送信元機器で認証情報を組み込む通信路非依存型セキュア・ライブ通信に関する研究

1. 中間発表用発表資料 送信元機器で認証情報を組み込む通信路非依存型セキュア・ライブ通信に関する研究 システム情報科学府 情報工学専攻 岡村研究室 修士2年 中川 和久

2. 発表内容 • 背景 • ライブ通信における送信元機器のすりかえ • 目的及び方針 • 送信側及び受信側双方が信頼し得るライブ通信の実現 • 提案手法 • 送信元機器における認証情報の組み込み • ライブ通信に対応した認証機構の実現 • インターフェースにおけるデータ転送プロトコル • ソフトウェアインターフェース・認証基盤対応アプリケーション • 動画ストリーミングにおける認証機構 • まとめ • 今後の予定

3. IP/UDP IP/UDP IP/UDP data data data 送信開始 受信開始 データを逐次再生 背景 (1/3)- 広帯域を利用した通信の普及 - • インターネットを介したライブ通信 • 実時間性（リアルタイム性）が要求されるデータ通信 • ライブ配信における動画ストリーミング • 送信端末が送信元機器から転送された映像及び音声データを，遠隔に存在する受信端末に送信し，受信端末でデータの受信及び再生を並行して逐次行う方式 インターネット データストリーム伝送 受信端末 データ取り出し 送信元機器 データ転送 送信端末 IPパケット化 出力機器 データ再生 data data

4. 背景 (2/3)- ライブ通信における脅威と通信路の暗号化 - • インターネットにおける脅威 • 不正アクセスの傾向 • 今までは愉快犯が多かったが，近年は悪質なプロ化へ． • 通信路依存型のセキュアなライブ通信 • IPsec・SSLといったセキュリティプロトコル • 悪意ある攻撃者によるデータの盗聴及び改竄を通信路において防止する． 攻撃は誰にも気づかれないように，セキュリティ対策の弱いと思われるところを狙い，情報盗聴及び改竄といった目的を実行する． 対象はアプリケーション・データベースレベルといったアプリケーション層を狙ったものが主流になる． 通信路の暗号化技術を用いて端末間での信頼性を確保 （セキュアな範囲）

5. すりかえの発生 × IP/UDP IP/UDP data data? 通信路の暗号化 背景 (3/3)- 送信端末におけるデータのすりかえ - • ライブ通信におけるデータのすりかえ • 端末間での信頼性を確保だけでは解決出来ない問題が浮上する． • ライブ通信中に，受信側が受信するデータストリームが，送信側で悪意のある攻撃者によってすりかえられる事態を想定する． • 送信側が暗号化された通信路にすりかえたデータを送信する． 攻撃者が予め用意されていた別のデータ，もしくは別の送信元機器からのデータへすりかえる． 悪意を持った攻撃者が受信端末にデータを送信している送信端末に侵入してしまう． 受信端末はあたかも送信端末から現時点でのデータを受信しているかのように，処理し続けることになる． 端末間において，IPsecを用いて通信路での改竄を防いだとしても，悪意のある攻撃者によって送信端末そのものに侵入され，データそのものが改竄される問題がある．

6. 目的- 送信側及び受信側双方が信頼し得るライブ通信の実現- たとえ端末間の通信路に暗号化を施していたとしても，送信端末への信頼を前提としてライブ通信が行われている． • ライブ通信で送受信される大容量のデータストリームに対する認証を実現 • ライブ通信において，送信端末でのデータのすり替えを，受信端末でデータの受信及び処理と並行して検知可能にする． 端末同士において改竄無くライブ通信が行われている事を検証する機構の実現を目指す．（すりかえの検知を可能にする機構の実現） これまでは送信端末と受信端末との間で認証がなされていた． 受信端末が知り得る身分証明は送信端末のものであって，送信端末が送信するデータそのものについては身分証明が出来なかった． （送信端末におけるすりかえという事態に対応が出来ない）

7. 通信路を暗号化させることで，端末間での信頼性の確保が可能である．通信路を暗号化させることで，端末間での信頼性の確保が可能である． セキュアな範囲は端末間である． data data data ※ データストリームへ認証情報を組み込む 認証情報を検証し，特定の送信元機器からのデータを受信していることを確認する． 送信元機器と受信端末との間での信頼性を認証情報を用いて確保する． セキュアな範囲を送信元機器と受信端末に拡張させる． IP/UDP IP/UDP IP/UDP IP/UDP IP/UDP IP/UDP data data data data data data data data data 認証情報の組み込み 検証 提案手法 (1/2)- 認証情報の組み込み - • 送信元機器に認証情報を組み込むアイデア • ライブ通信において送信端末で送信するデータを生成する段階までに遡って，その段階で認証情報を組み込む． • 受信端末において，データを生成する送信元機器そのものの身分証明を可能にする． 通信路をセキュアにするのではなく，認証情報をセキュアにすることで，データストリームを構成するデータそのものに対する認証を実現する．

8. 提案手法 (2/2)- 本研究で取り組む内容 - • ライブ通信に対応した認証機構の研究 • 送信元機器から転送されるデータを改造しない認証機構を実現 • 電子透かしのようなデータそのものの品質劣化は避ける． • 送信用アプリケーションがデータを処理する（IPカプセル化を行う）以前に認証データを組み込む． • 送信元機器及び送信端末間のデータ転送を研究する事で，大容量データストリームに対応した認証機構を実現する． • 送信側で認証情報を組み込むインターフェース 送信用アプリケーションがデータを処理する時点で，送信元機器から転送されたデータはどのような状態でIPカプセル化されるか検証する． 悪意のある攻撃者はIPカプセル化される段階で情報をすりかえる．

9. 認証機構の実現(1/4)- ハードウェアインターフェースにおけるプロトコル- • 送信元機器と送信端末におけるデータ転送プロトコル • ハードウェアインターフェース • 送信元機器と送信端末実際にデータ転送を行う • アイソクロナス転送 (isochronous transfer) • USB及びIEEE1394でサポートするデータ転送方式 • 他のインターフェースがバスを使用している際，そのインターフェースに対するトラフィックが高くても，一定時間辺りの転送量が保証される． データの転送が途中で途切れないので，動画や音声などのストリーミングデータの転送に向いている． 送信元機器が一定間隔でデータを生成し，送信元機器上のインターフェースが指定するレジスタ空間へ格納する． インターフェースが，送信端末との接続形態に応じたデータ転送プロトコルで，送信端末が指定するメモリ上へデータを転送する． IEEE1394 Interface IEEE1394 Interface

10. 認証機構の実現(2/4)- データ転送プロトコルのトランザクションにおけるデータ量 - • トランザクションにおけるデータ量 • USB2.0及びIEEE1394におけるアイソクロナス転送は，データ・パケット転送に関するトランザクションが125μsの周期で実行されている． 送信元機器からデータが125μsの間隔で格納されるメモリ領域 （送信端末が指定） （100μs＝0.1ms＝0.0001s） USB2.0でパケットに乗せるデータ（ペイロード）のサイズは，転送単位（エンドポイント）毎に設定が可能である． 最大1024byte IEEE1394 Interface IEEE1394 Interface IEEE1394でパケットに乗せるデータのサイズは，バス上でのデータ転送時間が62μs未満になるように定められている． data 最短125μs data 転送レート100Mbpsのバスでは最大データ長は512byte 転送レート200Mbpsのバスでは最大データ長は1024byte data data data

11. 認証機構の実現(3/4)- 送信元機器それぞれに則ったデータ生成 - • 送信元機器におけるデータ生成に関する規格 • 送信元機器ではデータが生成された情報を，ハードウェアインターフェースが指定するレジスタ空間へ転送する為のメモリ領域が存在する． 映像及び音声に関するデータが送信元機器のメモリ領域で更新される度に認証情報を発行する事で，データそのものの身分証明を可能にするには，送信元機器の性能に基づいた実現を要求する事になる． （例） DV NTSC （IEC61834-2） 映像：30fps，色情報：24(bit)，YUV=4:1:1で12bit，DVcodec：1/5 音声：非圧縮リニアPIM 16bit/48kHz,2ch 1秒間に720 * 480 * 24 / 2 * 29.97 / 5 / 8 + 16 * 48,000 * 2 / 8 = 3,299,289.6byteのデータが生成される． 125μs間隔で送信端末が指定するメモリ領域へ1024byteずつ転送される事が想定される． カメラのメモリ量に依存して，どれだけのデータが生成される度に認証情報が付けられるのかタイミングが決定する必要がある．

12. 認証機構の実現(4/4)- 認証情報の組み込み - • 送信元機器が認証情報を組み込むタイミング • 送信元機器において，一定間隔で転送されるデータに付随させる技術を提案する． • アイソクロナス転送で転送されるデータ量に関する規定は存在しないので，冗長性を持たせても問題は無い ※ 送信元機器におけるハードウェアインターフェースとしての実装 事前に認証情報を送信元機器内に記憶させ，認証情報を組み込んだデータが送信端末に転送されるように，送信元機器内でハードウェア機構として実現させる． セキュアなライブ通信はハードウェアにおける認証情報に依存される． ※ 送信端末におけるソフトウェアインターフェースとしての実装 既に認証情報を用意されているメモリ領域をソフトウェアで実現し，送信元機器から転送されたデータがそれら領域上に格納されるようにする． 汎用性のある実現方法であり，認証情報の柔軟な対応が期待される．

13. 認証情報の実現 (1/2)- ハードウェアインターフェース - • 送信元機器それぞれが対応した識別子を用意する． • ハードウェアインターフェースとして実現させる場合，製造された周辺機器それぞれに独自のID識別子を割り振る． • 認証情報はその識別子を秘匿ID化させたものである． • 公開鍵暗号または共通鍵暗号を利用してID識別子を事前に暗号化し，暗号化されたビット列を送信元機器に記憶させる． 認証情報の検証 AAA-xxx-012345 AAA-xxx-012345 復号鍵を受信端末は事前に入手している． ID識別子（識別子として原則公開） 暗号化専用のアルゴリズム 復号化専用のアルゴリズム abcpqxyz abcpqxyz 認証情報（秘匿ID化・非公開） 秘匿ID情報 （非公開） 送信元機器に認証情報をビット列として記憶させる． ID ID data data 認証情報の組み込み 認証情報の検出

14. 認証情報の実現 (2/2)- ソフトウェアインターフェース - • 認証情報の指定 • 受信端末がデータストリームの中に認証情報として組み込む情報を送信端末へ伝える． • 送信端末はソフトウェアインターフェースへ認証情報の指定を行う． • ソフトウェアインターフェースは • 送信端末は送信元機器が認証情報も組み込んでいるかのように解釈する． 送信元機器からデータが転送されるメモリ領域 （ソフトウェアインターフェースが指定） ソフトウェアインターフェースを経由する時には既に認証情報が組み込まれている． abcpqxyz software Interface 受信側で指定した認証情報 data data data ID data

15. 受信端末はID情報を元に共通鍵で暗号化し秘匿ID情報を送信端末に渡す，受信端末はID情報を元に共通鍵で暗号化し秘匿ID情報を送信端末に渡す， abcpqxyz ライブ通信開始前に受信端末は送信端末へ認証情報の内容を伝える． 事前に送信端末は受信端末へ送信元機器のID情報を告知する． AAA-xxx-012345 abcpqxyz 送信端末はソフトウェアインターフェースへ認証情報を組み込むよう設定を行う． software Interface abcpqxyz data data data data 送信端末は秘匿ID情報を送信元機器に記憶させる． 認証情報の組み込み 検証 ID ID data data IP/UDP IP/UDP IP/UDP IP/UDP data data data data data data data data ID ID ID ID data data 認証情報の組み込み abcpqxyz 検証 ID AAA-xxx-012345 提案手法の概要 (1/2)- 認証情報を組み込むインターフェースを用いた認証基盤 - • ライブ通信中において攻撃者によるすり替えを防止する． 暗号及び復号処理の負荷は受信端末が担う分，受信端末が認証情報の指定が可能である為，認証情報がトラッキングされても，以後の認証情報の利用に支障はない．

16. 提案手法の概要 (2/2) - 認証情報が組み込まれたデータストリームの送信 - • ライブ通信で想定されるアプリケーション • 実時間性を維持した通信を実現するため，可能な限り最大量，データをIPカプセル化を行う． ハードウェアインターフェースでのデータ転送プロトコルが実際にデータ転送する間隔と，アプリケーションがメモリ上へバッファさせる間隔のズレにより隙間が生じる IPカプセル化が行われるメモリ領域 （アプリケーションが指定） data data data data data data data data data data data data data data アプリケーションが送信端末上でのインターフェースの参照し，IPカプセル化を行うメモリ上へバッファし，先頭から逐次IPカプセル化を行う． ① ② data data data data data data data ID ID ID ID ID ID ID data data data data data data data data data data data ID data data data ①では実際に転送するデータが極端に減ってしまうので，②のように間隔のズレを埋めるような認証情報の組み込みを実現する．

17. 本研究で取り組む技術- ソフトウェアインターフェース・認証基盤対応アプリケーション - • ソフトウェアインターフェース • 送信側で認証情報を組み込むソフトウェアインターフェース • 送信元機器で認証情報を組み込む機構を，送信元機器が送信端末へ転送された時に実現する． • 認証情報そのものを送信元機器を大量に組み込む． • 認証基盤対応アプリケーション • 認証情報が組み込まれたデータを送受信するアプリケーション • ライブ通信可能な限り最大量，データをIPカプセル化を行う． • 受信側で認証情報を検証するプロセス • 大量に組み込まれた認証情報に対して，絶えず検証を行う． 認証基盤対応アプリケーション software Interface

18. 動画ストリーミングにおける認証機構 (1/4)- 大容量の動画ストリーミングを行うアプリケーション - • 動画配信アプリケーションに認証機構を実現 • 大容量データストリームが行われている． • アプリケーションは，送信端末上でのソフトウェアインターフェースが指定するメモリ領域を参照し，IPカプセル化を行うメモリ上へ格納する．そして，先頭から逐次IPカプセル化し，受信側へ送信する． • 受信端末では，通信され再構成されたデータに組み込まれた認証情報を検証する機構を，再生プロセスとは別に実現する． ※ 送信端末 ※ ※ 受信端末 ※ 2006/12/25.13:00.01 OK 2006/12/25.13:00.02 OK 2006/12/25.13:00.03 OK 2006/12/25.13:00.04 OK ・・・ software Interface data data data data 検証機構 本来アプリケーションが取り扱うデータ量を拡張 認証情報を検出し，本来アプリケーションが必要としているデータへ再構築するプロセス

19. 動画ストリーミングにおける認証機構 (2/4) - 動画配信アプリケーションでの実現 - • 送信端末におけるIPカプセル化 • 認証情報が組み込まれたデータストリームを動画配信アプリケーションが転送するデータとして認識する必要がある． • 認証情報が組み込まれているフレームを単独に用意する． • データストリームの受信元機器への受け渡し • 認証情報が組み込まれているフレームを検出する機構を用意する必要がある． ID data data data data どのフレームに認証情報が格納されているのか悪意のある攻撃者に検知されないように考える． data data data data ID ID 実時間性を維持した検証結果の出力を実現させる． 受信用アプリケーションが必要なデータのみを取り出し，あらかじめ用意したメモリ上へバッファする．

20. 動画ストリーミングにおける認証機構 (3/4) - 送信端末 - • 送信端末実装時における主要な機能 • 認証情報を組み込むソフトウェアインターフェース data data data アプリケーションは，送信元機器からデータが転送されているメモリ領域から，IPカプセル化を行うメモリ領域の先頭から逐次データを格納する． ① data data data data data data data data data data data data data data ID ソフトウェアインターフェースは，アプリケーションによってIPカプセル化が行われる直前になるとメモリバッファの末尾に認証情報が格納する． ② フレームを満たす認証情報の格納 data data data data data data data data data data data ID data data data 認証情報が組み込まれたデータを，本来のデータストリーム同様，メモリバッファされた先頭から逐次IPカプセル化させる ③ 送信側におけるIPカプセル化を行うメモリ参照領域の拡張 UDPパケットが転送可能な最大量を搭載したイーサネットフレーム（複数存在） 残りのデータ及び認証情報を搭載し最大量搭載するイーサネットフレーム（1つ存在）

21. 動画ストリーミングにおける認証機構 (4/4) - 受信端末 - • 受信端末実装時における主要な機能 • 送信端末から2種類のイーサネットフレームを受信する． ID data ① 受信端末は送信端末から2種類のイーサネットフレームを受信し，アプリケーションはそれらデータを指定するメモリ領域に格納する． ID data data data data data data data data data data data data data data アプリケーションが参照するメモリ領域 アプリケーションは認証情報を参照させないメモリ参照を行う事で，認証情報が検出された映像及び音声データを受信することになる．同時に認証情報をあらかじめ用意したメモリ領域へ格納する． ② 認証情報を検証用のメモリ領域へ退避させ検証するプロセス ID ID ID ライブ通信開始時に指定した認証情報と同じかを検証する． ③ 認証情報を逐次検証し，ログとして検証結果をテキスト形式で出力させる． 認証情報の実時間性を維持した検証

22. まとめ- 今後の予定 - • すりかえ検知を可能にする認証機構 • 送信元機器及び送信端末間のデータ転送を研究する事で，大容量データストリームに対応した認証機構を実現する． • ライブ通信に対応した認証機構 • 送信側で認証情報を組み込むソフトウェアインターフェース • 既に認証情報が組み込まれたデータを送受信するアプリケーション • 受信側で認証情報を検証するプロセス • 今後の予定 • 動画配信アプリケーションの実装 • 民生用デジタルビデオカメラカメラ（DV NTSC）を実装の対象とする • 論文執筆 • DVTS (Digital Video Transport System) • WIDEプロジェクトが製作したDV転送システム http://www.sfc.wide.ad.jp/DVTS/

24. 遅延の検証 (1/5) - 低遅延を保障した認証情報の組み込みについての解析 - • ライブ・ストリーミングにおける実時間性という制約 • 30fpsでの動画キャプチャでは100ms(33msecの3倍)以下といった低遅延での認証情報の組み込み及び検出機構を目指す． • 特に復号化でどれだけ処理に時間が掛かるかをシミュレートする事で，実際に認証情報を組み込む時間間隔を決定する事が可能になる． 受信端末は動画配信アプリケーションを起動するので，高性能な端末であると想定する． AAA-xxx-012345 復号化専用のアルゴリズム abcpqxyz 解析に用いる端末は，DVTS※が利用可能なシステムである事を前提とする． 秘匿ID情報 （非公開） • DVTS (Digital Video Transport System) • WIDEプロジェクトが製作したDV転送システム • http://www.sfc.wide.ad.jp/DVTS/ ID data

25. 遅延の検証 (2/5)- 復号化の処理時間を算出 - • AiCrypto • 名古屋工業大学・岩田研で公開されているフリーの暗号ライブラリ • 暗号化及び復号化に関するモジュールが関数で実現されている • 計測方法 • プログラムのステップで暗号化及び復号化の関数に突入する際にタイマーをスタート． • プロセス時間を取得するtimes()，日付と時間を返すftim()を用いる． • 戻り値を得て関数から抜けた時にタイマーをストップ． • 計測環境 • PentiumⅢ866MHz，768MB，Fedora Core4 (kernel-2.6.11-1) http://mars.elcom.nitech.ac.jp/security/aicrypto.html 処理したデータ量 (関数に投入するデータ数 × 8 ×再起プロセス回数 ) 処理速度(kBps) ＝ × 1024 処理時間(s)

26. 遅延の検証 (3/5) - DES (Data Encryption Standard) - • 共通鍵暗号アルゴリズム • データを64bit長のブロックに分割し，各ブロックを56bit長の鍵で暗号化する共通暗号鍵アルゴリズム． • Triple-DESは，DESを3重に繰り返すことで暗号強度を高めている ． • ECB (Electronic Code Block) モード • 最終的に各ブロックをつなぎ合わせる． • CBC (Cipher Block Chaining) モード • すでに暗号化が済んでいるデータを利用して，次のブロックを暗号化することで強度を高められる．

27. 遅延の検証 (4/5)- 共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式 - • 公開鍵暗号方式 • 不可逆性のアルゴリズム • RSA (Rivest Shamir Adleman) • オイラーの定理と2つの素数を使って公開鍵暗号の仕掛けを実現． • 公開鍵 (n,d) で暗号化，秘密鍵 (e) で復号化を行う． • 秘密鍵 (n,d) で暗号化，公開鍵 (e) で復号化を行う． ※ 公開鍵暗号化方式の暗号化方式 http://www.ipa.go.jp/security/enc/CRYPTREC/index.html

28. 遅延の検証 (5/5)- 測定結果 - 共通鍵暗号方式 (DES) 公開鍵暗号方式 (RSA) RSAでID情報が128bitを超える時，復号化に100ms以上時間が経過してしまう恐れがある． RSAで認証機構を実現するには，フレームレートに則った認証情報の付加に対して，検出時にはある程度間引きを行う必要があると考えられる．