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科研費 若手研究#19K20261

コンテンツ指向型センサネットワークにおける セキュアキャッシング手法の研究開発

基本情報

  • 研究種目: 若手研究
  • 審査区分: 小区分(60060; 情報ネットワーク関連)
  • 研究代表者: 森慎太郎(福岡大学工学部・助教)
  • 研究期間: 2019年(令和元年)4月1日—2023年(令和5年)3月31日

研究背景

 今日、無線センサネットワーク(WSN; Wireless Sensor Network)は我々の身近な領域に幅広く普及し、そのセンシングデータの取り扱いに関して、莫大な量であるがゆえに効率化が求められているとともに、デリケートな個人情報をセキュアに取り扱う必要性にも迫られている。このような状況において、既存のIPネットワークに基づくホスト指向型ネットワークに代わり、コンテンツ指向型アーキテクチャ(ICN; Information Centric Network)に基づくネットワーク設計の導入するべきであり、そうなることは必然であると考えられる。そのような将来の世界を思い描いたとき、単にICNをWSNに導入するだけでは不十分であり、WSNに適合する新たなフレームワークを開発する必要がある。

研究目的

 先述した状況を鑑みて、本研究開発ではICNをWSN導入するために必要不可欠なキャッシングをセキュアに行うフレームワークを実現することを最大の目的としている。提案手法の新規性は、キャッシングデータの管理方法としてブロックチェーンに基づく分散台帳を導入することにより、従来のキャッシング手法では実現できなかった第三者によるキャッシュデータを書き換える(汚染させる)攻撃に対処できるようにする点である。

 令和元年度においては、下記2点について達成することを目的に据えている。

(1) テストベッド開発: 申請者のこれまでの研究において得られている青写真的な構想と基礎的な評価結果に基づき、テストベッド開発に必要なプロトコル設計およびハードウェア実機に実現可能性を示すための実験・評価を行う。

(2) ハードウェア実験に基づく問題点の洗い出しおよび解決策の検討: (1)で実装したテストベッドによる評価結果に従い、実装に係る問題点の洗い出しとその解決を試み、新たな手法の提案を行う。

令和元年度 研究成果

 テストベッド開発と評価に関して、本研究開発ではWSNにブロックチェーンを導入しICNメカニズムを働かせることである。そこで、マイニングに基づくブロック認証を行う試作プログラムをC++言語を用いて実装した。また、試作プログラムをRaspberry Pi 3に移植してテストベッドを実装した。その結果、これまでの研究で示した青写真的構想と基礎的な評価結果に基づき、テストベッドの実装と評価の結果、提案システムの実現性について示すことができた。

 上記のテストベッド実装および評価の結果、下記4点の課題が明らかになった。

(1) レイヤ2プロトコルの検討の必要性:レイヤ2の無線通信プロトコルとして、従前無線センサネットワーク(IEEE 802.15.4)やLow-Power Wide-Area (LPWA)ネットワークに対して、テストベッドのICNレイヤ(レイヤ3・レイヤ4に相当)をスタックできるようにする必要がある。

(2) ブロック認証処理の軽量化・最適化:マイニングに基づくブロック認証は、WSNを構成する資源(演算能力・バッテリ容量・メモリ容量)に制約のあるWSN上に実装することは妥当ではない。そのため、WSNにうまく適合する新たなブロック認証手法の開発が必要である。

(3) マイニング貢献ノードに対するインセンティブ:合意形成に貢献したノードに対するインセンティブとしては、資源に制約のあるWSN固有の特徴を加味した手法を検討する必要がある。

(4) データ配布方法:本研究開発ではデータの収集に焦点を当てた検討をすすめているが、集めたデータを効率的に配布する手法の検討が必要である。

 ここまでの研究において洗い出された実装に係る課題において、とくに2)についてはマイニングに基づくブロック認証はWSNを構成するデバイスの資源(演算能力・バッテリ容量・メモリ容量)に制約のある環境上に実装することは妥当ではない。そのため、WSNに適合する新たなブロック認証手法の開発が必要であり、それは研究システムの核心部分である。

令和2年度 研究成果

 ICNをWSNに導入する際に必要不可欠なキャッシング手法に対し、本研究開発ではブロックチェーンに基づく新たなセキュアなフレームワークを開発することを目的とし、令和2年度はキャッシングデータの取り扱い方および合意形成に貢献したノードに対するインセンティブ手法に焦点を当てた。令和元年度において明らかになったWSNに適合する新たなブロック認証手法の青写真と基礎評価を受けて、令和2年度の成果は詳細なプロトコル設計と実現性について検証した。これはテストベッドによる実機評価を成功させるために必要不可欠なプロセスである。

 提案手法は従来のマイニングによるブロック認証処理に見られる多量の計算機資源を必要とせず、合意形成に貢献したノードに対するインセンティブ機構を導入することなくブロックチェーンの構築を可能とする。そのため、提案手法には、新たなオーバヘッドなくブロック認証を実現できるだけではなく、当初計画において合意形成の場面においてインセンティブ機構は必須であると考えていたが、それを省略できる仕組みを実現している。

 令和2年度末において感染症拡大の状況が少し落ち着いてきたタイミングにおいて、提案手法の適用先の検討(討論)やフィールドワークを通じて解析に必要な実データ(生データ)の収集も試みた。これは、令和3年度以降に考えているハードウェア実験に先立ち、基礎解析のためのサンプルデータとして利用する予定である。

令和3年度に向けた検討課題

 令和2年度の研究活動によって、下記3点の課題が明らかになった。

(1) 提案手法を支えるFANET(Flying Ad-hoc Network)の設計:提案手法をFANETに適用できるように設計することは、ブロック認証において重要な要件である。

(2) 無人航空機(UAV; Unmanned Aerial Vehicle)とセンサノード(SN; Sensor Node)の無線システムの設計:UAVとSNの間の無線通信環境として、多量のセンサノードが生成するデータをどのように捌くかという視点で、多重化、帯域、コリジョン、干渉について検討する必要がある。

(3) センシングデータの取り扱い方法:令和元年度において指摘された課題のなかで、提案手法の適用シナリオを設定する必要があり、令和2年度においてスマートシティにおける環境モニタリングをケーススタディとして想定して設計してきた。そのようなソリューションにおいては、テキストベースの少量データにとどまらず、動画像のセンシングデータの取り扱いも要求される点も明らかになった。

 令和3年度は上記3点の検討課題に対して、本研究開発ではハードウェア実験を通じた実装に係る問題点の洗い出しと解決を試みることも重要なテーマであるため、フィールドワークを通じて得られた実データに対する適用可能性についても検討も積極的に行う予定である。

外部発表

  1. S. Mori, “Secure Caching Scheme using Blockchain for Unmanned Aerial Vehicle-assisted Information-Centric Wireless Sensor Networks,” J. Signal Process., vol. XXX, no. XXX, pp. XXX–XXX, MM YYYY. (Accepted)(査読有)
  2. S. Mori, “Prototype Development of River Velocimetry using Visual Particle Image Velocimetry for Smart Cities and Disaster Area Networks,” Proc. 20th Int. Sympo. Commun. and Info. Tech. (ISCIT 2021), pp. XXX–XXX, Tottori, Japan (Online), Oct. 2021. (Accepted)(査読有)
  3. 森 慎太郎, “情報指向無線センサネットワークにおいてブロックチェーンを用いてセキュアキャッシングを実現するための一検討,” 電子情報通信学会 技術報告 センサネットワークとモバイルインテリジェンス(SeMI)研究会、vol. 121, no. 105, pp. 35—38, Online, Japan, July 2021.(査読無)
  4. S. Mori, “A Fundamental Analysis of an Erase Code-enabled Data Caching Scheme for Future UAV-IC-WSNs,” Proc. IARIA the 20 th Int. Conf. Networks (ICN 2021), pp. 8—12, Porto, Portugal (Hybrid), Apr. 2021.(査読有)
  5. S. Mori, as a panelist in “P1: Communications beyond the Thinking (spatial, terrestrial, speed, 5G/6G, streaming, high data processing, protocols, etc.),” and entitled “Survey on unmanned aerial vehicle-assisted information-centric wireless sensor networks for smart city applications,” Proc. IARIA the 20 th Int. Conf. Networks (ICN 2021), Porto, Portugal (Hybrid), Apr. 2021.(査読無)
  6. S. Mori, “A Fundamental Analysis of Caching Data Protection Scheme using Light-weight Blockchain and Hashchain for Information-centric WSNs,” Proc. 2nd Conf. Blockchain Research & Applications for Innovative Networks and Services (BRAINS 2020), pp. 200—201, Paris, France (online), Sept. 2020.(査読有)
  7. S. Mori, “Caching Data Protection Scheme for Information-Centric Wireless Sensor Networks,” Proc. IARIA the 19-th Int. Conf. Networks (ICN 2020), pp. 50—54, Lisbon, Portugal, Feb. 2020.(査読有)
  8. 森 慎太郎, “(依頼講演) コンテンツ指向型センサネットワークにおける高効率・セキュアキャッシング手法の研究,” 電子情報通信学会 技術報告 センサネットワークとモバイルインテリジェンス(SeMI)研究会、vol. 119, no. 266, pp. 51—53, Tokyo, Japan, Nov. 2019.(査読無)
  9. S. Mori, “(Invited) Secure and Effective Caching Scheme using Blockchain for Information-centric Wireless Sensor Networks,” Proc. Asia Pacific Society for Computing and Information Technology (APSCIT) 2019 Annual Meeting、1 page, Sapporo, Japan, July 2019.(査読無)
  10. 森 慎太郎, “コンテンツ指向型無線センサネットワークにおけるセキュアキャッシング手法に対するテストベッドの試作と基礎評価,” 電子情報通信学会 技術報告 センサネットワークとモバイルインテリジェンス(SeMI)研究会、vol. 119, no. 110, pp. 203—206, Osaka, Japan, July 2019.(査読無)

表 彰

  1. 電子情報通信学会 センサネットワークとモバイルインテリジェンス研究会 2019年度 優秀発表賞 [公式ウェブサイト]

関連した競争的資金

福岡大学推奨研究プロジェクト#197005 (Apr. 2019—Mar. 2022): 情報指向ネットワークと階層型ブロックチェーンを用いたIoTデータ管理手法の開発—情報指向型ネットワークとブロックチェーンをIoTに導入することにより、コンテンツの高効率な取り扱いとセキュアなキャッシングデータ管理手法を実現することを可能にする。具体的には、(1)地域ブロックチェーンを親ブロックチェーンで統合する階層構造のモデル化を行い、データの登録手順・検索手順についてプロトコル設計を行う。(2)開発システムの実現可能性に関して、ゲートウェイとIoTデバイスの部分に関してハードウェア実機を用いた評価を併用することにより、開発システムの有効性を示し、実装に関する問題点・課題の洗い出しを行う。本研究開発プロジェクトの発展として、さらなる大型の競争的資金の呼び水としても利用しており、科研費 基盤研究(B) #21H03436につなげることができた。