JP6329163B2 - インフラのサポートによる車両ネットワークでの確率的鍵配送 - Google Patents

Description

本発明は、従来の公開鍵のインフラの負担を緩和する、車両ネットワークに対する確率的鍵配送プロトコルに関する。路側機は、信頼ノードとして動作し、その周辺にある車両間で秘密共有するために用いられる。セキュアな通信は、これらの車両間で高い確率で直ちに可能であり、低複雑性で達成できる高信頼性及び短い配布時間をもたらす。

車両間アドホックネットワーク（Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs)）は、向上した安全性、高まった運転経験、及び改善した交通効率を可能にすると期待されている。これらのネットワークは、一時的な対接続によって特徴付けられ、ネットワークトポロジーを非常に動的にする。さらに、車両の単一の走行で、多くの他の車両との通信を伴う。しかしながら、そのような技術に依存することは、セキュアに実装されない場合、特に、パッシブ攻撃及びアクティブ攻撃への無線メディアの脆弱性のために、危険となる。

ＶＡＮＥＴで交換するメッセージは、様々な役割を有し、従って、様々なセキュリティ基準を必要とする。例えば、メッセージに含まれる情報は、特にセンシティブではなく、複数のユーザーにとって興味のあるものであるから、安全なメッセージを守るために、機密に認証を与える方式の配置を必要とする［１］一方で、ソースの妥当性が重要である。これらの応用は、車両ネットワークの核心にあり、おそらく、その理由のために、完全性及び認証が、機密よりも大きな関心事項であると一般的に考えられている。従って、ほとんどのセキュリティ方式は、例えば［２］、［３］のような、一般的に、認証に対して公開鍵暗号（public key cryptography (PKC)）を使用する車両公開鍵インフラ（public key infrastructures (PKI)）を採用する。ＶＡＮＥＴで展開できる多くの応用及びサービスは、機密のデータ送信に依存する。これらの応用は、ドライバアシスタンスシステム（例えば、［４］）から、交通情報システム（例えば、［５］）及びインフォテイメント応用（例えば、［６］）にまで範囲が及ぶ。ＰＫＣは暗号化にも用いられるが、効率を求める場合、機密送信をもたらすベストな手続きは、共有秘密の対称暗号化［７］を用いることである。しかしながら、ＰＫＣ解決策は、ユーザー間で何回も繰り返すやり取りを一般的に用いるので、雑音環境に対しては十分ではない。さらに、高密度なネットワークでは、メッセージ送信及び署名検証のオーバーヘッドは禁止される［１］。

認証というきわめて重大な役割のために、提案されたＶＡＮＥＴセキュリティ構成は、ＰＫＣに依存するところが大きい。結果的に、ほとんどの研究は、対通信又はグループ通信（例えば［１］、［９］）に対するＰＫＩベースの鍵管理システムの設計に焦点をあてる。対称暗号化を必要とする時、ノードは、いくつかのよく知られた鍵共有方式を実行するか、統合暗号化方式（integrated encryption schemes）を用いることが予想される。特に、ＩＥＥＥ１６０９．２標準は、楕円曲線統合暗号化方式（Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme）を、ディフィー・ヘルマン鍵共有に基づく非対称な暗号化アルゴリズムとして指定する［３］。［９］では、鍵管理方式を含むアーキテクチャが、セキュアな車両通信に対して提案された。認証局（certification authorities (CAs)）が、一定の領域内で登録された車両の識別及び資格情報の管理を担当している。各ノードは、一定のＣＡのみに登録され、ＣＡは、固有のＩＤ、長期の秘密／公開鍵の組、及び長期の証明書をノードに与える。セキュアな通信を達成するために、短期の秘密・公開鍵の組及び証明書を用いる。これらは、ノードによって内部で生成され、ＣＡによって署名される。Ｒａｙａ及びＨｕｂａｕｘ［１］は、ＰＫＩに基づくＶＡＮＥＴのためのセキュリティ構成を設計した。車両の地理的な位置を用いるプロトコルが提案された。そのプロトコルでは、地理的なグループが形成され、メンバーに対するグループ鍵の配送を担当するグループリーダーを選出し、グループ内でセキュアな通信を可能にする。プロトコルが正確に機能できないような任意のシナリオでは、単純なデジタル署名方式へのフォールバックを保証する。

実際問題として、ＶＡＮＥＴは、動的なトポロジーによって特徴付けられ、リンク切断が頻繁に起きる。さらに、シャドウイング［１０］につながる信号伝搬上の障害物の存在のために、散発的でバーストなエラーが通常である。従って、鍵共有プロトコルは、鍵構築手順での全遅延を最小化するだけでなく、成功確率を最大化するためにも、ユーザー間の最も可能性の低いやり取りを利用することが重要である。これは、確率的鍵配送方式を用いることで達成できる。しかしながら、これらのネットワークのサイズ及び動的な性質のために、鍵事前配送は不可能である。

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本開示は、車両間アドホックネットワークＶＡＮＥＴのための信頼ノードによる鍵配送の方法であって、前記車両間アドホックネットワークは、車載機器を搭載した移動性車両ノード又は静的な路側機ノードのいずれかであり、それぞれ車両ノード及びＲＳＵノードと呼ばれるノードから構成され、前記ＲＳＵノードは、認証局ＣＡに常時接続しており、前記ＣＡは、前記ＶＡＮＥＴが含まれる所定の地理的領域を担当し、前記ＣＡは、前記ＶＡＮＥＴに対して信頼の起点として動作し、前記ＶＡＮＥＴのノードは、少なくとも一組の公開・秘密鍵及び前記ＣＡによって発行された対応する証明書を有し、前記方法は、
各車両ノードが、前記所定の地理的領域に入ると、ダイレクト通信又はマルチホップ通信によって、範囲内及び領域内にあるＲＳＵノードから鍵の組を要求するステップであって、前記車両ノードは前記ＲＳＵに鍵要求を送信し、前記要求は前記車両ノードの公開鍵を含む、前記ステップと、
前記ＲＳＵノードは、前記ＲＳＵノードに利用可能な秘密鍵のプールから選択された秘密鍵の組を前記車両ノードに送信し、前記鍵の組は前記車両ノードの公開鍵で暗号化されるステップであって、前記秘密鍵の組は前記組にある各秘密鍵に対する鍵識別子も含む、前記ステップと、
前記ＲＳＵは、前記車両ノード及び直近の所定周期時間に前記ＲＳＵにコンタクトした他の車両ノードによって共有される前記秘密鍵の前記鍵識別子のリストを前記車両ノードに送信するステップと、
前記ＲＳＵは、前記ＲＳＵから所定ホップ数の近傍内にある前記ＶＡＮＥＴのノードに、前記車両ノードの存在及び前記車両ノードが得た鍵の前記識別子を知らせるステップと、を含み、
２つの車両間で共有される前記鍵がある場合に、２つのノードによって共有される鍵の暗号学的ハッシュ関数である新しく共有される秘密を導出することで、さらなるやり取りなしに、前記２つの車両ノードは、直ちにセキュアな接続を構築できる、
方法を含む。

レシーバノードと通信したいセンダノードは、前記センダノードが前記レシーバノードによって保持される前記秘密鍵を知らない場合、各ノードによって保持される前記秘密鍵の前記鍵識別子を両方のノードがブロードキャストするステップを含み、共有鍵がある場合、前記車両ノード及び前記他の車両ノードのうちの１つによって共有される前記鍵の暗号学的ハッシュ関数である新しい共有秘密を導出することで、さらなるやり取りなしに、２つのノードはその後、セキュアな接続を構築できる、
実施形態。

実施形態では、前記２つのノード間で共有鍵がない場合、前記２つのノードは、標準的なＰＫＣ方法を通じて共有秘密を構築する。

実施形態では、１つ以上のＲＳＵノードが危殆化する場合、前記方法は、
前記ＣＡが、危殆化していない全てのＲＳＵノードに新しい鍵プールを提供し、前記車両ノードは、前記鍵プールから新しい鍵を得ることができるステップと、
前記車両ノードに、危殆化した１つ以上の前記ＲＳＵノードの存在を知らせるステップと、を含む。

実施形態では、前記秘密鍵の識別子は、前記秘密鍵が生成される結果として生じるＩＤである。

実施形態では、各々が所定地理的エリアを有する、複数の独立したＣＡをつなぐ鍵配送のための方法であって、各ＲＳＵノードに利用可能な秘密鍵の前記プールは、各独立したＣＡの前記地理的エリアに対応する区分けされた鍵空間に固有である。

実施形態では、各々が所定地理的エリアを有する、複数の独立したＣＡの地理的エリアに広がった鍵配送のために、各ＲＳＵノードに利用可能な秘密鍵の前記プールは、前記ＣＡの鍵空間に平行であり全ＣＡの鍵空間に共有される付加的な鍵空間を有する。

実施形態では、各々が所定地理的エリアを有する、複数の独立したＣＡの地理的エリアに広がった鍵配送のために、前記付加的な鍵空間は、前記ＲＳＵノードによって、独立したＣＡ間の通信を必要とする車両にのみ利用可能となる。

実施形態は、第一のＣＡ地理的領域から第二のＣＡ地理的領域まで移動する車両ノードは、
前記第一のＣＡ地理的領域を去る前に、前記車両ノードは、範囲内にあり、前記第一のＣＡ領域内にあるＲＳＵノードから、前記要求された鍵は前記第二のＣＡ地理的領域用であることを示して鍵の束を要求するステップと、
前記ＲＳＵノードは、前記第二のＣＡによって制御される前記領域内で使用できる鍵の組のため、前記車両ノードの要求を前記第一のＣＡに送信するステップと、
前記第一のＣＡは、前記車両ノードの要求を前記第二のＣＡに転送するステップと、
前記第二のＣＡは、前記車両ノードに送信される前記車両ノードの公開鍵で暗号化されたそれぞれの前記識別子のリストと合わせて、前記第二のＣＡによって制御される前記領域内で使用できる鍵の束で応答するステップと、を含み、
前記車両ノードは、前記２つのノードによって共有される前記鍵の暗号学的ハッシュ関数である新しい共有秘密を導出することで、前記第二のＣＡ地理的領域にある任意のノードと直ちにセキュアな接続を構築できる。

実施形態では、第一のＣＡ地理的領域から第二のＣＡ地理的領域まで移動する車両ノードに対して、前記ＲＳＵノードは、前記第一のＣＡ地理的領域のＲＳＵ境界線ノードである。

本開示はまた、車両間アドホックネットワークＶＡＮＥＴのための信頼ノードによる鍵配送のための装置であって、前記車両間アドホックネットワークは、車載機器を搭載した移動性車両ノード又は静的な路側機ノードのいずれかであり、それぞれ車両ノード及びＲＳＵノードと呼ばれるノードから構成され、前記ＲＳＵノードは、認証局ＣＡに常時接続しており、前記ＣＡは、前記ＶＡＮＥＴが含まれる所定の地理的領域を担当し、前記ＣＡは、前記ＶＡＮＥＴに対して信頼の起点として動作し、前記ＶＡＮＥＴのノードは、少なくとも一組の公開・秘密鍵及び前記ＣＡによって発行された対応する証明書を有し、
各ノードは、請求項１乃至１０のうち任意の１つの請求項の前記方法を実行するために構成されるデータ処理モジュールを備える、
装置も含む。

本開示はまた、プログラムがデータプロセッサ上で走る時、先の実施形態の方法のうち任意の前記方法を実行するために適用される前記コンピュータプログラム命令を有する、
コンピュータ可読データ搬送体も含む。

以下の図は、説明を図示するための好ましい実施形態を提供し、発明の範囲を限定するものとして、以下の図を見るべきではない。

鍵要求手順の例の第一優先の実施形態の模式図である。ここで、Ａは、鍵を要求する車両を表す。Ｂは、Ａとセキュアに接続することを所望する可能性のあるネットワーク内の車両を表す。Ｃは、Ａとセキュアに接続することを所望する可能性のあるネットワーク内の車両を表す。Ｄは、Ａとセキュアに接続することを所望する可能性のあるネットワーク内の車両を表す。Ｅは、Ａとセキュアに接続することを所望する可能性のあるネットワーク内の車両を表す。Ｆは、Ａとセキュアに接続することを所望する可能性のあるネットワーク内の車両を表す。Ｇは、Ａとセキュアに接続することを所望する可能性のあるネットワーク内の車両を表す。Ｒ１は、路側機を表す。Ｒ２は、路側機を表す。Ｒ３は、Ａが鍵の組を要求する路側機を表す。 任意のｄ個のネイバーによって所有されない秘密鍵を共有する２つのノードの確率の実施形態を表す模式図である。鍵プールのサイズはＰ＝１０００００である。 Ｐ＝１０００００に対する動作不能状態の確率の実施形態を表す模式図である。線は、それぞれＰ_{ｏｕｔａｇｅ}＝［１ｅ−１，１ｅ−２，．．．，１ｅ−６］の動作不能状態の確率に対するものである。 ２つのノードが、α＝１０^−２に対して再送信なしに秘密を共有できる確率の実施形態を表す模式図である。 ＲＳＵ密度の変化に対する、鍵配布時間の実施形態を表す模式図である。ノードは、ワンホップ（破線）及びマルチホップ（実線）で鍵を要求できる。車両密度は、ρ＝１０車両／ｋｍ^２である。 ＶＡＮＥＴ間のローミングの実施形態を表す模式図である。

発明の開示
提案した確率的鍵配送方式は、ＶＡＮＥＴでセキュアな通信を保証するためのメカニズムとして動作する。本プロトコルは、適度に小さい鍵束に対して高い確率でセキュアな接続を構築できることを保証する。ネットワークインフラに影響を及ぼすことで、エンドツーエンドの消失モデルの標準的なディフィー・ヘルマン鍵共有の場合と比較する時、鍵交換プロトコルによって必要となる（再）送信の数を減らすことができる。ここで提案したプロトコルの主な利点は、１）公開鍵セキュリティメカニズムに頼る必要性の減少、２）鍵共有手順の間に交換されるメッセージの量の減少、３）セキュリティインフラの減少した複雑性である。方式は、トポロジーの変化及びリンク故障に対してロバストである。さらに、本解決策は、様々な地理的領域を受け持つ信頼ノードによって割り当てられる鍵の間でいかなるリンクも存在しないので、長期のプライバシを維持する。また、秘密を共有するために使用される鍵は、ノードによってすでに知られており、承認された対象によって発行されるので、中間者攻撃も防ぐ。本開示は、信頼移動性ノードの存在のもとで、同様の方式に適用できる。

提案した方法は、ランダム鍵事前配送（randomized key pre-distribution (RKPD)）［８］のコンセプトを用いて、車両ネットワークの鍵管理の問題への代わりの解決策を提供する。ＲＫＰＤでは、車両によって所有される共通情報から鍵を計算するので、鍵共有に対するユーザー間のやり取りは最小となる。提案したプロトコルは、認証を保証することを目的とするわけではないので、ＰＫＩベースの方式を置きかえるものではない。むしろ、ネットワークノードが、共有秘密を透明に形成できる、軽快な鍵配送サービスであることを描いており、ネットワークノードが、インプリシットな鍵共有とともに対称的な暗号化を通じてセキュアな接続を構築できる。

主な貢献は以下のとおりである。
・鍵配送プロトコル：任意に高い成功確率及び低い通信複雑性で車両がセキュアな対接続を構築できる確率的鍵配送プロトコルを提案する。プロトコルは、互いに近い車両間の共通鍵を告知することでＶＡＮＥＴに現われる空間的に制限された通信パターンを活用する。
・セキュリティ及び性能分析：セキュアな接続を構築することの有効性だけでなく、盗聴攻撃に対するロバスト性も分析する。シミュレーションは、プロトコルの効率だけでなく、信頼ノードの密度と情報配布の速度との間のトレードオフも強調する。

本明細書は、以下の通り構成される。車両ネットワークで共有する秘密鍵の問題に対する既存の解決策について議論する。また、確率的鍵配送の方法も示す。システムセットアップ及び提案したプロトコルを述べる。方式のセキュリティを分析する。方式の性能を分析するモデル及び環境について述べる。また、提案した方式のいくつかの動作面についても述べる。

以下は、ＶＡＮＥＴに対する鍵配送方式及びそのネットワークモデルに関する。

ＶＡＮＥＴは、移動性（車両）の又は静的（路側機（ＲＳＵ））なノードから構成される。ＶＰＫＩは、決まった場所にあるものと仮定し、ノードは、少なくとも一組の公開・秘密鍵及びＣＡによって発行された対応する証明書を所有する。各ＣＡは、所定の地理的領域（例えば、１つ以上のハイウェイ、都市エリア、等）を担当し、ＶＡＮＥＴに対して信頼の起点として動作する。ＲＳＵは、道路に接して位置するインフラベースのデバイスであり、従って、一定の無線範囲内で通信範囲を提供する。通信範囲の配置は、ＣＡによって制御される所定の領域に入っている時、任意の車両がＲＳＵにコンタクトできるようなものであることが理想的である。しかしながら、プロトコルは、まばらに配置されたＲＳＵという環境でさえ機能することができる点に注意することも重要である。ＲＳＵは、いくつかのＣＡに常時接続していると考えられる。車両は、車載機器（on-board units (OBUs)）及びＩＥＥＥ８０２．１１ｐ無線装置を搭載する。搭載した車両の通過率に対しては、何らの仮定も行わない。鍵配布が任意の（静的な又は移動性の）信頼ノードによって可能となるようなより多くの一般的なケースが考えられることに関わらず、鍵配布は、ＲＳＵによって可能となる。

以下は、鍵配送プロトコルに関する。

提案した方式の目標は、任意の２つの車両が、共有鍵を通じてセキュアな接続を構築できることである。ある地理的領域に入る各車両は、その領域内にあるＲＳＵから鍵の組を要求する。ユーザーは、ａ）ダイレクト通信（direct communication）（すなわち、ＲＳＵが通信範囲内にある時）を通じた、又はｂ）（車両がネットワークに対して鍵要求メッセージを過剰に送信する）マルチホップ通信（multi-hop communication）を通じた、２つの方法のうち１つでＲＳＵにコンタクトできる。前者のアプローチは、ネットワーク内に氾濫するメッセージの数を制限する。一方で、タイムリーなブートストラップ、すなわち、直ちに鍵要求を満たすために、より高いＲＳＵ密度が必要となる。後者は、希薄なＲＳＵ密度に対してよりロバストであるが、一方で中間のノードによってアクティブ攻撃により陥りやすい。

より正確に、車両Ｖは、鍵要求メッセージを公開鍵Ｋ_ＶでＲＳＵに対して送信するとする。ＲＳＵは、Ｎ個の鍵プールの中からｋ個の鍵の束を抜き取り、（車両ノードの公開鍵で暗号化される）鍵の組Ｋ_Ｖをそれぞれの識別子と一緒に、車両ノードに送信する。さらに、ＲＳＵは、Ｖによって共有される共通鍵の識別子のリスト及び最大でｔ秒前にＲＳＵにコンタクトした車両の組Ｎ（ｔ）を車両ノードＶに送信する。近くの車両に関するこの情報を活用することで、車両Ｖは、いくつかの鍵を共有する限り、さらなるやり取りなしにＮ（ｔ）にある車両と直ちにセキュアな接続を構築できる。ＲＳＵはまた、車両Ｖの存在について、車両Ｖに起因する鍵の識別子をブロードキャストする、ｘホップ近傍、Ｎ_ｘにも知らせる。これにより、Ｎ_ｘにある車両は、地理的に近く、向かってくる車両に関する最新情報を得ることができる。２つの車両ノードが、ｓ＞０であるｓ個の鍵、ｋ_１、・・・、ｋ_ｓを共有すると考える。それらは、新しい共有秘密Ｋ＝ｆ（ｋ_１、・・・、ｋ_ｓ）を導出することによって、通信リンクをセキュアにする。ｆ（）は、暗号学的ハッシュ関数である。

図１は、鍵配布手順を示す。ここで、車両ノードＡは、ＲＳＵ、Ｒ_３に対して鍵の組を要求する。このＲＳＵが、続くｔ秒の間に図の全てのノード、すなわち、Ｎ（ｔ）＝｛Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ｝によってコンタクトされたと考える。ＲＳＵ、Ｒ_３は、車両ノードＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、及びＧが車両ノードＡと共通して有する、全ての鍵の識別子のリストを車両ノードＡに送信する。ここで、ＲＳＵ、Ｒ_３は、車両ノードＡに割り当てられた鍵について、１ホップ近傍、Ｎ_１＝｛Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ｝に知らせる、すなわち、ＲＳＵ、Ｒ３は、車両ノードＡからの鍵識別子で車両ノードＢ、Ｃ、Ｄ、及びＦにメッセージを送信する、と考える。車両ノードＡは、これらのノードと鍵を共有するものと仮定すると、さらなるやり取りなしに、車両ノード｛Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ｝の組と、直ちにセキュアに通信できる一方で、車両ノード｛Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ｝の組も、同時に、さらなるやり取りなしに、車両ノードＡと直ちにセキュアに通信できる。

ネットワークに流れる情報は非対称であり、ノードは他のノードの鍵に気付けない。非対称性に関して、考慮する必要があるケースが２つある。センダがレシーバの鍵に気付かない（情報が、センダまでまだ到達していない）場合、両方のノードは、共通鍵を見つけて、共有秘密を前の通りに続けて計算するために、鍵識別子をブロードキャストする必要がある。他のケースは、それらが共有鍵を有さない場合である。このケースでは、それらは、標準的な鍵共有アプローチの１つにフォールバックできる。

攻撃者は、リンクをセキュアにするために用いる全ての鍵を所有する必要があるので［８］、鍵の識別子をさらすことが、セキュアな通信を直接危殆化するわけではないという点を強調しておく。攻撃者が他の車両を危殆化する場合、彼が得た鍵は、まだランダムな鍵であり、従って、共有鍵を演繹的に知ることが、リンクを危殆化する確率を上げるわけではない。

以下は、セキュリティ分析及び脅威モデルに関する。

この発明の関心事項は、機密データ送信のための方法を確保することであり、従って、解決策は適切であり、他の考えられるセキュリティ問題点を解決するものと仮定する。機密とは、承認されたユーザーを除く全てのユーザーに秘密なメッセージの内容を保持することを暗に意味する。この状況で、攻撃者は、送信されたメッセージに盗聴を試みるパッシブな対象である。パッシブな攻撃者は、車両ネットワークユーザーの安全性により少ないリスクを課すが、一般的に、それらは、アクティブ攻撃よりも検出がさらに難しい。

無線リンク上で交換されるメッセージは暗号化され、特に、プロトコルのブートストラップ後に、新しく導出される鍵を用いるものと仮定する。盗聴者は、裏に潜んだ暗号を破ることはできないという仮定のもとでは、彼の目標は、リンクをセキュアにするために用いる鍵、特に、プロトコルのブートストラップ後に新たに導出される鍵に到達することである。盗聴者の存在は、一般的には、正当なユーザーの両者に気付かれない点に注意する。さらに、通信プロトコルに従い、ネットワークの一部であるユーザーは、他のユーザーを盗聴する可能性もある。

以下は、セキュアな接続の確率に関する。

（ブートストラップ後の）通信リンクを暗号化するために用いる鍵は、各ユーザーに割り当てられる鍵の組の共通部分の関数である。すなわち、敵対者が、共有秘密を計算するために用いる全ての鍵を所有すれば、リンクをうまく攻撃できる。この状況で、共謀する盗聴者のグループは、鍵のより大きな組にアクセスする単一の盗聴者として見ることができる。

Ｋ_Ａ及びＫ_Ｂは、それぞれノードＡ及びＢによって所有される鍵束を示すとする。さらに、|Ｋ_Ａ|＝｜Ｋ_Ａ｜＝ｋであり、プールのサイズをＮとする。盗聴者は、鍵Ｅの組を含むとし、０≦｜Ｅ｜＝ｋ’≦Ｎである。この盗聴者の存在は知られていないので、どの鍵が危殆化しているかが分からない。それにも関わらず、対接続のセキュリティを危殆化するために必要となる鍵の量を見積もることができる。Ｐ（｜Ｋ_Ａ∩Ｋ_Ｂ｜＝ｓ）は、２つの正当なノードが正確にｓ個の鍵を共有する確率を示すとし、０≦ｓ≦ｋである。すると、

一定の時間で隣接しているノードの数をｄとする。リンクは、ｓ＞０でノードが少なくともｓ個の鍵を共有する場合、隣接しているノードに関してセキュアであり、これらのｓ個の鍵は、ｄ個のネイバーによって危殆化していない。リンクがセキュアである確率は、
で与えられる。

鍵の組Ｅにアクセスする盗聴者が、リンクのセキュリティを危殆化することができるイベントとしての動作不能状態を定義する。その時、動作不能状態の確率は、
として定義される。

Ｐ_Ｓ及びＰ_{ｏｕｔａｇｅ}の間にトレードオフが存在する。一方では、セキュアな接続を構築する確率は、任意に高い、すなわち、ユーザーは、可能な限り大きい数のネイバーが存在する中でさえ、秘密鍵を導出できることが必要となる。他方で、動作不能状態の確率を、選ばれたパラメータに対してゼロに近いくらい小さく維持すべきであり、それにより共謀する盗聴者は、システムを危殆化することができない。図２は、各々がｋ個の鍵を有するｄ個のネイバーの存在のもとでセキュアな接続を構築できる確率を示す。ネイバーの数が増加するほど、セキュアな接続を有する確率は減少する。しかしながら、方式は、適度な数のネイバーに対して、いくつかのロバスト性を示す。Ｐ＝１０００００の鍵プールに対して、ｋ＝１５００の鍵を配送することは、１００個のネイバーの存在に対してほぼ確実でセキュアな接続を得るのに十分である。一方で、図３は、共謀する盗聴者が得る鍵の数ｋ’及び各ユーザーに与えられる鍵の数ｋの関数として動作不能状態の確率を示す。特に、Ｐ＝１０００００の鍵プールに対して、ｋ＝１５００の鍵を各車両に配送する場合、およそｋ’＝４００００の鍵を収集する盗聴者は、リンクを危殆化する確率Ｐ_{ｏｕｔａｇｅ}＝１０^−６を得るのみであり、従って、システムが顕著にロバストであることを示す。

以下は、信頼性に関する。

車両ネットワークのような動的なシナリオでの鍵配送方式の信頼性を分析することは、複雑な課題である。確率εでパケットを失うエンドツーエンドの消失モデルを仮定する、ディフィー・ヘルマン（ＤＨ）鍵共有［７］の基本バージョンを考える。

ノードＡは、ノードＢと秘密を共有したいと仮定する。ＤＨプロトコルでは、各ノードは、共有秘密を計算するより前に、メッセージを送信する。さらに、２つのノードは、両方のパケットを受信したことを通知する必要があり、合計で４つの送信を与える。提案したプロトコルでは、Ａ及びＢが、ＲＳＵによって割り当てられた鍵を共有し、共通鍵に気付く場合、それらはすでに共有秘密を所有している。共通鍵に気付かない場合は、それらの鍵の識別子をブロードキャストし、この情報を受信したことを通知する。すなわち、それらは、ＤＨ方式と同じ数の送信を用いる。最後に、それらが鍵を共有しない場合、ＤＨ方式にフォールバックする。

２つのノードが、任意のパケットを再送信する必要なく、鍵を交換できる確率γを通じて、送信されたメッセージの数の減少を分析できる。より精巧な再送信方式に対して同様の分析が可能である。基本的なＤＨ方式に対して、前述した確率は、γ_ｄｈ＝（１−ε）^４で与えられる。鍵を共有する２つのノードの確率が、Ｐ_Ｓで示されるとし、これは、成功する鍵交換がＰ_Ｘで生じた確率であり、Ｐ_Ｂ＝Ｐ（Ｂ∈Ｎ（ｔ））とする。また、最初の２つのイベントの補集合を、Ｐ _Ｓ 及びＰ _Ｂ で示すとする。Ｐ_Ｓ＝１−α、Ｐ_Ｂ＝１−β、及びＰ_Ｘ＝（１−β）^４とする。提案した方法では、再送信の必要なしにＡがＢと秘密を共有できる確率は、
によって与えられる。

予想通り、ノードが鍵を共有しない（α->１）、又は任意の共有鍵に気付かない（α->０、β->１）時、γはＤＨケースに漸近する。一方で、α->０及びβ->０の時、γ->１である。図４は、α＝１０^−２でβの値を変えて、γの値を示す。γは、βの小さな値に対して非常にゆっくりと減衰し、β＝１の時ＤＨケースに近づく。プロットは、方式がβの小さな値に対するεに顕著にロバストであることを示し、ＲＳＵが、十分に大きな数の車両に知らせることができる場合、チャネルエラーの結果を補償できることを意味する。これは、信号伝搬上の障害物のために多くのパケットロスが散発的に生じるＶＡＮＥＴのような予測できない環境では特に有用である。

以下では、提案したプロトコルの正しい動作に影響する、車両間アドホックネットワークの所定のセキュリティ問題点に関するいくつかの観点について議論する。

以下は、ノードの危殆化に関する。

任意の他のアドホックネットワークのように、車両ネットワークのノードは、危殆化する可能性がある（例えば、車両が盗まれる）。従って、効率的な鍵取消しメカニズムは、危殆化したノードがネットワークセキュリティを損なわないことを保証する必要がある。特に、ランダムな鍵配送方式に関して、いくつかの技術を用いることができる。基地局（例えば、ＲＳＵ）が、取消す鍵のコピーを除去する必要がある全てのノードに、取消しメッセージをブロードキャストするような、一元的なアプローチを用いることができる。そのようなアプローチの欠点は、取消し方式の単一障害点である。さらに、このアプローチは、所望しない通信オーバーヘッドが生じる、長距離にわたるメッセージのブロードキャストを含む。一方で、配送された方法で鍵取消しを実行できる。センサーネットワークという状況で［１５］でそのようなアプローチをとっており、これは車両ネットワークに拡張可能である。取消したノードからの公開鍵は知られるので、取消したノードに関する情報は、異なるＣＡによって制御される他の領域に伝搬する可能性がある点に注意する。

ＲＳＵが危殆化したケースでは、ＣＡは、危殆化していない全てのＲＳＵに、車両が新しい鍵を得ることができる新しい鍵プールを提供する必要がある。危殆化したＲＳＵから得た前の鍵も取消す必要があり、車両に、（例えば、全ての車両に取消しメッセージをブロードキャストすることで）危殆化を知らせる。

以下は、境界をまたがる動作に関する。

鍵空間は、地理的な空間とは独立に区分けされるので、車両が、他のＣＡによって制御される車両と通信できるよう保証するメカニズムが必要となる。これは、地理的な境界をアドレス指定する平行な鍵空間を考えることで達成できる。鍵プールは、様々なＣＡの間で協調でき、独立したＣＡ間で通信を必要とする車両が、このプールから鍵の組を要求する。このメカニズムは、ローミングが、あらゆる可能な地理的領域に鍵を提供する役割を果たすことで、大いに動作するであろう。

あるＣＡ地理的領域に固有の鍵を要求するために、そのＣＡ領域内にあるＲＳＵと通信する必要なく、そのＣＡ地理的領域に入る車両に鍵を割り当てるように、このローミングサービスを用いることもできる。

ＣＡ２によって制御される地理的領域にある車両が、ＣＡ３によってカバーされる地理的領域内に位置する他の車両と通信したい場合を考える（図６参照）。その時、車両は、新しい鍵空間に対して鍵の組を必要とするＲＳＵに、要求メッセージを送信する必要があり、ＣＡ２及びＣＡ３で定義される領域間で車両通信に対して用いる鍵を保持する。これらの鍵は、各領域内で用いる鍵とは独立である。ここで、鍵配送プロトコルに関する本文で述べたような鍵の構築手順を行う。

一方で、ＣＡ２によってカバーされる領域から、ＣＡ３によってカバーされる領域へ移動する車両を考える。その時、この車両は、向かっている新しい領域ＣＡ３に対する鍵を、ＣＡ２領域内にあるＲＳＵに率先して要求できる。なるべくなら、領域の境界線に近いＲＳＵにこの要求を行うべきである。その後、ＲＳＵは、ＣＡ３によって制御される領域内で使用できる鍵の組をＣＡ２に要求する。ＣＡ２は、ＣＡ３にこの要求を転送し、ＣＡ３は、鍵の組及び車両公開鍵で暗号化した識別子のリストで応答する。ここで、車両は、一度ＣＡ３によって制御される領域に到達すると、直ちにこれらの鍵を用いることができる。

ＶＡＮＥＴは、移動性の及び静的なノードから構成される無線ネットワークのクラスである車両間アドホックネットワークとして一般に定義される。移動性ノードとは、様々な速度で、時間に従って地理的な位置が変化するノードである。移動性ノードの最もありふれた形態は、同種又は異種の技術の無線インターフェイスを搭載した車両である。車両は、私的なものであるか、又は公共交通システムに属するかのいずれかでよい。他の移動性ノードもまた、移動性のエンドユーザーデバイス（これらは、一般的に、ゆっくりとした機動性によって特徴付けられる）のようなネットワークの一部である。静的なノードは、時間で地理的な位置を変えない。それらは、車両通信をサポートする路側機（又は路側装置）のような特定化したネットワークインフラの一部である。これらの機器は、ネットワークオペレータ／サービスプロバイダによって制御される私的なネットワークの一部か、又は、政府又は地方自治体のような公共の対象によって制御されるネットワークの一部である。例えば、Vehicular Network: Techniques, Standards, and Applications. Published: April 9, 2009. Editors: Hassnaa Moustafa; Yan Zhang (Chapter 1)を参照のこと。

認証局（Certificate Authorities (CAs)）は、車両に常時割り当てられる公開／秘密鍵の認証／帰属を担当することを想定した対象として一般に定義される。描かれたＣＡは２種類ある。（車両登録局（vehicle registration authorities）のような）公共局又は（車メーカーのような）私局である。公共局のケースでは、いくつかの地理的な細かい区別（例えば、ＣＡは、地方、州、都市エリアなどにある車両をカバーする）に従って、いくつかの種類のＣＡが考えられる。異なるＣＡが、互いに証明し合うことを想定しており、異なるＣＡによって発行される鍵を有する車両は、互いと認証／通信できる。例えば、Securing Vehicular Communications, Maxim Raya, Panos Papadimitratos, Jean-Pierre Hubaux. In IEEE Wireless Communications Magazine, Special Issue on Inter-Vehicular Communications, October 2006.を参照のこと。

車両公開鍵インフラ（vehicular public key infrastructure (VPKI)）は、車両通信をサポートする公開鍵暗号に基づいて、セキュリティサービスの組の提供を担当するインフラとして一般に定義される。サービスの例は、位置決め、認証、プライバシ、及び機密を含む。それらは、暗号素材を発行／認証するＣＡによってサポートされる。ＶＫＰＩは、究極的には、ロバストでスケーラブルな鍵管理方式の提供を担当する。例えば、Securing Vehicular Communications, Maxim Raya, Panos Papadimitratos, Jean-Pierre Hubaux. In IEEE Wireless Communications Magazine, Special Issue on Inter-Vehicular Communications, October 2006.を参照のこと。

述べた実施形態は、組合せ可能である。以下の請求項は、発明の特定の実施形態を提示する。

詳細な説明
前の節からの結果は、システムのタイムリーなブートストラップに依存し、コンピュータシミュレーションを通じて評価できる。都市環境に焦点をあてて、マンハッタンのような直交し、かつ、不規則に整形された交差点の組合せによって特徴付けられる、ＵＳＡペンシルベニア州ピッツバーグの都市部の２７ｋｍ^２エリアで車両機動性をシミュレートするめに、ＳＴＲＡＷ機動性モデル［１１］を用いる。表れた結果は、まばらな車両ネットワークとして考えることができるρ＝１０車両／ｋｍ^２の車両密度を有する。ＲＳＵは、０．３７、０．９２、及び１．８２ＲＳＵ／ｋｍ^２の密度でランダムに配置される。各ＲＳＵ配置密度に対して、５０回のシミュレーションを実行した。各シミュレーションランは、機動性モデルのウォームアップ周期１００秒を合わせて、２７０秒であった。考えられる通信モデルは、車車間通信（vehicle-to-vehicle (V2V) communications）に対する１５０メートル半径及び車路間通信（vehicle-to-infrastructure (V2I) communications）に対する３００メートル半径のユニットディスク無線モデルである。適切な半径に対して、ディスクモデルは、システムレベルでシャドウフェージングモデルをよく模倣することが示された［１２］。交差点上の小高い場所に配置されたＲＳＵは、特に他の妨害する車両からのシャドウイングロスにより陥りにくいということを示した［１３］及び［１４］で報告された最近の実験的な検討に基づいて、Ｖ２Ｖ及びＶ２Ｉリンクに対して、様々な送信範囲を選択した。プロトコルのパラメータを、ｔ＝１０秒及びｘ＝５に設定する。

提案した方式により、ノードは、ワンホップ通信（ＲＳＵとのダイレクト通信）又はマルチホップ通信（ブロードキャスト）を通じて鍵を要求できる。図５に、ＲＳＵ密度の変化に対して、一定の時間内に鍵を受信する車両の累積比率を示す。破線は、ワンホップのケースを、実線はマルチホップのケースを表す。図は、マルチホップのケースの鍵配布時間がほぼ即座であることを示す。一方で、ワンホップのケースは、タイムリーなブートストラップを達成するために高いＲＳＵ密度を必要とする。０．９２ＲＳＵ／ｋｍ^２でのマルチホップ通信は、１．８２ＲＳＵ／ｋｍ^２での単一ホップと同様の性能を達成する。シミュレーションは、車両密度を上げることで、マルチホップのケースで鍵配布がかなり促進する一方で、ワンホップのケースではほとんど影響がないことも確認する。

さらに、直ちに通信に利用可能な、すなわち、２つのノードが初めて会う時の、セキュアな通信路のパーセンテージを分析する。通信路の各リンクがセキュアであるという必要十分条件で、２つのノード間の通信路をセキュアと考える。この定義は、方向性を持っている、すなわち、ＡからＢまでのセキュアな通信路は、ＢからＡまでのセキュアな通信路を暗に含む必要はない点に注意する。

表１は、通信路長の関数として、最小距離のセキュアな通信路のパーセンテージを示す。車両がＲＳＵから直接鍵を要求する時、セキュアな接続のパーセンテージは低く、対してマルチホップのケースでは、これらの値がより高い。これは、車両は鍵を得るためにより長い時間をかけ、従って、車両が初めて会う時には、鍵束を所有していないという事実によるものである。ＲＳＵ密度を上げる時、両方のケースに対するセキュアな接続のパーセンテージは増加する。これらのパーセンテージは、信頼性分析のβパラメータに対する評価と考えられる。

もちろん、発明は、述べた実施形態に任意の方法で限定されず、当業者は、付加した請求項で定義されるような発明から離れることなく、その修正に多くの実現性を見越すだろう。

Claims (14)

1. 車両間アドホックネットワークＶＡＮＥＴのための信頼ノードによる鍵配送の方法であって、前記車両間アドホックネットワークは、車載機器を搭載した移動性の車両ノード及びＲＳＵノードと呼ばれる静的な路側機ノードから構成され、前記ＲＳＵノードは、前記ＶＡＮＥＴが含まれる所定の地理的領域を担当する認証局ＣＡに常時接続しており、前記ＶＡＮＥＴのノードは、少なくとも一組の公開・秘密鍵及び前記ＣＡによって発行された対応する証明書を有し、前記方法は、
   各車両ノードが、前記所定の地理的領域に入ると、ダイレクト通信又はマルチホップ通信によって、範囲内及び領域内にあるＲＳＵノードから鍵の組を要求するステップであって、前記車両ノードは前記ＲＳＵノードに鍵要求を送信し、前記要求は前記車両ノードの公開鍵を含む、前記ステップと、
   前記ＲＳＵノードは、前記ＲＳＵノードに利用可能な秘密鍵のプールから選択された秘密鍵の組を前記車両ノードに送信し、前記鍵の組は前記車両ノードの公開鍵で暗号化されるステップであって、前記秘密鍵の組は前記組にある各秘密鍵に対する鍵識別子も含む、前記ステップと、
   前記ＲＳＵノードは、前記車両ノード及び直近の所定周期時間に前記ＲＳＵノードにコンタクトした他の車両ノードによって共有される前記秘密鍵の前記鍵識別子のリストを前記車両ノードに送信するステップと、
   前記ＲＳＵノードは、前記ＲＳＵノードから所定ホップ数の近傍内にある前記ＶＡＮＥＴのノードに、前記車両ノードの存在及び前記車両ノードが得た秘密鍵の前記識別子を知らせるステップと、を含み、
   ２つの車両間で共有される前記秘密鍵がある場合に、２つの車両ノードによって共有される秘密鍵の暗号学的ハッシュ関数である新しい共有秘密を導出することで、さらなるやり取りなしに、前記２つの車両ノードは、直ちにセキュアな接続を構築できる、
   方法。
2. 他の車両ノードと通信したい車両ノードは、前記車両ノードが前記他の車両ノードによって保持される前記秘密鍵を知らない場合、各ノードによって保持される前記秘密鍵の前記鍵識別子を両方のノードがブロードキャストするステップを含み、共有される秘密鍵がある場合、前記車両ノード及び前記他の車両ノードによって共有される前記秘密鍵の暗号学的ハッシュ関数である新しい共有秘密を導出することで、さらなるやり取りなしに、２つの車両ノードはその後、セキュアな接続を構築できる、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記２つの車両ノード間で共有される秘密鍵がない場合、前記２つの車両ノードは、標準的なＰＫＣ方法を通じて共有秘密を構築する、
   請求項２に記載の方法。
4. １つ以上のＲＳＵノードが危殆化する場合、前記方法は、
   前記ＣＡが、危殆化していない全てのＲＳＵノードに新しい鍵プールを提供し、前記車両ノードは、前記鍵プールから新しい鍵を得ることができるステップと、
   前記車両ノードに、危殆化した１つ以上の前記ＲＳＵノードの存在を知らせるステップと、を含む、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記秘密鍵の識別子は、前記秘密鍵が生成される結果として生じるＩＤである、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 各々が所定地理的エリアを有する、複数の独立したＣＡをつなぐ鍵配送のための方法であって、各ＲＳＵノードに利用可能な秘密鍵の前記プールは、各独立したＣＡの前記地理的エリアに対応する区分けされた鍵空間に固有である、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 各ＲＳＵノードに利用可能な秘密鍵の前記プールは、前記ＣＡの鍵空間に平行であり全ＣＡの鍵空間に共有される付加的な鍵空間を有する、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記付加的な鍵空間は、前記ＲＳＵノードによって、独立したＣＡ間の通信を必要とする車両にのみ利用可能となる、
   請求項７に記載の方法。
9. 第一のＣＡ地理的領域から第二のＣＡ地理的領域まで移動する車両ノードは、
   前記第一のＣＡ地理的領域を去る前に、前記車両ノードは、範囲内にあり、前記第一のＣＡ領域内にあるＲＳＵノードから、前記要求された鍵は前記第二のＣＡ地理的領域用であることを示して鍵の束を要求するステップと、
   前記ＲＳＵノードは、前記第二のＣＡによって制御される前記領域内で使用できる鍵の組のため、前記車両ノードの要求を前記第一のＣＡに送信するステップと、
   前記第一のＣＡは、前記車両ノードの要求を前記第二のＣＡに転送するステップと、
   前記第二のＣＡは、前記車両ノードに送信される前記車両ノードの公開鍵で暗号化されたそれぞれの前記識別子のリストと合わせて、前記第二のＣＡによって制御される前記領域内で使用できる鍵の束で応答するステップと、を含み、
   前記車両ノードは、前記２つの車両ノードによって共有される前記秘密鍵の暗号学的ハッシュ関数である新しい共有秘密を導出することで、前記第二のＣＡ地理的領域にある任意の車両ノードと直ちにセキュアな接続を構築できる、
   請求項６乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記ＲＳＵノードは、第一のＣＡ地理的領域のＲＳＵ境界線ノードである、
    請求項９に記載の方法。
11. 車両間アドホックネットワークＶＡＮＥＴのための信頼ノードによる鍵配送に対して車両ノードを構成する装置であって、前記車両間アドホックネットワークは、車載機器を搭載した移動性の前記車両ノード及びＲＳＵノードと呼ばれる静的な路側機ノードから構成され、前記車両ノードは、少なくとも一組の公開・秘密鍵及び前記ＶＡＮＥＴが含まれる所定の地理的領域を担当する認証局ＣＡによって発行された対応する証明書を有し、
    前記車両ノードを構成する装置はデータ処理部を備え、該データ処理部は、
    前記車両ノードが前記所定の地理的領域に入ると、ダイレクト通信又はマルチホップ通信によって、範囲内及び領域内にあるＲＳＵノードから前記車両ノードの公開鍵を含む鍵の組を要求する鍵要求を前記ＲＳＵノードに送信し、
    前記ＲＳＵノードに利用可能な秘密鍵のプールから選択された秘密鍵の組を前記ＲＳＵノードから受信し、前記鍵の組は前記車両ノードの公開鍵で暗号化され、前記秘密鍵の組は前記組にある各秘密鍵に対する鍵識別子も含み、
    前記車両ノード及び直近の所定周期時間に前記ＲＳＵノードにコンタクトした他の車両ノードによって共有される前記秘密鍵の前記鍵識別子のリストを前記ＲＳＵノードから受信し、
    前記他の車両ノードと共有される前記秘密鍵がある場合に、２つの車両ノードによって共有される秘密鍵の暗号学的ハッシュ関数である新しい共有秘密を導出することで、さらなるやり取りなしに、前記他の車両ノードと直ちにセキュアな接続を構築できる、
    装置。
12. 車両間アドホックネットワークＶＡＮＥＴのための信頼ノードによる鍵配送に対して路側機ノードを構成する装置であって、前記車両間アドホックネットワークは、車載機器を搭載した移動性の車両ノード及びＲＳＵノードと呼ばれる静的な前記路側機ノードから構成され、前記ＲＳＵノードは、前記ＶＡＮＥＴが含まれる所定の地理的領域を担当する認証局ＣＡに常時接続しており、前記ＲＳＵノードは、少なくとも一組の公開・秘密鍵及び前記ＣＡによって発行された対応する証明書を有し、
    前記ＲＳＵノードを構成する装置はデータ処理部を備え、該データ処理部は、
    各車両ノードが前記所定の地理的領域に入ると、ダイレクト通信又はマルチホップ通信によって、前記車両ノードの公開鍵を含む鍵の組を要求する鍵要求を前記車両ノードから受信し、
    前記ＲＳＵノードに利用可能な秘密鍵のプールから選択された秘密鍵の組を前記車両ノードに送信し、前記秘密鍵の組は前記組にある各秘密鍵に対する鍵識別子も含み、
    前記車両ノード及び直近の所定周期時間に前記ＲＳＵノードにコンタクトした他の車両ノードによって共有される前記秘密鍵の前記鍵識別子のリストを前記車両ノードに送信し、
    前記ＲＳＵノードから所定ホップ数の近傍内にある前記ＶＡＮＥＴのノードに、前記車両ノードの存在及び前記車両ノードが得た秘密鍵の前記識別子を知らせる、
    装置。
13. 請求項１１に記載の前記車両ノードを構成する装置が備える前記データ処理部としてコンピュータを機能させるプログラム。
14. 請求項１２に記載の前記ＲＳＵノードを構成する装置が備える前記データ処理部としてコンピュータを機能させるプログラム。