブルのエントリを追加する。その後、ターゲットノードに関する情報（アドレス、シーケンス番号、プリフィックスなど）を含むＲＲＥＱメッセージが、ＲＲＥＱへのレスポンスとして生成される。リバースパスによりリプライが送信されるため、ＤＹＭＯは非対称リンクをサポートしない。ノードがＲＲＥＱを転送することによって実行されるパケット処理は、ＲＲＥＱを転送するノードが実行する処理と同一であり、すなわち、ＲＲＥＱに見つけられる情報は、ＲＲＥＱに各自のアドレスブロックを追加したノードに対するフォワードルートを生成するのに利用可能である。
【００３２】
ルーティングプロトコルは、スプーフィング、変更又は中継されたルーティング情報、選択的転送、Ｓｉｎｋｈｏｌｅアタック、Ｓｙｂｉｌアタック、Ｗｏｒｍｈｏｌｅアタック、ＨＥＬＬＯフラッドアタック又はアクノリッジメントスプーフィングを含む多数の異なるタイプの攻撃を受ける。これらの脅威に対してシステムをプロテクトすることは、攻撃が内部又は外部からのものである可能性があるため困難であり、さらに、ｍｏｔｅクラスの攻撃者よりはるかに強力なラップトップクラスの攻撃者を見つけるようにしてもよい。これに関して、システムは、外部の攻撃者の存在においてこれらの攻撃者を回避することが可能であるべきである。しかしながら、内部の攻撃者が攻撃に関与する場合、望みうる最善のものは正常な劣化である。すなわち、ルーティングプロトコルの効果は、ネットワークの合計ノードに対する危険にされされるノードのレシオにほぼ比例するレートより速くは劣化すべきでない。
【００３３】
ＩＰＳｅｃのセキュリティアーキテクチャは、セキュリティ関連付け及びキー共有のためのＩＫＥ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｋｅｙ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ）、コネクションレスインテグリティ、オリジン認証及びリプライプロテクションのためのＡＵ（Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ  Ｈｅａｄｅｒ）、及び秘匿性、オリジン認証及びコネクションレスインテグリティのためのＥＳＰ（Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎｇ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ  Ｐａｙｌｏａｄ）を有する。さらに、ＩＰＳｅｃは、２つの異なる動作モードを含む。第１のモードであるトランスポートモードは、ネットワーク間及び同一ネットワーク内でトラフィックをエンド・ツー・エンドに送信することを可能にする。第２のモードであるトンネルモードは、非セキュアネットワークを介したセキュアな送信を保証する。
【００３４】
従って、このようなネットワークにおいて効果的かつ実行可能なセキュリティを保証することは、提供される（及び要求される）セキュリティサービス、すなわち、データ秘匿性、データ認証、データインテグリティ、データフレッシュネス、利用性、ロウバストネス、弾力性、耐性、エネルギー効率性及び確実性と、リソース消費の最小化や広範囲の干渉の許容性などのセキュリティチャレンジとの間のトレードオフを提供するアプローチを求めることを要求する。
【００３５】
本実施例の主要なアイデアは、キー決定ハンドシェイクを必要とすることなく、ホスト・ツー・ホストセキュリティを可能にするための６ＬｏＷＰＡＮにおいて利用されるルーティングプロトコルと、ＭＳＰ４３０上に実現される決定的セグメント多様化スキームに基づく多項式アプローチとの組み合わせである。すなわち、それは、ＤＹＭＯなどのルーティングプロトコルをセキュアなルーティングプロトコルに変換することを目的とする。
【００３６】
上記の多項式スキームは身元に基づく暗号化プロトコルであり、すなわち、それは当事者ＡがターゲットノードＢの身元が提供されたＢとのペア単位キーを生成することを可能にする。これは、６ＬｏＷＰＡＮなどの関連するルーティングプロトコルのセキュアなホスト・ツー・ホスト処理に良好に適合する。
【００３７】
これらのコンセプトによると、このクロスレイヤ最適化は、ＤＳＤが基本的なセキュリティサービスを保証するため、キー配布及び決定とＩＥＥＥ８０２．１５．４セキュリティのために利用されるような方法により、６ＬｏＷＰＡＮネットワークのＩＰＳｅｃの処理の変更を伴う。２つのノードが互いに通信することを所望するとき、それらはＩＫＥを開始せず、ＤＳＤを用いて他方の当事者とのペア単位キーを決定する。このキーは、ＥＳＰの代わりに１．５．４セキュリティを用いて情報をプロテクトするのに利用される。当該アプローチは、ＡＵとして何れの機構も含まない。さらに、近隣検出やルーティングテーブルの更新などの各フェーズがセキュアになるように、６ＬｏＷＰＡＮルーティングプロトコルにこれらの変更を統合する。
【００３８】
図２と図４との間の比較は、従来のアプローチと提案されたコンセプトとの間の主要な相違を示す。従来のスキームでは、ルーティングとキー決定とは異なるフェーズにおいて実行される。最初に、２つのノードＡとＢとの間のルートが、ＤＹＭＯなどの従来のルーティングプロトコルを用いて検出される。その後、キー決定ハンドシェイクが、ＡとＢとの間の共通の秘密を生成するため実行可能である。これは、２つの主要な問題点を有する。第１に、ルーティングプロトコル自体がセキュアでない。第２に、キーを生成するため、さらなるメッセージが交換される必要がある。従って、本発明の実施例に関して、これら２つのステップを１つのマージし、キー決定ハンドシェイクの必要を排除するセキュアなルーティングプロトコルを実現することが提案される。これが以下のセクションにおいて説明される。
【００３９】
ＩＤベース暗号化は、セキュリティとルーティングとの間の効率的なクロスレイヤ最適化とセキュアなルーティングプロトコルとを可能にするのに利用可能である。このコンセプトをＤＹＭＯプロトコルに適用する。
【００４０】
センサネットワークの一例となる実施例にリンクされる以下のデザイン決定をすることが提案される。
−各ルーティングアドレスは、ＤＳＤ暗号化識別子として利用される。ＤＳＤ暗号化識別子としてＩＰｖ４又はＩＰｖ６のＩＰアドレスの最後の１６ビットを利用する。この制限は、ＧＦ（２１６＋１）における小さな有限体の利用によるものであることに留意されたい。また、これは６５６３６個までのセンサノードによるサブネットを依然として可能にすることに留意されたい。
−ＩＰアドレスと暗号化識別子とが固定される。
−ＩＤベース暗号化システムとしての決定的セグメント多様化アプローチ
ＤＹＭＯプロトコルの処理は、（ｉ）各ステップにおいて、当事者がピアの信頼性を検証可能であり、（ｉｉ）エンドホストがルートにおけるノードの身元を検証可能であるという意味で、セキュアに動作するようＤＳＤと共に構成される。さらに、キー決定ハンドシェイクの必要性を排除し、通信オーバヘッドを低減する。
【００４１】
第１実施例で示されたように、ルート検出をスタートする前に、ノードは、何れのノードがそれの近隣にあるか知る必要がある。セキュアＤＹＭＯプロトコルのこのフェーズは、次のステップに続く。
【００４２】
１．ノードＡは、それのアドレスＡを含むブロードキャストメッセージである近隣リクエストを送信する。
【００４３】
２．Ａの近隣が、それのアドレスを含むリプライをする。Ａは、未検証の近隣リスト（ＬＮＶＮ）を作成する。
【００４４】
３．Ａは、ａ）他のピアのアドレスと自らのＤＳＤキー材料とに基づき各近隣とのペア単位キーを生成し、ｂ）各近隣との相互認証ハンドシェイクを開始することによって、ＬＮＭＶの近隣を検証する。
【００４５】
４．認証ハンドシェイクが成功したＬＮＶＮのノードが、検証済み近隣リスト（ＬＶＮ）に格納される。
【００４６】
ルート検出に関して、図５、図６Ａ〜Ｄ及び図７Ａ〜Ｄに関して説明される。
【００４７】
ブロードキャストを利用してルート｛Ｂ，Ｃ，Ｄ｝を介しノードＡとノードＥとを接続するルートリクエストメッセージが、ネットワークに入力される。ルートリクエストメッセージは、検出されたルートを検証するための情報を含む。この情報は、ホップ毎に構成される。ステージ０又は図５のステップｃ’１において、当該情報は、｛Ａ→Ｂ，Ｎ０＝ＥＫ＿ＡＢ｛Ａ→Ｂ｝｝の値を有する。ここで、Ａ→Ｂは検出されるルートを表し、Ｎ０＝ＥＫ＿ＡＢ｛Ａ→Ｂ｝はステージ０におけるルート検証情報であり、すなわち、検出されるルートは、Ｂ又はＡのアドレスがそれぞれ与えられたＡ又はＢにおけるＤＳＤアルゴリズムを用いて生成されるＡとＢとの間のペア単位キー（図６ＡのＫＡＢ又はＫ＿ＡＢと示される）により暗号化される。
【００４８】
ノードＢが、ヘッダ（ＨＤ）と、送信元（ＳＲＣはＡである）と、送信先（ＤＥＳＴはＥである）とを有するＳＲＲＥＱパケットを受信すると、ノードは、必要に応じてそれのルーティングテーブルを更新する。ＳＲＲＥＱの送信元のエントリが、例えば、古いものであるなどと判明した場合、ＳＲＲＥＱは破棄される。そうでない場合、ＳＲＲＥＱを処理する各ノードは、ＳＲＲＥＱにアドレスが蓄積されているすべてのノードに対するリバースルートを生成可能である。ノードＢは、図６Ｂに示されるように、送信先Ｂとのペア単位キーによりステージ０においてルート検証情報を暗号化する。さらに、ノードＢは、ＲＯＵＴＥフィールドにおける生成されたルートブロードキャストにそれのアドレスを追加する。
【００４９】
同じことが、図６Ｄに示されるような以降のノードＣ，Ｄについて適用される。各時点で、検証メッセージ（ＶＥＲＩＦフィールド）は、送信先ノード識別子に適用されると、ノードにより取得されたキーを用いて当該検証メッセージの暗号化により次に中継されるルートリクエストメッセージにおいて置換されてもよい。
【００５０】
ＳＲＲＥＱが送信先Ｅに到達すると、ノードＥは、パケットを処理し、ルートテーブルのエントリを追加するためファイルされたＳＲＲＥＱ  ＲＯＵＴＥに蓄積された情報を利用する。ノードＥはまた、ＤＳＤを用いて生成された対応するペア単位キーにより与えられた受信したルートを解読することによって、ルートの有効性を検証可能である。
【００５１】
従って、ノードＥは、ルートの有効性を検証し、当該ルートにおいて損傷したノードがある場所を検出することが可能である。
【００５２】
図７Ａ〜７Ｄに示すことができるように、ルート検出リプライ又はＳＲＲＥＰ（Ｓｅｃｕｒｅ  ＲＲＥＰ）は、ＳＲＲＥＱとほとんど同様に機能するが、逆順である。ステージ０において、ＳＲＲＥＱは、図７Ａに示されるようなルートの確認を含む。各中間ノードＢ，Ｃ，Ｄは、送信先Ａとのペア単位キーによりルート検証情報を暗号化する。各ノードは、近隣検出フェーズ中に決定されたペア単位キーと共に、ルートにおける次のノードにパケットをブロードキャストするのでなくセキュアにユニキャストする必要がある。ＳＲＲＥＰの送信先Ａは、ＤＳＤアルゴリズムを用いてルートのノードとのペア単位キーを生成し、検証情報に対してＮ＋１回（ここでは４回）の解読処理を実行することによって、当該ルートを検証可能である。
【００５３】
ＳＲＲＥＰの受信後、ノードＡは、キーＫＡＥを利用して通信リンクをセキュアにすることによって、検出されたルートを介しメッセージをノードＥに送信できる。
【００５４】
本システムは、より進歩した特徴を提供するよう容易に構成可能である。それらの１つは、ＤＳＤを用いて多項式キー材料から生成される長期の秘密をプロテクトするのに利用されるセッションキーを表し、Ｎ０及びＭ０の２つの臨時のＲＮ０及びＲＭ０を含めることによって、すなわち、Ｎ０＝Ｋ＿ＡＥ｛Ａ→Ｅ，ＲＮ０｝及びＭ０＝Ｋ＿ＥＡ｛Ｅ→Ａ，ＲＭ０｝により容易に生成可能である。ノードＥ及びＡは、ｈａｓｈ（ＫＡＢ｜｜ＲＮ０｜｜ＲＭ０）としてそれぞれＳＲＲＥＱ及びＳＲＲＥＰを受信した後に共通のリンクキーを生成する。ここで、ｈａｓｈ（）は、セキュアな一方向ハッシュ関数を意味する。
【００５５】
ＳＤＹＭＯは、近隣ノードの身元を検証するためのアプローチを含む。このアプローチは、攻撃者が広範囲のアンテナを利用した場合、攻撃者は離れた場所にあるノードとさえ直接通信可能であるため、失敗する。このアプローチはまた、攻撃者がノードを複製した場合にも失敗する。これは、異なるノードのＬＶＮにおける衝突を検索することによって、ネットワークの観点から解決可能である。ここでの主要なアイデアは、離れた位置の２つの善良なノードが極めて高い確率により同じ危険にさらされた近隣を共有しようとし、これにより、これらのノードが確率的な方法によりネットワークから排除可能であるというものである。
【００５６】
このため、暗号化関数Ｍｉ＝ＥＫ−ＩＤｉＡ｛Ｍｉ−１｝がＭｉ＝ＥＫ−ＩＤｉＡ｛ＬＶＮｉ｜Ｍｉ−１｝と置換され（暗号化関数は、何れかの暗号化ブロックを表しうることに留意されたい）、ＬＶＮｉはメッセージに付属される。送信装置と検証装置とは共に、それらのＬＶＮに関するルータのクレームを検証することが可能である。攻撃者が識別子ＩＤのノードをキャプチャし、ネットワークの異なる位置のノードのコピーを配置した場合、同一のノード（及び身元）が異なる場所のノードのＬＶＮに出現することになる。これは、検証装置が当該ノードによる信頼レベルを低下させることを可能にする。
【００５７】
ＳＳＹＭＯは、ＩＤベースの暗号化に基づきより効率的なアプローチを適用することによって、２つの当事者の間のセキュアなルーティングを可能にする。３つの主要な効果、（ｉ）アドレスとしての識別子の利用は、実際のエンドが善良なものであることを送信装置と受信装置とが検証することを可能にし、（ｉｉ）パスの各ノードが、受信装置と送信装置との双方がパスを検証することが可能となるように、ＳＲＲＥＱ又はＳＲＲＥＰにおいてそれぞれ受信装置又は送信装置によるペア単位キーによりメッセージを暗号化する必要があり、（ｉｉｉ）最後に、ＳＲＲＥＱは非セキュアブロードキャストを利用するが、ＳＳＲＥＰはセキュアユニキャストを利用し、これにより、パスのノードがまたネットワークのノードに属するパケットを転送したことを検証可能になる、ということを検討する。
【００５８】
これらの特徴は、関連するセキュアルーティングプロトコルと同様のセキュリティ機能をより効率的な方法で実現することを可能にする。具体的には、ＳＳＹＭＯプロトコルは、各ノードが一意的な識別子を有し、相互認証が実行可能であるため、攻撃者がＳｙｂｉｌ攻撃を開始することを防ぐ。ここでは、ノードが危険にされされ、攻撃者が異なる場所で同一の身元／キー材料を利用する場合、危険にさらされた装置が検出可能であり、当該装置に対する無効メッセージがネットワークに送信されると仮定する。ＨＥＬＬＯフラッド又はＷｏｒｍ攻撃などのより気まぐれな攻撃に対するプロテクションは、さらなる手段を確立することにより可能であろう。例えば、ＨＥＬＬＯフラッド攻撃は、ｙホップ近隣の間でＬＶＮテーブルの最初のｘ個の要素を交換することによって回避されてもよい。全く異なるＬＶＮを有するいくつかのノードが、同一のＩＤがそれらのＬＶＮにあることを検出した場合、当該ノードは、ＨＥＬＬＯフラッド攻撃の罪を犯している候補となるであろう。このような衝突はバースデイパラドックスにより大変可能性があることに留意されたい。
【００５９】
開示されたアプローチは、いくつかの効果を提供する。エネルギー要求は、キー共有が極めて少ないＣＰＵリソースしか必要としないため、かなり小さなものであり、キー共有はＩＤベースの暗号化システムに基づくものであるため、通信は全く必要でない。遅延は同じようにして最小限にされる。セキュアなルート検出は、ｎ＋１回のキー生成処理と２（ｎ＋１）回の暗号化／解読ハンドシェイクとを要求する。ここで、ｎは２つのホストの間のホップ数を示す。これは、ＣＣ２４２０上で利用可能なＡＥＳコプロセッサとＤＳＤの低リソース要求のため極めて効率的に実現可能である。さらに、６ＬｏＷＰＡＮにおいて利用されるオリジナルのＤＹＭＯルーティングプロトコルに求められる変更は最小限である。この結果、システムは容易に更新可能である。
【００６０】
本発明は、ＦＰ６  ＷＡＳＰ  ＥＵプロジェクトのフレームワークにおいて開発されてきた。システムは、ＷＡＳＰプロジェクト又はＷＡＳＰプロジェクトの他のパートナーにより利用可能である。
【００６１】
図５は、上述した方法の各ステップを概略する。
【００６２】
ノードＡからノードＥへのルートを検出する当該処理において、以下のステップを有することが可能である。
【００６３】
（ｃ’１）ノードＡは、それの近隣ノードＢ及びＸにノードＥへのルートを検出するためのルートリクエストをブロードキャストする。ルートリクエストは、ノードＥのアドレス（ＤＥＳＴ）と暗号化された第１ルート検証メッセージ（ＶＥＲＩＦ）とを有する。暗号化された第１ルート検証メッセージは、ノードＥの識別子に基づきノードＡにより生成されたキーＫＡＥにより暗号化される。
【００６４】
（ｃ’２）ノードＢがノードＡからルートリクエストを受信すると、ノードＢは、暗号化された第２ルート検証メッセージＶＥＲＩＦを生成する。暗号化された第２ルート検証メッセージは、ノードＥの識別子に基づきノードＢにより生成されるキーＫＢＥにより暗号化される。ノードＢは、ノードＢの近隣の第２近隣ノードＣにルートリクエストをブロードキャスト（中継）する。しかしながら、ルートリクエストは、フィールドＶＥＲＩＦに第２ルート検証メッセージを含むよう変更される。
【００６５】
暗号化された第２ルート検証メッセージは、暗号化された第１ルート検証メッセージのキーＫＢＥによる暗号化の結果である。ノードＢは、ルートリクエストの第２ルート検証メッセージにより第１ルート検証メッセージを置換する。（ｃ’２）はまた、ノードＢがＲＯＵＴＥフィールドの以降のルートリクエストにそれの識別子を追加することを有してもよい。
【００６６】
（ｃ’３）ノードＥは、ノードＤからルートリクエストを受信する（中間ノードは、簡単化のため省略された）。
【００６７】
（ｃ’４）及び（ｃ’５）ノードＥは、キーＫＥＤ、ＫＥＣ、ＫＥＢ及びＫＥＡによる繰り返しの解読によって、ＶＥＲＩＦフィールドのコードワードを解読する。
【００６８】
（ｃ’６）ノードＥは、暗号化された第１ルートリプライ検証メッセージを生成する。暗号化された第１ルートリプライ検証メッセージはキーＫＥＡにより暗号化され、ノードＥはノードＡからノードＥへのルートの記述を有するルート検出リプライと第１ルートリプライ検証メッセージとを送信する。
【００６９】
（ｃ’７）ノードＢは、ルート検出リプライを受信し、暗号化された第２ルートリプライ検証メッセージを生成する。暗号化された第２ルート検証メッセージは、キーＫＢＡにより暗号化される。その後、ノードＢは、ノードＡにルート検出リプライを送信し、ルート検出リプライは、第２ルートリプライ検証メッセージを含むよう変更される。
【００７０】
（ｃ’８）ノードＡは、ルート検出リプライを受信する。
【００７１】
（ｃ’９）及び（ｃ’１０）ノードＡは、キーＫＡＢ、ＫＡＣ、ＫＡＤ及びＫＡＥによる繰り返しの解読によって、ＶＥＲＩＦフィールドのコードワードを解読する。
【００７２】
他の適用エリアは、分散システム、センサネットワーク及び通信ネットワークを含む。
【００７３】
本明細書及び請求項では、要素に先行する“ある”という単語は、当該要素が複数存在することを排除するものでない。さらに、“有する”という単語は、列記された以外の要素又はステップの存在を排除するものでない。
【００７４】
請求項の括弧内に参照符号を含めることは、理解に役立てるためのものであり、限定的なものでない。
【００７５】
本開示を読むことから、他の改良が当業者に明らかになるであろう。このような改良は、無線通信の分野においてすでに知られている他の特徴に関するものであってもよい。
【図１Ａ】
2013509014.tif 000003
【図１Ｂ】
2013509014.tif 000004
【図２】
2013509014.tif 000005
【図３】
2013509014.tif 000006
【図４】
2013509014.tif 000007
【図５】
2013509014.tif 000008
【図６Ａ】
2013509014.tif 000009
【図６Ｂ】
2013509014.tif 000010
【図６Ｃ】
2013509014.tif 000011
【図６Ｄ】
2013509014.tif 000012
【図７Ａ】
2013509014.tif 000013
【図７Ｂ】
2013509014.tif 000014
【図７Ｃ】
2013509014.tif 000015
【図７Ｄ】
2013509014.tif 000016
【国際調査報告】
2013509014.tif 000017
2013509014.tif 000018