第12回（平成28年度 第3回)

サイバーセキュリティシンポジウム in TDU

ディザスタリカバリ技術の研究-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@mail.dendai.ac.jp
於: 東京千住キャンパス1号館2階丹羽ホール
2017年3 月14日 15時30分〜15時55分

講演内容 (HS-DRTの概要）-高いセキュリティを備えたディザスタリカバリ技術(High Security-Disaster Recovery Technology)• HS-DRTの研究・開発のターゲット• ディザスタリカバリ(HS-DRT)技術の原理• クラウドを利用する実用化システム解説• 今後の展開
秘密動画像伝送への適用
安全な電子メールシステムへの適用「ディザスタ・リカバリ技術」の研究実用化の背景
情報化社会における、電子データ保管の重要性

個人情報の保護
災害時の、業務継続の保証

災害・自然災害・サイバー攻撃・盗聴

いかに、重要データを，安全・確実に，完璧に、保存・回復できる，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‐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技術」を，①クラウド活用のバックアップシステム,②秘密動画伝送システム，➂安全な電子メ-ルシステムに応用

従来技術からの脱皮
HS-DRT (High Security – Distribution and Rake Technology)
または,High Security – Disaster Recovery 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

インターネット/ VPN, NGN
重要なデータファイルの複製

地域B

重要なデータファイルの複製

地域C

膨大数のPC,携帯, スマートホン、クラウドの資源
遊休メモリ、ネットワーク資源の有効活用

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

HS-DRT(ディザスタリカバリ技術)の原理
メタデータ２

重要データ
メタデータ１

複製

メタデータ３
分割転送

暗号化

クラウド

分割化
ストリーム

デ‐タセンタIP/VPN
NGN

監視センタ

暗号化：
攪拌処理

F

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

メタデータ１
メタデータ２
メタデータ３
監視センター閾値秘密分散を行う
対象のデータ

ネ
ッ
ト
ワ
|
ク

クラウド

クラウド

ストレージリソース

情報セキュリティの評価基準
セキュリティの評価のＣＩＡ
C: Confidnentiality :機密性：盗まれない
I : Ingtegurity ：完全性： 改竄されない
A: Aｖailability ：稼働性（稼働率，回復確率）

CIAの全要素は、複数の(異業者の)クラウドを適切に組合みわせて活用することで実現可能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決した処理が可能
1212’

12’00110110

00001000

00110110001111100011011000111110

３４３４３’４10000000

11010110

10000000

11010110

1011111011010110

５６５６５６00110111

0011011000110111

0011011000110111

00110110

1 ＋ 2

2’ ＋ 3

……

……

……

……

……

……

ｎ－１

ｎ

ｎ－１

ｎｎ－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,ＥＸＯＲ演算等を組み合わせ実行）。
・対象ファイルの全ワード数（ｎ）の最後まで,これらの処理を実行し、全てのワードを空間的に攪拌する。
・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）する。

（例）レントゲン写真の分割転送
暗号化＋分割＋シャフリング

① ② ③④ ⑤ ⑥⑦ ⑧ ⑨

⑩ ⑪ ⑫

高速暗号化
（一体化）

・・・///*:m無///・・・⑦(櫂?*?><・・Ｋｌ＋＊＊②＋………………

分割＋/+*’&/*:
ky///・・・

シャフリング(並べ替え)⑪・・?//M本 ・・?//*//?”!&?・・ 便//??・・……………….
・・?///(‘⑤………%本a//・・…..

⑫⑨・・?//JU& &/*:・
J&’(/(伝 ?・・・・//C :*/// ?・///////////・
・・?//* ・・?//*
貼//??・・ //??・・ ・・?///?”!&
・・・・//
Ｘβ///・/
・・//ＧＧ/////・・///////////……………..//⑩①⑧③⑥④………………..
………///

Fisher Yates shuffling アルゴリズム////////’分割写真が仮に正しい暗号鍵で復号に成功
11３２12！
≒５億の組合せ80⇒80！=2400

断片化数の組合わせ数⇒400bit のAESと同等の暗号強度

10111280！
≒無数の組合せ≒（１兆）10２・・?///(‘&

３%本a//・・・・?//*
便//??・・

４５６(櫂?*?><・・Ｋｌ＋＊＊・・・・//
Ｘβ///・・・・・?//*//??・・

７

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

101112・・?//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に気がつかない！

提案技術の可視化イメージ
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

秘密分散が飛躍的に向上
分割化

一体化に相当する
デフォルメ処理(画像の属性識別子の撤廃も可能）

シャフリング
超分散転送（秘密転送）

各断片は別鍵で暗号化
ハッシュ付き

各断片は別鍵で暗号化
ハッシュ付きＨＳ-DRTの採用⇒

分割化⇒ 複製・暗号化・超分散・セキュリティのＣＩＡを実現 （別鍵で再暗号化）

各断片は別鍵で暗号化

HS-DRT技術の効果（一体化処理（ファイル攪拌）の導入）#1

リカバリ対象となるファイルデータ#n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（空間スクランブル）

ネットワークハッキングされる単位
それぞれのブロックは別のクラウドに保存#1ブロック#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

（参考）暗号強度の定量的な比較① 分割数が20の場合
61

ファイルの並べ方の組み合せ=20!≒2 ≒1018

この組み合せ数は、DES (54ビット)暗号以上の安全性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③ 分割数が80 の場合
400

120

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、実用化されていない。

従来の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

安価なクラウド，スマホ空き容量を有効活用するため,コスト増は少.

DES

安全性（セキュリティ強度）（暗号解読に必要な処理量）

本提案
240≒1012
15分割相当（15!≒1012）

256≒1016
20分割相当（20!≒1018）

2128≒1038
AES
128相当

40分割相当（40!≒1048）

AES
80分割相当400120相当 （80!≒10 ）ファイルの分割数

本方式(一体化方式＋超分散方式)

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_22_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の一例
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

20

21

22

23

30

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

HS-DRTエンジンの実装例
事業者内、ユーザ宅に実装する場合のクラウドアクセス用ｴﾝｼﾞﾝ群の構成例
超分散化データ
圧縮エンジン

暗号化エンジン

超分散エンジン

重要
データ
圧縮データ
暗号化データ

ユーザ端末（スマホ等）

メタデータ
処理エンジン

分散化クラウド
アプリケーションサーバ

インターネット
携帯網、NGN等

冗長化エンジン

メタデータ

認証サーバ
設定・管理

分割された
配信データ
ストレージクラウド
ストレージクラウド
ストレージクラウド

複数のクラウドへ、メタデータに基づいてランダム配信

分割データ

冗長化データ配信エンジン

WTP2013 デモスマートフォンのバックアップ実験
abc
def
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）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

デ‐タベ‐スサ‐バ群

ストレージ
WebAppサーバ

ユーザPC

Appサ‐バ群

分散キャッシュ
Key/Value
ストア方式
ルータ

HS-DRT
サーバ群

ユーザPC
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

超分散 HS-DRTの適用例
ファイルサーバ

監視バックアップ東京
DRTbox沖縄

３対地を対象に相互に」バックアップを実現北海道秘密映像伝送システムの実現例
HS-ＤＲＴプロセッサ構造
H.264
カメラ

８つのJPEG動画像
ファイルにファイル

８つのポートに分割転送

８ポートへの分割転送

断片化…

総計で64 ポートを使用
64個のポートに送るため、原理的に６４台のサーバでの分割回収が可能である．
分割/回収が可能
今回は，顧客要望により，顧客要望により，受信１サーバで６４ポート
受信:拠点の回線速度
3.6Mb/s(上り：3.6Mb/s(384kb/s）
上り：384kb/s）インターネットにおける基本的な電子メールシステム
送信端末

受信端末

電文X

電文X

電文X

電文X

SMTP over SSL(エッジ)
メールサーバ

電文X

インターネット
中継
サーバ

電文X

中継サーバ

POP / IMAP over SSL
電文X

(エッジ)
メールサーバ

基本的に１つの経路内での情報伝達
・一つのアカウント,またはマルチアカウントを用いて相手先のアドレスに対してSMTP over SSL/TLS暗号化等を活用。
・ 送信クライアント‐送信メールサーバ間およびクライアント間同士で暗号化されたデータ転送を行う方式

従来の電子メールの課題(1)従来の方式は、基本的には１対１の通信形態でのメ-ル中継をバケツリレ-的に、中継サ-バを介して実現する→①メール内容が利用するプロバイダの中継サ‐バ間で解読される可能性．
→②第３者がアクセス可能なメールサーバに蓄えられた段階で、盗聴される可能性．
（公開鍵暗号の危殆化が想定され，将来的には無視できない。）(2)送信者のなりすましメール問題の解決策として、S/MIMEが ディジタル認証に利用されているが、相変わらず１対１通信形態を前提。
→中継サ-バにおけるデ-タの盗聴や安全性の確保は完全には保障できない。
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セキュアー電子メールシステムの実現方法
送信端末

受信端末

電文X
断片X１

電文X
断片X2

メタﾃﾞｰﾀXM

断片X１

インターネット
プロバイダA
マルチア
カウン
トを利用

(エッジ)
メ‐ルサ‐バ

中継サーバ

X1

X1

中継サーバX1

X2

X2

プロバイダB
中継サーバ

X2

中継サーバ

XM

XM

プロバイダC
中継サーバ

XM

中継サーバ

(エッジ)
メ-ル サ‐バ

断片X2

メタﾃﾞｰﾀXM

セキュア-電子メ-ルシステムを実現する要素技術
発側（端末）から転送する暗号断片（パケット）の 分散転送例
電子メール送信処理部
・電子メールの本文（電文Ｘ）
・宛先メールアドレス
・送信元メールアドレス

暗号処理部
X1、X2

メタデータ生成部
XM

送信部（メーラ）
アカウント選択部

メール送信部

送信メールサーバへセキュア‐電子メールへの実現(1)ディザスタリカバリ技術を活用し、電子メ‐ルの転送経路において電子メ-ルが盗聴される 可能性を排除し、電子メ-ルの高速転送が可能にし、かつメ‐ル解読が受信者以外の第３者には不可能にできる。
(2) ユ-ザが個別に使用可能な マルチアカウントを効果的に同時に活用することにより、 セキュリティを一層高める。
➡既存のネットワ‐クにおける電子メ-ルシステムを活用し，ユ-ザ側のメ-ラ-に機能追加を行うことにより、容易に「セキュリティ」 に優れる電子メ-ルを実現。
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まとめ
本技術の適用が可能な対象• 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する技術を提供。
・バックアップ利用のユーザ層を拡大し，通信事業者にとってコスト・メリットの高いソリューションを提供．
• 暗号の高速化により,医療機関の膨大画像デ-タ，手術時のリアルタイム映像を安全に データ保管

・ 行政機関の重要データ保管．
• 極めて安全な電子メールシステムの構築（既存のネットワークインフラの有効活用）

ご清聴をどうも有難うございました。

miyaho@mail.dendai.ac.jp
研究室ホームページ

http://www.ine.sie.dendai.ac..jp/wordpress
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