Homepage

科研費プロジェクト(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

A Research on Secure Caching Scheme for Content-centric Wireless Sensor Networks


今日,無線センサネットワークは幅広く普及し,センシングデータの取り扱いは効率化だけではなくセキュアに取り扱う必要性にも迫られている.本研究では,コンテンツ指向型ネットワークと呼ばれているアドレスに依存しない新しいネットワークアーキテクチャを無線センサネットワークに導入することに焦点をあてる.とくに,それを実現するために必要不可欠なキャッシング手法に対して,ブロックチェーンに基づく分散台帳による相互認証の考え方を導入する.本研究では,1)キャッシングデータの取り扱い方,2)合意形成に貢献したノードに対するインセンティブ,3)センシングデータに基づきイベント発生時の動作の定義の3点について研究開発する.

キーワード:コンテンツ指向型ネットワーク;無線センサネットワーク;ブロックチェーン


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4月1日〜2023年3月31日

研究内容



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.

令和元年度の成果

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.

従前のマイニングに基づくブロック認証手法を根本的に見直し,新たにコンセンサスに基づくブロック認証手法の導入を提案し基礎評価を行った.提案ブロック認証手法は,コンテンツデータがマルチホップ無線伝送される際に併せて認証を行うことにより,マイニングのようなデバイス資源を必要とせず,また新たなオーバヘッドなくブロック認証手続きが実現されるため軽量化を達成できる利点がある.

提案ブロック認証手法の有効性を評価するために,C++言語で実装した計算機シミュレータを用いて基礎評価を行った.その結果,通信半径が4kmのとき平均4回以上のマルチホップ伝送が行われるとき,コンセンサスが十分に得られる状況に至ることが分かった.また,提案ブロック認証手法においては,認証済みブロックの正当性は承認者の信用力に依存している.そこで,承認者が攻撃者によって乗っ取られた場合を想定して,ブロックチェーンのキャッシュ汚染に関する基礎評価を行った.

令和2年度に向けた検討課題

令和元年度の研究によって洗い出された課題として,1) コンテンツ指向型無線センサネットワークに適したブロック認証手法の開発およびその実現可能性の評価,および当初計画に対して令和元年度の結果を受けて微修正した課題として,2) リソースを考慮したインセンティブメカニズムの2点について研究開発をすすめる予定である.とくに,本研究開発では計算機シミュレーション評価だけにとどまらず,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が重要なテーマであるため,実際に動作するテストベッドの開発を積極的に行う予定である.

研究成果



  1. 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)
  2. 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)
  3. 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)
  4. 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)