情報処理学会第 81 回全国大会

1X-08

軽量暗号と秘密分散によるデータ共有方式
小林聖哉†

宮崎敏明†

†

会津大学コンピュータ理工学部

1. はじめに
近年、センサや医療機器などの IoT デバイスの利活用が急速に進んでいる。それに伴って、ハードウェアリソースが限られた IoT デバイスにおけるセキュリティ対策の研究も盛んになってきた。
IoT デバイスでは、メモリ使用量や消費電力を抑えつつデータを保護することが求められる。本稿
では、センサなどの IoT デバイスのデータを集約する中継サーバ（エッジノード）を分散配置し、IoT デバイスと中継サーバ間の通信を軽量暗号で、かつ、中継ノード同士の通信を秘密分散法で保護し、しかも複数の経路を用いてデータを送ることで、広域に分散配置された IoT デバイスの軽量かつ安全なデータ共有方式を提案する。
2. 提案システム
図１に提案システムの概要を示す。提案システ
ムは、総計𝑁𝑁台の中継サーバ集合{1, ⋯ , 𝑁𝑁}からななり、それらは互いにネットワークで接続されている。そのうちの１つの中継サーバを𝑥𝑥|1 ≤ 𝑥𝑥 ≤𝑁𝑁とする。個々の中継サーバは、近傍の IoT デバイス（以下、単にデバイス）からのデータを集約し、データを送信・受信できる１つのエンドユーザとして振る舞う。また、他中継サーバを経由して、自分の配下のデバイスへ要求されたデータを、そのデータを要求したエンドユーザに送信する役割を担う。例えば、図１において、右端のエンドユーザが中継サーバ𝑥𝑥にデータ取得要求を発すると、その要求を受信した中継サーバ𝑥𝑥は、データを持つデバイスに要求を出し、当該データを受け取る。この時、対象デバイスと中継サーバ𝑥𝑥間の通信は、後述する軽量暗号を用いて保護する。データを受け取った中継サーバ𝑥𝑥は秘密分散法を用いて当該データを分割し、複数経路を用いて、エンドユーザにデータを届ける。詳細を以下に述べる。
2.1. 軽量暗号の適用
ハードウェアリソースが限られたデバイスに従来の暗号化アルゴリズムを適用すると、その処理が重いために、本来のデバイス動作に支障をき
Data sharing using lightweight encryption and secret sharing
schemeSeiya Kobayashi†, and Toshiaki Miyazaki††School of Computer Science and Engineering, The
University of Aizu

中継サーバ 1

中継サーバ 2
中継サーバ

・・・

軽量暗号

データ取得要求

中継サーバ mエンドユーザ
中継サーバ N

デバイス

中継

図１ 提案システム

たす可能性があり、望ましくない。近年、そのようなデバイスに適用可能な、より低コストで高速な軽量暗号法が研究されている[1]。本稿では、軽量暗号法の 1 つである SPECK 暗号[2]を適用する。SPECK 暗号は、RFID (Radio FrequencyIdentification)などメモリサイズが小さいデバイスにも実装可能で動作が高速であり、しかも、使用できるメモリが限られていても性能低下が小さいことが知られている共通鍵を用いた軽量暗号方式である。デバイスは、通信に際しエンドユーザと共通鍵を共有する必要がある。ここでは、共有鍵は既存プロトコルを用いて事前に共有されていると仮定する。デバイスは、その共通鍵を用いてデータを暗号化し、最寄りの中継サーバへ送る。データを受け取った中継サーバは、次に示す秘密分散法による複数経路配送法を用いて当該データを、それを要求したエンドユーザに配送する。
2.2. 秘密分散法による複数経路配送
中継サーバ間のデータ配送には、シャミアの秘密分散法[4][5]を用いる。秘密分散法では、データを𝑚𝑚個のシェアと呼ぶ部分データに分割し、そのうちの𝑘𝑘個（この𝑘𝑘を閾値と呼ぶ）以上のシェアを得れば元のデータが復元できる。換言すれば、
𝑘𝑘 − 1個以下のシェアからは元のデータを復元できない。このシャミアの秘密分散法を適用することで、データ送信時に悪意のある攻撃者から通信を盗聴されデータを復元されることを困難にする。

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情報処理学会第 81 回全国大会

表１ 評価結果
経路数(=シェア数) 𝑚𝑚閾値 𝑘𝑘

送信時間(ms)

0-177122179344182288186016161897（経由する中継ノード数を０個とした場合）の、遅延も参考として計測した。表１に評価結果を示
図２ 複数経路を用いた秘密分散通信す。シャミアの秘密分散法では、シェア数𝑚𝑚が増えると、各シェアを合計したサイズは元データの次に、中継サーバ𝑥𝑥からエンドユーザへの通信サイズより大きくなり復号にかかる時間も増える。
方法を図 2 に示す。中継サーバ𝑥𝑥は、軽量暗号化
そのため、表 1 から分かるように、シェア数𝑚𝑚の後のデータを、シャミアの秘密分散法を用いて、増加に伴い元データ全体の送信時間は大きくなる。
適当な閾値𝑘𝑘を定め、𝑚𝑚個のシェアに分割する。
しかし、その増加量は、𝑚𝑚 = 16でも、秘密分散
次に N 個の中継サーバから𝑚𝑚個を選び、各中継サ通信を使用しない場合(𝑚𝑚 = 0)に比べ、126ms でーバにシェアとエンドユーザの情報を送信する。
あり、エンドユーザに大きな負荷をかけることな分割されたデータを受信した中継サーバはデータく秘密分散法によるデータの保護が可能なことがをエンドユーザに送信する。なお、中継サーバ𝑥𝑥わかる。さらに、シェアに分割された１つ１つのからエンドユーザに至る各経路の形成は、別途行
データは元のデータサイズより小さいため、それうものとする。上述したように、複数経路を経由ぞれの経路にかかる負担は小さくなる利点がある。
してデータを送ることで、複数の経路を監視しな
4. おわりにければデータを復元することは困難となり、悪意IoT ネットワークにおいて、軽量暗号 SPECKのある攻撃者からデータを守ることができる。とシャミアの秘密分散法を用いたデータ共有方式
3. 実験・評価を提案した。本提案方式では、軽量暗号と秘密分本システムでは、中継サーバがデバイスから受散法によるデータの二重保護と、データ配送時にけ取った軽量暗号化後のデータを復号する必要が複数の経路を用いて配送することで、通信の盗聴ないので、デバイスと中継サーバ間の通信に関しによるデータ漏洩のリスクを軽減し、かつ、各経ては SPECK 暗号単体の性能に依存する。文献[1]路への負担を減らすことができる。によれば、SPECK 暗号は、最も普及している共通
今後は、各中継サーバの負荷状況を加味した配鍵暗号アルゴリズム AES より処理量が小さいため、送経路決定法の開発と、実機IoT エッジノードへ
消費電力を抑えることができ、しかも、他の軽量の実装を目指す。
暗号に比べて少ないメモリサイズ（最小 ROM サイ謝辞
ズ 71 バイト）で実装が可能である。また、文献本研究の一部は、総務省戦略的情報通信研究開発推進[3]によれば、2018 年１月時点で約 70 の論文で制度（SCOPE No.162302008）の支援を受けて実施したものである。
SPECK 軽量暗号の安全性についての議論がなされ参考文献ているが、決定的な攻撃法は見つかっていない。
[1] “CRYPTREC 暗号技術ガイドライン（軽量暗号）,”
次に、中継サーバ𝑥𝑥からエンドユーザへの秘密
http://www.cryptrec.go.jp/report/cryptrec-gl-0001-2016-j.pdf[2] R. Beaulieu, S. Treatman-Clark, D. Shors, B. Weeks, J.
分散法を用いた通信をネットワークシミュレータ
Smith, and L. Wingers, "The SIMON and SPECK lightweightns-3[6]を用いて評価した。ここでは、全体の中
block ciphers," IEEE 52nd ACM/EDAC/IEEE Design
継ノード数𝑁𝑁を𝑁𝑁 = 16、各経路のデータ転送速度
Automation Conference (DAC), 2015. DOI:
10.1145/2744769.2747946(10 MB/s)、その伝播遅延(10 ms)、および元デー[3] R. Beaulieu, D. Shors, J. Smith, S. Treatman-Clark, B.
タサイズ(10 MB)を固定した。また、どの経路も、 Weeks, and L. Wingers, “Notes on the design and analysis of
１つの中継ノードを経由してエンドユーザに接続
Simon and Speck”, 2018-1-19,
https://eprint.iacr.org/2017/560.pdf
されているとした。経路数はシェア数𝑚𝑚と同じと[4] A. Shamir, “How to share a secret,” Communications of the
し、さらに閾値𝑘𝑘も𝑘𝑘 = 𝑚𝑚として、経路数を変えACM,vo. 22, no. 11, pp. 612-613, 1979. DOI:
10.1145/359168.359176
ながら、全データをエンドユーザが受信しデータ[5] 保坂範和, 多田美奈子, 加藤岳久, “秘密分散法とその応を復号できるまでの時間を評価した。加えて、当用,” 東芝レビュー, vol. 62, no. 7, pp.23-26, 2007.
該中継サーバとエンドユーザが直接通信した場合[6] “ns-3 Network Simulator,” https://www.nsnam.org/3-210

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