WO2020059535A1 - 送信装置および送信方法、並びに受信装置および受信方法 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a transmission device, a transmission method, a reception device, and a reception method, and more particularly, to a transmission device, a transmission method, and a reception device capable of improving confidentiality and communication durability in LPWA (Low Power Wide Area) communication. And a receiving method.
- LPWA Low Power Wide Area
- LPWA communication is a communication in which a small amount of payload data (around 100 bits) at a low bit rate is transmitted and received in one direction from an IoT terminal (transmitting device) to an IoT gateway (receiving device). Transmitter) can realize communication with low power consumption.
- a technique of increasing the demodulation capability by using a waveform combining technique (such as maximum ratio combining or selective combining) in the physical layer is used.
- the present disclosure has been made in view of such a situation, and particularly, improves confidentiality and communication durability in LPWA communication.
- a transmission device includes a key stream generation unit that generates a key stream using information different according to timing as an initial value, and an encryption that converts transmission data into encrypted data using the key stream.
- a transmitting unit that transmits a waveform signal obtained by modulating the encrypted data.
- the transmission method according to the first aspect of the present disclosure corresponds to the configuration of the transmission device.
- a key stream is generated with different information as an initial value depending on timing, transmission data is converted into encrypted data by the key stream, and a waveform obtained by modulating the encrypted data is generated. A signal is transmitted.
- the receiving device is a waveform signal that is obtained by modulating encrypted data in which transmission data is encrypted by a key stream generated by using different information according to timing as an initial value and transmitted from the transmission device.
- a key stream generating unit that generates a key stream with different information as an initial value according to the timing
- a polarity inverting unit that inverts the polarity of the waveform of the waveform signal by the key stream
- a decoding unit that decodes the transmission data based on the inverted waveform signal.
- the receiving method according to the second aspect of the present disclosure corresponds to the configuration of the receiving device.
- a waveform signal obtained by modulating encrypted data obtained by encrypting transmission data with a key stream generated by using information different according to timing as an initial value and transmitted from a transmission device is received.
- a key stream is generated with different information according to the timing as an initial value, and the polarity of the waveform of the waveform signal is inverted by the key stream, and the transmission data is generated based on the inverted waveform signal. Is decoded.
- FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of a one-way communication system using LPWA communication.
- FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a key stream generator in an encoding unit and a decoding unit in FIG. 1.
- FIG. 3 is a diagram illustrating the effect of bit inversion caused by noise in block coding.
- FIG. 3 is a diagram illustrating the effect of bit inversion caused by noise in stream coding. It is a figure explaining a replay attack and a tampering attack. It is a figure explaining a falsification attack.
- 1 is a diagram illustrating a configuration example of a communication system according to the present disclosure.
- FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the transmission device of FIG. 7.
- FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the transmission device of FIG. 7.
- FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the receiving device of FIG. 7.
- FIG. 8 is a diagram illustrating an operation of the communication system of FIG. 7. It is a figure for explaining operation of encryption and decryption in general stream encryption.
- FIG. 8 is a diagram illustrating an operation of a polarity inversion unit in the receiving device of FIG. 7.
- FIG. 8 is a diagram illustrating a waveform synthesizing method by LPWA communication in the communication system of FIG. 7.
- 8 is a flowchart illustrating an example of a transmission process performed by the transmission device in FIG. 7.
- 8 is a flowchart illustrating an example of a reception process performed by the reception device in FIG. 7.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a key stream generator.
- FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a general-purpose personal computer.
- the communication system 1 using the LPWA communication of FIG. 1 includes IoT (Internet of Things) terminals 11-1 to 11-n, IoT gateways 12-1 to 12-m, and a cloud server 13.
- IoT Internet of Things
- IoT terminals 11-1 to 11-n and the IoT gateways 12-1 to 12-m are simply referred to as the IoT terminal 11 and the IoT gateway 12 if there is no particular need to distinguish between them. The same applies to the configuration.
- the IoT terminal 11 is arranged together with various sensors (not shown) provided in various environments, or is possessed by a predetermined user or the like. In each environment, the sensor detected by the sensor (not shown) is used. Data is acquired and transmitted to the cloud server 13 via the IoT gateway 12.
- the operation of the IoT gateway 12 is controlled by the cloud server 13, and relays the sensor data transmitted from the IoT terminal 11 to the cloud server 13.
- the cloud server 13 controls the operation of the IoT gateway 12, receives sensor data transmitted from the IoT terminal 11 via the IoT gateway 12, and executes various application programs according to the received sensor data.
- Sensor data is transmitted between the IoT terminal 11 and the IoT gateway 12 by LPWA communication.
- sensor data is transmitted from the IoT terminal 11 to the IoT gateway 12 in one direction.
- the IoT terminal 11 since the IoT terminal 11 only needs to transmit the sensor data as a small amount of payload data to the IoT gateway 12 in one direction, communication with low power consumption can be realized.
- the IoT terminal 11 includes an encryption unit 31, an encoding unit 32, and an LPWA communication unit 33.
- the encryption unit 31 when transmitting sensor data, configures a MAC (Media Access Control) layer, and the encoding unit 32 and the LPWA communication unit 33 configure a PHY (physical) layer. I have.
- MAC Media Access Control
- PHY Physical
- the encryption unit 31 generates a payload of the transmission data sequence based on the sensor data, and further performs CMAC (Cihper-based @ MAC: cryptographic base message authentication code) processing based on the payload to determine whether there is tampering. Is generated, and the payload and the CMAC tag are output to the encoding unit 32.
- CMAC Cihper-based @ MAC: cryptographic base message authentication code
- the encoding unit 32 creates a plaintext data bit sequence in which an error detection / correction code is added to the Payload and the CMAC tag, converts the plaintext data bit sequence into an encrypted data bit sequence, and transmits the encrypted data bit sequence to the LPWA communication unit 33.
- the LPWA communication unit 33 modulates the encrypted data bit string of the sensor data to generate a transmission frame waveform, and transmits the transmission frame waveform to the IoT gateway 12 by LPWA communication.
- the IoT gateway 12 includes an LPWA communication unit 51 and a decoding unit 52.
- the LPWA communication unit 51 configures a PHY (physical) layer
- the decoding unit 52 configures a MAC layer.
- the LPWA communication unit 51 receives the transmission frame waveform transmitted by the LPWA communication, demodulates the waveform as a waveform signal of an encrypted data bit string of the sensor data transmitted from the IoT terminal 11, and outputs the signal to the decryption unit 52.
- the decryption unit 52 decodes the waveform signal of the encrypted data bit string into a stream decoded data bit string including a payload including sensor data and a CMAC tag, obtains a CMAC tag from the payload, and compares the CMAC tag with the transmitted CMAC tag. Based on this, the presence / absence of tampering of the payload is determined, and the sensor data that is the payload is transmitted to the cloud server 13 together with the determination result.
- the cloud server 13 controls the operation of the IoT gateway 12 and executes various application programs 71-1 to 71-p based on sensor data transmitted from the IoT terminal 11 via the IoT gateway 12. .
- FIG. 1 shows a state in which the application program 71-1 in the cloud server 13 operates based on sensor data transmitted from the IoT terminal 11 via the IoT gateway 12, but other applications The program 71 functions similarly.
- the communication TRZ11 between the IoT terminal 11 and the IoT gateway 12 is LPWA communication, and is a unidirectional communication in which a transmission frame waveform is transmitted from the IoT terminal 11 to the IoT gateway 12. (One-way) communication. For this reason, the communication TRZ11 between the IoT terminal 11 and the IoT gateway 12 cannot be confirmed by, for example, challenge-and-response authentication because of the inability to communicate with each other, so that countermeasures against eavesdropping and tampering are required.
- the communication TRZ12 between the IoT gateway 12 and the cloud server 13 is a communication capable of two-way communication, so that it is considered that stronger security can be realized than the communication TRZ11.
- the encryption unit 31 of the IoT terminal 11 acquires sensor data detected by a sensor (not shown), generates a Payload corresponding to the sensor data, performs CAMC processing based on the Payload, and generates a CMAC tag. Generated and outputs the payload and the CAMC tag to the encoding unit 32.
- the encoding unit 32 converts the plaintext data bit sequence obtained by adding the error detection / correction code to the Payload and the CAMC tag into an encrypted data bit sequence, and outputs the encrypted data bit sequence to the LPWA communication unit 33.
- the LPWA communication unit 33 generates a transmission frame waveform signal by modulating the encrypted data bit string, and transmits the transmission frame waveform signal to the IoT gateway 12 by LPWA communication.
- the LPWA communication unit 51 of the IoT gateway 12 receives the transmission frame waveform signal transmitted by the LPWA communication, and encrypts the sensor data transmitted from the IoT terminal 11 based on the received transmission frame waveform signal.
- the bit sequence is demodulated and output to the decoding unit 52.
- the decryption unit 52 decrypts the payload and the CMAC tag composed of the sensor data from the encrypted data bit string, obtains the CMAC tag from the payload, and determines whether the payload has been tampered based on the comparison with the transmitted CMAC tag. It makes a determination and transmits the sensor data that is Payload together with the determination result to the cloud server 13.
- the cloud server 13 controls the operation of the IoT gateway 12 and executes various application programs 71-1 to 71-p based on sensor data transmitted from the IoT terminal 11 via the IoT gateway 12. .
- the sensor data detected by the sensor (not shown) is transmitted from the IoT terminal 11 to the cloud server 13 via the IoT gateway 12, and the application program 71 managed by the cloud server 13 is transmitted. It can be operated. At this time, the IoT terminal 11 can transmit the sensor data to the IoT gateway by the one-way communication by the LPWA communication, so that the communication with low power consumption can be realized.
- the encoding unit 32 in FIG. 2 includes a keystream (keystream) generator 91 and an XOR processing unit 92.
- the key stream generator 91 generates a pseudo random number bit sequence (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence) as a key stream from the initial value data (NONCE: Number Used Once) and secret key data, and outputs it to the XOR processing unit 92.
- PRBS pseudo random number bit sequence
- NONCE Number Used Once
- NONCE initial value data
- the XOR processing unit 92 converts the plaintext data bit string into an encrypted data bit string by performing an exclusive-OR (XOR) process on the plaintext data bit string including the Payload and the CMAC tag in bit units using the key stream. Convert and output.
- XOR exclusive-OR
- the decryption unit 52 of the IoT gateway 12 also has the same configuration as the keystream (keystream) generator 91, and the decryption unit 52 uses the same initial value data (keystream generator) 91 as the keystream (keystream) generator 91.
- a key stream is generated by using NONCE: Number ⁇ used ⁇ Once and secret key data, and an exclusive OR (XOR) process is performed on the encrypted data bit string by using the generated key stream.
- XOR exclusive OR
- Encryption includes block encryption performed in a predetermined bit number unit (block unit) and stream encryption performed in an arbitrary bit number unit.
- the encoding unit 32 performs encryption in a predetermined bit unit (block unit) instead of the key stream generator 91 and the XOR processing unit 92.
- a predetermined bit unit block unit
- AES Advanced Consider a case in which an encryptor 101 including an encryption standard is provided, and a decryption unit 52 corresponding to the decryption unit 52 that decrypts the data in units of blocks is provided.
- the plaintext data bit sequence is converted into an encrypted data bit sequence by the encryptor 101, and the encrypted data bit sequence is modulated by the modulator 102 of the LPWA communication unit 33 into a transmission frame waveform signal, thereby forming a wireless communication path. It is transmitted to the LPWA communication unit 51 of the IoT gateway 12 via the Internet.
- the demodulator 103 demodulates the transmitted transmission frame waveform signal into an encrypted data bit string and outputs the same to the decryption unit 52.
- the secret key is “00112233445566778899aabbccddeeff”
- the data is “0000000000000000000000000000”
- the encrypted data bit string is “fde4fbae4a09e020eff722969f83832b”.
- the decoded data bit string is “0000000000000000000000000000” like the data.
- this encrypted data bit string is converted into a stream decrypted data bit string, it becomes “c61abdd4dfa32aa26c2b3ff9933542b1”.
- the plaintext data bit string when not affected by noise is “000000000000000000000000”, whereas only the first bit of the encrypted data bit string is inverted by the influence of noise.
- the stream decoded data bit string is “c61abdd4dfa32aa26c2b3ff9933542b1”, which is converted into a completely different decoded data bit string, so that error correction in the subsequent stage becomes difficult.
- each of the encoding unit 32 and the decoding unit 52 is provided with the key stream generator 91 and the XOR processing unit 92 described with reference to FIG. Think.
- the secret key is “3d62e9b18e5b042f42df43cc7175c96e”
- the NONCE value is “777cefe4541300c8adcaca8a0b48cd55”
- the generated keystream (keystream) is “690f108d84f44ac7bf257bd7e3940000000000, where the sequence is 0000, where the 00000 is the string 00000, where 00000 is the string 0000, .
- the plaintext data bit string is stream-encrypted using the key stream, the encrypted data bit string becomes “690f108d84f44ac7bf257bd7e394f6c9”.
- the encrypted data bit string whose bit has been inverted becomes “e90f108d84f44ac7bf257bd7e394f6c9”, and the stream decrypted data bit string decrypted from this encrypted data bit string becomes “8000000000000000000000000000”.
- the plaintext data bit string is “000000000000000000000000”
- the stream decrypted output affected by noise is “8000000000000000000000000000000”
- the first character is changed from “8” to “0”. It will only be corrected.
- the communication device 111 operated by a malicious third party intercepts (captures) the transmission frame waveform signal Sign1, generates the transmission frame waveform signal Sign11 by copying the captured transmission frame waveform signal, and transmits the transmission frame waveform signal Sign11. .. Are repeatedly transmitted to the IoT gateway 12 as shown by waveform signals Sign11-1, 11-2,.
- the IoT gateway 12 repeatedly recognizes the transmission frame waveform signal Sign11 generated by copying the transmission frame waveform signal Sign1, and recognizes that the received transmission frame waveform signal is forged. And a service failure such as a decrease in operation speed due to an increase in processing load occurs.
- a replay attack Such an attack that intercepts a transmission frame waveform signal by the PHY (physical) layer, copies the intercepted transmission frame waveform signal, and repeatedly transmits the signal is called a replay attack.
- the communication device 111 operated by a malicious third party intercepts (captures) the transmission frame waveform signal Sign1, analyzes the format specification, specifies bits to be inverted, and corresponds to a change in a linear code such as CRC. Then, a transmission frame waveform signal Sign12 composed of a falsified waveform in which the polarity of a waveform portion corresponding to the inverted bit is inverted is generated and transmitted.
- An attack that generates and transmits a transmission frame waveform signal composed of a falsified waveform in which the waveform portion corresponding to a predetermined bit is inverted in polarity is called a falsification attack.
- “010111...” Is assumed as a data bit string Payload to be transmitted.
- the data bit string Payload “010111...” is encoded, as shown in the upper middle part of FIG. 6, the data bit string Payload “010111...” Is composed of CRC, convolutional code, low-density parity check code, and the like by linear code processing.
- a data bit string “010111... 1101...” To which “1101...” Is added as ECC (Error Correcting / Check Code: Error Correcting Code Code or Error Check and Correct) is generated.
- confidentiality and communication durability in LPWA (Low Power Wide Area) communication can be improved by implementing effective defense measures against replay attacks and tampering attacks.
- the communication system 200 of the present disclosure is similar in basic configuration to the communication system 1 of FIG. That is, the communication system 200 includes transmitting devices 201-1 to 201-n, receiving devices 202-1 to 202-m, and a cloud server 203.
- the transmitting device 201 corresponds to the IoT terminal 11 in FIG. 1 and transmits sensor data detected by a sensor (not shown) to the cloud server 203 via the receiving device 202 by LPWA communication.
- the transmitting device 201 acquires GPS time information transmitted together with the position information by GPS (Global Positioning System), uses it as a NONCE together with the TXID which is an ID unique to the transmitting device 201, and generates a key stream. Using this key stream, the plaintext data bit string is converted into an encrypted data bit string.
- GPS Global Positioning System
- the receiving device 202 has a configuration corresponding to the IoT gateway 12 in FIG. 1, and receives a transmission signal transmitted from the transmitting device 201 and transmits the transmission signal to the cloud server 203. At this time, the receiving device 202 obtains GPS time information transmitted together with position information by GPS (Global Positioning System), generates a key stream together with the TXID of the transmitting device 201, and converts the encrypted data bit string into stream decrypted data. Convert to a bit string.
- GPS Global Positioning System
- the cloud server 203 includes application programs 211-1 to 211-p and is basically the same as the cloud server 13 in FIG.
- the key stream changes each time it is generated based on the GPS time information, and the plaintext data bit string is converted into the encrypted data bit string using the changed key stream.
- the transmission frame waveform signal generated by modulating the encrypted data bit string changes each time it is transmitted, which is an effective countermeasure against replay attacks.
- the transmission device 201 includes a MAC encryption unit 221, an encoding unit 222, and an LPWA transmission unit 223.
- the MAC encryption unit 221 forms a MAC layer
- the encoding unit 222 and the LPWA transmission unit 223 form a PHY (physical) layer that is a lower layer than the MAC layer. .
- the MAC (Media Access Control) encryption unit 221 encrypts (MAC layer) a payload composed of sensor data (not shown) and converts the encrypted data (or unencrypted payload data) into a data bit string.
- MAC Media Access Control
- MSDU MAC ⁇ Service ⁇ Data ⁇ Unit
- a CMAC tag corresponding to the MSDU is generated and output to the encoding unit 222.
- the MAC encryption unit 221 includes an MSDU generation unit 231 and a CMAC processing unit 232.
- the MSDU generation unit 231 includes an MSDU (MAC) composed of a data bit string storing a payload (or data obtained by encrypting the payload (MAC layer)) including sensor data (not shown) in a MAC layer higher than the PHY (physical) layer.
- MSDU MSDU
- MAC MSDU
- Service ⁇ Data ⁇ Unit is generated and output to the CMAC processing unit 232, a CMAC tag is generated by CMAC processing, and the MSDU and the CMAC tag are combined and output to the encoding unit 222.
- the CMAC (Cipher-based Message Authentication Code) processing unit 232 generates a CMAC tag from the MSDU (MAC Service Data Unit) by a message authentication code algorithm.
- the CMAC tag is used for authentication and data tampering detection at the time of decryption. Since the CMAC tag has a property that the value differs greatly when the original data MSDU is falsified, such as a hash value, the CMAC tag generated from the received data bit string and the received CMAC tag are compared to detect the falsification. The presence or absence can be determined.
- Encoding section 222 encodes the MSDU and the CMAC tag together, and outputs the result to LPWA transmitting section 223.
- the encoding unit 222 includes an error correction code adding unit 251, an XOR processing unit 252, a key stream (Keystream) generator 253, a storage unit 254, a GPS time information acquisition unit 255, a synchronization pattern generation unit 256, and A switch 257 is provided.
- the error correction code adding unit 251 generates an error correction code ECC, which is a code for detecting and correcting an error, based on the MSDU and the CMAC tag, and appends the ECC to the MSDU and the CMAC tag to generate a PSDU (Physical A data bit sequence called “Layer ⁇ Service ⁇ Data ⁇ Unit” is generated and output to the XOR processing unit 252.
- ECC error correction code
- the key stream generator 253 reads out the TXID, which is a unique ID of the transmitting device 201, stored in advance in the storage unit 254, and uses the time information supplied from the GPS time information acquisition unit 255 as a nonce. Further, using a secret key, a key stream composed of PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) is generated and output to the XOR processing unit 252.
- PRBS Physical Random Binary Sequence
- the storage unit 254 is configured by a memory or the like, stores a TXID that is a unique ID of the transmitting device 201 stored in advance, and supplies the TXID to the key stream generator 253.
- the GPS time information acquisition unit 255 acquires GPS time information supplied when receiving satellite waves transmitted from a satellite (not shown) and acquiring GPS position information, and supplies the GPS time information to the key stream generator 253. I do.
- the XOR processing unit 252 generates an encrypted data bit string by performing an exclusive OR (XOR) process on the plain text data bit string composed of the PSDU data bit string using a key stream in bit units. Output to
- the synchronization pattern generation unit 256 generates a synchronization pattern SYNC indicating the head position when receiving the transmission frame signal to the reception device 202, and outputs the synchronization pattern SYNC to the switch 257.
- the switch 257 switches between the synchronization pattern SYNC supplied from the synchronization pattern generation unit 256 and the encrypted data bit string of the PSDU supplied from the XOR processing unit 252, and outputs a PPDU (Physical Layer Convergence Protocol Protocol) PLCD Data Unit or Physical ⁇ Layer ⁇ Protocol ⁇ Data ⁇ Unit) is generated and output to the LPWA transmitting unit 223.
- PPDU Physical Layer Convergence Protocol Protocol
- PLCD Data Unit Physical ⁇ Layer ⁇ Protocol ⁇ Data ⁇ Unit
- the switch 257 can switch the input based on the transmission format, and outputs the bit output of the synchronization pattern SYMC supplied from the synchronization pattern generation unit 256 connected to the terminal 257a, and the XOR connected to the terminal 257b.
- a PPDU which is an encoded signal including a synchronization pattern and an encrypted data bit sequence is generated and output to the LPWA transmitting unit 223.
- the LPWA transmission unit 223 generates a transmission frame waveform signal by modulating a PPDU in which the synchronization pattern SYNC and the encrypted data bit string of the PSDU are combined, and transmits the transmission frame waveform signal to the reception device 202 by LPWA communication.
- the LPWA transmitting unit 223 includes a modulation unit 271, a mixer 272, a local oscillator 273, a band pass filter (BPF) 274, an amplifier 275, and an antenna 276.
- a modulation unit 271 a mixer 272
- a local oscillator 273 a local oscillator 273
- BPF band pass filter
- Modulation section 271 modulates the PPDU, which is an encoded signal, generates a transmission frame waveform signal, and outputs it to mixer 272.
- the mixer 272 combines the local oscillation signal generated by the local oscillator 273 and the transmission frame waveform signal to generate a high-frequency signal, and outputs the high-frequency signal to the BPF 274.
- the BPF 274 extracts a signal in a predetermined frequency band by filtering the high-frequency signal and outputs the signal to the amplifier 275.
- the amplifier 275 amplifies the signal of the predetermined frequency band supplied from the BPF 274 at a predetermined magnification, and transmits the amplified signal to the reception device 202 as a transmission frame waveform signal via the antenna 276.
- transmitting apparatus 201 repeatedly transmits different transmission frame waveform signals four times in different frequency bands by the above series of operations. Also, an example will be described in which different transmission frame waveform signals are repeatedly transmitted four times in different frequency bands, but the number of repetitions may be any number as long as it is two or more. .
- the receiving apparatus 202 includes an LPWA receiving unit 321, a decoding unit 322, and a MAC decoding unit 323.
- the LPWA receiving unit 321 and the decoding unit 322 form a PHY (physical) layer
- the MAC decoding unit 323 forms a MAC layer higher than the PHY (physical) layer. .
- the LPWA receiving unit 321 receives the transmission frame waveform signal composed of the PPDU transmitted from the transmission device 201 by the LPWA communication by the LPWA communication, and encrypts the synchronization pattern SYNC included in the PPDU of the transmission frame waveform signal and the PSDU.
- the data bit sequence is output to decoding section 322.
- the LPWA receiving section 321 includes an antenna 331, an amplifier 332, a mixer 333, a local oscillator 334, a BPF 335, a phase correction section 336, and a synchronization detection section 337.
- the amplifier 332 receives the transmission frame waveform signal transmitted as a high-frequency signal via the antenna 331, amplifies the signal, and outputs the amplified signal to the mixer 333.
- the mixer 333 converts the waveform signal of the predetermined frequency band oscillated by the local oscillator 334 into an intermediate frequency waveform signal and outputs the signal to the BPF 335.
- the BPF 335 extracts a transmission frame waveform signal corresponding to a PPDU of a predetermined frequency band from the transmission frame waveform signal converted into the intermediate frequency, and outputs the extracted signal to the phase correction unit 336 and the synchronization detection unit 337.
- the synchronization detection unit 337 detects a waveform signal of the synchronization pattern SYNC among the transmission frame waveform signals corresponding to the PPDU, and outputs the waveform signal to the phase correction unit 336.
- the phase correction unit 336 corrects the phase of the transmission frame waveform signal corresponding to the PPDU supplied from the BPF 335 and outputs the same to the decoding unit 322 at the timing when the synchronization pattern SYNC is detected by the synchronization detection unit 337.
- the decoding unit 322 detects the position of the waveform signal corresponding to the PSDU based on the waveform signal of the synchronization pattern SYNC, generates a key stream in the same manner as the transmitting device 201, and generates a key stream corresponding to the encrypted data bit sequence. And decodes the PSDU data bit sequence based on the restored waveform signal, and outputs it to the MAC decoding unit 323.
- the decoding unit 322 includes a switch 351, a polarity inversion unit 352, a demodulator 353, an integration unit 354, a decoder 355, a key stream generator 356, a storage unit 357, a GPS time information acquisition unit 358, and a synchronization signal.
- a waveform storage unit 359 is provided.
- the switch 351 is controlled by the synchronization detection unit 337 to separate the transmission frame waveform signal supplied from the LPWA reception unit 321 and output it to the synchronization signal waveform storage unit 359 and the polarity inversion unit 352.
- the switch 351 is connected to the terminal 351 a at a timing corresponding to the synchronization signal waveform of the waveform signal corresponding to the PPDU, and stores the waveform signal supplied from the LPWA reception unit 321 in the synchronization signal waveform storage unit. 359. Then, at a timing other than the synchronization signal waveform, it is connected to the terminal 351 b and outputs the transmission frame waveform signal corresponding to the encrypted PSDU of the PPDU to the polarity reversing unit 352.
- the polarity inverting unit 352 inverts the polarity of the waveform signal corresponding to the PSDU based on the key stream supplied from the key stream generator 356, and outputs the inverted signal to the demodulator 353.
- the operation of the polarity reversing unit 352 will be described later in detail with reference to FIGS.
- the key stream generator 356, the storage unit 357, and the GPS time information acquisition unit 358 are provided with functions corresponding to the key stream generator 253, the storage unit 254, and the GPS time information acquisition unit 255 of the transmission device 201. Therefore, the description is omitted.
- the demodulator 353 demodulates the waveform signal corresponding to the PSDU output from the polarity inversion unit 352, outputs the demodulated signal to the integration unit 354, accumulates and stores the signal.
- the integration unit 354 integrates and stores the stream-decoded waveform signals corresponding to the same PSDU, and outputs the integrated PSDU waveform signal to the decoder 355.
- a transmission frame signal generated from the same PSDU is repeated four times in different frequency bands.
- any other number may be used.
- the result of adding the PSDU waveform signals integrated four times is output to the decoder 355.
- the decoder 355 decodes the waveform signal obtained by adding the waveform signal corresponding to the PSDU output from the polarity inversion unit 352, which has been demodulated four times and stored in the integration unit 354, and A PSDU composed of a stream decryption data bit sequence corresponding to the encrypted data bit sequence is generated and output to the MAC decryption unit 323.
- the MAC decoding unit 323 MAC-decodes the payload corresponding to the sensor data transmitted from the transmission device 201 based on the stream decoded data bit string of the PSDU, and outputs the payload.
- the MAC decoding unit 323 includes an MSDU decoding unit 371 and a CMAC processing unit 372.
- the DUMSDU decoding unit 371 corrects the error using the error correction code ECC included in the PSDU, extracts the MSDU and the CMAC tag, decodes the payload from the MSDU, and outputs it to the CMAC processing unit 372.
- the CMAC processing unit 372 generates a CMAC tag by CMAC processing based on the MSDU, and compares the CMAC tag with the CMAC tag added to the MSDU to determine whether or not there is tampering.
- the MSDU decryption unit 371 outputs Payload, which is a decryption result, together with information on the presence or absence of tampering.
- the MSDU generation unit 231 of the MAC encryption unit 221 in the transmission device 201 encrypts the payload 401 as the sensor data to generate the MSDU 402, and outputs the MSDU 402 to the CMAC processing unit 232.
- the CMAC processing unit 232 performs CMAC processing on the MSDU 402, generates a CMAC tag 403 for determining whether there is tampering, and outputs the generated CMAC tag 403 to the MSDU generation unit 231.
- the MSDU generation unit 231 adds a CMAC tag 403 to the generated MSDU 402 and outputs it to the encoding unit 222.
- processing from generation of the MSDU 402 to the addition of the CMAC tag 403 is processing of the MAC layer, and the subsequent processing is processing of the PHY (physical) layer.
- the error correction code adding unit 251 of the encoding unit 222 generates an error correction code ECC 412 from the information obtained by combining the MSDU 402 and the CMAC tag 403, and matches the error correction code ECC 412 to the information obtained by combining the MSDU 402 and the CMAC tag 403. Then, a PSDU 413 is generated.
- the key stream generator 253 generates NONCE based on the GPS time information TIME supplied from the GPS time information acquisition unit 255 and the TXID stored in the storage unit 254, and generates the key stream 414 together with the secret key. It is generated and output to the XOR processing unit 252.
- the XOR processing unit 252 converts the PSDU 413 into an encrypted data bit string by performing XOR processing on the PSDU 413 which is a plaintext data bit string and the key stream 414 in a bit unit by stream encryption processing in the PHY (physical) layer. And outputs the result to the switch 257.
- the synchronization pattern generation unit 256 generates the synchronization pattern SYNC 411 and outputs it to the switch 257.
- the switch 257 generates a PPDU 415 by adding the synchronization pattern SYNC 411 to the encrypted data bit string of the PSDU 413, and outputs the PPDU 415 to the LPWA transmitting unit 223. More specifically, the switch 257 connects the bit output of the synchronization pattern SYNC411 to the terminal 257a based on the transmission format, and accepts the input of the synchronization pattern SYNC411.
- the switch 257 switches to and connects to the terminal 257 b, receives an input of the encrypted data bit string of the PSDU 413 from the XOR processing unit 252, generates a PPDU 415 including the synchronization pattern SYNC 411, and outputs the PPDU 415 to the LPWA transmitting unit 223. .
- modulating section 271 modulates PPDU 415 to generate transmission frame waveform 416. Then, the transmission frame waveform 416 is converted into a predetermined high-frequency signal by the local oscillator 273 by the mixer 272, a predetermined frequency band is further extracted by the BPF 274, amplified by the amplifier 275, and transmitted from the antenna 276 to the reception device 202. .
- a reception frame waveform 421 corresponding to the transmission frame waveform 416 is received via the antenna 331, amplified by the amplifier 332 to a predetermined gain, and then supplied from the local oscillator 334 by the mixer 333. Is converted to an intermediate frequency based on the signal having the frequency
- the BPF 335 extracts a signal of a predetermined band from the waveform signal of the reception frame waveform 421 converted into the intermediate frequency signal, and outputs the signal to the phase correction unit 336 and the synchronization detection unit 337.
- the synchronization detection unit 337 detects a waveform serving as a synchronization pattern in the reception frame waveform 421 and outputs a detection result to the phase correction unit 336.
- the phase correction unit 336 corrects the phase of the received frame waveform 421 from the timing at which the synchronization pattern detected by the synchronization detection unit 337 is detected, and outputs the result to the decoding unit 322 as a PPDU waveform 422.
- the switch 351 outputs the waveform signal of the PPDU waveform 422 input from the LPWA reception unit 321 to the synchronization signal waveform storage unit 359 by connecting to the terminal 351a.
- the synchronization detection unit 337 detects a waveform other than the synchronization signal waveform from the input PPDU waveform 422, it controls the switch 351 to connect it to the terminal 351b. With this operation, the switch 351 outputs the waveform of the PSDU position corresponding to the encrypted data bit string, of the PPDU waveform 422, to the polarity reversing unit 352.
- the key stream generator 356 generates NONCE based on the GPS time information TIME supplied from the GPS time information acquisition unit 358 and the TXID stored in the storage unit 357, and generates a key stream 414 (with a secret key).
- a key stream generated by the key stream generator 253 of the transmitting apparatus 201 is generated and output to the polarity inversion unit 352.
- the polarity reversing unit 352 converts the polarity of the waveform at the PSDU position corresponding to the encrypted data bit string out of the PPDU waveform 422 into a PSDU waveform 423 by inverting the polarity based on the key stream, and outputs the PSDU waveform 423 to the demodulator 353. Output.
- the demodulator 353 demodulates the PSDU waveform 423 corresponding to the stream-decoded data bit string, and accumulates the accumulated data in the accumulator 354.
- the decoder 355 corrects an error using the error correction code ECC from the waveform 423 of the PSDU corresponding to the stream-decoded data bit string stored and accumulated by the integrator 354 a predetermined number of times, and uses the PSDU 424 (corresponding to the PSDU 413). ), And outputs the result to the MAC decoding unit 323.
- the MSDU decoding unit 371 extracts the MSDU 431 and the CMAC tag 432 from the PSDU 424, and outputs them to the CMAC processing unit 372.
- the CMAC processing unit 372 performs a CMAC process on the extracted MSDU 431 to generate a CMAC tag, compares the CDU with the CMAC tag 432, determines whether the MSDU 431 has been tampered with, and outputs the determination result to the MSDU decoding unit 371.
- the MSDU decoding unit 371 decodes the MSDU 431 to generate a Payload 433, and outputs it together with information indicating whether the MSDU 431 has been tampered with.
- the transmission frame waveform and the reception frame waveform which are the PPDU waveforms transmitted and received by the LPWA communication between the transmission device 201 and the reception device 202, are an encrypted data bit sequence using a key stream generated based on GPS time information. Will be generated based on As a result, the encrypted data bit string changes according to the change in time, so that a replay attack can be prevented.
- a key stream (K) is output from a key stream generator 91 of the encoding unit 32 of the IoT terminal 11, and a plaintext data bit string (
- the XOR processing unit 92 determines that each bit value of the plaintext data bit string (P) of PSDU is P and each bit value of the key stream (K) is K.
- the data is converted into an encrypted data bit string C of PSDU.
- the key stream (K) is output from the key stream generator 91 of the decryption unit 52 of the IoT gateway 12, and the PSDU encrypted data bit sequence (
- the XOR processing unit 92 determines that each bit value of the encrypted data bit string (C) of the PSDU is C and each bit value of the key stream (K) is K.
- the stream is converted into a PSDU stream decoded data bit string (P).
- the processing performed by the polarity inverting unit 352 of the receiving apparatus 202 is based on the position of the PSDU waveform signal (the position of the PSDU in the PPUD waveform signal) of the PPUD waveform signal (a waveform signal obtained by modulating the PPUD) composed of an analog signal. This is a process performed on the waveform signal of FIG.
- the polarity inverting unit 352 When a waveform signal corresponding to the encrypted data bit string of the PSDU is input, the polarity inverting unit 352 functions as a multiplier and, as shown in the lower left part of FIG. 12, corresponds to the encrypted data bit string of the PSDU.
- the polarity of each waveform of the waveform signal to be converted is inverted by multiplying the polarity of each waveform by a coefficient, thereby converting the waveform into a decoded waveform corresponding to the PSDU stream decoded data bit string.
- the polarity reversing unit 352 performs the encryption of the PSDU.
- the upward convex waveform is +, and the downward convex waveform is-.
- the key stream generator 253 generates a key stream (K) composed of “1010100”.
- the XOR processing unit 252 performs exclusive OR (XOR) processing, thereby generating an encrypted data bit string (C) composed of “0101010”.
- a transmission frame waveform W1 is generated and transmitted.
- "0" in the encrypted data bit string C of the PSDU is modulated to have a downward convex waveform
- "1" is modulated to have an upward convex waveform.
- the receiving device 202 receives the transmission frame waveform W1 as the reception frame waveform W11.
- the key stream generator 356 generates a key stream K composed of the same “1010100” as the key stream generator 253 of the transmitting device 201.
- the polarity inversion unit 352 assigns a coefficient to each bit of the key stream (K) composed of “1010100” as shown in the lower left part of FIG. , +1, -1, +1, -1, +1, +1.
- the polarity inversion unit 352 generates a waveform at the position of the PSDU as the decoded signal waveform W12 from the coefficient data bit string and the received frame waveform W11.
- the polarity inverting unit 352 sets the coefficient to ⁇ 1 because the bit K of the key stream (K) is “1”, so that the polarity becomes “ ⁇ ” due to a waveform that is convex below time t1.
- the polarity is set to “+”, and the waveform is inverted to make the waveform convex upward.
- the waveform before the polarity is inverted is shown as a dotted waveform in the lower right portion, and at time t1, the waveform is inverted and becomes an upwardly convex waveform shown by a solid line. Is shown.
- the polarity inverting unit 352 sets the coefficient to +1 because the bit K of the key stream (K) is '0', so that the polarity becomes “+” due to a waveform that is convex above time t2. , The polarity is kept “+” without inverting the polarity.
- the polarity inverting unit 352 sets the coefficient to ⁇ 1 since the bit K of the key stream (K) is “1”, and the polarity becomes “ ⁇ ” by a waveform that is convex below the time t3. Therefore, the polarity is inverted, the polarity is set to “+”, and the waveform is an upwardly convex waveform.
- the polarity inverting unit 352 sets the coefficient to +1 because the bit K of the key stream (K) is “0”, and the polarity is “+” due to a waveform that is convex above time t4. , The polarity is kept “+” without inverting the polarity.
- the polarity inverting unit 352 sets the coefficient to ⁇ 1 since the bit K of the key stream (K) is “1”, and the polarity becomes “ ⁇ ” due to the waveform that is convex below time t5. , The polarity is inverted, the polarity is set to “+”, and the waveform is an upwardly convex waveform.
- the polarity inverting unit 352 sets the coefficient to +1 because the bit K of the key stream (K) is '0', so that the polarity becomes “+” due to a waveform that is convex above time t6. , The polarity is kept “+” without inverting the polarity.
- the polarity inverting unit 352 sets the coefficient to +1 because the bit K of the key stream (K) is '0', so that the polarity becomes “ ⁇ ” due to a convex waveform below the time t7. , The polarity is kept “ ⁇ ” without inverting the polarity.
- the decrypted signal waveform W12 is decrypted from the received frame waveform W11 corresponding to the encrypted data bit string C of PSDU.
- a decoding process is performed based on the waveform of the decoded signal waveform W12 to obtain a stream decoded data bit string. That is, '111111' is decoded from the convex waveform above time t1 to t6 in the decoded signal waveform W12, '0' is decoded from the convex waveform below time t7, and '1111110' which is the original PSDU is decoded. 'Is decoded.
- the transmitting apparatus 201 generates a different key stream according to the GPS time information, and the PSDU is encrypted by the stream encryption method.
- the PSDU generated and encrypted by the key stream generated by the method it becomes possible to transmit the payload by LPWA communication.
- the encrypted PSDU waveform signal composed of an analog signal can be decoded by a different key stream according to GPS time information.
- the transmitting apparatus 201 repeatedly transmits the same PSDU to the receiving apparatus 202 with different transmission frame waveforms while changing the frequency. Such transmission of the PSDU is referred to as burst transmission.
- the transmission device 201 transmits the transmission frame waveform 416-1 obtained by encrypting the PSDU with the key stream based on the GPS time # 1 and the TXID at the GPS time # 1. , At frequency f2.
- the transmitting apparatus 201 transmits the transmitting frame waveform 416-2 obtained by encrypting the PSDU with the key stream based on the GPS time # 2 and the TXID at the frequency f1 to the transmitting apparatus 201.
- transmitting apparatus 201 transmits transmitting frame waveform 416-3 obtained by encrypting PSDU with a key stream based on GPS time # 3 and TXID to transmitting apparatus 201 at frequency f4.
- the transmitting apparatus 201 transmits the transmitting frame waveform 416-4 obtained by encrypting the PSDU with the key stream based on the GPS time # 4 and the TXID to the transmitting apparatus 201 at the frequency f3.
- the receiving device 202 transmits the key stream based on the GPS time # 1 and the TXID at the frequency f2.
- the above-described polarity inversion processing is performed on the signal waveform at the PSDU position from the received transmission frame waveform 416-1.
- the receiving apparatus 202 uses the key stream based on the GPS time # 2 and the TXID to generate the above-described signal waveform at the PSDU position from the transmission frame waveform 416-2 transmitted at the frequency f1. Is performed.
- the receiving apparatus 202 uses the key stream based on the GPS time # 3 and the TXID to transmit the signal waveform at the PSDU position from the transmission frame waveform 416-3 transmitted at the frequency f4. Is performed.
- the receiving apparatus 202 uses the key stream based on the GPS time # 4 and the TXID to convert the signal waveform at the PSDU position from the transmission frame waveform 416-4 transmitted at the frequency f3. Is performed.
- ⁇ Receiver 202 decodes transmission frame waveform 416-11 obtained by adding (integrating) the signal waveforms of the PSDUs of the four frames demodulated from transmission frame waveforms 416-1 to 416-4.
- each frame waveform transmitted by stream encryption in the transmission process has a different shape each time, while By stream (cipher) decryption in the processing, each frame waveform can be made the same shape. Further, on the receiving side, this makes it possible to synthesize waveforms by adding (integrating) the waveforms, thereby improving not only resistance to replay attacks but also demodulation / decoding performance.
- the CMAC tag is added to the signal waveform at the PSDU position that is repeatedly transmitted, it is also possible to prevent tampering attacks.
- step S11 the transmitting device 201 returns from its sleep state.
- step S12 the transmitting apparatus 201 initializes a transmission number counter Cs to 1.
- step S13 the key stream generator 253 reads out the TXID stored in the storage unit 254 as the ID for identifying the transmitting device 201.
- step S14 the key stream generator 253 acquires the GPS time information TIME supplied from the GPS time information acquisition unit 255.
- step S15 the key stream generator 253 rounds down the acquired GPS time information TIME in units of 5 seconds. That is, in step S13, for example, when the supplied GPS time information TIME is 00:15:21 (00:15:21), the GPS time information TIME becomes 00: It is 15:20 (00:15:20).
- step S16 the key stream generator 253 generates an initial value NONCE of the key stream based on the TXID and the GPS time information TIME.
- step S17 the key stream generator 253 generates a key stream based on the initial value NONCE and the secret key, and outputs the key stream to the XOR processing unit 252.
- step S18 the encoding process is performed on the payload including the sensor data. More specifically, the MSDU generation unit 231 performs an encryption process on the payload, generates an MSDU, and outputs the MSDU to the CMAC processing unit 232. The CMAC processing unit 232 performs CMAC processing on the MSDU to generate a CMAC tag, and outputs the CMAC tag to the MSDU generation unit 231. The MSDU generation unit 231 outputs the MSDU and the CMAC tag together to the encoding unit 222.
- the error correction code adding unit 251 of the encoding unit 222 obtains and adds an error correction code ECC from the MSDU and the CMAC tag, generates a PSDU composed of a plain data bit string, and outputs the PSDU to the XOR processing unit 252.
- step S19 the XOR processing unit 252 performs stream encryption by multiplying each bit value of the key stream by bitwise exclusive OR (XOR) with the PSDU composed of the plaintext data bit string, and performs stream encryption.
- the data is converted into a PSDU composed of a data bit string and output to the switch 257.
- step S20 the synchronization pattern generation unit 256 generates a synchronization pattern and outputs it to the terminal 257a of the switch 257. Further, XOR processing section 252 outputs the output encrypted data bit string to terminal 257b.
- the switch 257 switches and outputs the input based on the transmission format, generates a PPDU including the synchronization pattern and the encrypted data bit string, and outputs the PPDU to the LPWA transmission unit 223.
- step S21 the LPWA transmitting unit 223 modulates the PPDU and transmits the PPDU to the receiving device 202 in a frequency band corresponding to the counter Cs indicating the number of transmissions.
- step S22 the transmitting apparatus 201 determines whether or not the counter Cs indicating the number of transmissions is 4, and if not, the process proceeds to step S23.
- step S23 the transmitting device 201 increments the counter Cs indicating the number of transmissions by one, and the process returns to step S14.
- a transmission frame waveform composed of a PPDU including the PSDU subjected to the stream encryption processing is transmitted to the reception device 202.
- step S22 the counter Cs indicating the number of transmissions is considered to be 4, and the process ends when transmission frame waveforms for 4 frames have been transmitted.
- step S31 the key stream generator 356 specifies the TXID of the transmitting device 201 to be subjected to the receiving process.
- step S32 the receiving device 202 initializes a counter Cr for the number of times of reception to 1.
- step S33 the key stream generator 356 acquires the GPS time information TIME supplied from the GPS time information acquisition unit 358.
- step S34 the key stream generator 356 rounds down the acquired GPS time information TIME in units of 5 seconds.
- step S35 the key stream generator 356 generates an initial value NONCE of the key stream based on the TXID and the GPS time information TIME.
- step S36 the key stream generator 356 generates a key stream based on the initial value NONCE and the secret key, and outputs the key stream to the polarity reversing unit 352.
- step S37 the LPWA receiving unit 321 receives a transmission frame waveform transmitted at a predetermined frequency as a reception frame waveform, performs synchronization detection, and outputs it to the decoding unit 322.
- the decoding unit 322 acquires the waveform at the PSDU position.
- the amplifier 332 of the decoding unit 322 receives the transmission signal transmitted as a high-frequency signal via the antenna 331, amplifies the signal, and outputs the amplified signal to the mixer 333.
- the mixer 333 converts the waveform signal of the predetermined frequency band oscillated by the local oscillator 334 into an intermediate frequency waveform signal and outputs the signal to the BPF 335.
- the BPF 335 extracts a waveform signal of a predetermined frequency band from the waveform signal converted to the intermediate frequency, and outputs the extracted signal to the phase correction unit 336 and the synchronization detection unit 337.
- the phase correction unit 336 corrects the phase of the waveform signal supplied from the BPF 335 at the timing when the synchronization pattern SYNC is detected by the synchronization detection unit 337, and outputs it to the decoding unit 322.
- the switch 351 of the decoding unit 322 receives the output of the phase correction unit 336, and separates the synchronization signal waveform and the signal waveform corresponding to the encrypted PSDU based on the timing signal from the synchronization detection unit 337.
- a terminal 351a of the switch 351 is connected to a synchronization signal waveform storage unit 359 to output a synchronization signal waveform, and a terminal 351b is connected to a polarity inversion unit 352 so that a PSDU position corresponding to the encrypted data bit string is located.
- a waveform signal is output.
- step S38 the polarity inversion unit 352 inverts the polarity of the waveform signal at the PSDU position using the key stream generated by the key stream generator 356, as described with reference to FIG.
- the stream is decoded in the (physical) layer, converted into a PSDU waveform, and output to the demodulator 353.
- step S39 the demodulator 353 accumulates and accumulates the PSDU waveform corresponding to the stream decoded data bit string with respect to the waveform accumulated in the accumulator 354.
- step S40 the receiving apparatus 202 determines whether the counter Cr indicating the number of receptions is four. If the counter Cr is not 4 in step S38, the process proceeds to step S41.
- step S41 the counter Cr indicating the number of receptions is incremented by one, and the process returns to step S33.
- steps S33 to S41 is repeated until four frames of transmission frame waveforms repeatedly transmitted at different frequencies are received.
- step S40 the transmission frame waveforms for four frames are received, and the accumulation unit 354 adds and accumulates the PSDU waveforms corresponding to the four streams of decoded data bit strings, and assumes that the counter Cr is four. If it is determined, the process proceeds to step S42.
- step S42 the decoder 355 corrects an error using the error correction code ECC based on the waveform obtained by integrating the waveforms of the four PSDUs accumulated in the integrator 354, and then decodes the PSDU data bit sequence. Then, it outputs the result to the MAC decoding unit 323.
- the MSDU decoding unit 371 of the MAC decoding unit 323 extracts the MSDU and the CMAC tag included in the PSDU, outputs them to the CMAC processing unit 372, and decodes the payload from the MSDU.
- the CMAC processing unit 372 generates a CMAC tag by CMAC processing based on the MSDU, compares the CMAC tag with the CDU tag added to the MSDU to determine whether there is tampering, and determines whether or not there is tampering. 371.
- the MSDU decryption unit 371 outputs Payload, which is a decryption result, together with information on the presence or absence of tampering.
- a transmission frame waveform including a PPDU including PSDU stream-encrypted by using a key stream based on the GPS time information and the TXID corresponding to each transmission timing. Is transmitted to the receiving device 202.
- the transmission frame waveform is transmitted as a PPDU including a PSDU stream-encrypted using a key stream generated based on different GPS time information and TXID according to the transmission timing, respectively, as a different transmission frame waveform. Therefore, it is possible to defend against replay attacks. In addition, since the PSDU includes the CMAC, it is possible to prevent a tampering attack.
- the receiving apparatus 202 can decode using the repeatedly transmitted integration result, thereby improving the demodulation / decoding performance.
- the TXID and the GPS time information are used to generate the key stream used for each transmission frame waveform.
- the same numerical value predetermined by the transmission device 201 and the reception device 202 is included as additional information. Is also good.
- the GPS time information is used for each transmission frame waveform, but only the first transmission frame uses the key stream generated based on the GPS time information, while the key stream of the subsequent transmission frame waveform is used. May be generated using an initial value obtained by a conversion process using the count value of the number of transmission frame waveforms in the leading GPS time information.
- a key stream is generated using the secret key, TXID, and GPS time information, and in the next transmission frame, the GPS time information used when generating the first key stream is
- the key stream may be generated by adding the value of the counter corresponding to the elapsed time from the timing at which the first key stream was generated, and the key stream may be generated similarly in the subsequent transmission frames.
- the GPS time information truncated in units of 5 seconds is used as NONCE.
- the transmission frame waveform can be distinguished. If the transmission interval is fixed, the GPS time information in milliseconds according to the transmission interval may be used for NONCE.
- the GPS time information is used together with the TXID as the NONCE used to generate the key stream, but other information may be used as long as the information changes according to the timing at which the key stream is generated.
- time information such as UTC (Universal time coordinated: Universal Coordinated Time), GMT (Greenwich Mean Time: Greenwich Mean Time), JST (Japan Standard Time: Japan Standard Time) may be used, or a predetermined time interval ( The value of the counter counted at an equal time interval or a non-equal time interval may be used.
- the transmission frame waveforms for four frames are one set for transmitting the same PSDU.
- the number of frames of the transmission frame waveform for the set may be the number of other frames as long as it is two or more frames per set.
- a key stream generator can be formed by combining a block cipher with a specific cipher use mode, and this may be used.
- a block cipher that increments NONCE by a predetermined value every time a key stream is generated may be used.
- the block encryptor 401 generates a key stream K1 having a fixed number of bits using a nonce composed of c59bcf35 ... 00000000 and a secret key Key.
- the XOR processing unit 402 converts the plaintext data bit string into an encrypted data bit string by performing XOR on a bit basis using the key stream K1.
- the block encryptor 401 generates a nonce composed of c59bcf35... 00000001 obtained by incrementing the immediately preceding nonce by one, and generates a key stream K2 by using it together with the secret key Key.
- the XOR processing unit 402 converts the plaintext data bit string into an encrypted data bit string by performing XOR on a bit-by-bit basis using the key stream K2.
- the block encryptor 401 generates a nonce composed of c59bcf35... 00000002 obtained by further incrementing the immediately preceding nonce by one, and generates a key stream K3 by using it together with the secret key Key.
- the XOR processing unit 402 converts the plaintext data bit string into an encrypted data bit string by performing XOR on a bit basis using the key stream K3.
- the block encryptor 411 for example, first generates a key stream K11 based on the initial value and the secret key Key, and the XOR processing unit 412 performs bit conversion on the plaintext data bit string using the key stream K11. Convert to encrypted data bit string by multiplying by XOR.
- the block encryptor 411 generates a key stream K12 by using, for example, the immediately preceding key stream K11 as an initial value and using the key stream K11 together with the secret key Key. , And XOR in bit units using the key stream K12 to convert to an encrypted data bit string.
- the block encryptor 411 generates a key stream K13 by using, for example, the immediately preceding key stream K12 as an initial value and using the key stream K12 together with a secret key, and the XOR processing unit 402 Then, XOR is performed in bit units using the key stream K13 to convert the data into an encrypted data bit string.
- the initial value that becomes NONCE may be an encrypted data bit string generated immediately before.
- the block encryptor 411 first generates a key stream K21 based on the initial value and the secret key Key, for example. Then, the XOR processing unit 412 multiplies the plaintext data bit string by XOR using the key stream on a bit-by-bit basis, and converts it into an encrypted data bit string E1.
- the block encryptor 411 generates the key stream K22 by using, for example, the immediately preceding encrypted data bit string E1 as an initial value and using it together with the secret key Key. Then, the XOR processing unit 412 multiplies the plaintext data bit sequence by XOR using the key stream K22 in bit units to convert it into an encrypted data bit sequence E2.
- the block encryptor 411 generates the key stream K23 by using, for example, the immediately preceding encrypted data bit string E2 as an initial value and using it together with the secret key Key. Then, the XOR processing unit 402 converts the plaintext data bit string into an encrypted data bit string E3 by multiplying the plaintext data bit string by the bit unit using the key stream K23.
- the stream cipher in the PHY (physical) layer since the stream cipher in the PHY (physical) layer is used, it is possible to decode the PSDU waveform by inverting the polarity of the transmission frame waveform in the receiving device.
- the waveforms of the respective transmission frames can be easily deformed into the same shape, and the waveforms can be synthesized.
- the transmission frame waveform is different each time, so that it is possible to improve the resistance to a replay attack, and even if the encrypted transmission waveform is different.
- the demodulation / decoding performance can be improved by the waveform synthesis method.
- Example of execution by software can be executed by hardware, but can also be executed by software.
- a program constituting the software can execute various functions by installing a computer built into dedicated hardware or installing various programs. It is installed from a recording medium to a possible general-purpose computer, for example.
- FIG. 17 shows a configuration example of a general-purpose computer.
- This personal computer includes a CPU (Central Processing Unit) 1001.
- An input / output interface 1005 is connected to the CPU 1001 via a bus 1004.
- a ROM (Read Only Memory) 1002 and a RAM (Random Access Memory) 1003 are connected to the bus 1004.
- the input / output interface 1005 includes an input unit 1006 including an input device such as a keyboard and a mouse for inputting operation commands by a user, an output unit 1007 for outputting an image of a processing operation screen and a processing result to a display device, and programs and various data.
- LAN Local Area Network
- a magnetic disk including a flexible disk
- an optical disk including a CD-ROM (Compact Disc-Only Memory), a DVD (Digital Versatile Disc)), a magneto-optical disk (including an MD (Mini Disc)), or a semiconductor
- a drive 1010 that reads and writes data from and to a removable storage medium 1011 such as a memory is connected.
- the CPU 1001 is read from a program stored in the ROM 1002 or a removable storage medium 1011 such as a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, or a semiconductor memory, is installed in the storage unit 1008, and is loaded from the storage unit 1008 to the RAM 1003. Various processes are executed according to the program.
- the RAM 1003 also appropriately stores data necessary for the CPU 1001 to execute various processes.
- the CPU 1001 loads, for example, a program stored in the storage unit 1008 into the RAM 1003 via the input / output interface 1005 and the bus 1004 and executes the program. Is performed.
- the program executed by the computer (CPU 1001) can be provided by being recorded in a removable storage medium 1011 as a package medium or the like, for example. Further, the program can be provided via a wired or wireless transmission medium such as a local area network, the Internet, or digital satellite broadcasting.
- the program can be installed in the storage unit 1008 via the input / output interface 1005 by attaching the removable storage medium 1011 to the drive 1010.
- the program can be received by the communication unit 1009 via a wired or wireless transmission medium and installed in the storage unit 1008.
- the program can be installed in the ROM 1002 or the storage unit 1008 in advance.
- the program executed by the computer may be a program in which processing is performed in chronological order in the order described in this specification, or may be performed in parallel or at a necessary timing such as when a call is made. It may be a program that performs processing.
- CPU 1001 in FIG. 17 implements the functions of the encoding unit 222 in FIG. 8 and the decoding unit 322 in FIG.
- a system refers to a set of a plurality of components (devices, modules (parts), and the like), and it does not matter whether all components are in the same housing. Therefore, a plurality of devices housed in separate housings and connected via a network, and one device housing a plurality of modules in one housing are all systems. .
- the present disclosure can take a configuration of cloud computing in which one function is shared by a plurality of devices via a network and processed jointly.
- each step described in the above-described flowchart can be executed by a single device, or can be shared and executed by a plurality of devices.
- one step includes a plurality of processes
- the plurality of processes included in the one step can be executed by one device or can be shared and executed by a plurality of devices.
- a key stream generation unit that generates a key stream using information different according to timing as an initial value, With the key stream, an encryption unit that converts transmission data to encrypted data, A transmission unit for transmitting a waveform signal obtained by modulating the encrypted data.
- the transmission device according to ⁇ 1> wherein the information that differs according to the timing is time information.
- the time information is GPS (Global Positioning System) time information, UTC (Universal time coordinated) time information, GMT (Greenwich Mean Time: Greenwich Mean Time), JST (Japan Standard Time: Japan Standard Time) time
- the transmission device according to ⁇ 2> including information and a value of a counter counted at predetermined equal time intervals or non-equal time intervals.
- ⁇ 4> The transmission device according to ⁇ 2>, wherein the key stream generation unit generates the key stream based on information obtained by truncating the time information in a predetermined time unit.
- ⁇ 5> The key stream generating unit according to ⁇ 2>, wherein, in addition to the time information, an ID unique to the transmitting device is used as the initial value, and the key stream is generated using a secret key.
- Transmission device. ⁇ 6> The transmitting device according to ⁇ 1>, wherein the information that differs according to the timing is the key stream generated immediately before or the encrypted data generated immediately before.
- MSDU Media Access Control
- CMAC Media Access Control
- CMAC Chip-based MAC: cipher-based message authentication code
- ECC Error Correcting Code or Error Check and Correct
- ⁇ 8> The transmitting device according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 7>, wherein the transmitting unit repeatedly transmits, at different timings, waveform signals obtained by modulating encrypted data obtained by encrypting the same transmission data. . ⁇ 9> a key stream generation process of generating a key stream with different information as an initial value depending on timing; An encryption process for converting transmission data into encrypted data by the key stream; Transmitting a waveform signal obtained by modulating the encrypted data.
- a receiving unit that receives a waveform signal, which is obtained by modulating encrypted data obtained by encrypting transmission data with a key stream generated using information different according to timing as an initial value and transmitted from a transmission device, A key stream generation unit that generates a key stream with different information as an initial value according to the timing, A polarity inverting unit for inverting the polarity of the waveform of the waveform signal by the key stream; A decoding unit that decodes the transmission data based on the inverted waveform signal.
- the receiving device according to ⁇ 10>, wherein the information that differs according to the timing is time information.
- the time information is GPS (Global Positioning System) time information, UTC (Universal time coordinated) time information, GMT (Greenwich Mean Time: Greenwich Mean Time), JST (Japan Standard Time) time.
- the receiving device including information and a value of a counter counted at predetermined equal time intervals or non-equal time intervals.
- the reception device wherein the key stream generation unit generates the key stream based on information obtained by truncating the time information in a predetermined time unit.
- the key stream generation unit sets an ID unique to the transmitting device as the initial value, and further generates the key stream using a secret key.
- Receiver Receiver.
- the receiving device wherein the information that differs according to the timing is the key stream generated immediately before or the encrypted data generated immediately before.
- the transmission data is generated by a Media Access Control (MSDU) Service Data Unit (MSDU) generated based on a Payload, and a CMAC (Cihper-based MAC: encryption base message authentication code) process from the MSDU.
- MSDU Media Access Control
- MSDU Service Data Unit
- CMAC Cihper-based MAC: encryption base message authentication code
- the receiving device includes a CMAC tag, and an ECC (Error Correcting Code or Error Check and Correct) obtained from the MSDU and the CMAC tag, From the transmission data, performing an error correction by the error correction code ECC, MSDU decoding unit to decode the MSDU and CMAC tag, CMAC processing for generating a CMAC tag from the MSDU by CMAC (Cihper-based MAC: cipher-based message authentication code) processing, comparing the generated CMAC tag with the CMAC tag decrypted by the MSDU decryption unit, and determining whether the transmission data is falsified
- the receiving device according to any one of ⁇ 10> to ⁇ 15>, further including: ⁇ 17>
- the receiving unit receives a waveform signal obtained by modulating encrypted data obtained by encrypting the same transmission data, which is repeatedly transmitted from the transmission device at different timings.
- the receiving device according to any one of the above.
- an integration storage unit for integrating and storing The receiving device according to ⁇ 17>, wherein the decoding unit decodes the transmission data based on the inverted waveform signal stored in the integration storage unit.
- the polarity inverting unit inverts the polarity of the waveform of the waveform signal by multiplying the polarity of the waveform of the waveform signal by a coefficient set by the key stream.
- the receiving device according to any one of the above.
- ⁇ 20> a reception process of receiving a waveform signal obtained by modulating encrypted data obtained by encrypting transmission data with a key stream generated by using different information according to timing as an initial value and transmitted from a transmission device;
- Key stream generation processing of generating a key stream with different information as an initial value according to the timing,
- a polarity inversion process of inverting the waveform of the waveform signal by the key stream A decoding process of decoding the transmission data based on the polarity-inverted waveform signal.
- 200 communication system 201 transmitting device, 202 receiving device, 203 cloud server, 211, 211-1, 211-2 application program, 221 MAC encryption unit, 222 encoding unit, 223 LPWA transmission unit, 231 MSDU generation unit, 232 CMAC processing unit, ⁇ 251 ⁇ error correction code adding unit, ⁇ 252 ⁇ XOR processing unit, ⁇ 253 ⁇ key stream generator, ⁇ 254 ⁇ storage unit, ⁇ 255 ⁇ GPS time information acquisition unit, ⁇ 256 ⁇ synchronization pattern generation unit, ⁇ 257 ⁇ switch, ⁇ 257a, 257b ⁇ terminal, ⁇ 271 ⁇ modulation unit , 272 mixer, 273 local oscillator, 274 BPF, 275 amplifier, 276 antenna, 321 LPWA receiver, 322 decoder, 323 MAC decoder, 331 antenna, 332 amplifier , 333 mixer, 334 local oscillator, 335 BPF, 336 phase correction unit, 337 synchronization detection unit, 351 switch, 351a, 351b terminal, 35
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Abstract
本開示は、LPWA(Low Power Wide Area)通信における秘匿性、および通信耐性を向上できるようにする送信装置および送信方法、並びに受信装置および受信方法に関する。 送信装置において、GPS時刻情報に基づいてキーストリームを発生し、キーストリームに基づいて送信データを暗号化して暗号化データを生成し受信装置に送信する。受信装置においては、GPS時刻情報に基づいてキーストリームを発生し、キーストリームに基づいて暗号化データを送信データに復号する。本開示は、LPWA通信システムに適用することができる。
Description
本開示は、送信装置および送信方法、並びに受信装置および受信方法に関し、特に、LPWA(Low Power Wide Area)通信における秘匿性、および通信耐性を向上できるようにした送信装置および送信方法、並びに受信装置および受信方法に関する。
LPWA(Low Power Wide Area)通信を用いた通信技術が提案されている(特許文献1参照)。
LPWA通信は、低ビットレートによる少量のPayloadデータ(100ビット前後)を、IoT端末(送信装置)からIoTゲートウェイ(受信装置)に一方向に送受信する通信であるため、LPWA通信を行なうIoT端末(送信器)においては低消費電力での通信を実現することができる。
しかしながら、上述したLPWA通信においては、高度なセキュリティを実現するために、複雑な数学的問題を解く演算処理を用いた暗号化手法を用いると、低消費電力が求められるIoT端末において処理負荷が増大し、消費電力が大きくなってしまう。
また、多層防衛の観点から、物理層での暗号化を導入することで、物理層より上層での暗号化処理と合わせることで、さらなる秘匿性を向上させることができる。
特に、無線においては、物理層での波形合成手法(最大比合成や選択合成など)を用いて、復調能力を高める手法が用いられる。
この場合、波形合成するためには同じ無線波形、または簡単に同じ波形に変換できる波形である必要がある。
同じ無線波形を用いる場合、無線波形をキャプチャし、再送信することでIoTゲートウェイ(受信装置)を攻撃するリプレイ(反射)攻撃が可能になるため、リプレイ(反射)攻撃への対策が必要となる。
さらに、線形符号のみで構成されたフォーマットでは、ビット反転などによる改竄対策が必要であり、CMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)による対策などが一般に採用されている。
しかしながら、無線の復調/復号性能を向上させる波形合成技術を使用する場合には、CMAC値を送信ごとに変化させてリプレイ攻撃に対処する手法は採用することができない。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、特に、LPWA通信における秘匿性、および通信耐性を向上させるものである。
本開示の第1の側面の送信装置は、タイミングに応じて異なる情報を初期値として、キーストリームを生成するキーストリーム生成部と、前記キーストリームにより、送信データを暗号化データに変換する暗号化部と、前記暗号化データを変調した波形信号を送信する送信部とを含む送信装置である。
本開示の第1の側面の送信方法は、送信装置の構成に対応する。
本開示の第1の側面においては、タイミングに応じて異なる情報を初期値として、キーストリームが生成され、前記キーストリームにより、送信データが暗号化データに変換され、前記暗号化データを変調した波形信号が送信される。
本開示の第2の側面の受信装置は、送信装置より送信される、タイミングに応じて異なる情報を初期値として生成されたキーストリームにより送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する受信部と、前記タイミングに応じて異なる情報を初期値としてキーストリームを生成するキーストリーム生成部と、前記波形信号の波形の極性を、前記キーストリームにより反転させる極性反転部と、前記極性が反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する復号部とを含む受信装置である。
本開示の第2の側面の受信方法は、受信装置の構成に対応する。
本開示の第2の側面においては、送信装置より送信される、タイミングに応じて異なる情報を初期値として生成されたキーストリームにより送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号が受信され、前記タイミングに応じて異なる情報を初期値としてキーストリームが生成され、前記波形信号の波形の極性が、前記キーストリームにより反転され、前記極性が反転された波形信号に基づいて、前記送信データが復号される。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
以下、本技術を実施するための形態について説明する。説明は以下の順序で行う。
1.LPWA通信を用いた通信システムの概要
2.本開示の実施の形態
3.応用例
4.ソフトウェアにより実行させる例
1.LPWA通信を用いた通信システムの概要
2.本開示の実施の形態
3.応用例
4.ソフトウェアにより実行させる例
<<1.LPWA通信を用いた片方向通信システムの概要>>
図1を参照して、LPWA(Low Power Wide Area)通信を用いた片方向通信システムの概要について説明する。
図1を参照して、LPWA(Low Power Wide Area)通信を用いた片方向通信システムの概要について説明する。
図1のLPWA通信を用いた通信システム1は、IoT(Internet of Things)端末11-1乃至11-n、IoTゲートウェイ12-1乃至12-m、およびクラウドサーバ13より構成される。
尚、IoT端末11-1乃至11-n、およびIoTゲートウェイ12-1乃至12-mは、それぞれを特に区別する必要がない場合、単にIoT端末11、およびIoTゲートウェイ12と称するものとし、その他の構成についても同様に称する。
IoT端末11は、様々な環境に設けられる各種の図示せぬセンサと共に配置される、または、所定のユーザ等に所持されるものであり、それぞれの環境において、図示せぬセンサにより検出されたセンサデータを取得して、IoTゲートウェイ12を介してクラウドサーバ13に送信する。
IoTゲートウェイ12は、クラウドサーバ13により動作が制御され、IoT端末11より送信されるセンサデータを中継して、クラウドサーバ13に送信する。
クラウドサーバ13は、IoTゲートウェイ12の動作を制御するとともに、IoTゲートウェイ12を介してIoT端末11より送信されてくるセンサデータを受信し、受信したセンサデータに応じて各種のアプリケーションプログラムを実行させる。
IoT端末11とIoTゲートウェイ12とは、LPWA通信によりセンサデータが送信される。LPWA通信においては、IoT端末11からIoTゲートウェイ12に対して、センサデータが一方向に送信される。
このように、IoT端末11は、センサデータを少量のPayloadデータとしてIoTゲートウェイ12に対して一方向に送信するのみでよいため、低消費電力での通信を実現することができる。
より詳細には、IoT端末11は、暗号化部31、符号化部32、およびLPWA通信部33を備えている。
IoT端末11においては、センサデータを送信するにあたって、暗号化部31がMAC(Media Access Control)層を構成し、符号化部32、およびLPWA通信部33が、PHY(物理)層を構成している。
暗号化部31は、センサデータに基づいて、送信データ列のPayloadを生成するとともに、さらに、Payloadに基づいて、CMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理を施して、改竄の有無を検証するためのCMACタグを生成して、PayloadとCMACタグとを符号化部32に出力する。
符号化部32は、PayloadとCMACタグに対して誤り検出/訂正符号を付加した平文データビット列を作成した後、暗号化データビット列に変換して、LPWA通信部33に送信する。
LPWA通信部33は、センサデータの暗号化データビット列を変調して、送信フレーム波形を生成し、LPWA通信によりIoTゲートウェイ12に送信する。
IoTゲートウェイ12は、LPWA通信部51、および復号部52を備えている。IoTゲートウェイ12においては、センサデータからなる送信フレーム波形を受信するにあたって、LPWA通信部51がPHY(物理)層を構成し、復号部52がMAC層を構成する。
LPWA通信部51は、LPWA通信により送信されてくる送信フレーム波形を受信して、IoT端末11より送信されてきたセンサデータの暗号化データビット列の波形信号として復調し、復号部52に出力する。
復号部52は、暗号化データビット列の波形信号を、センサデータからなるPayloadとCMACタグを含むストリーム復号データビット列に復号するとともに、PayloadからCMACタグを求め、送信されてきたCMACタグとの比較に基づいてPayloadの改竄の有無を判定し、判定結果と共にPayloadであるセンサデータをクラウドサーバ13に送信する。
クラウドサーバ13は、IoTゲートウェイ12の動作を制御するとともに、IoTゲートウェイ12を介して、IoT端末11より送信されてきたセンサデータに基づいて、各種のアプリケーションプログラム71-1乃至71-pを実行する。
尚、図1においては、クラウドサーバ13におけるアプリケーションプログラム71-1が、IoTゲートウェイ12を介してIoT端末11より送信されてきたセンサデータに基づいて動作する様子が表現されているが、他のアプリケーションプログラム71についても同様に機能する。
ここで、図1の通信システム1においては、IoT端末11とIoTゲートウェイ12との通信TRZ11は、LPWA通信であり、IoT端末11からIoTゲートウェイ12へと送信フレーム波形が送信されるのみの一方向(片方向)通信である。このため、IoT端末11とIoTゲートウェイ12との通信TRZ11は、相互通信ができないことにより、例えば、チャレンジアンドレスポンス認証などによる確認ができないので、盗聴や改竄については対策が必要とされる。
一方、IoTゲートウェイ12とクラウドサーバ13との通信TRZ12については、双方向通信が可能な通信であるので、通信TRZ11よりも強力なセキュリティを実現できると考えられる。
次に、図1の通信システム1の動作について説明する。
IoT端末11の暗号化部31は、図示せぬセンサより検出されるセンサデータを取得して、センサデータに対応するPayloadを生成するとともに、Payloadに基づいて、CAMC処理を施して、CMACタグを生成し、PayloadとCAMCタグとを符号化部32に出力する。
符号化部32は、PayloadとCAMCタグに対して誤り検出/訂正符号を付加した平文データビット列を暗号化データビット列に変換して、LPWA通信部33に出力する。
LPWA通信部33は、暗号化データビット列を変調することにより送信フレーム波形信号を生成して、LPWA通信によりIoTゲートウェイ12に送信する。
IoTゲートウェイ12のLPWA通信部51は、LPWA通信により送信されてくる送信フレーム波形信号を受信して、受信した送信フレーム波形信号に基づいて、IoT端末11より送信されてきたセンサデータの暗号化データビット列を復調し、復号部52に出力する。
復号部52は、暗号化データビット列より、センサデータからなるPayloadとCMACタグを復号するとともに、PayloadよりCMACタグを求めて、送信されてきたCMACタグとの比較に基づいてPayloadの改竄の有無を判定し、判定結果と共にPayloadであるセンサデータをクラウドサーバ13に送信する。
クラウドサーバ13は、IoTゲートウェイ12の動作を制御するとともに、IoTゲートウェイ12を介して、IoT端末11より送信されてきたセンサデータに基づいて、各種のアプリケーションプログラム71-1乃至71-pを実行する。
以上の一連の動作により、図示せぬセンサにより検出されたセンサデータが、IoT端末11により、IoTゲートウェイ12を介して、クラウドサーバ13に送信されて、クラウドサーバ13により管理されるアプリケーションプログラム71を動作させることが可能となる。この際、IoT端末11は、LPWA通信によりセンサデータをIoTゲートウェイに片方向通信で送信することができるので、低消費電力での通信を実現することが可能となる。
<センサデータのPayloadとCMACタグを含む平文データビット列を暗号化データビット列に変換する手法>
次に、図2を参照して、図1の符号化部32によるセンサデータのPayloadとCMACタグを含む平文データビット列を暗号化データビット列に変換する手法について説明する。
次に、図2を参照して、図1の符号化部32によるセンサデータのPayloadとCMACタグを含む平文データビット列を暗号化データビット列に変換する手法について説明する。
図2の符号化部32は、キーストリーム(keystream)発生器91、およびXOR処理部92を備えている。
キーストリーム発生器91は、初期値データ(NONCE:Number used Once)と秘密鍵データとから、疑似乱数ビット列(PRBS:Pseudo Random Binary Sequence)をキーストリームとして発生し、XOR処理部92に出力する。
尚、初期値データ(NONCE)は、リセットごとに異なる1度だけしか使用されない数値である。
XOR処理部92は、PayloadとCMACタグを含む平文データビット列に対して、キーストリームを用いたビット単位での排他的論理和(XOR)処理を施すことにより、平文データビット列を暗号化データビット列に変換して出力する。
尚、IoTゲートウェイ12の復号部52においても、キーストリーム(keystream)発生器91と同様の構成が設けられており、復号部52は、キーストリーム(keystream)発生器91と同一の初期値データ(NONCE:Number used Once)と秘密鍵データとを用いることでキーストリームを発生して、発生されたキーストリームを用いることにより、暗号化データビット列に対して、排他的論理和(XOR)処理を施すことで、ストリーム復号データビット列に復号する。
<キーストリームを用いる理由>
ここで、PHY(物理)層において、暗号化データビット列を生成する際に、ストリーム暗号を用いる理由について説明する。
ここで、PHY(物理)層において、暗号化データビット列を生成する際に、ストリーム暗号を用いる理由について説明する。
暗号化には、所定のビット数単位(ブロック単位)でなされるブロック暗号化と、任意のビット数単位でなされるストリーム暗号がある。
例えば、図3の上段で示されるように、符号化部32が、キーストリーム発生器91とXOR処理部92に代えて、所定のビット単位(ブロック単位)で暗号化する、例えば、AES(Advanced Encryption Standard)暗号器からなる暗号器101を備え、対応して復号部52が、ブロック単位で復号する復号器104が設けられている場合について考える。
尚、図3においては、暗号器101により平文データビット列が暗号化データビット列に変換され、暗号化データビット列がLPWA通信部33の変調器102により、送信フレーム波形信号に変調されて無線通信路を介してIoTゲートウェイ12のLPWA通信部51に送信される。また、LPWA通信部51においては、復調器103が、送信されてきた送信フレーム波形信号を暗号化データビット列に復調して復号部52に出力する。
このような場合、図3の下段で示されるように、秘密鍵が「00112233445566778899aabbccddeeff」であり、データが「00000000000000000000000000000000」であり、暗号化データビット列が「fde4fbae4a09e020eff722969f83832b」である場合について考える。このような場合、復号データビット列は、データと同様に「00000000000000000000000000000000」となる。
ここで、通信経路上にノイズが発生し、このノイズにより、例えば、点線で囲まれる暗号化データビット列の先頭ビットがビット反転することにより「f」(=2進数「1111」)から「7」(2進数「0111」)となり、暗号化データビット列が「7de4fbae4a09e020eff722969f83832b」となるものとする。この場合、この暗号化データビット列がストリーム復号データビット列に変換されると「c61abdd4dfa32aa26c2b3ff9933542b1」となる。
すなわち、ブロック暗号化においては、ノイズによる影響を受けない場合の平文データビット列が、「00000000000000000000000000000000」であるのに対して、ノイズによる影響を受けて暗号化データビット列の先頭ビットがビット反転するだけで、ストリーム復号データビット列は「c61abdd4dfa32aa26c2b3ff9933542b1」となり、全く異なる復号データビット列に変換されてしまうので、後段の誤り訂正が困難になる。
これに対して、図4の上段で示されるように、符号化部32および復号部52のそれぞれにおいて、図2を参照して説明したキーストリーム発生器91とXOR処理部92が設けられる構成について考える。
ここで、例えば、秘密鍵が「3d62e9b18e5b042f42df43cc7175c96e」であり、NONCE値が「777cefe4541300c8adcaca8a0b48cd55」であり、生成されるキーストリーム(keystream)が「690f108d84f44ac7bf257bd7e394f6c9」であり、平文データビット列が「00000000000000000000000000000000」である場合について考える。この場合、平文データビット列がキーストリームを用いてストリーム暗号化されると、暗号化データビット列は「690f108d84f44ac7bf257bd7e394f6c9」となる。ここで、無線通信路において、ノイズの影響により、例えば、暗号化データビット列の先頭ビットがビット反転することにより、点線で囲まれて示されるように、「6」(=2進数「0110」)から「e」(2進数「1110」)となるものとする。
このノイズの影響により、ビット反転した暗号化データビット列は「e90f108d84f44ac7bf257bd7e394f6c9」となり、この暗号化データビット列から復号されるストリーム復号データビット列は「8000000000000000000000000000000」となる。
すなわち、ストリーム暗号化においては、平文データビット列が、「00000000000000000000000000000000」であるのに対して、ノイズによる影響を受けたストリーム復号出力は「8000000000000000000000000000000」となり、先頭の一文字を「8」から「0」に訂正するのみとなる。
このようにブロック暗号化に対してストリーム暗号化を用いる方が、ノイズによる誤りの影響が局所的になるため、エラー訂正成功の可能性が高くなる。
したがって、このような理由から図1の通信システムにおいては、ブロック暗号化を用いるよりも、ストリーム暗号化が用いる方が、エラー耐性が高いと考えることができる。
<リプレイ攻撃と改竄攻撃>
上述したLPWA通信においては、悪意ある第三者による攻撃を受ける可能性がある。
上述したLPWA通信においては、悪意ある第三者による攻撃を受ける可能性がある。
例えば、図3で示されるように、IoT端末11からIoTゲートウェイ12に対して送信フレーム波形信号Sign1をLPWA通信により送信する場合を考える。
この場合、悪意ある第三者により運用される通信装置111が、送信フレーム波形信号Sign1を傍受(キャプチャ)し、キャプチャした送信フレーム波形信号をコピーして送信フレーム波形信号Sign11を生成し、送信フレーム波形信号Sign11-1,11-2、・・・のように繰り返しIoTゲートウェイ12に送信する。
このような動作により、IoTゲートウェイ12には、送信フレーム波形信号Sign1をコピーして生成された送信フレーム波形信号Sign11が繰り返し受信されることにより、受信された送信フレーム波形信号が偽造されたもの認識することができず、処理負荷が上昇してしまうことにより動作速度が低減するといったサービス障害が生じる。このように、PHY(物理)層による送信フレーム波形信号を傍受して、傍受した送信フレーム波形信号をコピーして、繰り返し送信する攻撃をリプレイ攻撃という。
また、悪意ある第三者により運用される通信装置111が、送信フレーム波形信号Sign1を傍受(キャプチャ)し、フォーマット仕様を解析して反転させるビットを特定し、CRCなどの線形符号の変化に相当するビットを反転させて、反転されたビットに相当する波形部分を極性反転させた改竄波形からなる送信フレーム波形信号Sign12を生成して送信する。このように所定のビットに対応する波形部分を極性反転された改竄波形からなる送信フレーム波形信号を生成して送信する攻撃を改竄攻撃という。
より具体的には、例えば、図6の右上段で示されるように、送信するデータビット列Payloadとして「010111…」を想定する。このデータビット列Payload「010111…」を符号化すると、図6の中央上段で示されるように、データビット列Payload「010111…」に線形符号処理によりCRC、畳み込み符号、および低密度パリティ検査符号等からなるECC(誤り訂正/検査符号:Error Correcting Code or Error Check and Correct)として「1101…」が付加されたデータビット列「010111…1101…」が生成されることになる。
例えば、悪意ある第三者が、データビット列のフォーマット仕様を解析して、先頭ビットを反転させることを試みる場合、図6の左中段で示されるように、先頭ビットのみが「1」であるビット列からなる符号語であるデータビット列Payload「10000…」を符号化することで、図6の中央中段で示されるように、ECC(誤り訂正/検査符号)として「1001…」が付加されたデータビット列「100000…1001…」が生成されることになる。
このとき改竄対象であるデータビット列「010111…1101…」と生成したデータビット列「100000…1001…」とを加算すると、図6の右上部で示されるように、データビット列「110111…0100…」からなる新たなデータビット列が生成される。
一方で、図6の左下部に示す送信するデータビット列の先頭ビットを反転させたデータビット列Payload「110111」を生成して、ECC(誤り訂正/検査符号)を付加すると、図6の右下部で示されるようなデータビット列「110111…0100…」を生成することができる。これらは同じデータビット列となるため、受信側では改竄されたものか改竄されていないデータであるかを判別することはできず、図5の送信信号sign12のような改竄した送信フレーム波形信号による改竄攻撃の可能性が生じる。
ただし、上記の改竄攻撃については、ECC(誤り訂正/検査符号)が線形演算であることから生じるものであり、CMACを用いることで防御することが可能となる。
しかしながら、リプレイ攻撃については、受信処理に波形合成手法を用いるため、CMACでは防御することができない。
これは、送信毎に異なる送信フレーム波形とすることで、リプレイ攻撃に対する防御対策をとることが考えられるが、CMACタグ生成時に、タイミングなどの送信情報を含めると、送信フレーム波形信号が送信毎に大きく異なることになり、波形合成が困難となる。このように、LPWA通信においては、CMACを用いて改竄攻撃に対する防御を行った上で、リプレイ攻撃を対策することができなかった。
本開示の通信システムにおいては、リプレイ攻撃と改竄攻撃に対して有効な防御対策を実現することで、LPWA(Low Power Wide Area)通信における秘匿性、および通信耐性を向上できるようにする。
<<2.本開示の実施の形態>>
次に、図7を参照して、本開示の通信システムの構成例について説明する。
次に、図7を参照して、本開示の通信システムの構成例について説明する。
本開示の通信システム200は、基本的な構成において、図1の通信システム1と類似している。すなわち、通信システム200は、送信装置201-1乃至201-n、受信装置202-1乃至202-m、およびクラウドサーバ203より構成される。
送信装置201は、図1のIoT端末11に対応するものであり、図示せぬセンサにより検出されたセンサデータをLPWA通信により受信装置202を介してクラウドサーバ203に送信する。ここで、送信装置201は、GPS(Global Positioning System)により位置情報と共に送信されるGPS時刻情報を取得して、送信装置201固有のIDであるTXIDと共にNONCEとして使用し、キーストリームを生成して、このキーストリームを用いて、平文データビット列を暗号化データビット列に変換する。
受信装置202は、図1のIoTゲートウェイ12に対応する構成であり、送信装置201より送信されてくる送信信号を受信して、クラウドサーバ203に送信する。この際、受信装置202は、GPS(Global Positioning System)により位置情報と共に送信されるGPS時刻情報を取得して、送信装置201のTXIDと共にキーストリームを生成して、暗号化データビット列をストリーム復号データビット列に変換する。
尚、クラウドサーバ203については、アプリケーションプログラム211-1乃至211-pを備えており、基本的に図1のクラウドサーバ13と同様であるので、その説明は省略する。
すなわち、図7の通信システム200においては、キーストリームが、GPS時刻情報に基づいて、発生される度に変化することになり、この変化するキーストリームを用いて平文データビット列が暗号化データビット列に変換されることで、暗号化データビット列が変調されることで生成される送信フレーム波形信号も送信される度に変化することになるので、リプレイ攻撃の有効な対策となる。
<送信装置の構成例>
次に、図8のブロック図を参照して、送信装置201の構成例について説明する。
次に、図8のブロック図を参照して、送信装置201の構成例について説明する。
送信装置201は、MAC暗号化部221、符号化部222、およびLPWA送信部223より構成される。送信装置201のLPWA通信においては、MAC暗号化部221が、MAC層を構成し、符号化部222、およびLPWA送信部223が、MAC層よりも下位層となるPHY(物理)層を構成する。
MAC(Media Access Control)暗号化部221は、図示せぬセンサデータからなるPayloadを暗号化(MAC層)し、暗号化データ(または、暗号化されていないPayloadのデータ)を格納したデータビット列からなるMSDU(MAC Service Data Unit)を生成すると共に、MSDUに対応するCMACタグを生成し、符号化部222に出力する。
より詳細には、MAC暗号化部221は、MSDU生成部231、およびCMAC処理部232を備えている。
MSDU生成部231は、PHY(物理)層より上位のMAC層において、図示せぬセンサデータからなるPayload(または、Payloadを暗号化(MAC層)したデータ)を格納したデータビット列からなるMSDU(MAC Service Data Unit)を生成し、CMAC処理部232に出力し、CMAC処理によりCMACタグを生成させ、MSDUとCMACタグとを合わせて符号化部222に出力する。
CMAC(Cipher-based Message Authentication Code)処理部232は、メッセージ認証符号アルゴリズムにより、MSDU(MAC Service Data Unit)からCMACタグを生成する。CMACタグは、復号の際、認証およびデータ改竄検出に用いられる。CMACタグはハッシュ値のように、元のデータであるMSDUが改竄されると大きく値が異なる性質をもつため、受信したデータビット列より生成されるCMACタグと受信したCMACタグとの比較により改竄の有無を判定することができる。
符号化部222は、MSDUとCMACタグとを合わせて符号化し、LPWA送信部223に出力する。
より詳細には、符号化部222は、誤り訂正符号付加部251、XOR処理部252、キーストリーム(Keystream)発生器253、記憶部254、GPS時刻情報取得部255、同期パターン生成部256、およびスイッチ257を備えている。
誤り訂正符号付加部251は、MSDUとCMACタグに基づいて、誤りを検出・訂正するための符号である誤り訂正符号ECCを生成し、MSDU、およびCMACタグにECCを付与することでPSDU(Physical Layer Service Data Unit)と呼ばれるデータビット列を生成してXOR処理部252に出力する。
キーストリーム発生器253は、記憶部254に予め記憶されている送信装置201の固有のIDであるTXIDを読み出すとともに、GPS時刻情報取得部255より供給される時刻情報とを併せてNONCEとして使用し、さらに秘密鍵を用いて、PRBS(Pseudo Random Binary Sequence:疑似乱数ビット列)からなるキーストリームを発生してXOR処理部252に出力する。
記憶部254は、メモリなどから構成されており、予め記憶されている送信装置201の固有のIDであるTXIDを記憶しており、キーストリーム発生器253に対して供給する。
GPS時刻情報取得部255は、図示せぬ衛星より送信される衛星波を受信してGPS位置情報を取得する際に供給されるGPS時刻情報を取得して、キーストリーム発生器253に対して供給する。
XOR処理部252は、PSDUのデータビット列からなる平文データビット列に対して、キーストリームを用いて、ビット単位で排他的論理和(XOR)処理を掛けることにより暗号化データビット列を生成し、スイッチ257に出力する。
同期パターン生成部256は、受信装置202に対して送信フレーム信号を受信する際に先頭位置を示す同期パターンSYNCを生成し、スイッチ257に出力する。
スイッチ257は、同期パターン生成部256より供給される同期パターンSYNCと、XOR処理部252より供給されるPSDUの暗号化データビット列とを切り替えて、PPDU(PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) Protocol Data Unit または Physical Layer Protocol Data Unit)を生成して、LPWA送信部223に出力する。
より詳細には、スイッチ257は、送信フォーマットに基づき入力を切り替えることができ、端子257aに接続された同期パターン生成部256より供給される同期パターンSYMCのビット出力と、端子257bに接続されたXOR処理部252より供給される暗号化データビット列とを切り替えることで、同期パターンと暗号化データビット列から成る符号化信号であるPPDUを生成してLPWA送信部223に出力する。
LPWA送信部223は、同期パターンSYNCと、PSDUの暗号化データビット列とが合わされたPPDUを変調することで送信フレーム波形信号を生成し、LPWA通信により受信装置202に送信する。
より詳細には、LPWA送信部223は、変調部271、ミキサ272、局部発振器273、BPF(Band Pass Filter)274、増幅器275、およびアンテナ276より構成される。
変調部271は、符号化信号であるPPDUを変調して、送信フレーム波形信号を生成しミキサ272に出力する。
ミキサ272は、局部発振器273により発生される局部発振信号と送信フレーム波形信号とを合成して高周波信号を生成し、BPF274に出力する。
BPF274は、高周波信号に対してフィルタリングにより所定の周波数帯域の信号を抽出して増幅器275に出力する。
増幅器275は、BPF274より供給される所定の周波数帯域の信号を所定の倍率で増幅してアンテナ276を介して送信フレーム波形信号として受信装置202に送信する。
尚、送信装置201は、以上の一連の動作により、異なる送信フレーム波形信号を異なる周波数帯域で4回繰り返し送信する。また、異なる送信フレーム波形信号が、異なる周波数帯で4回繰り返し送信される例について説明するものとするが、繰り返される回数については、2回以上であれば、それ以外の回数であってもよい。
<受信装置の構成例>
次に、図9のブロック図を参照して、受信装置202の構成例について説明する。
次に、図9のブロック図を参照して、受信装置202の構成例について説明する。
受信装置202は、LPWA受信部321、復号部322、およびMAC復号部323を備えている。受信装置202のLPWA通信においては、LPWA受信部321、および復号部322が、PHY(物理)層を構成し、MAC復号部323が、PHY(物理)層よりも上位となるMAC層を構成する。
LPWA受信部321は、LPWA通信により送信装置201より送信されてくるPPDUからなる送信フレーム波形信号をLPWA通信により受信して、送信フレーム波形信号のPPDUに含まれる同期パターンSYNCと、PSDUの暗号化データビット列とを復号部322に出力する。
より詳細には、LPWA受信部321は、アンテナ331、増幅器332、ミキサ333、局部発振器334、BPF335、位相補正部336、および同期検出部337を備えている。
増幅器332は、アンテナ331を介して高周波信号として送信されてくる送信フレーム波形信号を受信して増幅してミキサ333に出力する。
ミキサ333は、局部発振器334より発振される所定の周波数帯域の波形信号に基づいて中間周波数の波形信号に変換してBPF335に出力する。
BPF335は、中間周波数に変換された送信フレーム波形信号のうち、所定の周波数帯域のPPDUに対応する送信フレーム波形信号を抽出して位相補正部336、および同期検出部337に出力する。
同期検出部337は、PPDUに対応する送信フレーム波形信号のうちの同期パターンSYNCの波形信号を検出して位相補正部336に出力する。
位相補正部336は、同期検出部337により同期パターンSYNCが検出されたタイミングにおいて、BPF335より供給されるPPDUに対応する送信フレーム波形信号の位相を補正して復号部322に出力する。
復号部322は、同期パターンSYNCの波形信号に基づいて、PSDUに対応する波形信号の位置を検出して、送信装置201と同様にキーストリームを発生して、暗号化データビット列に対応する波形信号を復元し、復元した波形信号に基づいてPSDUのデータビット列を復号してMAC復号部323に出力する。
より詳細には、復号部322は、スイッチ351、極性反転部352、復調器353、積算部354、復号器355、キーストリーム発生器356、記憶部357、GPS時刻情報取得部358、および同期信号波形保存部359を備えている。
スイッチ351は、同期検出部337により制御され、LPWA受信部321より供給される送信フレーム波形信号を分離し、同期信号波形保存部359および極性反転部352に出力する。
より詳細には、スイッチ351は、PPDUに対応する波形信号のうちの同期信号波形に相当するタイミングでは端子351aに接続されており、LPWA受信部321より供給される波形信号を同期信号波形保存部359に出力する。そして、同期信号波形以外のタイミングでは、端子351bに接続され、PPDUのうちの暗号化されたPSDUに対応する送信フレーム波形信号を極性反転部352に出力する。
極性反転部352は、キーストリーム発生器356より供給されるキーストリームに基づいて、PSDUに対応する波形信号を極性反転させて復調器353に出力する。尚、極性反転部352の動作については、図11,図12を参照して詳細を後述する。
また、キーストリーム発生器356、記憶部357、およびGPS時刻情報取得部358は、送信装置201のキーストリーム発生器253、記憶部254、およびGPS時刻情報取得部255に対応する機能を備えた構成であるので、その説明は省略する。
復調器353は、極性反転部352より出力されるPSDUに対応する波形信号を復調し、積算部354に出力し、積算して記憶させる。
積算部354は、ストリーム復号された同一のPSDUに対応する波形信号を積算して記憶し、積算したPSDUの波形信号を復号器355に出力する。尚、ここでは、同一のPSDUから生成される送信フレーム信号が異なる周波数帯域で4回繰り返される例について説明を進めるものとするが、2回以上であれば、それ以外の回数であってもよい。したがって、この例においては、4回分積算されたPSDUの波形信号の加算結果が復号器355に出力される。
復号器355は、積算部354に積算して記憶されている、4回分の復調されている極性反転部352より出力されるPSDUに対応する波形信号が加算された波形信号を、復号して、暗号化データビット列に対応するストリーム復号データビット列からなるPSDUを生成して、MAC復号部323に出力する。
MAC復号部323は、PSDUのストリーム復号データビット列に基づいて、送信装置201より送信されてきたセンサデータに対応するPayloadをMAC復号して出力する。
より詳細には、MAC復号部323は、MSDU復号部371、およびCMAC処理部372を備えている。
MSDU復号部371は、PSDUに含まれる誤り訂正符号ECCを用いて誤りを訂正した後、MSDUとCMACタグを抽出し、MSDUよりPayloadを復号してCMAC処理部372に出力する。
CMAC処理部372は、MSDUに基づいてCMAC処理によりCMACタグを生成すると共に、MSDUに付加されたCMACタグと比較して一致するか否かにより改竄の有無を判定する。
MSDU復号部371は、改竄の有無の情報と共に復号結果であるPayloadを出力する。
<図7の通信システムによる動作>
次に、図10を参照して、図7の通信システム200の動作について説明する。尚、図10においては、図中の左側が送信装置201の動作により生成される信号および波形の流れが示されており、図中の右側が受信装置202の動作により生成される信号および波形の流れが示されている。
次に、図10を参照して、図7の通信システム200の動作について説明する。尚、図10においては、図中の左側が送信装置201の動作により生成される信号および波形の流れが示されており、図中の右側が受信装置202の動作により生成される信号および波形の流れが示されている。
まず、図中の左上部から、送信装置201における動作を説明する。
送信装置201におけるMAC暗号化部221のMSDU生成部231は、センサデータであるpayload401を暗号化してMSDU402を生成し、CMAC処理部232に出力する。
CMAC処理部232は、MSDU402に対してCMAC処理を施して、改竄の有無を判定するためのCMACタグ403を生成してMSDU生成部231に出力する。MSDU生成部231は、生成したMSDU402に対してCMACタグ403を付加して符号化部222に出力する。
尚、MSDU402が生成されてCMACタグ403が付加されるまでの処理がMAC層の処理となり、以降の処理が、PHY(物理)層の処理となる。
符号化部222の誤り訂正符号付加部251は、MSDU402とCMACタグ403とを合わせた情報からエラー訂正符号ECC412を生成し、MSDU402とCMACタグ403とを合わせた情報にエラー訂正符号ECC412とを合わせてPSDU413を生成する。
また、キーストリーム発生器253は、GPS時刻情報取得部255より供給されるGPS時刻情報TIMEと、記憶部254に記憶されているTXIDとに基づいてNONCEを生成し、秘密鍵と共にキーストリーム414を生成してXOR処理部252に出力する。
XOR処理部252は、PHY(物理)層におけるストリーム暗号化処理により、ビット単位で、平文データビット列であるPSDU413と、キーストリーム414に対してXOR処理を施して、PSDU413を暗号化データビット列に変換して、スイッチ257に出力する。
同期パターン生成部256は、同期パターンSYNC411を生成してスイッチ257に出力する。
スイッチ257は、PSDU413の暗号化データビット列に、同期パターンSYNC411を付加することにより、PPDU415を生成してLPWA送信部223に出力する。より詳細には、スイッチ257は、送信フォーマットに基づいて、同期パターンSYNC411のビット出力を端子257aに接続して、同期パターンSYNC411の入力を受け付ける。そして、スイッチ257は、端子257bに切り替えて接続し、XOR処理部252からのPSDU413の暗号化データビット列の入力を受け付けて、同期パターンSYNC411を含んだPPDU415を生成し、LPWA送信部223に出力する。
LPWA送信部223において、変調部271が、PPDU415を変調して送信フレーム波形416を生成する。そして、送信フレーム波形416が、ミキサ272により局部発振器273により所定の高周波信号に変換され、さらにBPF274により所定の周波数帯域が抽出し、増幅器275により増幅してアンテナ276より受信装置202に送信される。
ここまでが、送信装置201の動作の説明となる。次に、図中の右下部から、受信装置202における動作を説明する。
LPWA受信部321において、アンテナ331を介して送信フレーム波形416に対応する受信フレーム波形421が受信されて、増幅器332により所定のゲインに増幅された後、ミキサ333により局部発振器334より供給される所定の周波数の信号に基づいて中間周波数に変換されてBFP335に出力される。
BPF335は、中間周波数信号にされた受信フレーム波形421の波形信号より所定の帯域の信号を抽出して位相補正部336、および同期検出部337に出力する。
同期検出部337は、受信フレーム波形421における同期パターンとなる波形を検出して検出結果を位相補正部336に出力する。
位相補正部336は、同期検出部337より検出される同期パターンが検出されたタイミングから受信フレーム波形421の位相を補正し、PPDU波形422として復号部322に出力する。
復号部322において、スイッチ351は、端子351aに接続してLPWA受信部321より入力されるPPDU波形422の波形信号を同期信号波形保存部359に出力する。同期検出部337は、入力されたPPDU波形422より同期信号波形以外を検出すると、スイッチ351を制御して端子351bに接続させる。この動作により、スイッチ351は、PPDU波形422のうち、暗号化データビット列に対応するPSDU位置の波形を極性反転部352に出力する。
また、キーストリーム発生器356は、GPS時刻情報取得部358より供給されるGPS時刻情報TIMEと、記憶部357に記憶されているTXIDとに基づいてNONCEを生成し、秘密鍵と共にキーストリーム414(送信装置201のキーストリーム発生器253で発生したキーストリームと同一のキーストリーム)を生成して極性反転部352に出力する。
極性反転部352は、PPDU波形422のうち、暗号化データビット列に対応するPSDU位置の波形の極性を、キーストリームに基づいて極性反転することで、PSDUの波形423に変換して復調器353に出力する。
尚、極性反転部352の動作については、図11,図12を参照して、詳細を後述する。
復調器353は、ストリーム復号したデータビット列に対応するPSDUの波形423を復調し、積算部354に積算して記憶させる。
復号器355は、積算部354に所定回数分積算されて記憶されているストリーム復号したデータビット列に対応するPSDUの波形423より、誤り訂正符号ECCを用いて誤りを訂正し、PSDU424(PSDU413に対応するもの)を復号し、MAC復号部323に出力する。
MAC復号部323において、MSDU復号部371は、PSDU424より、MSDU431とCMACタグ432とを抽出して、CMAC処理部372に出力する。
CMAC処理部372は、抽出されたMSDU431にCMAC処理を施してCMACタグを生成し、CMACタグ432と比較して、MSDU431に対する改竄の有無を判定し、判定結果をMSDU復号部371に出力する。
MSDU復号部371は、MSDU431を復号してPayload433を生成し、MSDU431の改竄の有無を示す情報と共に出力する。
以上の送信装置201と受信装置202とのLPWA通信により、送受信されるPPDU波形である送信フレーム波形および受信フレーム波形は、GPS時刻情報に基づいて生成されたキーストリームが用いられた暗号化データビット列に基づいて生成されることになる。この結果、暗号化データビット列は、時刻変化に応じて変化することになるので、リプレイ攻撃を防御することが可能となる。
また、CMACを用いたLPWA通信も実現することが可能となるので、改竄攻撃に対する防御も可能となる。
さらに、キーストリームを用いたストリーム暗号化方式を採用した通信を実現することができるので、ブロック暗号化方式を採用した場合にエラー等が発生したとき生じるエラーが生じるビット数を小さくすることが可能となるので、エラー耐性を向上させることができる。
結果として、CMACによる改竄攻撃に対する防御をしつつ、リプレイ攻撃を防御することが可能となり、通信の秘匿性を向上させることが可能となる。また、ストリーム暗号化方式による通信によりブロック暗号化を用いる場合よりもエラー耐性を向上させることが可能となる。
<極性反転部の動作>
次に、図11,図12を参照して、極性反転部352の動作について説明する。
次に、図11,図12を参照して、極性反転部352の動作について説明する。
まず、極性反転部352の動作を説明するにあたって、図11を参照して、図1の通信システム1におけるキーストリーム発生器91およびXOR処理部92の動作について説明する。
一般的にストリーム暗号化では、図11の右上部で示されるように、IoT端末11の符号化部32のキーストリーム発生器91からキーストリーム(K)が出力されて、PSDUの平文データビット列(P)が入力される場合、XOR処理部92は、PSDUの平文データビット列(P)の各ビット値をPとしてキーストリーム(K)の各ビット値をKとしたとき、図11の左上部で示されるように、PSDUの暗号化データビット列Cに変換する。
すなわち、(P,K)=(0,0),(1,1)のとき、XOR処理部92は、PSDUの暗号化データビット列(C)のビットCを0に変換し、(P,K)=(1,0),(0,1)のとき、XOR処理部92は、暗号化データビット列(C)のビットCを1に変換する。
一方、復号の際には、図11の右下部で示されるように、IoTゲートウェイ12の復号部52のキーストリーム発生器91からキーストリーム(K)が出力されて、PSDUの暗号化データビット列(C)が入力される場合、XOR処理部92は、PSDUの暗号化データビット列(C)の各ビット値をCとしてキーストリーム(K)の各ビット値をKとしたとき、図11の左下部で示されるように、PSDUのストリーム復号データビット列(P)に変換する。
すなわち、(C,K)=(0,0),(1,1)のとき、XOR処理部92は、PSDUのストリーム復号データビット列(P)のビットPを0に変換し、(C,K)=(1,0),(0,1)のとき、XOR処理部92は、ストリーム復号データビット列(P)のビットPを1に変換する。
また、図7の通信システム200の送信装置201のキーストリーム発生器253およびXOR処理部252の動作においては、基本的に、図12の左上段、および中央上段で示されるように、IoT端末11のキーストリーム発生器91およびXOR処理部92と同一の動作となる。
すなわち、以上の処理は、いずれもデジタル化されたPSDUの平文データビット列やPSDUの暗号化データビット列に対してなされる処理である。
これに対して、受信装置202の極性反転部352における処理は、アナログ信号からなるPPUD波形信号(PPUDが変調された波形信号)のうちのPSDU波形信号(PPUDの波形信号のうちのPSDUの位置の波形信号)に対してなされる処理である。
すなわち、図12の中央下部で示されるように、受信装置202の復号部322のキーストリーム発生器356からキーストリーム(K)が出力されると、キーストリーム(K)のビットKが0である場合、係数として+1が付与され、キーストリーム(K)のビットKが1である場合、係数として-1が付与される。
そして、PSDUの暗号化データビット列に対応する波形信号が入力される場合、極性反転部352は、乗算器として機能し、図12の左下部で示されるように、PSDUの暗号化データビット列に対応する波形信号の各波形の極性に対して、係数を乗じることで極性を反転させることにより、PSDUのストリーム復号データビット列に対応する復号波形に変換する。
すなわち、(K,係数,暗号化データビット列に対応する波形信号の波形の極性)=(0,+1,-),(1,-1,-)のとき、極性反転部352は、PSDUの暗号化データビット列に対応する暗号化波形信号の極性を反転させ、(K,係数,暗号化データビット列に対応する波形信号の波形の極性)=(1,-1,+),(0,+1,+)のとき、極性反転部352は、極性を反転させない。
尚、波形の極性は、上に凸の波形が+であり、下に凸の波形が-である。
より具体的には、例えば、図12の右上段で示されるように、“1111110”からなるPSDUの平文データビット列(P)が入力される場合について考える。尚、図12においては、“1111110”は、‘1’,‘1’,‘1’,‘1’,‘1’,‘1’,‘0’として表記されているが、明細書の記載においては、先頭文字と最後尾の文字に「“」、「”」を付与するのみで表現するものとする。
ここで、キーストリーム発生器253において、“1010100”からなるキーストリーム(K)が発生されるものとする。
この場合、XOR処理部252により、排他的論理和(XOR)の処理がなされることにより、“0101010”からなる暗号化データビット列(C)が生成される。
この“0101010”からなるPSDUの暗号化データビット列(C)が変調されることにより、送信フレーム波形W1が生成されて送信されることになる。送信フレーム波形W1においては、PSDUの暗号化データビット列Cにおける‘0’が下に凸の波形とされ、‘1’が上に凸の波形とされることで変調される。
すなわち、送信フレーム波形W1においては、先頭の時刻t1のPSDUの暗号化データビット列Cの‘0’が下に凸の波形とされ、時刻t2のPSDUの暗号化データビット列Cの‘1’が上に凸の波形とされ、時刻t3のPSDUの暗号化データビット列Cの‘0’が下に凸の波形とされる。また、時刻t4のPSDUの暗号化データビット列Cの‘1’が上に凸の波形とされ、時刻t5のPSDUの暗号化データビット列Cの‘0’が下に凸の波形とされる。さらに、時刻t6のPSDUの暗号化データビット列Cの‘1’が上に凸の波形とされ、時刻t7のPSDUの暗号化データビット列Cの‘0’が下に凸の波形とされる。
次に、図12の右下段で示されるように、受信装置202においては、この送信フレーム波形W1が受信フレーム波形W11として受信される。
この場合、キーストリーム発生器356は、送信装置201のキーストリーム発生器253と同一の“1010100”からなるキーストリームKを発生する。
ここで、極性反転部352は、“1010100”からなるキーストリーム(K)の各ビットに対して、図12の左下部で示されるように、係数を付与することで、係数データビット列として-1,+1,-1,+1,-1,+1,+1を生成する。
そして、極性反転部352は、係数データビット列と受信フレーム波形W11とから、PSDUの位置の波形を復号信号波形W12として生成する。
すなわち、時刻t1において、極性反転部352は、キーストリーム(K)のビットKが‘1’であるので係数を-1に設定することで、時刻t1の下に凸の波形により極性が「-」であるので、極性を「+」として、波形を上に凸の波形にして極性を反転させる。尚、図12に右下部においては、極性が反転される前の波形が点線の波形として示されており、時刻t1においては、反転されることにより実線で示される上に凸の波形とされていることが示されている。
また、時刻t2において、極性反転部352は、キーストリーム(K)のビットKが‘0’であるので係数を+1に設定することで、時刻t2の上に凸の波形により極性が「+」であるので、極性を反転させずに、極性を「+」のままとする。
さらに、時刻t3において、極性反転部352は、キーストリーム(K)のビットKが‘1’であるので係数を-1に設定し、時刻t3の下に凸の波形により極性が「-」になるので、極性を反転し、極性を「+」として、波形を上に凸の波形とする。
また、時刻t4において、極性反転部352は、キーストリーム(K)のビットKが‘0’であるので係数を+1に設定することで、時刻t4の上に凸の波形により極性が「+」であるので、極性を反転させずに、極性を「+」のままとする。
さらに、時刻t5において、極性反転部352は、キーストリーム(K)のビットKが‘1’であるので係数を-1に設定することで、時刻t5の下に凸の波形により極性が「-」であるので、極性を反転し、極性を「+」として、波形を上に凸の波形とする。
また、時刻t6において、極性反転部352は、キーストリーム(K)のビットKが‘0’であるので係数を+1に設定することで、時刻t6の上に凸の波形により極性が「+」であるので、極性を反転させずに、極性を「+」のままとする。
さらに、時刻t7において、極性反転部352は、キーストリーム(K)のビットKが‘0’であるので係数を+1に設定することで、時刻t7の下に凸の波形により極性が「-」であるので、極性を反転させずに、極性を「-」のままとする。
以上の処理により、PSDUの暗号化データビット列Cに対応する受信フレーム波形W11より、復号信号波形W12が復号される。
この後、復号信号波形W12の波形に基づいて復号処理がなされることにより、ストリーム復号データビット列が得られる。すなわち、復号信号波形W12における時刻t1乃至t6の上に凸の波形より‘111111’が復号されて、時刻t7の下に凸の波形より‘0’が復号されて、元のPSDUである‘1111110’が復号される。
すなわち、以上の処理により、送信装置201においては、GPS時刻情報に応じた異なるキーストリームが生成されて、ストリーム暗号化方式でPSDUが暗号化されることになり、受信装置202においては、同様の方式でキーストリームが生成されて暗号化されたPSDUを復号することで、LPWA通信によるPayloadを送信することが可能となる。
受信装置202においては、PHY(物理)層において、アナログ信号からなる暗号化されたPSDUの波形信号が、GPS時刻情報に応じた異なるキーストリームにより波形信号を復号することが可能となる。
以上のような処理により、PHY(物理)層における波形極性の極性反転を用いたストリーム暗号化を実現することが可能となり、ローコストで通信と親和性の高い方式で、リプレイ攻撃を防御することが可能となる。また、PHY(物理層)より上位のMAC層におけるCMACと組み合わせることで、リプレイ攻撃と改竄攻撃にも対応した多層防衛を実現することが可能となる。
<通信システムによる具体的な通信方法>
次に、図13を参照して、送信装置201、および受信装置202からなる通信システム200によりLPWA通信による通信方法について説明する。
次に、図13を参照して、送信装置201、および受信装置202からなる通信システム200によりLPWA通信による通信方法について説明する。
本開示においては、送信装置201が、異なる送信フレーム波形により同一のPSDUを、周波数を変えて、繰り返し受信装置202に送信する。このようなPSDUの送信をバースト送信とする。
すなわち、図13の点線より上部で示されるように、送信装置201は、GPS時刻#1において、GPS時刻#1とTXIDとに基づいたキーストリームでPSDUを暗号化した送信フレーム波形416-1を、周波数f2で送信装置201に送信する。
また、送信装置201は、GPS時刻#2において、GPS時刻#2とTXIDとに基づいたキーストリームでPSDUを暗号化した送信フレーム波形416-2を、周波数f1で送信装置201に送信する。
さらに、送信装置201は、GPS時刻#3において、GPS時刻#3とTXIDとに基づいたキーストリームでPSDUを暗号化した送信フレーム波形416-3を、周波数f4で送信装置201に送信する。
また、送信装置201は、GPS時刻#4において、GPS時刻#4とTXIDとに基づいたキーストリームでPSDUを暗号化した送信フレーム波形416-4を、周波数f3で送信装置201に送信する。
そして、受信装置202においては、図13の点線より下部で示されるように、受信装置202は、GPS時刻#1において、GPS時刻#1とTXIDとに基づいたキーストリームで、周波数f2で送信されてきた送信フレーム波形416-1よりPSDU位置の信号波形に対して前述の極性反転処理をする。
また、受信装置202は、GPS時刻#2において、GPS時刻#2とTXIDとに基づいたキーストリームで、周波数f1で送信されてきた送信フレーム波形416-2よりPSDU位置の信号波形に対して前述の極性反転処理をする。
さらに、受信装置202は、GPS時刻#3において、GPS時刻#3とTXIDとに基づいたキーストリームで、周波数f4で送信されてきた送信フレーム波形416-3よりPSDU位置の信号波形に対して前述の極性反転処理をする。
また、受信装置202は、GPS時刻#4において、GPS時刻#4とTXIDとに基づいたキーストリームで、周波数f3で送信されてきた送信フレーム波形416-4よりPSDU位置の信号波形に対して前述の極性反転処理をする。
そして、受信装置202は、送信フレーム波形416-1乃至416-4より復調した4フレームのPSDUの信号波形を加算(積算)して得られた送信フレーム波形416-11を復号する。
以上のように、異なる送信タイミングにおいて、異なるGPS時刻情報により異なるキーストリームが生成されることになるので、送信処理におけるストリーム暗号化により送信される各フレーム波形は毎回異なる形状となる一方で、受信処理におけるストリーム(暗号の)復号により、各フレーム波形を同じ形状にすることができる。さらに受信側では、これにより波形を加算(積算)する波形合成が可能となり、リプレイ攻撃への耐性だけでなく、復調/復号性能を向上させることができる。
また、繰り返し送信されるPSDU位置の信号波形についても、CMACタグが付与されることになるので、改竄攻撃を防御することも可能となる。
結果として、リプレイ攻撃と改竄攻撃とを同時に多層的に防御しつつ、復調/復号性能を向上させることが可能となる。
<送信処理>
次に、図14のフローチャートを参照して、例として5秒間の間隔を開けて1バーストあたり4フレーム送信する送信装置201による送信処理について説明する。
次に、図14のフローチャートを参照して、例として5秒間の間隔を開けて1バーストあたり4フレーム送信する送信装置201による送信処理について説明する。
ステップS11において、送信装置201は、自身のスリープ状態から復帰させる。
ステップS12において、送信装置201は、送信回数のカウンタCsを1に初期化する。
ステップS13において、キーストリーム発生器253は、記憶部254に記憶されている送信装置201を識別するIDとしてTXIDを読み出す。
ステップS14において、キーストリーム発生器253は、GPS時刻情報取得部255より供給されるGPS時刻情報TIMEを取得する。
ステップS15において、キーストリーム発生器253は、取得したGPS時刻情報TIMEを5秒単位で切り捨てる。すなわち、ステップS13において、例えば、供給されたGPS時刻情報TIMEが00:15:21(00時15分21秒)である場合、5秒単位で切り捨てられることにより、GPS時刻情報TIMEは、00:15:20(00時15分20秒)とされる。
ステップS16において、キーストリーム発生器253は、TXIDおよびGPS時刻情報TIMEに基づいて、キーストリームの初期値NONCEを生成する。
ステップS17において、キーストリーム発生器253は、初期値NONCEおよび秘密鍵に基づいて、キーストリームを発生し、XOR処理部252に出力する。
ステップS18において、センサデータからなるPayloadに対して符号化処理が施される。より詳細には、MSDU生成部231は、Payloadに対して暗号化処理を施して、MSDUを生成し、CMAC処理部232に出力する。CMAC処理部232は、MSDUに対してCMAC処理を施してCMACタグを生成し、MSDU生成部231に出力する。MSDU生成部231は、MSDUとCMACタグとを合わせて符号化部222に出力する。符号化部222の誤り訂正符号付加部251は、MSDUとCMACタグとから誤り訂正符号ECCを求めて付加し、平文データビット列からなるPSDUを生成してXOR処理部252に出力する。
ステップS19において、XOR処理部252は、平文データビット列からなるPSDUに対して、キーストリームの各ビット値をビット単位で、排他的論理和(XOR)を掛けることにより、ストリーム暗号化して、暗号化データビット列からなるPSDUに変換してスイッチ257に出力する。
ステップS20において、同期パターン生成部256は、同期パターンを生成してスイッチ257の端子257aに出力する。また、XOR処理部252は出力する暗号化データビット列を端子257bに出力する。スイッチ257は、送信フォーマットに基づいて、入力を切り替えて出力し、同期パターンと暗号化データビット列を含むPPDUを生成してLPWA送信部223に出力する。
ステップS21において、LPWA送信部223は、PPDUを変調し、送信回数を示すカウンタCsに対応する周波数帯域で受信装置202に送信する。
ステップS22において、送信装置201は、送信回数を示すカウンタCsが4であるか否かを判定し、4ではない場合、処理は、ステップS23に進む。
ステップS23において、送信装置201は、送信回数を示すカウンタCsを1インクリメントし、処理は、ステップS14に戻る。
すなわち、カウンタCsが4になるまで、ステップS14乃至S23の処理が繰り返されて、カウンタCsに応じた異なる周波数で、それぞれの送信タイミングに応じたGPS時刻情報とTXIDに基づいたキーストリームを用いてストリーム暗号化処理されたPSDUを含むPPDUからなる送信フレーム波形が受信装置202に送信される。
そして、ステップS22において、送信回数を示すカウンタCsが4であるとみなされ、4フレーム分の送信フレーム波形が送信されると処理が終了する。
<受信処理>
次に、図15のフローチャートを参照して、同様に例として5秒間の間隔を開けて1バーストあたり4フレーム送信する受信装置202による受信処理について説明する。
次に、図15のフローチャートを参照して、同様に例として5秒間の間隔を開けて1バーストあたり4フレーム送信する受信装置202による受信処理について説明する。
ステップS31において、キーストリーム発生器356は、受信処理を行う対象となる送信装置201のTXIDを特定する。
ステップS32において、受信装置202は、受信回数のカウンタCrを1に初期化する。
ステップS33において、キーストリーム発生器356は、GPS時刻情報取得部358より供給されるGPS時刻情報TIMEを取得する。
ステップS34において、キーストリーム発生器356は、取得したGPS時刻情報TIMEを5秒単位で切り捨てる。
ステップS35において、キーストリーム発生器356は、TXIDおよびGPS時刻情報TIMEに基づいて、キーストリームの初期値NONCEを生成する。
ステップS36において、キーストリーム発生器356は、初期値NONCEおよび秘密鍵に基づいて、キーストリームを発生し、極性反転部352に出力する。
ステップS37において、LPWA受信部321は、所定の周波数で送信されてきた送信フレーム波形を受信フレーム波形として受信して、同期検出を行い、復号部322に出力する。復号部322は、PSDU位置の波形を取得する。
より詳細には、復号部322の増幅器332が、アンテナ331を介して高周波信号として送信されてくる送信信号を受信して増幅してミキサ333に出力する。
ミキサ333は、局部発振器334より発振される所定の周波数帯域の波形信号に基づいて中間周波数の波形信号に変換してBPF335に出力する。
BPF335は、中間周波数に変換された波形信号のうち、所定の周波数帯域の波形信号を抽出して位相補正部336、および同期検出部337に出力する。
位相補正部336は、同期検出部337により同期パターンSYNCが検出されたタイミングにおいて、BPF335より供給される波形信号の位相を補正して復号部322に出力する。
復号部322のスイッチ351は、位相補正部336の出力を受け取り、同期検出部337からのタイミング信号により、同期信号波形と暗号化されているPSDUに対応する信号波形とを分離する。スイッチ351の端子351aの先には、同期信号波形保存部359が接続されて同期信号波形出力され、端子351bの先には極性反転部352が接続されて暗号化データビット列に対応するPSDU位置の波形信号が出力される。
ステップS38において、極性反転部352は、図12を参照して説明したように、キーストリーム発生器356により発生されたキーストリームを用いて、PSDU位置の波形信号を極性反転させることにより、PHY(物理)層におけるストリーム復号を行い、PSDUの波形に変換して復調器353に出力する。
ステップS39において、復調器353は、ストリーム復号データビット列に対応するPSDUの波形を積算部354に蓄積された波形に対して積算して蓄積させる。
ステップS40において、受信装置202は、受信回数を示すカウンタCrが4であるか否かを判定する。ステップS38において、カウンタCrが4ではない場合、処理は、ステップS41に進む。
ステップS41において、受信回数を示すカウンタCrが1インクリメントされ、処理は、ステップS33に戻る。
すなわち、異なる周波数で繰り返し送信されてくる送信フレーム波形を4フレーム分受信するまで、ステップS33乃至S41の処理が繰り返される。
そして、ステップS40において、4フレーム分の送信フレーム波形が受信されて、積算部354において、4回分のストリーム復号データビット列に対応するPSDUの波形が加算されて蓄積され、カウンタCrが4であると判定された場合、処理は、ステップS42に進む。
ステップS42において、復号器355は、積算部354に蓄積された4回分のPSDUの波形が積算された波形に基づいて、誤り訂正符号ECCを用いて誤りを訂正した後、PSDUのデータビット列を復号し、MAC復号部323に出力する。
そして、MAC復号部323のMSDU復号部371は、PSDUに含まれるMSDUとCMACタグを抽出し、CMAC処理部372に出力すると共に、MSDUよりPayloadを復号する。
CMAC処理部372は、MSDUに基づいてCMAC処理によりCMACタグを生成すると共に、MSDUに付加されたCMACタグと比較して一致するか否かにより改竄の有無を判定し、判定結果をMSDU復号部371に出力する。
MSDU復号部371は、改竄の有無の情報と共に復号結果であるPayloadを出力する。
以上の一連の送信処理および受信処理により、異なる周波数で、それぞれの送信タイミングに応じたGPS時刻情報とTXIDに基づいたキーストリームを用いてストリーム暗号化処理されたPSDUを含むPPDUからなる送信フレーム波形が受信装置202に送信される。
この処理により、送信フレーム波形は、それぞれ送信タイミングに応じた異なるGPS時刻情報とTXIDとに基づいて生成されるキーストリームを用いてストリーム暗号化されたPSDUを含むPPDUが異なる送信フレーム波形として送信されることになるので、リプレイ攻撃を防御することが可能となる。また、PSDUにはCMACが含められているので、改竄攻撃を防御することが可能となる。
結果として、PHY(物理)層におけるリプレイ攻撃対策と、MAC層における改竄攻撃対策との多層防衛を実現することが可能となる。
また、同一のPSDUを繰り返し送信するので、受信装置202においては、繰り返し送信された積算結果を用いて復号することができるので、復調/復号性能を向上させることが可能となる。
尚、以上においては、送信フレーム波形毎に用いるキーストリームの発生に、TXIDとGPS時刻情報を用いたが、追加情報として、送信装置201と受信装置202で予め定めた同じ数値が含まれていても良い。
すなわち、NONCEとして用いる情報をより多くすることで、リプレイ攻撃に対する耐性を向上させることが可能となる。
また、以上においては、送信フレーム波形毎にGPS時刻情報を用いたが、先頭の送信フレームだけはGPS時刻情報に基づいて発生されるキーストリームを用いる一方で、後続の送信フレーム波形のキーストリームに関しては、先頭のGPS時刻情報に、送信フレーム波形数のカウント値を用いた変換処理により得られる初期値を用いて発生させるようにしてもよい。
すなわち、例えば、先頭の送信フレームにおいては、秘密鍵、TXID、およびGPS時刻情報によりキーストリームを生成し、次の送信フレームにおいては、先頭のキーストリームを生成する際に使用したGPS時刻情報に、先頭のキーストリームを生成したタイミングからの経過時間に対応したカウンタの値を加算して、キーストリームを生成するようにし、以降の送信フレームにおいても同様にキーストリームを生成するようにしてもよい。
さらに、以上においては、5秒単位で切り捨てたGPS時刻情報を用いてNONCEとして用いる例について説明してきたが、送信フレーム波形を区別することができればよいので、例えば、ミリ秒単位で送信フレーム波形の送信間隔が定まっている場合には、送信間隔に応じたミリ秒単位のGPS時刻情報をNONCEに用いるようにしてもよい。
また、以上においては、キーストリームの発生に用いるNONCEとしてTXIDと共にGPS時刻情報を用いるようにしたが、キーストリームを発生させるタイミングに応じて変化する情報であれば他の情報であってもよく、例えば、UTC(Universal time coordinated:世界協定時)、GMT(グリニッジ標準時:Greenwich Mean Time)、JST(日本標準時:Japan Standard Time)などの時刻情報を用いるようにしてもよいし、所定の時間間隔(等時間間隔でも、非等時間間隔でもよい)でカウントされるカウンタの値を用いるようにしてもよい。
さらに、以上においては、4フレーム分の送信フレーム波形を同一のPSDUを送信する1セットとする例について説明してきたが、同一のPSDUについて複数の送信フレーム波形を1セットとして送信すればよいの1セット分の送信フレーム波形のフレーム数については、1セットにつき、2フレーム分以上であればその他のフレーム数分であってもよい。
また、以上においては、キーストリームの発生に際して、NONCE(初期値)を変化させて秘密鍵と合わせてキーストリームを発生させる例について説明してきたが、キーストリームの生成に必要とされるパラメータを変化させられればよいので、キーストリームを発生させる度に、秘密鍵を変化させるようにして、NONCE(初期値)については固定値とするようにしてもよい。
<<3.応用例>>
以上においては、受信装置202において、GPS時刻情報とTXIDとに基づいた、いわゆるストリーム暗号器に用いられるキーストリーム発生器を用いて、キーストリームを発生させる例について説明してきた。
以上においては、受信装置202において、GPS時刻情報とTXIDとに基づいた、いわゆるストリーム暗号器に用いられるキーストリーム発生器を用いて、キーストリームを発生させる例について説明してきた。
しかしながら、ブロック暗号器を特定の暗号利用モードと組み合わせることによりキーストリーム発生器を構成することもでき、これを用いても良い。
例えば、図16のケースC1で示されるように、キーストリームを発生させる度に、NONCEを所定値だけインクリメントするブロック暗号器を用いるようにしてもよい。
すなわち、ブロック暗号器401は、例えば、最初のタイミングにおいて、c59bcf35…00000000からなるNONCEと、秘密鍵Keyとにより固定ビット数のキーストリームK1を発生する。XOR処理部402は、平文データビット列に対して、キーストリームK1を用いてビット単位でXORを掛けて暗号化データビット列に変換する。
次のタイミングにおいて、ブロック暗号器401は、例えば、直前のNONCEを1インクリメントしたc59bcf35…00000001からなるNONCEを生成し、秘密鍵Keyと共に用いることでキーストリームK2を発生する。XOR処理部402は、平文データビット列に対して、キーストリームK2を用いてビット単位でXORを掛けて暗号化データビット列に変換する。
さらに次のタイミングにおいて、ブロック暗号器401は、例えば、直前のNONCEをさらに1インクリメントしたc59bcf35…00000002からなるNONCEを生成し、秘密鍵Keyと共に用いることでキーストリームK3を発生する。XOR処理部402は、平文データビット列に対して、キーストリームK3を用いてビット単位でXORを掛けて暗号化データビット列に変換する。
このように、キーストリームが発生される度に、NONCEが変化することでキーストリームも変化することになるので、リプレイ攻撃を防御することが可能となる。
また、図16のケースC2で示されるように、NONCEとなる初期値を直前に発生させたキーストリームにしてもよい。
すなわち、ブロック暗号器411は、例えば、最初に、初期値と、秘密鍵KeyとによりキーストリームK11を発生して、XOR処理部412が、平文データビット列に対して、キーストリームK11を用いてビット単位でXORを掛けて暗号化データビット列に変換する。
次のタイミングにおいて、ブロック暗号器411は、例えば、直前のキーストリームK11を初期値とし、秘密鍵Keyと共に用いることでキーストリームK12を発生して、XOR処理部412が、平文データビット列に対して、キーストリームK12を用いてビット単位でXORを掛けて暗号化データビット列に変換する。
さらに次のタイミングにおいて、ブロック暗号器411が、例えば、直前のキーストリームK12を初期値とし、秘密鍵Keyと共に用いることでキーストリームK13を発生して、XOR処理部402が、平文データビット列に対して、キーストリームK13を用いてビット単位でXORを掛けて暗号化データビット列に変換する。
このように、キーストリームが発生される度に、初期値が変化することでキーストリームも変化することになるので、リプレイ攻撃を防御することが可能となる。
さらに、図16のケースC3で示されるように、NONCEとなる初期値を直前に発生させた暗号化データビット列にしてもよい。
すなわち、ブロック暗号器411は、例えば、最初に、初期値と、秘密鍵KeyとによりキーストリームK21を発生する。そして、XOR処理部412は、平文データビット列に対して、キーストリームを用いてビット単位でXORを掛けて暗号化データビット列E1に変換する。
次のタイミングにおいて、ブロック暗号器411は、例えば、直前の暗号化データビット列E1を初期値とし、秘密鍵Keyと共に用いることでキーストリームK22を発生する。そして、XOR処理部412は、平文データビット列に対して、キーストリームK22を用いてビット単位でXORを掛けて暗号化データビット列E2に変換する。
さらに次のタイミングにおいて、ブロック暗号器411が、例えば、直前の暗号化データビット列E2を初期値とし、秘密鍵Keyと共に用いることでキーストリームK23を発生する。そして、XOR処理部402は、平文データビット列に対して、キーストリームK23を用いてビット単位でXORを掛けて暗号化データビット列E3に変換する。
このように、キーストリームが発生される度に、初期値が変化することでキーストリームも変化することになるので、リプレイ攻撃を防御することが可能となる。
以上の如く、本開示の通信システムにおいては、PHY(物理)層におけるストリーム暗号を用いるようにしたので、受信装置において、送信フレーム波形を極性反転することで、PSDUの波形を復号することが可能となり、それぞれの送信フレーム波形を容易に同じ形に変形することができ、波形合成が可能となる。
また、時刻に基づいてフレーム送信ごとにキーストリームを変更することで、送信フレーム波形が毎回異なり、リプレイ攻撃への耐性を向上させることが可能になると共に、暗号化され送信波形が異なっていても波形合成手法により復調/復号性能を向上させることが可能となる。
さらに、ストリーム暗号化により、任意長の平文データビット列を、暗号化データビット列に変換することができる。
<<4.ソフトウェアにより実行させる例>>
ところで、上述した一連の処理は、ハードウェアにより実行させることもできるが、ソフトウェアにより実行させることもできる。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のコンピュータなどに、記録媒体からインストールされる。
ところで、上述した一連の処理は、ハードウェアにより実行させることもできるが、ソフトウェアにより実行させることもできる。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のコンピュータなどに、記録媒体からインストールされる。
図17は、汎用のコンピュータの構成例を示している。このパーソナルコンピュータは、CPU(Central Processing Unit)1001を内蔵している。CPU1001にはバス1004を介して、入出力インタフェース1005が接続されている。バス1004には、ROM(Read Only Memory)1002およびRAM(Random Access Memory)1003が接続されている。
入出力インタフェース1005には、ユーザが操作コマンドを入力するキーボード、マウスなどの入力デバイスよりなる入力部1006、処理操作画面や処理結果の画像を表示デバイスに出力する出力部1007、プログラムや各種データを格納するハードディスクドライブなどよりなる記憶部1008、LAN(Local Area Network)アダプタなどよりなり、インターネットに代表されるネットワークを介した通信処理を実行する通信部1009が接続されている。また、磁気ディスク(フレキシブルディスクを含む)、光ディスク(CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)、DVD(Digital Versatile Disc)を含む)、光磁気ディスク(MD(Mini Disc)を含む)、もしくは半導体メモリなどのリムーバブル記憶媒体1011に対してデータを読み書きするドライブ1010が接続されている。
CPU1001は、ROM1002に記憶されているプログラム、または磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリ等のリムーバブル記憶媒体1011ら読み出されて記憶部1008にインストールされ、記憶部1008からRAM1003にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。RAM1003にはまた、CPU1001が各種の処理を実行する上において必要なデータなども適宜記憶される。
以上のように構成されるコンピュータでは、CPU1001が、例えば、記憶部1008に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース1005及びバス1004を介して、RAM1003にロードして実行することにより、上述した一連の処理が行われる。
コンピュータ(CPU1001)が実行するプログラムは、例えば、パッケージメディア等としてのリムーバブル記憶媒体1011に記録して提供することができる。また、プログラムは、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供することができる。
コンピュータでは、プログラムは、リムーバブル記憶媒体1011をドライブ1010に装着することにより、入出力インタフェース1005を介して、記憶部1008にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部1009で受信し、記憶部1008にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM1002や記憶部1008に、あらかじめインストールしておくことができる。
なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。
尚、図17におけるCPU1001が、図8の符号化部222および図9の復号部322の機能を実現させる。
また、本明細書において、システムとは、複数の構成要素(装置、モジュール(部品)等)の集合を意味し、すべての構成要素が同一筐体中にあるか否かは問わない。したがって、別個の筐体に収納され、ネットワークを介して接続されている複数の装置、及び、1つの筐体の中に複数のモジュールが収納されている1つの装置は、いずれも、システムである。
なお、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
例えば、本開示は、1つの機能をネットワークを介して複数の装置で分担、共同して処理するクラウドコンピューティングの構成をとることができる。
また、上述のフローチャートで説明した各ステップは、1つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。
さらに、1つのステップに複数の処理が含まれる場合には、その1つのステップに含まれる複数の処理は、1つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。
尚、本開示は、以下のような構成も取ることができる。
<1> タイミングに応じて異なる情報を初期値として、キーストリームを生成するキーストリーム生成部と、
前記キーストリームにより、送信データを暗号化データに変換する暗号化部と、
前記暗号化データを変調した波形信号を送信する送信部と
を含む送信装置。
<2> 前記タイミングに応じて異なる情報は、時刻情報である
<1>に記載の送信装置。
<3> 前記時刻情報は、GPS(Global Positioning System)時刻情報、UTC(Universal time coordinated:世界協定時)時刻情報、GMT(グリニッジ標準時:Greenwich Mean Time)、JST(日本標準時:Japan Standard Time)時刻情報、および、所定の等時間間隔、または、非等時間間隔によりカウントされるカウンタの値を含む
<2>に記載の送信装置。
<4> 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報を所定の時間単位で切り捨てた情報に基づいて、前記キーストリームを生成する
<2>に記載の送信装置。
<5> 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報に加えて、前記送信装置に固有のIDを前記初期値とし、さらに、秘密鍵を用いて、前記キーストリームを生成する
<2>に記載の送信装置。
<6> 前記タイミングに応じて異なる情報は、直前に生成した前記キーストリーム、または、直前に生成した前記暗号化データである
<1>に記載の送信装置。
<7> PayloadよりMSDU(MAC(Media Access Control) Service Data Unit)を生成するMSDU生成部と、
前記MSDUよりCMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理によりCMACタグを生成するCMAC処理部とをさらに含み、
前記送信データは、前記MSDUおよび前記CMACタグと、前記MSDUおよび前記CMACタグより生成される誤り訂正符号ECC(Error Correcting Code or Error Check and Correct)とを含む
<1>乃至<6>のいずれかに記載の送信装置。
<8> 前記送信部は、同一の前記送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を、異なるタイミングにおいて、繰り返し送信する
<1>乃至<7>のいずれかに記載の送信装置。
<9> タイミングに応じて異なる情報を初期値として、キーストリームを生成するキーストリーム生成処理と、
前記キーストリームにより、送信データを暗号化データに変換する暗号化処理と、
前記暗号化データを変調した波形信号を送信する送信処理と
を含む送信方法。
<10> 送信装置より送信される、タイミングに応じて異なる情報を初期値として生成されたキーストリームにより送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する受信部と、
前記タイミングに応じて異なる情報を初期値としてキーストリームを生成するキーストリーム生成部と、
前記波形信号の波形の極性を、前記キーストリームにより反転させる極性反転部と、
前記極性が反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する復号部と
を含む受信装置。
<11> 前記タイミングに応じて異なる情報は、時刻情報である
<10>に記載の受信装置。
<12> 前記時刻情報は、GPS(Global Positioning System)時刻情報、UTC(Universal time coordinated:世界協定時)時刻情報、GMT(グリニッジ標準時:Greenwich Mean Time)、JST(日本標準時:Japan Standard Time)時刻情報、および、所定の等時間間隔、または、非等時間間隔によりカウントされるカウンタの値を含む
<11>に記載の受信装置。
<13> 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報を所定の時間単位で切り捨てた情報に基づいて、前記キーストリームを生成する
<11>に記載の受信装置。
<14> 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報に加えて、前記送信装置に固有のIDを前記初期値とし、さらに、秘密鍵を用いて、前記キーストリームを生成する
<11>に記載の受信装置。
<15> 前記タイミングに応じて異なる情報は、直前に生成した前記キーストリーム、または、直前に生成した前記暗号化データである
<10>に記載の受信装置。
<16> 前記送信データは、Payloadに基づいて生成されるMSDU(MAC(Media Access Control) Service Data Unit)と、前記MSDUよりCMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理により生成されるCMACタグ、並びに前記MSDUおよびCMACタグより求められる誤り訂正符号ECC(Error Correcting Code or Error Check and Correct)を含み、
前記送信データより、前記誤り訂正符号ECCにより誤り訂正を行って、前記MSDUおよびCMACタグを復号するMSDU復号部と、
前記MSDUよりCMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理によりCMACタグを生成し、前記MSDU復号部により復号されたCMACタグと比較し、前記送信データの改竄の有無を判定するCMAC処理部とをさらに含む
<10>乃至<15>のいずれかに記載の受信装置。
<17> 前記受信部は、前記送信装置より、異なるタイミングにおいて、繰り返し送信される、同一の前記送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する
<10>乃至<16>のいずれかに記載の受信装置。
<18> 前記送信装置より繰り返し送信される、同一の前記送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号の波形の極性が、前記極性反転部において、前記キーストリームにより反転された波形を積算して記憶する積算記憶部をさらに含み、
前記復号部は、前記積算記憶部に積算して記憶されている、前記極性が反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する
<17>に記載の受信装置。
<19> 前記極性反転部は、前記波形信号の波形の極性と、前記キーストリームにより設定される係数との乗算により、前記波形信号の波形の極性を反転させる
<10>乃至<18>のいずれかに記載の受信装置。
<20> 送信装置より送信される、タイミングに応じて異なる情報を初期値として生成されたキーストリームにより送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する受信処理と、
前記タイミングに応じて異なる情報を初期値としてキーストリームを生成するキーストリーム生成処理と、
前記波形信号の波形を、前記キーストリームにより極性反転させる極性反転処理と、
前記極性反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する復号処理と
を含む受信方法。
前記キーストリームにより、送信データを暗号化データに変換する暗号化部と、
前記暗号化データを変調した波形信号を送信する送信部と
を含む送信装置。
<2> 前記タイミングに応じて異なる情報は、時刻情報である
<1>に記載の送信装置。
<3> 前記時刻情報は、GPS(Global Positioning System)時刻情報、UTC(Universal time coordinated:世界協定時)時刻情報、GMT(グリニッジ標準時:Greenwich Mean Time)、JST(日本標準時:Japan Standard Time)時刻情報、および、所定の等時間間隔、または、非等時間間隔によりカウントされるカウンタの値を含む
<2>に記載の送信装置。
<4> 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報を所定の時間単位で切り捨てた情報に基づいて、前記キーストリームを生成する
<2>に記載の送信装置。
<5> 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報に加えて、前記送信装置に固有のIDを前記初期値とし、さらに、秘密鍵を用いて、前記キーストリームを生成する
<2>に記載の送信装置。
<6> 前記タイミングに応じて異なる情報は、直前に生成した前記キーストリーム、または、直前に生成した前記暗号化データである
<1>に記載の送信装置。
<7> PayloadよりMSDU(MAC(Media Access Control) Service Data Unit)を生成するMSDU生成部と、
前記MSDUよりCMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理によりCMACタグを生成するCMAC処理部とをさらに含み、
前記送信データは、前記MSDUおよび前記CMACタグと、前記MSDUおよび前記CMACタグより生成される誤り訂正符号ECC(Error Correcting Code or Error Check and Correct)とを含む
<1>乃至<6>のいずれかに記載の送信装置。
<8> 前記送信部は、同一の前記送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を、異なるタイミングにおいて、繰り返し送信する
<1>乃至<7>のいずれかに記載の送信装置。
<9> タイミングに応じて異なる情報を初期値として、キーストリームを生成するキーストリーム生成処理と、
前記キーストリームにより、送信データを暗号化データに変換する暗号化処理と、
前記暗号化データを変調した波形信号を送信する送信処理と
を含む送信方法。
<10> 送信装置より送信される、タイミングに応じて異なる情報を初期値として生成されたキーストリームにより送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する受信部と、
前記タイミングに応じて異なる情報を初期値としてキーストリームを生成するキーストリーム生成部と、
前記波形信号の波形の極性を、前記キーストリームにより反転させる極性反転部と、
前記極性が反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する復号部と
を含む受信装置。
<11> 前記タイミングに応じて異なる情報は、時刻情報である
<10>に記載の受信装置。
<12> 前記時刻情報は、GPS(Global Positioning System)時刻情報、UTC(Universal time coordinated:世界協定時)時刻情報、GMT(グリニッジ標準時:Greenwich Mean Time)、JST(日本標準時:Japan Standard Time)時刻情報、および、所定の等時間間隔、または、非等時間間隔によりカウントされるカウンタの値を含む
<11>に記載の受信装置。
<13> 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報を所定の時間単位で切り捨てた情報に基づいて、前記キーストリームを生成する
<11>に記載の受信装置。
<14> 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報に加えて、前記送信装置に固有のIDを前記初期値とし、さらに、秘密鍵を用いて、前記キーストリームを生成する
<11>に記載の受信装置。
<15> 前記タイミングに応じて異なる情報は、直前に生成した前記キーストリーム、または、直前に生成した前記暗号化データである
<10>に記載の受信装置。
<16> 前記送信データは、Payloadに基づいて生成されるMSDU(MAC(Media Access Control) Service Data Unit)と、前記MSDUよりCMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理により生成されるCMACタグ、並びに前記MSDUおよびCMACタグより求められる誤り訂正符号ECC(Error Correcting Code or Error Check and Correct)を含み、
前記送信データより、前記誤り訂正符号ECCにより誤り訂正を行って、前記MSDUおよびCMACタグを復号するMSDU復号部と、
前記MSDUよりCMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理によりCMACタグを生成し、前記MSDU復号部により復号されたCMACタグと比較し、前記送信データの改竄の有無を判定するCMAC処理部とをさらに含む
<10>乃至<15>のいずれかに記載の受信装置。
<17> 前記受信部は、前記送信装置より、異なるタイミングにおいて、繰り返し送信される、同一の前記送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する
<10>乃至<16>のいずれかに記載の受信装置。
<18> 前記送信装置より繰り返し送信される、同一の前記送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号の波形の極性が、前記極性反転部において、前記キーストリームにより反転された波形を積算して記憶する積算記憶部をさらに含み、
前記復号部は、前記積算記憶部に積算して記憶されている、前記極性が反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する
<17>に記載の受信装置。
<19> 前記極性反転部は、前記波形信号の波形の極性と、前記キーストリームにより設定される係数との乗算により、前記波形信号の波形の極性を反転させる
<10>乃至<18>のいずれかに記載の受信装置。
<20> 送信装置より送信される、タイミングに応じて異なる情報を初期値として生成されたキーストリームにより送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する受信処理と、
前記タイミングに応じて異なる情報を初期値としてキーストリームを生成するキーストリーム生成処理と、
前記波形信号の波形を、前記キーストリームにより極性反転させる極性反転処理と、
前記極性反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する復号処理と
を含む受信方法。
200 通信システム, 201 送信装置, 202 受信装置, 203 クラウドサーバ, 211,211-1,211-2 アプリケーションプログラム, 221 MAC暗号化部, 222 符号化部, 223 LPWA送信部, 231 MSDU生成部, 232 CMAC処理部, 251 誤り訂正符号付加部, 252 XOR処理部, 253 キーストリーム発生器, 254 記憶部, 255 GPS時刻情報取得部, 256 同期パターン生成部, 257 スイッチ, 257a,257b 端子, 271 変調部, 272 ミキサ, 273 局部発振器, 274 BPF, 275 増幅器, 276 アンテナ, 321 LPWA受信部, 322 復号部, 323 MAC復号部, 331 アンテナ, 332 増幅器, 333 ミキサ, 334 局部発振器, 335 BPF, 336 位相補正部, 337 同期検出部, 351 スイッチ, 351a,351b 端子, 352 極性反転部, 353 復調器, 354 積算部, 355 複合機, 356 キーストリーム発生器, 357 記憶部, 358 GPS時刻情報取得部, 359 同期信号波形保存部, 371 MSDU生成部, 372 CMAC処理部
Claims (20)
- タイミングに応じて異なる情報を初期値として、キーストリームを生成するキーストリーム生成部と、
前記キーストリームにより、送信データを暗号化データに変換する暗号化部と、
前記暗号化データを変調した波形信号を送信する送信部と
を含む送信装置。 - 前記タイミングに応じて異なる情報は、時刻情報である
請求項1に記載の送信装置。 - 前記時刻情報は、GPS(Global Positioning System)時刻情報、UTC(Universal time coordinated:世界協定時)時刻情報、GMT(グリニッジ標準時:Greenwich Mean Time)、JST(日本標準時:Japan Standard Time)時刻情報、および、所定の等時間間隔、または、非等時間間隔によりカウントされるカウンタの値を含む
請求項2に記載の送信装置。 - 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報を所定の時間単位で切り捨てた情報に基づいて、前記キーストリームを生成する
請求項2に記載の送信装置。 - 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報に加えて、前記送信装置に固有のIDを前記初期値とし、さらに、秘密鍵を用いて、前記キーストリームを生成する
請求項2に記載の送信装置。 - 前記タイミングに応じて異なる情報は、直前に生成した前記キーストリーム、または、直前に生成した前記暗号化データである
請求項1に記載の送信装置。 - PayloadよりMSDU(MAC(Media Access Control) Service Data Unit)を生成するMSDU生成部と、
前記MSDUよりCMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理によりCMACタグを生成するCMAC処理部とをさらに含み、
前記送信データは、前記MSDUおよび前記CMACタグと、前記MSDUおよび前記CMACタグより生成される誤り訂正符号ECC(Error Correcting Code or Error Check and Correct)とを含む
請求項1に記載の送信装置。 - 前記送信部は、同一の前記送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を、異なるタイミングにおいて、繰り返し送信する
請求項1に記載の送信装置。 - タイミングに応じて異なる情報を初期値として、キーストリームを生成するキーストリーム生成処理と、
前記キーストリームにより、送信データを暗号化データに変換する暗号化処理と、
前記暗号化データを変調した波形信号を送信する送信処理と
を含む送信方法。 - 送信装置より送信される、タイミングに応じて異なる情報を初期値として生成されたキーストリームにより送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する受信部と、
前記タイミングに応じて異なる情報を初期値としてキーストリームを生成するキーストリーム生成部と、
前記波形信号の波形の極性を、前記キーストリームにより反転させる極性反転部と、
前記極性が反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する復号部と
を含む受信装置。 - 前記タイミングに応じて異なる情報は、時刻情報である
請求項10に記載の受信装置。 - 前記時刻情報は、GPS(Global Positioning System)時刻情報、UTC(Universal time coordinated:世界協定時)時刻情報、GMT(グリニッジ標準時:Greenwich Mean Time)、JST(日本標準時:Japan Standard Time)時刻情報、および、所定の等時間間隔、または、非等時間間隔によりカウントされるカウンタの値を含む
請求項11に記載の受信装置。 - 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報を所定の時間単位で切り捨てた情報に基づいて、前記キーストリームを生成する
請求項11に記載の受信装置。 - 前記キーストリーム生成部は、前記時刻情報に加えて、前記送信装置に固有のIDを前記初期値とし、さらに、秘密鍵を用いて前記キーストリームを生成する
請求項11に記載の受信装置。 - 前記タイミングに応じて異なる情報は、直前に生成した前記キーストリーム、または、直前に生成した前記暗号化データである
請求項10に記載の受信装置。 - 前記送信データは、Payloadに基づいて生成されるMSDU(MAC(Media Access Control) Service Data Unit)と、前記MSDUよりCMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理により生成されるCMACタグ、並びに前記MSDUおよびCMACタグより求められる誤り訂正符号ECC(Error Correcting Code or Error Check and Correct)を含み、
前記送信データより、前記誤り訂正符号ECCにより誤り訂正を行って、前記MSDUおよびCMACタグを復号するMSDU復号部と、
前記MSDUよりCMAC(Cihper-based MAC:暗号ベースメッセージ認証コード)処理によりCMACタグを生成し、前記MSDU復号部により復号されたCMACタグと比較し、前記送信データの改竄の有無を判定するCMAC処理部とをさらに含む
請求項10に記載の受信装置。 - 前記受信部は、前記送信装置より、異なるタイミングにおいて、繰り返し送信される、同一の前記送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する
請求項10に記載の受信装置。 - 前記送信装置より繰り返し送信される、同一の前記送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号の波形の極性が、前記極性反転部において、前記キーストリームにより反転された波形を積算して記憶する積算記憶部をさらに含み、
前記復号部は、前記積算記憶部に積算して記憶されている、前記極性が反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する
請求項17に記載の受信装置。 - 前記極性反転部は、前記波形信号の波形の極性と、前記キーストリームにより設定される係数との乗算により、前記波形信号の波形の極性を反転させる
請求項10に記載の受信装置。 - 送信装置より送信される、タイミングに応じて異なる情報を初期値として生成されたキーストリームにより送信データが暗号化された暗号化データを変調した波形信号を受信する受信処理と、
前記タイミングに応じて異なる情報を初期値としてキーストリームを生成するキーストリーム生成処理と、
前記波形信号の波形を、前記キーストリームにより極性反転させる極性反転処理と、
前記極性反転された波形信号に基づいて、前記送信データを復号する復号処理と
を含む受信方法。
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