第１回（平成２５年度第１回）CRCフォーラム（平成２５年７月４日（木）開催）「ITシステムの利用者に安全安心をもたらすための研究開発」

超分散技術を応用した
ディザスタリカバリシステムの研究実用化
宮保 憲治 教授
情報環境学部情報環境学科

東京電機大学第１回CRCフォーラム
超分散技術を応用した
ディザスタリカバリシステムの研究実用化-クラウド，超分散ネットワ-クの有効活用－

東京電機大学情報環境学部教授
工博 宮保憲治
miyaho@sie.dendai.ac.jp
http://ine.sie.dendai.ac.jp
於: 東京千住キャンパス1号館2階丹羽ホール
2013年7月4日 17時00分〜17時30分

目次• ディザスタリカバリ(HS-DRT)技術の役割• HS-DRTの技術の概念• HS-DRTの技術の詳細• 実用システムの紹介• これからの展開
秘密動画像伝送への応用例
Android端末（スマホ）への適用例
安全なセンサ-ネットワ-クへの適用

予測不能の災害発生！
引き起こされた業務停止⇒事業継続性の保証が重要（BCP : Business Continuity Plan）

3

事例検証
• 東北地方太平洋沖地震– 直接被害：地震によるサーバ障害や津波による戸籍データの消失– 間接被害(1)：計画停電等により38％企業が事業に何らかの影響を受けた。
– 間接被害(2)：義援金の振り込みが殺到し，10日間におよぶシステム障害が発生。

ディザスタリカバリシステムの研究実用化の背景
情報化社会において電子データの重要性

個人情報の保護
災害時の業務継続の保証

災害・自然災害・サイバーテロ
・盗聴

いかに、重要データを，安全・確実に，完璧に復旧できる，バックアップシステムを、安価に提供できるか。

研究・開発のターゲット• 安全，セキュアーな機能に重点を置いた，効率的なバックアップシステムを，低コストで実現• 自然災害，データ盗聴に，影響されない，バックアップシステムの開発（⇒完全復旧を目標）

ネットワーク活用した超分散技術と，高速暗号技術を活用した「ディザスタリカバリシステム」

2011年3.11東日本大震災⇒ 電子情報基盤が破壊
IT基盤を頼る，社会に大きな混乱
従来：ネットワーク回線の冗長化、データセンタ二重化，複数事業者へ2重帰属(コストがかかる割には、信頼性は不十分)(バックアップ場所が２～３箇所程度では不十分)⇒超分散ネットワーク技術と高速暗号の融合
既存のインフラ設備：殆ど無尽蔵の安価なクラウド,ＰＣ,スマホ,携帯,ディジタルサイネージ

クラウド
クラウド
クラウド

提案するディザスタリカバリシステムの概念(DRT:Disaster Recovery Technology)

HS‐DRT(High Security‐Distribution and Rake Technology)
提案のバックアップシステム

従来のバックアップシステム
地域A
企業 ＃１ 重要なデータ
ファイル

高速ネットワークの資源

企業 #1

企業 #2

企業 #3

重要なデータファイル

重要なデータファイル

重要なデータファイル

ストリーム暗号化、ファイル一体化、分割化、超分散転送専用線

重要なデータファイルの複製

地域B

膨大数のPC,重要なデータ
携帯, スマートホン、ファイルのクラウドの資源
複製

地域C

遊休メモリ、ネットワーク
資源の有効活用

インターネット/VPN, NGN
クラウド
Ｉ

クラウド
ＩＩ

クラウド
ＩＩＩ

ＰＣ，スマートフォン, 携帯等

技術の概要（その1）
メタデータ２

重要データ複製メタデータ１

メタデータ３
分割転送

暗号化

分割化
ストリーム

暗号化：
攪拌処理

F

データセンター
元の重要データの復元に必要な暗号化時の時系列データ

クラウド

ネットワ
|
ク
クラウド

監視センター

メタデータ１
メタデータ２
メタデータ３

監視センター

グリッドノード群
閾値秘密分散を行う
対象のデータ個人のレントゲン写真の単純分割の例

容易

この中で，同一のものを，指示冗長な要素が一部欠落

・・・///*:m
無///・・・

高速
暗号化(櫂?*?><・・Ｋｌ＋＊＊・・?//M本 ・・?//*//?”!&?・・ 便//??・・・・?///(‘&%本a//・・……………………………….
/+*’&/*:
ky///・・・………………..
・・?//JU& /+*’&/*:…………
ky///・・・
J&’(/(伝 ?・・・・//C :*……………….
/// ?・……. …………
///////////・
・・?//* …………..
・・?//* …………
貼//??・・ //??・・…..
・・・・//
Ｘβ///・/////・・//////////////…………
・・//GG/// //////////……..
中/// ?・・///////////………///

分割写真が，正しい暗号鍵で復号に成功した場合
1

２

1

３
１２！
≒５億の組合せ

断片化数８０⇒８０！の組合わせ数⇒400bit のAESと同等の暗号強度

101112２・・?///(‘&

３%本a//・・・・?//*
便//??・・

４５６(櫂?*?><・・Ｋｌ＋＊＊・・・・//
Ｘβ///・・・

・・?//*//??・・

７

８

９・・?//M本//?”!&?・・・・//C :*伝/// ?・・・・?//*
貼//??・・

10

11

12・・?//JU&
J&’(/( ?・・・・//GG///
中/// ?・・/+*’&/*:ky///・・・・・・///*:m
無///・・・

盗聴者は断片ファイルの暗号解読に成功した場合でも，成功した事が，気がつかない！

技術の概要 （その2）
クラウドの最大の課題⇒セキュリティの向上
オリジナル画像

セキュリティ強度が飛躍的に向上
一体化に相当する
デフォルメ処理(画像の属性の撤廃も可能）

分割化

シャフリング
超分散転送（秘密転送）
各断片
データは別鍵で暗号処理

ＨＳ-DRTの採用⇒ 分割化⇒秘密・超分散・別鍵で再暗号化超分散技術を基礎としたHS-DRT⇒新しい概念のセキュリティ 対策を提供
従来 ：一つのデータを一つの秘密鍵で暗号化（データ変換後，一カ所,高々，数か所で厳重に管理）⇒HS−DRT：一つまたは複数データを暗号化後，超分割/シャッフル/再暗号化．
秘密の複数箇所に積極的に分散保管．
（⇒機密性は逆に増加したデータ管理）⇒利用可能な通信リソースを，任意に選択可能

技術の概要 （その3）（一体化処理（ファイル攪拌）の事前導入）
リカバリの対象となるファイルデータ#n#1

暗号化（DES,AES,ストリーム暗号等）後
ファイル一体化処理
4分割した場合の例
グリッドコンピューティ
ングネットワーク
ハッキングされる単位（空間スクランブル）#1ブロックネットワーク#2ブロック#3ブロック#4ブロック

仮に解読に成功した場合
一体化後、分割しているので中身は無意味な乱数列。

・・・・・・・※ap/・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Ab・・・・・・・・・・・・・・・・(無意味な乱数列)

仮に1ブロックが解読できたとしても、元のデータファイルは，全ファイルが集まらない限り，復元できない。
⇒ファイルの一部流出の防止ファイルの高速暗号化（一体化処理の例）（複数ファイルの連結一体化処理も同様に可能）
１つまたは複数ファイルを連結
1

2

12’

12’

0011011000001000

00110110001111100011011000111110

３４３４３’

４10000000

11010110

10000000

11010110

1011111011010110

５６５６５６00110111

0011011000110111

0011011000110111

00110110

1 ＋ 2

2’ ＋ 3

……

……

……

……

……

……

ｎ－１

ｎｎ－１

ｎ

ｎ－１

ｎ

01101000

1111111001101000

1111111001101000

11111110・暗号化対象となるファイルデータ内の隣接ワード毎に可逆演算を実施（例えば２進加算を連続実行）
・ファイルの全ワード数（ｎ）までこの処理を実行し、全てのワードを暗号化処理
・実用的には、処理ワード数や演算処理内容を適宜変更（メタデータ）

ストリーム暗号化とファイル一体化の融合
図面の簡略化のため、各ファイルは、例えば8ビット×nワードでデータが暗号化された状態を示す。

リカバリの対象となるデータ暗号化処理の一例+ (例えばEXOR演算)#(n-2)A から、ある乱数列(ｎ)・・・・・

n

一体化処理(mサイクル実行)

ハッキングされる単位

暗号化された
ワード内容

一体化処理に関わる初めの処理 : Bの状態

B から
１

2・・・・・

分割・配布した順番を特定できない限り、正しい情報をとりだすことは、殆ど不可能。

11000001(#2)’

00000010(#3)#(n-2)#(n-1)

・・・・・・・・・・・・・・・
10000000#nCの状態

11000000(#1)
00000000(#4)

11000001(#2)’#(n-2)#(n-1)

・・・・・・・・・・・・・・・の状態

10000000#n

連続して隣同士の2進加算を継続して実行C から以後の、一体化処理に関わる(最終処理-1) までの処理 :D

11000011
(#3)’

(#1)

(#2)’

(#3)’

(#4)’

(#5)’

(#6)’

#(n-2)’#(n-1)’(#n)’(#n’)+(#1)#1’

E(#1)’(#2)’(#3)’の状態

・・
・【ポイント】

Mサイクル
実行する(m>6が望ましい)

11000000(#1)
00000000
(#4)

・・
・

理由：他のブロック情報と乱数が混入して、一体化されているので、仮に1ブロックが解読できたとしても、正解のデータファイルを回復できない。

・
・
・
・・

・・・・・・・※ap/・・・・・・・・・・・・・Ab・・・・・・・・(無意味な乱数列)

一体化
処理の1
サイクル

(#1)+(#2)
2進加算

・
・
・

一体化処理後、分割されたファイルの一部が、仮に、解読された場合10000000#n(#2)’+(#3)

一体化処理に関わる２回目の処理 :n#(n-1)

(例)

・・
・１

データ拡散

Aの状態

・・・

暗号化後に、一体化処理を含めて、 表現する。(通常は32ビット×nワード構成)
ファイル分割をする例
11000000 00000001 00000010（注）(＃2)’は(＃2)が1度
(#1)
(#2)
(#3)
（データの空間分散化）
一体化処理を行われ、00000000A(#4)
・・・・・・・・・・・・・・・(#4)’

(#5)’

(#6)’

#(n-2)’#(n-1)’(#n)’

A ～ E により、1 ⇒全てのワーサイクル目の一体化 ドが暗号化
処理が完成

暗号強度の定量的な比較① 分割数が20の場合
61

18

ファイルの並べ方の組み合せ=20!≒2 ≒10

この組み合せ数は、DES (54ビット)暗号以上の安全性をもつ② 分割数が40の場合
160

ファイルの並べ方の組み合せ=40!≒2 ≒1047

この組み合せ数は、AES (128ビット) 暗号以上の安全性をもつ③ 分割数が80 の場合
400120ファイルの並べ方の組み合せ=80!≒2 ≒10

この組み合せ数は、400ビット暗号の安全性をもつことと等価であり、このレベルに匹敵する安全性をもつ暗号は、まだ、実用化されていない。

従来のブロック暗号方式との定性的な比較
コスト（演算コスト・メモリコスト等）

WEP:無線LANで適用（暗号鍵：40bit長)DES:インターネットでのSSL等（暗号鍵： 56bit長)AES:インターネットでのSSL等(暗号鍵： 128bit長)

既存の暗号方式

AES

WEP

遊休PCの空き容量等を有効活用するため、コスト増は少ない。

DES

安全性（セキュリティ強度）（暗号解読に必要な処理量）

本方式
240≒1012
15分割相当（15!≒1012）

256≒1016
20分割相当（20!≒1018）

2128≒1038
40分割相当（40!≒1048）

80分割相当（80!≒10120）

ファイルの分割数

本方式(一体化方式＋超分散方式)

HS-DRTエンジンの実装例

ユーザ端末（スマホ等）

対外的な主な成果(1)ソフトピアジャパン委託研究(2)JST（文科省）の競争的研究資金課題採用(3)科研費(基盤研究C)課題採用(4)NICT（高機能光電子融合型パケットルータ基盤技術の研究）(5) HS-DRT 関連の特許出願７件（登録３件）(6) 国際会議 IARIA/ICSNC2009, 2010で二年連続Best Paper Award受賞(7)2010年6月～2013年6月まで展示会出展（審査・採択）① WTP2010 ~ WTP2013（ベストプレゼン賞受賞）②イノベーションジャパン2011～2013 (大学見本市）⇒オーム社のインタビュー：雑誌「OHM」に掲載(8)学術振興基金発明賞受賞（2013.2)(9)電子情報通信学会より招待論文（2013.10予定）

2010年 12月ＮＴＴコミュニケーションズラボとの共同実験開始
ＮＴＴCommunications のクラウドを活用し、アマゾン、Ｇｏｏｇｌｅとの性能評価を実施

2010年10月 イノベーションジャパン2010

上野洋一郎教授の発表

超分散ネットワークを用いた安心・安全なディザスタリカバリ技術

2011年
WTP2011 アカデミアセッション
超分散ネットワーク技術でHS-DRTの紹介

2012 年11月のイノベーションジャパン大学見本市

2012年ワイヤレステクノロジパーク
アカデミックセッション
ベストプレゼンテーション賞受賞
宮保研 遠藤君（院１）2013 年 WTP2013
展示説明ブース（東京ビッグサイト）

HS-DRT技術のもう一つの側面⇒ファイルの回収確率の評価
超分散と複製を組み合わせたメカニズムの評価
スマホ,PCを用いる場合とクラウドを用いる場合の比較

ファイルの回復確率の算出法
p: 断片化ファイル（分散端末）の故障率
ファイル一体化後の元のファイルデータ

複製化されたファイルデータ“n:”複製数(ex）: p=1/5

“m”

1_1

1_2

1_3

1_4

2_1

2_2

2_3

2_4

3_1

3_2

3_3

3_4

4_1

4_2

4_3

4_4

断片化数

(例) 条件: p=1/5
１つの断片化ファイルに着目した時、全ての複製ファイルが回収できない確率＝(p)n =(1/5)n
複製された断片化ファイルの中で、少なくとも１つのファイルが正常に回収できる確率を計算することにより、元のデータファイル回復確率が計算可能

ファイル回復確率n m

例： m (断片化ファイル数) =4, n (複製数) =4={1 – (P) }データの分割・複製の効果
回復率＝（１－Pn）m≒１－mPｎ(PはPC一台あたりの故障率で、通常0.1以下)• 分割数(m)を増やす→暗号強度が増す。
• 複製(n)を増やす→回復率が上がる。
m,n,P(故障率）の値に着目し、ユーザの個別の要求に基づくセキュリティ強度の任意設定

ファイル回復確率の算出例（１）1.0000000000000

断片ファイル数

分割数

30

分割数

50

分割数

100

0.9999999999998

断片ファイル数

0.9999999999996

Fragments

0.9999999999994
0.9999999999992
回復確率の向上に十分な複製数

0.9999999999990
0.9999999999988
0.9999999999986
0.9999999999984

2021222330

冗長数(PC, スマホ等に分散）冗長数(スマホ，PC等に分散）

断片化ファイルの回収不能確率＝1/5

ファイル回復確率の算出例（２）
クラウドストレージ４台以上の時、100分割の場合、回収確率は0.9999999999以上を達成
1.00002
10.99998
0.999960.99994
0.99992
0.99990.99988

分割数 30分割数 50
分割数 100

冗長数(クラウドストレージに分散）

01

2

3

456

クラウドストレージの可用性については、現在99.95％以上の稼動率が達成されている状況に鑑み、安全側に見積もって、P=1/1000を仮定。

HS-DRT技術（１）ファイル暗号化時の演算種別は,XOR演算に限らず,２進の加減算等,可逆演算が可能な演算種別であれば、何でも良く，自由に組み合わせ可能。AESも使用可能。
（２）ストリーム暗号の処理遅延時間は短く，リアルタイムでの高速暗号化・復号化を実現。
（３）安全・高速な暗号方式として甦らせるキー技術[高速暗号化]＋[任意分割]＋[シャフリング化]＋[分割片の再暗号化]＋[異なる複製キー]＋[不特定地域への超分散]一連の処理の組み合わせ手法を時系列的に実現。

現状のクラウドにおける３つの課題と対策①セキュリティ②可用性③堅牢性（完全性）①セキュリティ⇒全ての断片ファイルを集めない限り、復号化は不可能
異種クラウドとの連携⇒クラウドの、セキュリティ上の課題を解決②可用性： 99.999……％ ？
ハードウェア・システム単独で，完璧な可用性を実現するのは困難。

⇒ＨＳ-DRTの特徴⇒自由に、複製数 の設定が可能(クラウドを４つ以上、組み合わせ使用⇒可用性の飛躍的向上）

クラウドの課題（つづき）③ 堅牢性
ストレージクラウド自体が堅牢に、運用されていても、局地的な災害時に備えた、地理的な分散による二重化は、一般には、保証されていない。
⇒HS-DRTでは、広域（地理的）に分散された、(a) 複数のストレージクラウドへ分散保管を行うことができ、(b) 地理的な冗長度を自由に設定できる.
⇒万が一のデータ損失にも、備えることが可能。

クラウドの課題⇒事業継続性
ストレージクラウドを提供するサービスプロバイダの事業が停止してしまう事態が生じた場合の対処方法は？

→より多くの（世界に跨る）複数のストレージクラウドを利用することにより、特定のサービスプロバイダが停止しても影響なくサービスを継続できる。

→特定のサービスプロバイダの事業継続性に影響されない
異質なクラウドを組み合わせるほど、信頼性が高まる性質を積極的に活用

HS-DRT基本動作
The Clouds

Cloud-Watcher

Client

DataBase

Windows/Mac/Android

Datas

Cloud I/F

Storage Controller
F／W

The Internet

Application Server

ApplicationsX
The Cloudsクラウドは大丈夫なのか？
可用性

完全性

いつでもOK？

壊れない？

高くない？

セキュリティ？

コスト

機密性

HS-DRTとクラウドを用いたバックアップの特長@Cloud-DRTbackup 無償オンライン
ストレージ

市販バックアップソフトプライベートクラウド

信頼性

☆

△△

◎

耐障害性

☆

○〜Ｘ

△○

設置性

◎

☆

◎Ｘ

コスト

○☆

◎

Ｘ

拡張性

◎△〜Ｘ

△

◎

超分散HS-DRTの適用例
ファイルサーバ

東京

沖縄

監視バックアップ
DRTbox北海道クラウド対応のHS-DRT技術の実用化
各種ストレージサービス
ストレージクラウド• Webアプリケーション群と連携し、バックエンドに、外部のストレージを[ファイル金庫]として利用。
• 膨大なデータの保管は、廉価な クラウドシステムを利用• 現在，「DRT Backup」として、商用化

アプリケーションクラウド

DBサーバ群

ストレージ
WebAppサーバ

Appサーバ群

分散キャッシュ
Key/Value
ストア方式

ユーザPC
ルータ

HS-DRT
サーバ群

ファイルサーバ群
HS−DRT処理済みデータ
生データ

インターネットサービスログイン

僅かな初期設定

どこをバックアップ？
除外したいものを指定し、スケジュールを決める

復元もファイル単位、フォルダ単位で可能
ダブルクリックで元の場所、違う場所へ

復元もファイル単位、フォルダ単位で可能
ダブルクリックで元の場所、違う場所へ後は勝手に動作

HS‐DRTを応用した映像伝送システムの例
動画映像の秘密分散伝送
監視センタ

監視サイト(スタジオ）
監視カメラ（SANYO VCC -P450）

クラウド

ルータ

H.264
250 - 500Kb/s

ストレージサーバ群（顧客所有）
インターネット

DRTプロセッサ
AtomN270(1.6GHz)
RAM( 1GB)

ギガビットイーサ
モニタ
DRTDRT-プロセッサ

光ファイバ回線 (100M/b/s)
およびワイアレス無線 (3.6Mb/s)

Atom N270

ＤＲＴプロセッサの内部メカニズム

WTP2013 デモ（その２）
秘密動画像伝送システム

ネットワーク

撮影端末

複数の暗号化された、断片データのストリーム

LAN

IPカメラ

DRTエンジン

断片データ

解読不能

中継ノード

再生端末

DRT
1フレーム

分割データ

1フレーム毎にDRTエンジン処理

DRTエンジンによる暗号処理により盗聴されても解読不能
セキュアなリアルタイム通信

WTP2013 デモ（その１）
スマートフォンのバックアップ実験
abc
defgh・gh・

Android端末１でファイルをバックアップ
Android端末２で復元

DRT

Android端末１（バックアップ元）[$#b¥^
32v

・・
・

D%
&q

クラウドストレージ

ネットワーク（3G回線）
メタデータ

DRT
管理サーバ

Android端末２（復元先）

データの流れ有線
無線（テザリング）

クラウド
（電機大学
千葉NTキャンパス）産業界での用途
応用製品１：
DRT box，ファイル金庫, →ドラッグ＆ドロップ的に，手軽に，重要情報をクラウド上にセキュア‐にバックアップ
応用製品２：動画像のセキュアなストリーミング→暗号化＋断片化＋分散転送・保存で機密性を実現
ターゲットユーザ①クラウドを積極的に利用し、コストの低廉化、付加価値のあるデータ保管サービスを実施予定のバックアップ事業者。
②インターネットの低廉化と信頼性向上により、セキュリティの高い（秘密）配信メディアを実施したい中規模のメディア配信事業者③監視映像記録サービスを実現予定のバックアップ事業者

すでに、導入が進んでいる例（１）医療機器メーカの映像保存（２）学習塾の映像配信（３）大学等教育機関の重要データ保管（４）広域車両管理システム（５）行政機関の重要データ保管

多くの企業での実態
現状のバックアップ体制を根本的な見直し、煩雑かつ不経済なデータ管理体制の払拭（１）大容量テープやＤＶＤに記録し、頻繁に離れた場所に保管したり、人手で運んでいる状況。
（２）同じ建物内にＨＤＤ/DVDを配備し,冗長保管する状況。
（３）インターネットを用いて、無防備に転送している状況。
（安全でない暗号化方式の多用）（無料クラウドの多用）（４）高価な専用線でデータバックアップをしている状況。

産業界への広報活動◎現在，実際にクラウドを運用している事業者に対して, 強力な「セキュリティ」機能を付加価値として提供できる。⇒利用ユーザ層の拡大◎特に, 1社のクラウドのみでは,今後,想定されるサイバー攻撃等に対して、十分な安全性を保障することが困難 ⇒ 危険分散が容易。

アマゾン（Amazon)

発明・特許部門
ベストセラー(平成24年3月出版)
第1位（平成25年6月19日）
第9位（平成25年7月1日）

ご清聴ありがとうございました
miyaho@sie.dendai.ac.jp

情報ネットワーク環境研究室（宮保研） ホームページ
http://www.ine.sie.dendai.ac.jp/56