IoTワイヤレスネットワークにおける認証
データ量削減と通信効率改善技術の実証実験
第9回テストベッド分科会
2020年9⽉23⽇
ジャパンデータコム
今村 祐

研究開発の背景と⽬的
研究開発の背景
ネットワーク技術やセンサデバイスの進化により、パソコンやスマートフォンなどの従来のインターネット 接続端末に加え、家電や自動車、ビルや工場などの、世界中の様々なモノがインターネットへつながり、その数は爆発的に増加している。今後爆発的に増加するワイヤレスIoTデバイスにおいて、セキュリティを確保 するために、ワイヤレスIoTデバイスの機器認証やデバイスが扱うデータ認証が重要となる。このため、認証に係る通信トラフィックの増大による無線リソースの逼迫が想定される。
したがって、セキュリティを確保しつつ、周波数帯域を有効利用する研究開発が望まれる。

研究開発の狙い本研究開発では、軽量認証技術、通信効率改善技術を確立し、今後増大するワイヤレスIoTデバイスの機器認証やデータ認証に関わるデータ通信量増大を抑止し、周波数の有効利用に資することを目的とする。IoTデバイスの増加に伴うデータ量の抑制と同時にセンサー系デバイスの出力するデータの信頼性の確保も重要な要素技術となる。データ量の抑制と信頼性の確保の両立を図る方式として、認証に係る通信トラフィックを削減するためのアグリゲート認証方式[1][2][3]が提案されているが、大量の実デバイスを用いた実証実験による動作確認は困難となる。そこで、百単位以上のデバイスを仮想に存在させ、提案方式の検証を行う仕組みの開発と実証をStarBEDを利用して行なった。
[1] S. Hirose, J. Shikata, “Non-adaptive Group-Testing Aggregate MAC Schemes”, The 14th International Conference on Information Security Practice and Experience (ISPEC2018), LNCS 11125, pp. 357372,Springer, September 2018.
[2] S.Sato, J.Shikata, “Interactive Aggregate Message Authentication Scheme with Detecting Functionality”, Proc. of The 33-rd International Conference on Advanced Information Networking andApplications (AINA2019), pp. 1316-1328, Springer, March 2019.
[3]佐藤慎悟, 四方順司, “追跡機能付き対話型アグリゲートメッセージ認証コードの再考”, 2019年暗号と情報セキュリティシンポジウム (SCIS 2019), 大津，2019年1月.

1アグリゲート認証技術の概要
アグリゲート認証技術とは，横浜国⽴⼤学四⽅教授ら[1][2][3]によって開発された技術で、送信側において多数のIoT デバイスのメッセージにそれぞれ付加されたメッセージ認証⼦（MAC: Message Authentication Code，Tagとも⾔う）を集約（アグリゲート）して送信することにより，通信路の利⽤効率向上を図る技術である．不正メッセージが⼀つでも存在する場合には，それを検出し、さらにそのメッセージを発⽣したデバイスを（ある定められた個数以下であれば）特定することも可能である。
機器 1
データ 1

認証子
生成

フィードバック・チャネル

認証データ 1

受信側

機器 ２
データ ２

認証子
生成

認証データ ２

アグリゲート処理

集約された認証データ
検証★ 通信路を流れる認証
データ量を大幅に削減可能
不正データの機器リスト

機器 n
データ n従来技術

認証子
生成

認証データ n

複数データの完全性を検証

研究開発技術[1] S. Hirose, J. Shikata, “Non-adaptive Group-Testing Aggregate MAC Schemes”, The 14th International Conference on Information Security Practice and Experience (ISPEC2018), LNCS 11125, pp. 357372,Springer, September 2018.
[2] S.Sato, J.Shikata, “Interactive Aggregate Message Authentication Scheme with Detecting Functionality”, Proc. of The 33-rd International Conference on Advanced Information Networking and Applications(AINA2019), pp. 1316-1328, Springer, March 2019.
[3]佐藤慎悟, 四方順司, “追跡機能付き対話型アグリゲートメッセージ認証コードの再考”, 2019年暗号と情報セキュリティシンポジウム (SCIS 2019), 大津，2019年1月.

2アグリゲート認証技術の実装モデル
圧縮率可変アグリゲート認証技術は、あるIoTシステムに⼤量にデバイスが存在する時、ネットワーク内で信頼できるデータを効率的に送信する必要がある場合に有効性を発揮する。そのため多くの⼈が集う場所で、かつサービスを受け取るための認証が必要となる場⾯を検討した結果、多くの⼈が集まるテーマパーク、レジャーランド等を想定するユースケースとした。その上で以下の実装モデルを策定した。
 

  3

圧縮率可変アグリゲート認証技術の実装モデルの仮想化
物理構成では実現が難しい⼤量のIoTデバイスでの実験をStarBED上で仮想化し100台〜1万台規模のIoTデバイスとIoTハブ1台、IoTサーバ1台として構築。

StarBED利⽤規模
物理ノード20台
仮想ノード~1万台

StarBEDでの実装システム集約された認証子を用いてデータの信頼性を検証 

仮想化

 

IoTハブサーバで認証子を集約して圧縮 IoTデバイスからデータと認証子を送信

4圧縮率可変アグリゲート認証技術のシミュレーション結果◆シミュレーション条件
l NICTのStarBED上でシミュレーションを実施。端末は，17byteのヘッダ，20byteのデータおよび32byteのMAC（認証⼦）からなる69byteのパケットを送出
l 端末数n=100,n=1,000およびn=10,000の通り
l IoTハブ、サーバとも1台のN:1:1の構成
l 𝑑-disjunct⾏列を⽤いてフィードバック無しのアグリゲート認証⽅式をIoTハブに実装◆実装と性能評価
圧縮率可変アグリゲート認証技術を⽤いて仮想環境を⽤いた⼤規模の実証評価を⾏った。
仮想環境を⽤いた実証評価では擬似的にIoTデバイス通信を⾏うためにLinux OS上で動作する実装モデルの開発を⾏い、横浜国⽴⼤学から提供されたDisjunct Matrix (以下、「⾏列」と呼ぶ）を⽤いたフィードバックなしのアグリゲート認証技術をIoTデバイス上に実装した。また、擬似的にIoTハブ通信およびIoTサーバー通信を⾏うために、LinuxOS上で動作する実装モデルの開発を⾏い、性能評価を実施した。
IoTデバイスからのデータ送信タイミングを調整、送信パケットの衝突を回避し認証⼦の削減効果を確認した。
IoTハブへ⼊⼒される認証⼦（MACタグ）数と、IoTハブから出⼒される集約された認証⼦（MACタグ）数を⽐較。
(%)
n = 100(%)
n = 1000

100%

100%

d=690%

80%

100%

d = 18

90%

80%

90%

70%

70%

70%

60%

60%

60%

50%

50%

40%

40%

30%

30%

20%

20%

10%

10%

50%

40%

30%

20%

10%

0%
2345

d(%)

6780%
234

56789101112131415

d(%)

161718

1920



80%

212223242526

d = 690%2712 17 22 27 32 37 42 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 62 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 82 87 92 97 98
d(%)

5

実証システムの⽬的• アグリゲート認証技術の有効性の確認– 認証データの削減による通信量の削減[4]– シミュレーション結果 の検証• 実⽤化に向けた課題抽出
例えば– IoTデバイス数のダイナミックな変動[4]山岸他, “アグリゲートメッセージ認証方式の実装と評価”，信学技報, vol.118, no.486, ICSS2018-73, pp.29-33, 2019年3月

想定するサービス（DF AMAC)
IoTデバイス→サーバ> デバイス数の増加に比例して通信量が増加• DF AMACを適用し、通信量を削減•IoTデバイス

IoTデバイス

IoTハブ

サーバ

IoTデバイス：定期的に“状態”をサーバーに送信
サーバ：“状態”に対応したコンテンツを配信

IoTデバイス7想定するサービス（DF AMAC)
IoTデバイスDF AMACの適用箇所

IoTデバイス

IoTハブサーバIoTデバイス：定期的に“状態”をサーバーに送信

IoTデバイス8想定するサービス（DF AMAC)
IoTデバイス

IoTデバイス

IoTハブ

サーバ

サーバ：“状態”に対応したコンテンツを配信

IoTデバイス9想定する実証システム• 位置情報などの、短い情報を扱う– IoTデバイスは、データ送出機能が必須• IoTデバイス数は、ある程度多い– 実証システム構築に対する制約• ⼀定数のIoTデバイスを準備する必要がある– 具体的なアプリケーションは構築しない

IoTデバイスをRFIDで模擬する
10

実証システム
Raspberry Piを利⽤

DF AMACを実装

IoTデバイス

WiFi
IoTデバイスサーバ(Raspberry Pi)

IoTハブ
IoTデバイス

固定データ（20Byte)と対応する認証⼦（20Byte)を出⼒
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実証システム（概観）サーバ

IoTデバイス

IoTハブ

12

実証システム（画⾯）13デバイス数(N)=100
不正デバイス(d)=514

デバイス数(N)=98
不正デバイス(d)=515デバイス数(N)=108
不正デバイス(d)=516

シミュレーション(StarBED) vs 実証システム
デバイス数n=100
DF AMAC n=100
3500

3000

認証子サイズ(Byte)

2500

2000

1500

1000

50002345

検出可能デバイス数d
集約後認証子サイズ(Byte)

678

まとめ
lアグリゲート認証方式[1][2][3] を用いたシステムをStarBED上に実装
l100台〜１万台規模のデバイスで模擬的に通信を⾏い、提案⽅式による認証⼦圧縮機能の効果を検証。
l様々なパラメータに対して、ワイヤレス環境を流れる通信量を測定することで、認証⼦の削減度合いを解析し、認証⼦を30%削減するためのパラメータを明確にした。[4]l1万台のデバイスから1万個のデータが送信される時、不正データの数が69個未満であれば認証⼦を30%削減可能
lStarBEDでの検証結果が実デバイスを⽤いた実証システムとの結果と⼀致していることを確認できた。従って、StarBEDで実施した総端末数(n)と検出可能な不正端末数(d)のシミュレーション結果（n=1000、n=10,000のとき）は、実際のシステムでも実現可能であることが確認できた 。

[1] S. Hirose, J. Shikata, “Non-adaptive Group-Testing Aggregate MAC Schemes”,The 14th International Conference on Information Security Practice and Experience (ISPEC2018), LNCS 11125, pp. 357-372,Springer, September 2018.
[2] S.Sato, J.Shikata, “Interactive Aggregate Message Authentication Scheme with Detecting Functionality”, Proc. of The 33-rd International Conference on Advanced Information Networking and Applications (AINA2019), pp. 1316-1328, Springer,March 2019.
[3]佐藤慎悟, 四方順司, “追跡機能付き対話型アグリゲートメッセージ認証コードの再考”, 2019年暗号と情報セキュリティシンポジウム (SCIS 2019), 大津，2019年1月.
[4]山岸他, “アグリゲートメッセージ認証方式の実装と評価”，信学技報, vol.118, no.486, ICSS2018-73, pp.29-33, 2019年3月.

18謝辞
本研究は、総務省「電波資源拡⼤のための研究開発」のうち「IoTワイヤレスセキュリティ通信における周波数有効利⽤技術に関する研究開発」の委託研究の成果です。本研
究プロジェクトの評価委員の先⽣⽅を始め有益なアドバイ
ス、⽰唆をいただいた関係各位に深く感謝いたします。
また、研究開発の⼀環としてNICT総合テストベットを利⽤させていただきましたことに深く感謝申し上げます。

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