ハードウェアのバイオメトリック的
機器識別技術、クロックフィンガープリンティング
国立高等専門学校機構
小山工業高等専門学校 電気電子創造工学科
准教授 干川 尚人
2021年7月6日
1発表者の略歴
小山高専 電気電子創造工学科
准教授 干川 尚人▼主な経歴
2009年 NTT東日本に入社

情報システム開発エンジニアを経験した
ネットワークサービス技術の研究者です

主に同社のシステム開発を経験

2012年 NTTネットワークサービスシステム研究所に転籍

災害時の安否伝言交換システムの研究開発，IoT/AIのサービス基盤の研究

2018年 小山高専に着任

ネットワークサービス技術，セキュリティ技術，ICT教育技術などを研究

企業では情報システムの開発や維持管理エンジニア，IoT/AIサービス基盤技術の研究などを経験．
産業界と学術界の両方に精通しております（産の立場から，産学連携の経験あり）＜企業時代の主な仕事＞●商用サービス基盤の保守管理ソフトウェアの開発●Web-テレコム連携基盤の研究開発●災害用伝言サービスシステムの開発，維持管理，セキュリティ対応●安否確認向け音声-テキストメディア変換基盤の研究開発●将来IoT/AI向けサービス基盤の研究▼開発に携わったNTT東日本，NTT西日本 災害用伝言板web171
https://www.web171.jp/

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技術ターゲットの背景
実現によって，技術で社会課題解決の期待
少子高齢化
労働力不足
サイバー
空間

現実
空間

情報ソフトウェアが人間の活動を直接支援

Internet of Things (IoT)
現実空間の情報をネットワーク通信でデータとしてサイバー空間に取り込み，現実空間に直接作用する役割

世界中でつながる
IoT機器は500億台超Society 5.0実現に不可欠なキーテクノロジー
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技術ターゲットの背景
IoT向けネットワークサービスならではの特徴
従来のネットワーク
サービス

規模・数

Webサイト

利用する
コンピュータ

従来型システムと比べると…

▼数が膨大

IoT機器

500億超必要なものをどうやって見つける？

街中▼管理品質が低い

管理された
建物内に設置様々な場所に設置

攻撃からどうやって守る？

サーバ
ネットワークアプライアンス

組込制御
センサGW
ウェアラブル▼コンピュータの性能がバラバラ

約10億

設置される
場所

IoTネットワーク
サービス

データセンター

信頼性が高く均質なコンピュータ

用途性能さまざまなコンピュータ違いをどうやって補う？

IoTシステムにとって最適な機器の発見，防御，補完技術が不可欠

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技術ターゲットの背景
IoT機器を利用するサービスアプリケーションに求められるオープン性
サービス
Aサービス
Bサービス
C

＜オープンなIoT＞
サービス，場所，時間，人…問わず，相互にIoT機器を利用できる
必要な時に空いている誰かのカメラ機器をシェア

広域見守りサービス▼便利で快適になるはずのIoTサービスに，危険性や不安感
サイバー空間どころか現実空間も危険！？

機器の乗っ取り（盗聴・詐称）

管理が甘い

今後のIoTサービスの進展とともにサイバー・フィジカルセキュリティの懸念も顕在化していく
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技術ターゲットの背景◆安全なネットワークサービスの利用には認証が必要
機器は識別キーを用いて発見し，認証する認証機関機器を保証します

機器の素性を教えてアプリ
ケーション

識別子を盗み機器をすり替え
正規の機器
識別キー

詐称機器

攻撃者

しかし，識別キーが盗まれると容易に詐称が可能に耐タンパ性の高い識別キーデータ保護技術が必要6

従来技術とその問題点▼現在の研究開発のトレンド
1. ハードウェアベースの保護機構◆耐タンパ性の高い揮発メモリ上の識別キー保護機構⇒電力制約と継続動作が不安定なIoT機器では利用が困難

防御用ハードウェアを実装する◆物理複製困難関数（PUF）による識別キーの生成⇒強固だが，固有のハードウェア機構が必要

2. ソフトウェアベースの保護機構◆ネットワークトラフィック分析による機器特徴の判別
ソフトウェアで解決できるため，幅広い機器に対応できる可能性あり⇒しかし，学習コストが高い．機器の仕様変更に弱い．識別精度が悪い．

現状ではIoT機器向けの保護機構はハードウェアベースが有望だが，実用化には課題あり
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従来技術とその問題点

防御用ハードウェアを実装する

安価で低能力な機器も混ざっているIoT機器に組み込みにくい
すでに使われているIoT機器
では使えない問題

既存の技術方式を規格化，標準化して，製品化そして，必要な数のIoT機器に普及させるまで，どれだけ時間がかかるか？
IoT機器識別技術の課題(1) 迅速な実装可能性(2) 攻撃に対する防御性

早期のSociety 5.0を実現する
イノベーションに不可欠な要素
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クロックフィンガープリンティング
コンピュータの処理能力を持つ機器であれば幅広く実装可能
コピーの困難な識別キーを生成し，識別に利用する
新たなネットワークソフトウェア技術
コンピュータ機器が必ず持っているクロック周波数信号
ネットワーク通信を介して，そのわずかな信号特性の差である「クロックフィンガープリント」を特徴データとして識別子に使う技術
似たイメージ：音紋
同じ発声でも人によって声音が違う
100マイクロ秒前後のクロック信号ズレを観測する

ゆたかな

ゆたかな

Tech Village 音声信号処理の基礎理論（前編）引用 http://www.kumikomi.net/archives/2010/09/ep27riro.php

同じ製品，同じソフトウェア，同じ設定であっても，その違いを見破ることができる

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新技術の特徴
・高い汎用性特別な部品は不要，古い機器でも利用OK
・強固なセキュリティ性
電子部品の特性はコピーできない（攻撃に強い）▼ハードウェアの実装が不要（ソフトウェアのみ）▼計算機としての高性能性も不要（低負荷）▼ネットワーク経由で実行する⇒セキュリティ性と低コスト性の両立を求められる
IoT機器に最適な識別技術であるクロックフィンガープリントの抽出技術とその活用技術が当研究グループの持つコアコンピタンスです10新技術の特徴■識別基盤を利用したシステムの構成例
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新技術の特徴

同機種，同設定のノートパソコン 3台

同機種，同設定のシングルボードコン
ピュータ 3台■クロックフィンガープリントの抽出例（2種の機種に対して，同じ信号源から抽出）

12新技術の特徴

PC1
PC2

PC2
PC3

PC3

PC1

クロックフィンガープリント（信号源A）

クロックフィンガープリント（信号源B）■クロックフィンガープリントの抽出例（同一機種の2種の信号源から抽出）
同機種，同設定の小型パソコン 3台
13新技術の特徴

時刻が128mずれるまでの日数 [日]クロックフィンガープリンティングの応用

同機種，同設定のシングルボードコン
ピュータ 3台

従来の補正技術と比べて約10倍の性能向上を達成
補正なし

従来の補正方式

提案方式■コンピュータシステムの時刻情報のズレを予測し，外部からの補正無しでも長期間正しい時刻を保つ技術
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想定される用途
サイバー空間とフィジカル空間をまたぎ，人々の生活をサポートする
Society 5.0時代の社会システムを安心・安全に利用するICT基盤として例）IoTシェアリングエコノミーベースの広域見守りサービスサービス事業者
所有者の異なる
多様なIoT機器

サービス
インフラ

見守り通知

見守り対象者
サービスを依頼

見守り依頼者

さまざまなIoT機器提供者（事業/個人）

機器の選定
安全監視

機器管理インフラ

レンタルする
IoT機器の選定を依頼

機器の管理用インフラを提供

通信事業者
プラットフォーム事業者

スマートアプリケーションにおけるセキュリティ基盤の要素技術（機器の識別技術）
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想定される用途
3～5年単位の実用化（技術の切り出し，応用）オフィスのディジタル機器資産の管理アプリケーション
情報セキュリティ管理部門などを持たない小規模なオフィスのDX推進
ラベル要らずの機器識別

機器の管理ラベル付与の自動化
物理ラベルに依存しない資産管理

孤立したセンサ機器や頻繁なネットワーク通信を避けたい機器向けの時刻補正プログラム

スタンドアローンコンピュータやバッテリで長時間駆動するセンサ機器を低消費電力に正確な時刻を保つ

時刻異常に伴うプログラム処理トラブルの抑制（アプリの正常動作維持，ログ時刻の正確性担保）16実用化に向けた課題
実用化への次のステップ：識別ソフトウェア基盤の開発と実証
課題(1) 識別ソフトウェアの実装
課題(2) 実運用上の影響除去（外乱，経年劣化などの対応）
課題(3) 非機能性能の向上（識別精度，識別速度）
技術の完成度
アプリケーション
開発

フィールド
トライアルの実施

実用化
基盤技術の確立

原理技術の研究完了

機器識別要素技術の確立

機器識別方式の考案
特徴抽出の高速化（手順の確立）

仮説の検証
原理確認

2018年1月
研究開始

クロック信号指紋の抽出手法（再現性の確認）

識別ソフトウェアの開発

特許
申請

識別技術の基礎研究完了

2020年3月

2021年7月

2022年3月

商用アプリの開発

非機能性能の向上
経年劣化の影響研究（長期運用試験）年月17

企業様への期待■企業の皆様にお力添えいただきたいこと

紹介技術について産業界の視点・知見から，・我々のコア技術が活用できそうなユースケースのご提案
・実用観点の実証環境のご協力
・上記を踏まえた共同研究/商用化サービス開発のご提案

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：情報システム、計算機、情報処理方法、及びプログラム• 出願番号：特願2020-186550• 出願人：独立行政法人国立高等専門学校機構• 発明者：干川 尚人19

お問い合わせ先
国立高等専門学校機構
本部事務局 研究推進課
ＴＥＬ 03-4212-6832
ＦＡＸ 03-4212-6810
e-mail KRA-contact@kosen-k.go.jp

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