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Ⅲ.A. キャッシングデータの取り扱い方（コンテンツデータの分散台帳による管理）

コンテンツ指向型ネットワークでは、IPネットワークにおけるパケットに代わり、ネーム・データ・オブジェクトと呼ばれる単位でコンテンツを取り扱う。両者の大きな違いは、ネーム・データ・オブジェクトのヘッダにはタグと呼ばれるコンテンツの種類・性質などの情報のみ記述され、IPアドレスのような情報は含まれていない。そのため、情報を要求する側はコンテンツ指向型ネットワークに対して、どのような情報が欲しいかというリクエストを投稿することで、それに合致する情報を受領する。応募者のこれまでの研究では、そのようなネットワークシステムを開発する場合に必要なプロトコル設計、計算機シミュレーションに基づく評価、および部分的にテストベッドを製作した評価により基礎特性を評価した。一方、本研究では、これまでの研究開発の結果を踏まえて、実際に動作するテストベッド開発を行い、実装に係る問題点の洗い出しと解決を試み、新たな手法の開発を行う。

Ⅲ.B. 合意形成に貢献したノードに対するインセンティブ（閉域の独自ビットコインの導入）

ブロックチェーンに基づく分散台帳システムを維持するためには、ノードが相互にデータの検証を行うマイニング処理を行う必要がある。マイニングにはいくつかの合意形成アルゴリズムがあるが、いずれに対してもノードの計算機の演算資源を必要とする。これまでの応募者の検討では、簡単化のためにすべてのノードがマイニングに無償（ボランティア）で協力することを想定して設計をしてきた。一方、現実的な状況を考慮した場合、成功報酬の授受によりインセンティブを与えるメカニズムが必要である。そこで、本研究では、そのインセンティブを支えるフレームワークに対してもブロックチェーンの導入を考えている。

Ⅲ.C. イベント発生時の動作の定義（スマートコントラクトに基づく契約定義）

Ⅳ.A. セキュアキャッシング手法

積極的なオフパスキャッシングよるキャッシング対象ノード数の増大は、セキュアデータの不必要な拡散という点において課題が残る。そこで自律分散ネットワークとして設計されたICWSNへの親和性を鑑み、ブロックチェーンに基づく分散台帳の導入を試みた。ブロックチェーンは集中制御によらない相互認証が可能なため、自律・分散・スケーラブルな構成を実現でき、合意形成アルゴリズムは構成ノード同士に信頼関係がなくても成立するので、ICWSNにおけるアドホックネットワークとしての側面にも適している。そこで、セキュアキャッシング手法の中でも第三者によるキャッシュデータが書き換える（キャッシュ汚染）攻撃に対処可能な手法を提案した。本手法は計算機シミュレーションおよび試作機を用いて評価した（図1–3）。

Ⅳ.B. ブロック認証手法の改良

前節で使用したブロックチェーンのコンセンサス手法は、ビットコインや代替の典型的な暗号通貨で用いられているPoW（Proof-of-Work）方式を採用している。すわなち、新規ブロックに対しブロックチェーンを共有するメンバ間でマイニングに基づきコミットする。しかしブロック認証プロセスでは多量の演算（特定のハッシュ値を得るための総当たり計算）を行う必要があるため、ハードウェアに制約があるWSNを構成するデバイスには適しておらず、その実現性の面において課題がある。

そこで投票ベースの新たなブロック認証手法を提案した。提案手法は、Validatorと呼ぶ検証ノードの大多数の承認によってブロックチェーンに追加するべきブロックを決定している点を新規性として主張し、UAVはデータ収集者としての役割だけではなく、Validatorとしても働く点に特徴がある。またUAV間のアドホック無線伝送の過程でブロック認証が可能であり、ビットコインのリワードやイーサリアムのガスに相当するブロック認証に必要な取引手数料の交換機構も不要である利点も有する。またブロックに対してハッシュチェーンに基づくブロック署名手法、およびプロトコル設計についても検討した。また、本手法の画期的な理由として、本手法を採用することにより、本件研究開発において、当初計画で想定していた設計に頼らなくても、それだけですべてをまかなえる点にある。

Ⅳ.C. デバイス開発と評価

実フィールドでの実証実験・評価に先立ち、前節で実装した試作機と同じ構成（Raspberry Pi 4（Quad-core CPU（ARMv8），8GB RAM, Raspbian（buster）OS））を用いてテストデバイスを実装した。試作機はRaspberry Pi 4にLTE接続のため4GPiを組合わせ、ICNプラットフォームはICN/CCNベースのオープンソースソフトウェアであるCeforeを使用した。Ceforeでは、cefnetdおよびcsmgrdと呼ばれるデーモンプロセスにより、前者はパケット転送機能、後者はキャッシュ機能を提供する。センシングデータとして画像データを想定し、OpenCVから制御するUSB3.0で本体に接続したウェブカメラ（Logicool社製C270n）を用いて画像撮影のうえ、画像ファイルはローカルストレージに保存するとともにCeforeに対しcefputfileコマンドを用いてコミットする処理をPython言語で実装した。一連の処理プログラムはcronを用いて毎分定期実行させ、cefputfileコマンドにより登録されたデータはcsmgrdデーモンプロセスによりテストベッド上のRAMにキャッシュされ、300秒を過ぎたキャッシュデータはFIFOアルゴリズムに従い削除されるように設定した。

本試作デバイスを実験室において長期運用テストを行ったところ、長時間の安定稼動に課題が残ることが明らかになった。具体的には、連続稼働中に突然ネットワークが切断される、定期実行が突然に動作しなくなる、外部ネットワークからのリモートアクセス中に本体がフリーズする症状が生じた。その問題を解決するために、産業用の組込みコンピュータとして実績のあるアドバンテック株式会社のMIC-710 AIX（Dual-core CPU（ARMv8.2），8GB RAM，Ubuntu 18.04 with Jet Pack OS）に換装することにより抜本的な解決を図った（図6）。MIC-710 AIXのプラットフォームは、NVIDIA Jetson Xavier NXを採用し設計されているため、これまでの試作機で実装した環境を容易に移植することができる利点がある。また、既存プロトコルとの互換性に関して、ユーザがICWSNのプロトコルに対応していない場合に備えて、ゲートウェイがエンドユーザとブローカの間でセンシングデータの受渡しや制御メッセージの交換を行う仕組みを実装した。図7にHTTP/ICN間の手続きに従い，本稿ではPerl言語を用いて、Gateway上にCGI（Common Gateway Interface）として実装した。

開発したノードデバイスの実証評価のために、図8(a)に示すネットワークを構築した。併せて、図8(b)に示すようにBrokerおよびGatewayにFIBを設定し、BSおよびBrokerにキャッシュ機能を具備した。とくにBrokerに対しキャッシュ機能を持たせることにより、2回目以降のデータ取得に関して系においてボトルネック区間である無線区間のデータ伝送を削減できるため、キャッシュデータの提供による安定したコンテンツ取得が実現できる点が示されている。なお、レイテンシ（Ping値）は、82.9 ms（BS—Broker）、0.399 ms（Broker—Gateway）、44 ms（Gateway—End-user）であった。図9はICWSNに対応していない端末において、互換性を担保する仕組みを提供するプログラムを介してアクセスした結果である。結果より所望通りの動作が実現できていることが示されている。

Ⅳ.D. 提案手法を支える通信方式の検討

提案ICWSNを耐災害スマートシティに導入することを想定し、それを支える下位レイヤプロトコルの検討を行った。具体的には、MAC（Media Access Control）レイヤにおいて、上位レイヤのパケットを複数のフレーム分割する場合、消去訂正符号化されたサブフレームを用いることにより、すべてのサブフレームが揃わなくても元のパケットを復元できることを目指し、基礎的な評価を行った。とくに欠損したサブフレームを近隣ノードから取得することにより、再送手続きを削減できる点が特徴である。また適用先アプリケーショにおいて、チャネル容量に関する問題を解決するために、送信側の協力通信とデュアルバンド対応ノードを利用することを検討した。両技術を導入することにより、計算機シミュレーションの結果、従来のWSN向け無線通信システムでは対処できないと想定していた、多数ノードが散在する環境におけるシナリオに対し実現可能性を示した。また、実際の耐災害スマートシティのソリューションとして、河川モニタリングシステムの画像取得部分に対し、ICWSNの適用可能性を評価するために本テストベッドをベースに改良し動作検証を実施した。

Ⅳ.E. ネットワーク符号・肯定的干渉によるICWSNを支える無線ネットワークプロトコルの検討

ICWSNの下位レイヤにおいては、フラッディング（ブロードキャスト）に基づき無線データ伝送がなされる。そのため、ICNベースのネットワークプロトコルと親和性の高い下位レイヤプロトコルとして、新たな無線通信技術の開発が不可欠である。そこで、協力通信に基づくICWSNを支えるMACレイヤ・PHYレイヤ技術を検討した。提案手法は中継ノードによる重複伝送によるパスダイバーシチの効果を狙い、ネットワークコーディング（NC; Network Coding）手法による伝送効率の改善を図った。本貢献としては、中継ノードの他にアシストノードが介在するリレー伝送において、それらのノード周辺に生じるパケット衝突に対し、肯定的干渉（Constructive Interference）現象に基づく干渉の低減を図る点にある。一般的なWSNにおいては、デバイス簡素化のため、積極的な端末間同期・衝突回避の機構を簡略化されうる。このとき、ある特定エリアにおけるNCデータ干渉は、複数の送信側ノードからのベースバンド信号の重ね合わせを受信側ノードが検出できれば、その干渉の影響を無視できる。すなわち、許容範囲内の位相のずれた複数の搬送波信号を重ね合わせることにより、受信側において高い確率で正しい検出が可能となる。とくに、ICWSNのフラッディング通信に対して本技術は特に有効であると考え、深刻な衝突がないパケット伝送の実現に向けて組入れた。

Ⅳ.F. ICWSNによるグリーン化の効果

本研究開発の導入によって得られる副次的な利点としてシステムのグリーン化が挙げられるICWSNにおいては、個々のデータに対し、アドレスではなく名前付きデータとして取扱う点、キャッシング技術によるデータ転送量削減・伝送遅延低減に特徴がある。そのため、ICWSNにおけるデータの授受によって、データ伝送距離の低減（キャッシング設計）や不必要なデータ伝送の削減（プル型ネットワーク設計）により、システム全体の消費電力の削減に寄与できる余地があることが明らかとなった。また付随的に、無線データ伝送量の削減による電波の有効利用も達成可能である。しかしICWSNを構成するノードデバイス（末端）では、バッテリー制約、計算機資源などのハードウェア資源の制約、有線ネットワークと比較して貧弱な無線通信環境という状況の中、有線ネットワークを対象として設計されてきた技術を、そのままICWSNに適用させることは困難であり解決するべき技術課題が残っている。本研究課題を通じて、本節で述べる新たな研究テーマを生み出す成果を得た。