WO2011105350A1 - 無線通信装置及び認証処理方法 - Google Patents

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健 長沼
大和田　徹
英里子 安藤
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Definitions

  • the present invention relates to a wireless communication apparatus that performs authentication processing in a mobile body that performs wireless communication with another mobile body or a fixed station, and further relates to an authentication processing method applied thereto, for example, between vehicles or between a vehicle and a roadside.
  • the present invention relates to a technique that is effective in improving the safety of wireless communication by applying to the prevention of message spoofing and tampering in wireless communication performed between, for example.
  • road-to-vehicle communication services that distribute traffic information, security / safety information, etc., from roadside radios to in-vehicle radios are widely used.
  • it is considered to improve the accuracy of traffic jam information and safety / safety information by transmitting vehicle information from an in-vehicle radio to a roadside radio.
  • active research into vehicle-to-vehicle communication where each vehicle shares traffic jam information and safety / safety information autonomously through direct or multi-hop communication between vehicles. It has been broken.
  • the message sender When it is desired to prevent spoofing and tampering using this feature, the message sender encrypts the message or its hash value (also called a message digest) with a secret key known only to the principal and transmits the message. The recipient who has received the message decrypts the message or its hash value using the sender's public key. At this time, if the message sender's public key can be correctly decrypted, it is confirmed that the person who sent the message is the person who knows the sender's private key, that is, the person himself / herself. It is also confirmed that the tampering has not been performed on the communication path by correctly decoding.
  • the message sender encrypts the message or its hash value (also called a message digest) with a secret key known only to the principal and transmits the message.
  • the recipient who has received the message decrypts the message or its hash value using the sender's public key.
  • the message sender's public key can be correctly decrypted
  • authentication is an act of confirming the legitimacy of a target.
  • Message authentication is a procedure for ensuring that a message has not been altered.
  • This message authentication method includes a method using a message authentication code (MAC: Message Authentication Code) based on a common key encryption method and a method using a digital signature based on a public key encryption method.
  • the common key encryption method is an encryption method in which the key used for encryption and the key used for decryption are the same.
  • the public key encryption method is an encryption method in which encryption is performed using its own private key and decryption is performed using the public key disclosed to the other party.
  • the message authentication code is a code obtained by inputting, for example, a common key and an arbitrary length message to be authenticated to the MAC value generation function as input.
  • the digital signature is, for example, a code obtained by inputting a message (or message digest) of an arbitrary length to be authenticated and a secret key into a signature generation function.
  • the message digest is generated by a one-way hash function, for example.
  • Patent Document 1 describes a vehicle-to-vehicle authentication technique using a message authentication code based on a common key encryption method.
  • Non-Patent Document 1 describes ECDSA (an electronic signature scheme using elliptic curve cryptography) as an authentication scheme using a digital signature by a public key cryptosystem.
  • the present inventor has clarified that the following problems should be considered when performing message authentication using a public key cryptosystem between vehicles or between vehicles.
  • the problem is a delay time to the next process allowed in performing message authentication.
  • a collision prevention service that transmits and receives mutual position information and speed information between vehicles and avoids collision as a service related to safety and security is being studied.
  • the allowable delay time for message processing (the total time allowed for processing from event occurrence to the end of message processing) is limited. Desired.
  • Non-Patent Document 1 ECDSA (electronic signature method using elliptic curve cryptography) has been proposed as a message authentication method.
  • ECDSA electronic signature method using elliptic curve cryptography
  • An object of the present invention is to provide an authentication method capable of performing message authentication within an allowable time regardless of the number of messages and capable of performing high-accuracy message authentication within the allowable time range, and further applying the authentication method. It is to provide a wireless communication apparatus.
  • a message authentication code and a digital signature of communication data are generated, and the generated message authentication code and digital signature are added to the communication data.
  • a message authentication code or a digital signature included in the received information is used to determine which authentication is performed according to its own state.
  • the own state is, for example, the load state of the central processing unit that performs the authentication process.
  • authentication processing using a digital signature with a relatively large data processing load and authentication processing using a message authentication code with a relatively small data processing load are within the allowable range of the authentication processing. It becomes possible to use properly.
  • authentication using a digital signature can be used, it is possible to receive a common key required for a message authentication code from outside via a message encrypted by public key cryptography, and obtain the necessary common key as appropriate. Thus, authentication using a message authentication code can be performed.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram showing an embodiment of inter-vehicle wireless communication in a system to which a communication data authentication method according to the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the vehicle communication device.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a process for transmitting a message with a digital signature and a message authentication code from the vehicle A to the vehicle B.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a specific example of the message generation process (S100).
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a specific example of the message signature generation process (S200).
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a specific example of the MAC generation process (S300).
  • FIG. 1 is a system configuration diagram showing an embodiment of inter-vehicle wireless communication in a system to which a communication data authentication method according to the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the vehicle communication device.
  • FIG. 3 is a
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a specific example of the message authentication process (S400).
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a specific example of the message authentication result process (S500).
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating an authentication request value generation process by the authentication request generation function.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a method for obtaining a secret key (MAC-dedicated common key) as a common key used for MAC value verification.
  • FIG. 11 is a format diagram illustrating a format of communication data in which a digital signature, a message authentication code, and a vehicle ID are added to a message.
  • the wireless communication device (113, 123) is a device that performs an authentication process in its own mobile body that performs wireless communication with another mobile body or a fixed station.
  • the message authentication code for communication data is generated using a common key shared with other mobile units or fixed stations, and the digital signature is generated using its own private key,
  • a second process (S400, S500) for performing authentication by deciding which of the code and the digital signature is used for authentication according to its own state is executed.
  • authentication processing using a digital signature with a relatively large data processing load and authentication processing using a message authentication code with a relatively small data processing load is allowed depending on its own state. It becomes possible to use properly as long as time permits. Therefore, it is possible to perform message authentication within an allowable time regardless of the number of messages, and to perform highly accurate message authentication within the allowable time.
  • a common key necessary for the message authentication code can be received from outside via a message encrypted by a public key cryptosystem. Appropriately obtained and authenticated by a message authentication code.
  • the second process is a process of generating an authentication request value by executing an authentication request generation function having a value indicating its own state as an argument. Is data indicating whether or not authentication processing using a message authentication code is necessary and whether or not authentication processing using a digital signature is necessary. This makes it easy to control which authentication process is performed.
  • the wireless communication device includes a central processing unit, and the value indicating the state of the wireless communication device is a value corresponding to a load state of the central processing unit that performs authentication processing as a receiving side. As a result, it is possible to simply determine an authentication process that falls within the time allowed for the authentication process.
  • the second process determines that an authentication process using a message authentication code is required and an authentication process using a digital signature is unnecessary when the load on the central processing unit is heavy.
  • the load on the central processing unit is small, it is determined that the authentication process using the message authentication code is unnecessary and the authentication process using the digital signature is necessary.
  • the value indicating the state of itself is a strength of a correspondence relationship between information newly received as a target of authentication processing and history information of communication that has been received and finished authentication processing. It is a value according to. As a result, it is easy to control to allocate data processing capability to other authentication processes while omitting substantially unnecessary authentication processes.
  • the second process determines that an authentication process using a message authentication code is required when the correspondence is strong and an authentication process using a digital signature is unnecessary, If the relationship is weak, it is determined that the authentication process using the message authentication code is unnecessary and the authentication process using the digital signature is necessary.
  • the value indicating its own state is a value corresponding to a perspective relationship with respect to another mobile unit or fixed station on the transmission side. This facilitates the control of assigning data processing capability to other authentication processes while omitting a substantially useless authentication process for a meaningless object such as a far away vehicle in a collision avoidance process or the like.
  • the second process determines that an authentication process using a message authentication code is required when the perspective relationship is far and an authentication process using a digital signature is unnecessary, and If the relationship is close, it is determined that the authentication process using the message authentication code is unnecessary and the authentication process using the digital signature is necessary.
  • the second processing is based on sensor information acquired by a sensor device of the mobile unit or based on a processing result of communication data received by a communication application of the mobile unit. , Generate the perspective relationship.
  • the wireless communication device further outputs a request for the message authentication code from the mobile body, and the certificate authority that receives the request performs an authentication process in response to the request to determine its validity. Then, a third process is executed in which the mobile body receives the message authentication code issued by the certificate authority.
  • the message authentication code is encrypted by a public encryption key method
  • the third process further includes a process of decrypting the received message authentication code.
  • An authentication processing method is an authentication processing method in an own mobile body that performs wireless communication with another mobile body or a fixed station.
  • a message authentication code for communication data is generated using a common key shared with a station, a digital signature is generated using its own private key, and the generated message authentication code and digital signature are The first process that is added to the communication data and transmitted, and information transmitted from another mobile unit or fixed station is received, and authentication is performed using any of the message authentication code and digital signature included in the received information. And a second process for performing authentication by deciding whether or not according to its own state.
  • the second process is a process of generating an authentication request value by executing an authentication request generation function having a value indicating its own state as an argument. Is data indicating whether or not authentication processing using a message authentication code is necessary and whether or not authentication processing using a digital signature is necessary.
  • the value indicating its own state is a value corresponding to a load state of a central processing unit that performs authentication processing as a receiving side.
  • the second process determines that an authentication process using a message authentication code is required when the load on the central processing unit is large and an authentication process using a digital signature is unnecessary.
  • the load on the central processing unit is small, it is determined that the authentication process using the message authentication code is unnecessary and the authentication process using the digital signature is necessary.
  • the value indicating the state of itself is the strength of the correspondence between the information newly received as the target of the authentication processing and the history information of the communication that has already been received and has been authenticated. It is a value according to.
  • the second processing determines that authentication processing using a message authentication code is required and authentication processing using a digital signature is unnecessary, and If the relationship is weak, it is determined that the authentication process using the message authentication code is unnecessary and the authentication process using the digital signature is necessary.
  • the value indicating its own state is a value corresponding to a perspective relationship with another mobile unit or fixed station on the transmission side.
  • the second processing determines that authentication processing using a message authentication code is required when the perspective relationship is far and that authentication processing using a digital signature is unnecessary, and If the relationship is close, it is determined that the authentication process using the message authentication code is unnecessary and the authentication process using the digital signature is necessary.
  • the second process is based on sensor information acquired by a sensor device of the mobile object or based on a processing result of communication data received by a communication application of the mobile object. , Generate the perspective relationship.
  • the request for the message authentication code is output from the mobile body, and the certificate authority that receives the request performs authentication processing in response to the request to determine its validity. And a third process in which the mobile body receives the message authentication code issued by the certificate authority.
  • the message authentication code is encrypted by a public encryption key method
  • the third process further includes a process of decrypting the received message authentication code.
  • FIG. 1 shows an embodiment of inter-vehicle wireless communication in a system to which a communication data authentication method according to the present invention is applied.
  • the vehicle-to-vehicle wireless communication system is not particularly limited, and includes an area certification authority 100, a vehicle instep 110 that is representatively shown, and a vehicle clerk 120.
  • the vehicle upper 110 includes an antenna 111 for wireless communication, a vehicle communication device 113, a display device 112 that displays various information such as navigation to a driver that drives the vehicle upper, and an in-vehicle that measures information inside and outside the vehicle. And a sensor device 114.
  • the in-vehicle sensor device 114 can include a global positioning system (GPS), a gyroscope, a compass, a gyrocompass, a speed sensor, and the like.
  • GPS global positioning system
  • the GPS measures the latitude, longitude, and time of the vehicle, and the gyroscope
  • the acceleration and angle are measured
  • the compass and gyrocompass measure the moving direction of the vehicle
  • the speed sensor measures the speed of the vehicle.
  • the vehicle communication device 113 has a communication function for communicating with other vehicles, area certification authorities, and other networks.
  • the vehicle B 120 also includes a communication antenna 121, a vehicle communication device 123, a display device 122, and an in-vehicle sensor 124 each having the same function as described above.
  • the area certificate authority is a certificate authority that supports some functions of inter-vehicle authentication described later.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the vehicle communication device 113.
  • the vehicle communication device 113 includes a central processing transfer (CPU) 201 that decodes fetched instructions and sequentially executes the instructions, an auxiliary storage device 202, a memory 203, an input / output interface 204, a tamper resistant storage device 205, Are connected by an internal signal line 209 such as a bus, and are connected to the antenna 111, the in-vehicle sensor device 114, and the display device 112 through the input / output interface 204.
  • CPU central processing transfer
  • the memory 203 is used as a work area of the CPU 201, and the tamper-resistant storage device is a memory in which the storage information is protected in hardware or software, and stores a secret key and other control data described later. Stored.
  • An operation program in which instructions to be executed by the CPU are described is stored in, for example, the tamper resistant storage device 205 or the auxiliary storage device 202.
  • the operation program includes a wireless communication application.
  • the wireless communication application includes an application that generates a message that each vehicle transmits to another vehicle or a roadside base station, an application that determines processing for a message received from another vehicle or a roadside base station, and an inter-vehicle wireless An application that transmits and receives mutual position information and speed information through communication to prevent and avoid collision can be cited.
  • the vehicle communication apparatus 200 transmits a message authentication code and a digital signature added to a message in transmission / reception of a message between vehicles, that is, a vehicle-to-vehicle communication, and receives a message authentication code and a digital signature received from another vehicle.
  • authentication is performed using one or both of them, or the authentication is omitted without using both.
  • the secret key used for generating the digital signature and the common key used for generating the message authentication code are stored in the tamper-resistant storage device 205, for example, and the memory 203 stores part or all of the history of the message received by inter-vehicle wireless communication. Information is cached.
  • FIG. 3 illustrates a processing flow for transmitting a message with a digital signature and a message authentication code from the vehicle A 110 to the vehicle B 120.
  • the message authentication code is also simply referred to as MAC.
  • the vehicle A 110 performs a message generation process (S100) to generate a message to be transmitted.
  • the vehicle A 110 performs message signature generation processing (S200) for generating a digital signature on the message generated by the message generation processing (S100), and generates a digital signature for the message.
  • the vehicle A 110 performs a MAC generation process (S300) for generating a message authentication code for the message generated in the message generation process (S100), and generates a message authentication code (MAC value) for the message.
  • a MAC generation process S300
  • MAC value message authentication code
  • the vehicle A 110 combines the signature generated by the message generation process (S200) and the MAC value generated by the MAC generation process (S300) with the message generated by the message generation process (S100).
  • the attached message (D100) is transmitted.
  • the bit array of the message data generated by the wireless communication application is connected to the bit array of the digital signature using the public key and the bit array of the MAC value as the message authentication code using the common key.
  • a vehicle ID is added as information for specifying the data transmission source vehicle.
  • the vehicle B 120 that has received the message with signature and MAC (D100) performs message authentication processing (S400), and generates a signature verification result and a MAC value verification result for the received message with signature and MAC (D100). .
  • the vehicle B 120 performs message authentication result processing (S500) on the signature verification result and the MAC value verification result generated in the message authentication processing (S400), outputs the message authentication result, and completes the reception processing. .
  • FIG. 4 shows a specific example of the message generation process (S100).
  • the vehicle A 110 that performs the message generation process starts the message generation process (S110), initializes an internal variable: [message] assigned to the variable area in the memory 203 or the like (S120), and then performs wireless communication.
  • the application is started, a message to be transmitted is generated, and the generated message is set to an internal variable: [message] (S130). Finally, the internal variable: [message] is output and the processing is completed (S140).
  • FIG. 5 shows a specific example of the message signature generation process (S200).
  • the vehicle A 110 that performs the message signature generation process starts the message signature generation process (S210), initializes an internal variable: [signature] and an internal variable: [signature private key] (S220).
  • the tamper storage device 205 is accessed and the stored digital signature generation private key value (signature private key value) is set to an internal variable: [signature private key] (S230).
  • [Message] and internal variable: Use the signature generation function with [Signature private key] as a command argument to generate a digital signature (also simply referred to as signature) and set the value to the internal variable: [Signature] (S240)
  • the internal variable: [signature] is output to complete the processing (S250).
  • the signature generation function is a generic name of a public key encryption function that outputs a signature using a signature target message and a signature private key value as command arguments.
  • ECDSA Elliptic Curve Digital Signature Algorithm
  • RSA signature ElGamal
  • ElGamal a signature.
  • FIG. 6 shows a specific example of the MAC generation process (S300).
  • the vehicle A 110 that performs the MAC generation process starts the MAC generation process (S310), initializes an internal variable: [MAC value] and an internal variable: [MAC generation secret key] (S320), and then The tamper storage device 205 is accessed, and the stored secret key value (MAC generation secret key value), which is a common key for MAC generation, is set to an internal variable: [MAC generation secret key].
  • a MAC value is generated using a MAC value generation function having [message] and an internal variable: [MAC generation secret key] as a command argument, and the value is set to an internal variable: [MAC value] (S330).
  • the internal variable: [MAC value] is output to complete the processing (S340).
  • the MAC value generation function means an encryption function that outputs a MAC value using the target message and the MAC generation secret key value as command arguments, for example, an HMAC (Keyed-Hashing for Message Authentication code) encryption function.
  • HMAC Keyed-Hashing for Message Authentication code
  • FIG. 7 shows a specific example of the message authentication process (S400).
  • the vehicle B 120 that performs the message authentication process receives the signature and the message with MAC (D100) transmitted by the vehicle A 110 (S410), and then the internal variable: [message for authentication] and the internal variable: [authentication object] Signature, internal variable: [MAC value to be authenticated], internal variable: [signature verification result], internal variable: [MAC value verification result], internal variable: [MAC generation secret key], internal variable : [Authentication request] is initialized (S420).
  • the data part of the message of the received signature and message with MAC (D100) is set to an internal variable: [message for authentication], the data part of the signature is set to an internal variable: [signature for authentication], and the MAC value Is set to an internal variable: [MAC value for authentication] (S430).
  • an authentication request value is generated using an authentication request generation function (S441) with an internal variable: [message to be authenticated] as a command argument, and the value is set to an internal variable: [authentication request] (S440).
  • the authentication request generation function is a function in which the vehicle that has received the message outputs, as an authentication request, 2-bit data indicating whether signature verification is required and MAC value verification is required, using the authentication target message as a command argument.
  • the output value is the authentication request value.
  • the authentication request value is If 00, “signature verification not required” and “MAC value verification not required”, If it is 10, “Signature verification is necessary” and “MAC value verification is not necessary”, If 01, “No signature verification required” and “MAC value verification required”, 11 means “signature verification is necessary” and “MAC value verification is necessary”.
  • the result of “verification success” is generated without performing the verification process. It should be noted that the amount of calculation required for verification is the smallest in the case of the authentication request value 00, subsequently increases in the order of 01, 10 and 11, and is the largest in the case of the authentication request value 11.
  • the signature verification result is displayed according to the authentication request value. And the value is set to an internal variable: [signature verification result] (S450).
  • the signature verification function verifies an electronic signature using a public key certificate with the above-described authentication target message, authentication target signature, and authentication request as command arguments, and 0 if the verification is successful. Means that the function outputs 1 if the verification fails. However, if the authentication request value is 00 or 01, it is regarded as “no signature verification necessary” and 0 is always output.
  • the tamper-resistant storage device is accessed, and the stored MAC generation secret key value is set to an internal variable: [MAC generation secret key].
  • the value is set to an internal variable: [MAC value verification result] (S460).
  • the MAC value verification function is the MAC value of the HMAC encryption function using the above-described authentication target message, MAC generation secret key value, authentication target MAC value, and authentication request as command arguments.
  • the values match it is regarded as a verification success, and 0 is output as the MAC value verification result.
  • it does not match it is regarded as a verification failure and 1 is output as the MAC value verification result.
  • the authentication request value is 00 or 10
  • it is regarded as “no need for MAC value verification” and is always output as 0.
  • FIG. 8 shows a specific example of message authentication result processing (S500).
  • the vehicle B 120 performing the message authentication result process inputs the internal variable: [signature verification result] and the internal variable: [MAC value verification result], which are output results of the message authentication process (S400) (S510), Internal variable: [message authentication result] is initialized (S520).
  • FIG. 9 illustrates an authentication request value generation processing flow by the authentication request generation function.
  • the vehicle B 120 that performs authentication request generation receives the internal variable: [message to be authenticated] as a command argument (S441-a), and then initializes the internal variable: [CPU load value] (S441-b). ), Accessing the CPU 201 and setting the CPU usage rate value (0-100%) to the internal variable: [CPU load value] (S441-c), and the internal variable: [CPU load value] is 0-50% , 51 to 90% and 91 to 100% are classified into three types (S441-d).
  • FIG. 10 illustrates a processing flow of a method for obtaining a secret key (MAC-dedicated common key) as a common key used for MAC value verification.
  • the vehicle obtains a significant MAC dedicated common key in the area from the area certification authority 100 such as an expressway network or a local government.
  • Vehicle A 110 periodically issues a MAC-specific common key request 600.
  • the request 600 for the MAC-dedicated common key is accompanied by a digital signature generated by the vehicle instep 110, for example.
  • the area certificate authority 100 that has received the MAC-dedicated common key request 600 decrypts the digital signature for the MAC-dedicated common key request 600 and performs vehicle authentication processing (S611).
  • the area certification authority 10 returns a message 601 of the MAC-dedicated common key for the area to the vehicle instep 110.
  • the MAC dedicated common key communication message 601 is protected by being encrypted by, for example, a public encryption key method.
  • the vehicle former 110 receives and decrypts the message 601 to obtain the MAC-dedicated common key and stores it in the tamper-resistant storage device 205.
  • the area certification authority 10 generates an error message (S613), returns this error message 602 to the vehicle upper 110, and ends the process.
  • the MAC-dedicated common key can be acquired in a wide area.
  • the authentication processing using a digital signature with a relatively large data processing load and the authentication processing using a message authentication code with a relatively small data processing load are allowed for the authentication processing. It becomes possible to use properly within the allowable range. Therefore, it is possible to perform message authentication within an allowable time regardless of the number of messages, and to perform highly accurate message authentication within the allowable time.
  • ECDSA is exemplified as a signature scheme, but it is not necessarily ECDSA, and any signature scheme that can perform message authentication may be used.
  • HMAC scheme is exemplified as a high-speed message authentication scheme, the HMAC scheme is not necessarily required, and any common key authentication scheme capable of message authentication may be used.
  • the case where two vehicles perform vehicle-to-vehicle wireless communication is illustrated, it is not necessarily limited to two vehicles, including a plurality of vehicles or a roadside base station.
  • a similar message authentication method may be used.
  • the method for pre-sharing the MAC generation secret key may be arbitrary.
  • a configuration method for receiving the MAC generation secret key by performing authentication in advance with a certificate authority managing a specific range It is not limited.
  • the authentication request generation function a function that reduces the amount of calculation required for message verification as the CPU load increases is illustrated.
  • the CPU load is necessarily used as a reference for generating an authentication request.
  • the vehicle Authentication request may be generated using ID and cache data as command arguments. More generally, authentication request using cache processing, session ID, session key, etc. used for message authentication in web server etc. May be generated.
  • the authentication request generation function when the current position information such as the latitude and longitude of the message transmission vehicle and the speed information are included in the message data, the message obtained in advance on the vehicle end 120 side
  • the current position of the vehicle upper 110 may be estimated from the data, and the authentication request may be generated using the current position information and the estimated current position as command arguments when generating the authentication request.
  • authentication may not be performed when the communication partner is far beyond a certain limit, MAC value verification may be performed when the communication partner is relatively far, and signature verification may be performed when the communication partner is relatively close.
  • the authentication request generation function when a collision prevention application uses message data, the importance of a message transmitted by a nearby vehicle is high, and the importance of a message transmitted by a distant vehicle is low. In this case, since resources are not taken for authentication of a message transmitted by a distant vehicle, a countermeasure for reducing the amount of calculation of an authentication request for a message of a distant vehicle can be considered.
  • the wireless communication application may calculate the importance for each message data, and use the calculated importance as a command argument when generating the authentication request.
  • the present invention can be widely applied to a wireless communication apparatus technology that performs authentication processing in a mobile body that performs wireless communication with other mobile bodies or fixed stations.

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Abstract

　メッセージ数の大小によらず許容時間内でメッセージ認証を行うことができるとともに許容時間が許す範囲で精度の高いメッセージ認証を行うことが可能な認証方法を提供する。　他の移動体又は固定局との間で無線通信による送信に際しては、通信データのメッセージ認証コードとディジタル署名を生成し（Ｓ２００，Ｓ３００）、生成した前記メッセージ認証コードとディジタル署名を前記通信データに付加して送信し、受信に際しては、受信した情報に含まれるメッセージ認証コードとディジタル署名とのどれを用いて認証を行うかを自らの状態に応じて決める（Ｓ４００，Ｓ５００）。自らの状態とは例えば認証処理を行なう中央処理装置の負荷状態などである。

Description

無線通信装置及び認証処理方法
　本発明は、他の移動体又は固定局との間で無線通信を行う自移動体において認証処理を行なう無線通信装置、更にそれに適用される認証処理方法に関し、例えば、車両間又は車両と路側との間等で行われる無線通信におけるメッセージのなりすましや改竄の防止に適用して、無線通信の安全性の向上に有効な技術に関する。
　近年、路側に設置された無線機から車載無線機に渋滞情報、安心安全情報などの配信を行う路車間通信サービスが広く利用されている。また、逆に車載無線機から路側無線機に車両情報を送信することによって、渋滞情報、安心安全情報の精度を向上させることが検討されている。更に、路側無線機が無い状況においても、車両間で直接もしくはマルチホップに通信を行うことによって、自立的に、各車両が渋滞情報、安心安全情報を共有する車車間通信の研究も活発に行われている。
　このような無線通信技術が普及するにあたり、受信したメッセージが通信路上で改竄されていないか、また、悪意ある人物がメッセージ送信者になりすましていないかを確認する必要が生じる。
　従来から無線通信において、なりすましや改竄などを防止し、安全な通信を行う技術がいくつか知られている。その１つとして、メッセージの送信者と受信者が異なる鍵を用いて暗号化、復号を行う公開鍵暗号方式がある。公開鍵暗号方式では、共通鍵暗号方式と異なり、２つのペアとなる鍵が使用され、一方は、一般に公開される公開鍵であり、他方は本人のみが知る秘密鍵である。ペアとなる鍵には、片方で暗号化したメッセージは、もう片方の鍵でのみ復号できる特徴があり、さらに公開鍵およびその他の公開情報から秘密鍵を推測するためには現実的な計算機リソースでは膨大な計算時間が必要となり、高い機密性を実現することができる。
　この特徴を用いて、なりすましや改竄を防止したい場合に、メッセージ送信者は、本人のみが知る秘密鍵でメッセージもしくはそのハッシュ値（メッセージダイジェストとも呼ばれる）を暗号化し、送信を行う。メッセージを受信した受信者は送信者の公開鍵を用いてメッセージもしくはそのハッシュ値の復号を行う。
この時、メッセージ送信者の公開鍵で正しく復号を行うことができれば、そのメッセージを送信した者は、送信者の秘密鍵を知る者、即ち本人であることが確認される。また、正しく復号されたことによって、通信経路上で改竄が行われていないことも確認される。
　一般に、認証とは対象の正当性を確認する行為である。メッセージ認証とはメッセージが変更されていないことを保証するための手続である。このメッセージ認証方式には共通鍵暗号方式によるメッセージ認証コード（ＭＡＣ：Message Authentication Code）を用いる方式、公開鍵暗号方式によるディジタル署名を用いる方式がある。共通鍵暗号方式は暗号化に用いる鍵と復号に用いる鍵が同一である暗号方式である。公開鍵暗号方式は前述の通り、自分の秘密鍵を用いて暗号化し、相手に公開した公開鍵を用いて復号する暗号方式である。
　メッセージ認証コードは例えば入力として共通鍵と認証すべき任意長のメッセージをＭＡＣ値生成関数に入力して得られるコードである。
　ディジタル署名とは例えば認証すべき任意長のメッセージ（又はメッセージダイジェスト）と秘密鍵とを署名生成関数に入力して得られるコードである。メッセージダイジェストは例えばメッセージを一方向ハッシュ関数によって生成される。
　特許文献1には共通鍵暗号方式によるメッセージ認証コードを用いた車車間認証技術について記載がある。
　非特許文献１には公開鍵暗号方式によるディジタル署名を用いた認証方式として、ＥＣＤＳＡ（楕円曲線暗号を用いた電子署名方式）について記載がある。
特開２００８－６０８０９号公報
IEEE Trial-Use Standard for Wireless Access in Vehicular Environments - Security Services for Applications and Management Messages
　車車間もしくは路車間等で公開鍵暗号方式を用いたメッセージ認証を行う場合には以下の課題を考慮すべきことが本発明者によって明らかにされた。その課題とは、メッセージ認証を行うにあたって許容される次の処理への遅延時間である。
　例えば、安心・安全に関わるサービスとして車両間でお互いの位置情報と速度情報を送信・受信し、衝突を回避する「衝突防止サービス」が検討されている。このようなサービスを実現するにあたっては、各車両がイベント発生にともない即時的にメッセージの生成・検証を行い、メッセージに対する処理を決定する必要がある。しかし、高速で移動する車両同士においては、メッセージ処理に対する許容遅延時間（イベント発生からメッセージ処理が終了するまでに許されている処理の総時間）が限られているため、高速なメッセージ認証方式が求められる。
　非特許文献１では、メッセージ認証方式として、ＥＣＤＳＡ（楕円曲線暗号を用いた電子署名方式）が提案されているが、メッセージの生成と検証に時間がかかるため、メッセージ数の増加にともなって、許容遅延時間内に処理を完了することが難しくなるという問題が発生する。特に、車車間通信の特徴として、周囲の全ての車両に対するブロードキャスト型メッセージが多く、その結果、周囲に存在する通信ノード数の増加に比例してメッセージの検証回数が増加する。
　特許文献１のように共通鍵である秘密鍵を用いて暗号化復号処理を行なう場合には、定められたグループ内で秘密鍵を共有し、秘密鍵のハッシュ値を用いてメッセージ認証を行うため、グループのメンバ外にメッセージを送信することができない。また、秘密鍵によるメッセージ認証コードだけで対処しようとするからＥＣＤＳＡなどの公開鍵を用いたメッセージ認証を必要に応じて使うこともできない。
　本発明の目的は、メッセージ数の大小によらず許容時間内でメッセージ認証を行うことができるとともに許容時間が許す範囲で精度の高いメッセージ認証を行うことが可能な認証方法、更にはそれを適用した無線通信装置を提供することにある。
　本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
　本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
　すなわち、他の移動体又は固定局との間で無線通信による送信に際しては、通信データのメッセージ認証コードとディジタル署名を生成し、生成した前記メッセージ認証コードとディジタル署名を前記通信データに付加して送信し、受信に際しては、受信した情報に含まれるメッセージ認証コードとディジタル署名とのどれを用いて認証を行うかを自らの状態に応じて決める。自らの状態とは例えば認証処理を行なう中央処理装置の負荷状態などである。
　自らの状態に応じて、データ処理の負荷が比較的大きなディジタル署名を用いた認証処理とデータ処理の負荷が比較的小さなメッセージ認証コードを用いた認証処理とを認証処理の許容時間が許す範囲で使い分けることが可能になる。
　ディジタル署名を用いた認証を利用可能であるから、メッセージ認証コードに必要な共通鍵を外部から公開鍵暗号方式で暗号されたメッセージを介して受取ることも可能であり、必要な共通鍵を適宜入手してメッセージ認証コードによる認証を行うことができる。
　本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
　すなわち、メッセージ数の大小によらず許容時間内でメッセージ認証を行うことができるとともに許容時間が許す範囲で精度の高いメッセージ認証を行うことが可能である。
図１は本発明に係る通信データ認証方法を適用したシステムにおける車車間無線通信の実施の形態を示すシステム構成図である。 図２は車両通信装置の構成を例示するブロック図である。 図３は車両甲から、車両乙に向けてディジタル署名及びメッセージ認証コード付きメッセージを送信するための処理を例示するフローチャートである。 図４はメッセージ生成処理（S１００）の具体例を例示するフローチャートである。 図５はメッセージ署名生成処理（S２００）具体例を例示するフローチャートである。 図６はＭＡＣ生成処理（S３００）の具体例を例示するフローチャートである。 図７はメッセージ認証処理（S４００）の具体例を例示するフローチャートである。 図８はメッセージ認証結果処理（S５００）の具体例を例示するフローチャートである。 図９は認証要求生成関数による認証要求値の生成処理を例示するフローチャートである。 図１０はＭＡＣ値検証に用いる共通鍵としての秘密鍵（ＭＡＣ専用共通鍵）の入手処理方法を例示するフローチャートである。 図１１はメッセージにディジタル署名とメッセージ認証コードと車両ＩＤが付加された通信データのフォーマットを例示するフォーマット図である。
１．実施の形態の概要
　先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
　〔１〕本発明の代表的な実施の形態に係る無線通信装置（１１３，１２３）は、他の移動体又は固定局との間で無線通信を行う自移動体において認証処理を行なう装置であって、他の移動体又は固定局との間で共有される共通鍵を用いて通信データのメッセージ認証コードを生成すると共に、自らの固有の秘密鍵を用いてディジタル署名を生成し、生成した前記メッセージ認証コードとディジタル署名を前記通信データに付加して送信する第１処理（Ｓ２００，Ｓ３００）と、他の移動体又は固定局から送信された情報を受信し、受信した情報に含まれるメッセージ認証コードとディジタル署名とのどれを用いて認証を行うかを自らの状態に応じて決めて認証を行う第２処理（Ｓ４００、Ｓ５００）と、を実行する。
　これによれば、自らの状態に応じて、データ処理の負荷が比較的大きなディジタル署名を用いた認証処理とデータ処理の負荷が比較的小さなメッセージ認証コードを用いた認証処理とを認証処理の許容時間が許す範囲で使い分けることが可能になる。したがって、メッセージ数の大小によらず許容時間内でメッセージ認証を行うことができるとともに許容時間が許す範囲で精度の高いメッセージ認証を行うことが可能である。
　更に、ディジタル署名を用いた認証を利用可能であるから、メッセージ認証コードに必要な共通鍵を外部から公開鍵暗号方式で暗号されたメッセージを介して受取ることも可能であり、必要な共通鍵を適宜入手してメッセージ認証コードによる認証を行うことができる。
　〔２〕項１の無線通信装置において、前記第２処理は、自らの状態を示す値を引数とする認証要求生成関数を実行することによって認証要求値を生成する処理であり、前記認証要求値は、メッセージ認証コードを用いる認証処理の要否と、ディジタル署名を用いる認証処理の要否とを表すデータである。これにより、何れの認証処理を行なうかの制御が簡単になる。
　〔３〕項２の無線通信装置は、中央処理装置を有し、前記自らの状態を示す値は、受信側として認証処理を行なう前記中央処理装置の負荷状態に応じた値である。これにより、認証処理に許容された時間内の収まる認証処理を端的に決める可能である。
　〔４〕項３の無線通信装置において、前記第２処理は、前記中央処理装置の負荷が大きい場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、中央処理装置の負荷が小さい場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する。
　〔５〕項２の無線通信装置において、前記自らの状態を示す値は、認証処理の対象として新たに受信した情報と既に受信して認証処理を終った通信の履歴情報との対応関係の強弱に応じた値である。これにより、実質的に無駄な認証処理を省いて他の認証処理にデータ処理能力を割り振る制御が容易になる。
　〔６〕項５の無線通信装置において、前記第２処理は、前記対応関係が強い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、前記対応関係が弱い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する。
　〔７〕項２の無線通信装置において、前記自らの状態を示す値は、送信側の他の移動体又は固定局に対する遠近関係に応じた値である。これにより、衝突回避処理などにおいて遠く離れた車両のように把握する意味のないものに対する実質的に無駄な認証処理を省いて他の認証処理にデータ処理能力を割り振る制御が容易になる。
　〔８〕項７の無線通信装置において、前記第２処理は、前記遠近関係が遠い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、前記遠近関係が近い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する。
　〔９〕項８の無線通信装置において、前記第２処理は、自移動体のセンサ装置が取得したセンサ情報に基づいて、又は自移動体の通信アプリケーションが受信した通信データの処理結果に基づいて、前記遠近関係を生成する。
　〔１０〕項１の無線通信装置は更に、自移動体から前記メッセージ認証コードの要求を出力し、この要求を受信する認証局がその要求に応答して認証処理を行なってその正当性を判別したとき当該認証局が発行する前記メッセージ認証コードを自移動体が受信する第３処理を実行する。
　〔１１〕項１０の無線通信装置において、前記メッセージ認証コードは公開暗号鍵方式で暗号化され、更に前記第３処理は受信したメッセージ認証コードを復号する処理を含む。
　〔１２〕本発明の別の実施の形態に係る認証処理方法は、他の移動体又は固定局との間で無線通信を行う自移動体における認証処理方法であって、他の移動体又は固定局との間で共有される共通鍵を用いて通信データのメッセージ認証コードを生成すると共に、自らの固有の秘密鍵を用いてディジタル署名を生成し、生成した前記メッセージ認証コードとディジタル署名を前記通信データに付加して送信する第１処理と、他の移動体又は固定局から送信された情報を受信し、受信した情報に含まれるメッセージ認証コードとディジタル署名とのどれを用いて認証を行うかを自らの状態に応じて決めて認証を行う第２処理と、を含む。
　項１と同様に、メッセージ数の大小によらず許容時間内でメッセージ認証を行うことができるとともに許容時間が許す範囲で精度の高いメッセージ認証を行うことが可能であり、更に、必要な共通鍵を適宜入手してメッセージ認証コードによる認証を行うことができる。
　〔１３〕項１２の認証処理方法において、前記第２処理は、自らの状態を示す値を引数とする認証要求生成関数を実行することによって認証要求値を生成する処理であり、前記認証要求値は、メッセージ認証コードを用いる認証処理の要否と、ディジタル署名を用いる認証処理の要否とを表すデータである。
　〔１４〕項１３の認証処理方法において、前記自らの状態を示す値は、受信側として認証処理を行なう中央処理装置の負荷状態に応じた値である。
　〔１５〕項１４の認証処理方法において、前記第２処理は、前記中央処理装置の負荷が大きい場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、中央処理装置の負荷が小さい場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する。
　〔１６〕項１３の認証処理方法において、前記自らの状態を示す値は、認証処理の対象として新たに受信した情報と既に受信して認証処理を終った通信の履歴情報との対応関係の強弱に応じた値である。
　〔１７〕項１６の認証処理方法において、前記第２処理は、前記対応関係が強い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、前記対応関係が弱い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する。
　〔１８〕項１３の認証処理方法において、前記自らの状態を示す値は、送信側の他の移動体又は固定局に対する遠近関係に応じた値である。
　〔１９〕項１８の認証処理方法において、前記第２処理は、前記遠近関係が遠い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、前記遠近関係が近い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する。
　〔２０〕項１９の認証処理方法において、前記第２処理は、自移動体のセンサ装置が取得したセンサ情報に基づいて、又は自移動体の通信アプリケーションが受信した通信データの処理結果に基づいて、前記遠近関係を生成する。
　〔２１〕項１２の認証処理方法は、自移動体から前記メッセージ認証コードの要求を出力し、この要求を受信する認証局がその要求に応答して認証処理を行なってその正当性を判別したとき当該認証局が発行する前記メッセージ認証コードを自移動体が受信する第３処理を更に含む。
　〔２２〕項２１の認証処理方法において、前記メッセージ認証コードは公開暗号鍵方式で暗号化され、更に前記第３処理は受信したメッセージ認証コードを復号する処理を含む。
　２．実施の形態の詳細
　実施の形態について更に詳述する。
　図１には本発明に係る通信データ認証方法を適用したシステムにおける車車間無線通信の実施の形態が示される。
　車車間無線通信システムは、特に制限されないが、エリア認証局１００と、代表的に示された車両甲１１０と、車両乙１２０と、からなる。
　車両甲１１０は、無線通信用のアンテナ１１１と、車両通信装置１１３と、車両甲を運転するドライバにナビゲーションなどの各種情報を表示する表示装置１１２と、車両内および車両外の情報を測定する車載センサ装置１１４と、を備える。車載センサ装置１１４は特に、全地球測位システム（ＧＰＳ）、ジャイロスコープ、コンパス、ジャイロコンパス、スピードセンサなどを備えることができ、ＧＰＳは車両の緯度、経度と時刻を測定し、ジャイロスコープは車両の加速度、角度を測定し、コンパス、ジャイロコンパスは車両の移動方向を測定し、スピードセンサは車両の速度を測定する。車両通信装置１１３は他の車両、エリア認証局及びその他のネットワークと通信を行うための通信機能を備える。
　車両乙１２０も、夫々上記と同等の機能を持つ、通信用アンテナ１２１、車両通信装置１２３、表示装置１２２、及び車載センサ１２４を備える。
　エリア認証局は後述する車車間認証の一部の機能をサポートするための認証局ある。
　図２は車両通信装置１１３の構成を例示するブロック図である。車両通信装置１１３は、フェッチした命令を解読して命令を逐次実行する中央処理送致（ＣＰＵ）２０１と、補助記憶装置２０２と、メモリ２０３と、入出力インターフェース２０４と、耐タンパ記憶装置２０５と、がバスなどの内部信号線２０９で連結され、入出力インターフェース２０４を通じて、アンテナ１１１と、車載センサ装置１１４と、表示装置１１２と、に接続される。メモリ２０３はＣＰＵ２０１のワーク領域などに用いられ、耐タンパ記憶装置はハードウェア的に若しくはソフトウェア的に記憶情報の秘密保護が図られているメモリであり、後述する秘密鍵やその他の制御データなどが格納される。ＣＰＵが実行する命令が記述された動作プログラムは例えば耐タンパ記憶装置２０５又は補助記憶装置２０２に格納され、ＣＰＵ２０１がそれを実行するときは必要なプログレアムモジュールがメモリ２０３に展開される。その動作プログラムの中には無線通信用アプリケーションが含まれる。無線通信アプリケーションは、各車両が他の車両もしくは、路側基地局に送信するメッセージを生成するアプリケーション、他の車両もしくは、路側基地局から受信したメッセージに対する処理を決定するアプリケーション、さらには、車車間無線通信で互いの位置情報と速度情報を送受信し、衝突防止及び回避を行うアプリケーション等を挙げることができる。
　車両通信装置２００は車車間でのメッセージの送受信、即ち車車間通信において、メッセージ認証コードとディジタル署名とをメッセージに付加して送信し、他の車両から受信したメッセージ認証コード及びディジタル署名に対しては、ＣＰＵ２０１の付加状況並ぶに通信履歴などに応じて、何れか一方若しくは双方を用いて認証を行い、又は双方とも使用せずに認証を省略する等の制御を行う。以下、その認証処理について詳述する。ディジタル署名の生成に用いる秘密鍵及びメッセージ認証コードを生成するために用いる共通鍵は例えば耐タンパ記憶装置２０５に格納され、メモリ２０３には車車間無線通信で受信したメッセージの一部もしくは全ての履歴情報がキャッシュされる。
　図３には車両甲１１０から、車両乙１２０に向けてディジタル署名及びメッセージ認証コード付きメッセージを送信するための処理フローが例示される。以下の説明ではではメッセージ認証コードを単にＭＡＣとも記す。
　例えば車両甲１１０がメッセージ生成処理（S１００）を行って送信するメッセージを生成する。車両甲１１０は次に、メッセージ生成処理（S１００）で生成したメッセージに対して、ディジタル署名を生成するメッセージ署名生成処理（S２００）を行い、メッセージに対するディジタル署名を生成する。
　更に、車両甲１１０は、メッセージ生成処理（S１００）で生成したメッセージに対してメッセージ認証コードを生成するＭＡＣ生成処理（S３００）を行い、メッセージ対するメッセージ認証コード（ＭＡＣ値）を生成する。
　車両甲１１０は、メッセージ生成処理（S１００）で生成したメッセージに、メッセージ署名生成処理（Ｓ２００）で生成した署名と、ＭＡＣ生成処理（S３００）で生成したＭＡＣ値と、を結合し、署名及びＭＡＣ付きメッセージ（D１００）を送信する。署名及びＭＡＣ付きメッセージは、無線通信アプリケーションが生成した前記メッセージのデータのビット配列に、公開鍵を用いたディジタル署名のビット配列と共通鍵を用いたメッセージ認証コードとしてＭＡＣ値のビット配列とが連結されたビット配列の全体を指し、例えば図１１のデータフォーマットを有する。特に制限されないが、図１１ではデータの発信元車両を特定するための情報として例えば車両ＩＤが付加されている。
　次に、署名及びＭＡＣ付きメッセージ（D１００）を受信した車両乙１２０は、メッセージ認証処理（S４００）を行い、受信した署名及びＭＡＣ付きメッセージ（D１００）に対する署名検証結果とＭＡＣ値検証結果を生成する。
　次に、車両乙１２０は、メッセージ認証処理（S４００）で生成した署名検証結果とＭＡＣ値検証結果に対して、メッセージ認証結果処理（S５００）を行い、メッセージ認証結果を出力し受信処理を完了する。
　図４にはメッセージ生成処理（S１００）の具体例が示される。
　メッセージ生成処理を行う車両甲１１０は、メッセージ生成処理を開始する（S１１０）と、メモリ２０３等における変数領域に割当てられた内部変数：[メッセージ]を初期化し（S１２０）、次に、無線通信用アプリケーションを起動し、送信するメッセージを生成し、生成したメッセージを内部変数：[メッセージ]にセッティングする（S１３０）。最後に、内部変数：[メッセージ]を出力してその処理を完了する（S１４０）。
　図５にはメッセージ署名生成処理（S２００）の具体例が示される。
　メッセージ署名生成処理を行う車両甲１１０は、メッセージ署名生成処理を開始する（S２１０）と、内部変数：[署名]と内部変数：[署名用秘密鍵]を初期化し（S２２０）、次に、耐タンパ記憶装置２０５にアクセスし、格納されているディジタル署名生成用の秘密鍵の値（署名用秘密鍵値）を内部変数：[署名用秘密鍵]にセッティングし（S２３０）、次に、内部変数：[メッセージ]と内部変数：[署名用秘密鍵]をコマンド引数とする署名生成関数を用いて、ディジタル署名（単に署名とも記す）を生成し、その値を内部変数：[署名]にセッティングし（S２４０）、最後に内部変数：[署名]を出力して処理を完了する（S２５０）。
　前記署名生成関数は、署名対象メッセージと、署名用秘密鍵値と、をコマンド引数とし、署名を出力する公開鍵暗号関数の総称で、例えば、ＥＣＤＳＡ(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)、ＲＳＡ署名、ElGamal署名などが挙げられる。
　図６にはＭＡＣ生成処理（S３００）の具体例が示される。
　ＭＡＣ生成処理を行う車両甲１１０は、ＭＡＣ生成処理を開始する（S３１０）と、内部変数：[ＭＡＣ値]と内部変数：[ＭＡＣ生成用秘密鍵]を初期化し（S３２０）、次に、耐タンパ記憶装置２０５にアクセスし、格納されているＭＡＣ生成用の共通鍵である秘密鍵の値（ＭＡＣ生成用秘密鍵値）を内部変数：[ＭＡＣ生成用秘密鍵]にセッティングし、内部変数：[メッセージ]と内部変数：[ＭＡＣ生成用秘密鍵]をコマンド引数とするＭＡＣ値生成関数を用いて、ＭＡＣ値を生成し、その値を内部変数：[ＭＡＣ値]にセッティングし（S３３０）、最後に内部変数：[ＭＡＣ値]を出力して処理を完了する（S３４０）。
　ＭＡＣ値生成関数は、対象メッセージと、ＭＡＣ生成用秘密鍵値と、をコマンド引数とし、ＭＡＣ値を出力する暗号関数、例えばＨＭＡＣ（Keyed-Hashing for Message Authentication code）暗号関数を意味する。
　図７にはメッセージ認証処理（S４００）の具体例が示される。
　メッセージ認証処理を行う車両乙１２０は、車両甲１１０が送信した署名及びＭＡＣ付きメッセージ（Ｄ１００）を受信し（S４１０）、次に、内部変数：[認証対象メッセージ]と、内部変数：[認証対象署名]と、内部変数：[認証対象ＭＡＣ値]と、内部変数：[署名検証結果]と、内部変数：[ＭＡＣ値検証結果]と、内部変数：[ＭＡＣ生成用秘密鍵]と、内部変数：[認証要求]を初期化する（S４２０）。
　次に、受信した署名及びＭＡＣ付きメッセージ（Ｄ１００）のメッセージのデータ部分を内部変数：[認証対象メッセージ]にセッティングし、署名のデータ部分を内部変数：[認証対象署名]にセッティングし、ＭＡＣ値のデータ部分を内部変数：[認証対象ＭＡＣ値]にセッティングする（S４３０）。
　次に、内部変数：[認証対象メッセージ]をコマンド引数とする認証要求生成関数（S４４１）を用いて認証要求値を生成し、その値を内部変数：[認証要求]にセッティングする（S４４０）。
　前記認証要求生成関数とは、メッセージを受信した車両が、認証対象メッセージをコマンド引数として、署名検証要否とＭＡＣ値検証要否を表す２ビットのデータを認証要求として出力する関数であり、その出力値が認証要求値である。認証要求値は、
００ならば、「署名検証必要なし」及び「MAC値検証必要なし」、
１０ならば、「署名検証必要あり」及び「MAC値検証必要なし」、
０１ならば、「署名検証必要なし」及び「MAC値検証必要あり」、
１１ならば、「署名検証必要あり」及び「MAC値検証必要あり」を意味する。特に制限されないが、「検証必要なし」の支持を受けた検証処理では、検証処理を行なわずに「検証成功」の結果を生成する。尚、検証にかかる計算量は、認証要求値００の場合が最も小さく、続いて、０１、１０、１１の順番に増加し、認証要求値１１の場合が最も大きい。
　次に、内部変数：[認証対象メッセージ]と内部変数：[認証対象署名]と内部変数：[認証要求]をコマンド引数とする署名検証関数を用いて、認証要求値に応じて署名検証結果を生成し、その値を内部変数：[署名検証結果]にセッティングする（S４５０）。
　署名検証関数とは、上述の認証対象メッセージと、認証対象署名と、認証要求と、をコマンド引数として公開鍵証明書を用いて電子署名を検証し、署名検証結果値として、検証成功ならば０を出力し、検証失敗ならば１を出力する関数を意味する。ただし、認証要求値が００もしくは０１の場合には「署名検証の必要なし」とみなし常に０を出力する。
　次に、耐タンパ記憶装置にアクセスし、格納されているＭＡＣ生成用秘密鍵値を内部変数：[ＭＡＣ生成用秘密鍵]にセッティングし、内部変数：[認証対象メッセージ]と内部変数：[認証対象ＭＡＣ値]と内部変数：[ＭＡＣ生成用秘密鍵]と内部変数：[認証要求]と、をコマンド引数とするＭＡＣ値検証関数を用いて、認証要求値に応じてＭＡＣ値検証結果を生成し、その値を内部変数：[ＭＡＣ値検証結果]にセッティングし（S４６０）する。
　ＭＡＣ値検証関数とは、上述の認証対象メッセージと、ＭＡＣ生成用秘密鍵値と、認証対象ＭＡＣ値と、認証要求と、をコマンド引数とするＨＭＡＣ暗号関数によるＭＡＣ値が、検証対象メッセージのＭＡＣ値と一致した際には、検証成功とみなし、ＭＡＣ値検証結果として０を出力し、一致しない場合には、検証失敗とみなし、ＭＡＣ値検証結果として１を出力する関数を意味する。ただし、認証要求値が００もしくは１０の場合には「ＭＡＣ値検証の必要なし」とみなし常に０を出力する。
　最後に、内部変数：[署名検証結果]と内部変数：[ＭＡＣ値検証結果]を出力して処理を終える（S４７０）。
　図８はメッセージ認証結果処理（S５００）の具体例が示される。
　メッセージ認証結果処理（S５００）を行う車両乙１２０は、メッセージ認証処理（S４００）の出力結果である内部変数：[署名検証結果]と内部変数：[ＭＡＣ値検証結果]を入力し（S５１０）、内部変数：[メッセージ認証結果]を初期化する（S５２０）。
　そして、内部変数：[署名検証結果]と内部変数：[MAC値検証結果]の値が共に０（＝検証成功）であるか否かを判別し（Ｓ５３０，５４０）、共に検証成功ならば、内部変数：[メッセージ認証結果]に０（＝検証成功）をセッティングし（Ｓ５５０）、何れか一方の検証結果が１（＝検証成功）であるならば、内部変数：[メッセージ認証結果]に1（＝検証失敗）をセッティングする（S５６０）。最後に、内部変数：[メッセージ認証結果]をメモリに出力して処理を完了する（S５７０）。
　図９には認証要求生成関数による認証要求値の生成処理フローが例示される。
　認証要求生成（S４４１）を行う車両乙１２０は、内部変数：[認証対象メッセージ]をコマンド引数として受け取り（S４４１-a）、次に、内部変数：[ＣＰＵ負荷値]を初期化し（S４４１-b）、ＣＰＵ２０１にアクセスしてＣＰＵ使用率の値（0～100％）を内部変数：[ＣＰＵ負荷値]にセッティングし（S４４１-c）、内部変数：[ＣＰＵ負荷値]が0～50％と、51～90％と、91～100％と、の３種類に場合分けする（S４４１-d）。
　内部変数：[ＣＰＵ負荷値]が0～50％の場合は、認証要求値として１１を出力して処理を完了する（S４４１-e）。内部変数：[ＣＰＵ負荷値]が51～90％の場合は、認証要求値として１０を出力して処理を完了する（S４４１-f）。内部変数：[ＣＰＵ負荷値]が91～100％の場合は、さらに、車両通信装置１２３内部のメモリ２０３をアクセスし、認証処理対象メッセージの車両ＩＤに一致する車両ＩＤを持つ認証対象メッセージが既にキャッシュされているか否かをチェックし（S４４１-g）、キャッシュされていないならば、認証要求値として０１を出力して処理を完了し（S４４１-h）、キャッシュされているならば、認証要求値として００を出力して処理を完了する（S４４１-i）。
　この認証要求生成処理によれば、内部変数：[ＣＰＵ負荷値]が高いほど、認証要求に対応するメッセージ検証の計算量が小さくなる。更に、既にＣＰＵ付加が高い場合には、認証処理済みのメッセージの発信元と同じ車両から発信されたメッセージに対しては認証処理を省いて、そのＣＰＵ負荷を別の車両のメッセージに対する認証処理に振り分け可能にしている。
　図１０にはＭＡＣ値検証に用いる共通鍵としての秘密鍵（ＭＡＣ専用共通鍵）の入手方法についてその処理フローが例示される。車両は高速道路網や自治体等のエリア認証局１００かららそのエリアで有意のＭＡＣ専用共通鍵を入手する。
　図１０において、例えば車両甲１１０は定期的にＭＡＣ専用共通鍵の要求６００を発行する。ＭＡＣ専用共通鍵の要求６００には例えば当該当該車両甲１１０で生成したディジタル署名が付随される。このＭＡＣ専用共通鍵の要求６００を受けたエリア認証局１００は当該ＭＡＣ専用共通鍵の要求６００に対してそのディジタル署名を復号して車両認証処理を行なう（Ｓ６１１）。車両の認証に成功したときエリア認証局１０は当該エリアのＭＡＣ専用共通鍵のメッセージ６０１を車両甲１１０に返す。ＭＡＣ専用共通鍵の通信メッセージ６０１は例えば公開暗号鍵方式で暗号化されて保護されている。車両甲１１０はそのメッセージ６０１を受信して復号することによってＭＡＣ専用共通鍵を取得し、これを耐タンパ記憶装置２０５に格納する。ステップＳ６１２で車両の認証に失敗したときエリア認証局１０はエラーメッセージを生成し（Ｓ６１３）、このエラーメッセージ６０２を車両甲１１０に返して処理を終了する。この図１０の処理により広範なエリアでＭＡＣ専用共通鍵を取得することができる。
　上記実施の形態によれば以下の作用効果を得る。
　（１）自らの状態に応じて、データ処理の負荷が比較的大きなディジタル署名を用いた認証処理とデータ処理の負荷が比較的小さなメッセージ認証コードを用いた認証処理とを認証処理の許容時間が許す範囲で使い分けることが可能になる。したがって、メッセージ数の大小によらず許容時間内でメッセージ認証を行うことができるとともに許容時間が許す範囲で精度の高いメッセージ認証を行うことが可能である。
　（２）ディジタル署名を用いた認証を利用可能であるから、図１０に基づいて説明したように、メッセージ認証コードに必要な共通鍵を外部から公開鍵暗号方式で暗号されたメッセージを介して受取ることも可能であり、必要な共通鍵を適宜入手してメッセージ認証コードによる認証を行うことができる。
　（３）自らの状態を示す値を引数とする認証要求生成関数を実行することによって、メッセージ認証コードを用いる認証処理の要否と、ディジタル署名を用いる認証処理の要否とを表すデータである認証要求値を生成することにより、何れの認証処理を行なうかの制御が簡単になる。
　（４）何れの認証処理を行なうかの判別の基準として中央処理装置の負荷状態を用いることにより、認証処理に許容された時間内の収まる認証処理を端的に決める可能である。
　（５）何れの認証処理を行なうかの判別の基準として新たに受信した情報と既に受信して認証処理を終った通信の履歴情報との対応関係の強弱を用いることにより、実質的に無駄な認証処理を省いて他の認証処理にＣＰＵの負荷を割り振る制御が容易になる。
　（６）何れの認証処理を行なうかの判別の基準として送信側の他の移動体又は固定局に対する遠近関係に応じた値を用いることにより、衝突回避処理などにおいて遠く離れた車両のように把握する意味のないものに対する実質的に無駄な認証処理を省いて他の認証処理にＣＰＵの負荷を割り振る制御が容易になる。
　以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
　例えば、上記では、署名の方式としてＥＣＤＳＡを例示しているが、必ずしもＥＣＤＳＡである必要はなく、メッセージ認証が可能な署名方式であれば、任意でよい。同様に、高速なメッセージ認証方式として、ＨＭＡＣ方式を例示しているが、必ずしもＨＭＡＣ方式である必要はなく、メッセージ認証が可能な共通鍵認証方式であれば、任意でよい。
　また、上記実施の形態では、２台の車両が車車間無線通信行う場合を例示しているが、必ずしも２台の車両に限定する必要はなく、複数台の車両もしくは、路側基地局を含めて、同様のメッセージ認証方式を用いてもよい。この場合は、図１０で説明したように、ＨＭＡＣ用のＭＡＣ生成用秘密鍵を通信範囲の全ての車両、および路側基地局が、事前に共有する必要がある。このとき、ＭＡＣ生成用秘密鍵の事前共有方法は任意でよく、図１０で説明したように、特定の範囲を管理する認証局と事前に認証を行い、ＭＡＣ生成用秘密鍵を受け取る構成方法に限定されない。
　その他にも、本実施の形態では、認証要求生成関数として、ＣＰＵ負荷が大きい程、メッセージ検証に必要な計算量を小さくする関数を例示したが、必ずしもＣＰＵ負荷のみを認証要求生成の基準とする必要はなく、例えば、メッセージデータ内部に車両ＩＤが含まれている場合に、過去のメッセージ認証の結果と、車両ＩＤとの紐付けを、キャッシュし、新しいメッセージデータを受信した際には、車両ＩＤとキャッシュデータをコマンド引数として、認証要求を生成してもよい、より一般に、ウェブサーバ等でメッセージ認証に用いられているキャッシュ処理やセッションＩＤ、セッションキーなどの従来技術を用いて、認証要求を生成してもよい。
　また、認証要求生成関数の例として、メッセージデータ内部にメッセージ送信車両の緯度経度などの現在位置情報と、速度情報と、が含まれている場合に、車両乙１２０側で、事前に取得したメッセージデータから車両甲１１０の現在位置を推定し、認証要求生成時に、現在位置情報と、推定現在位置をコマンド引数として、認証要求を生成してもよい。例えば、通信相手が一定限度を超えて遠い場合には認証は行わず、比較的遠い場合にはＭＡＣ値検証を行い、比較的近い場合には署名検証を行うようにしてもよい。また、認証要求生成関数の例として、衝突防止アプリケーションが、メッセージデータを利用する際に、近傍の車両が送信するメッセージの重要度は高く、遠方の車両が送信するメッセージの重要度は低い、この場合、遠方の車両が送信するメッセージの認証にリソースを取られないために、遠方車両のメッセージに対する認証要求の計算量を小さくする対応が、考えられる。例えば、無線通信用アプリが、各メッセージデータに対して、重要度を算出し、算出した重要度を認証要求生成時のコマンド引数として利用してもよい。
　本発明は、他の移動体又は固定局との間で無線通信を行う自移動体において認証処理を行なう無線通信装置技術に広く適用することができる。
　１００　エリア認証局
　１１０　車両甲
　１２０　車両乙
　１１３　車両通信装置
　１１２　表示装置
　１１４　車載センサ装置
　１２３　車両通信装置
　１２２　表示装置
　１２４　車載センサ１２４
　２０１　中央処理送致（ＣＰＵ）
　２０２　補助記憶装置
　２０３　メモリ
　２０４　入出力インターフェース
　２０５　耐タンパ記憶装置
　２０９　内部信号線

Claims (22)

  1. 　他の移動体又は固定局との間で無線通信を行う自移動体において認証処理を行なう無線通信装置であって、
    　他の移動体又は固定局との間で共有される共通鍵を用いて通信データのメッセージ認証コードを生成すると共に、自らの固有の秘密鍵を用いてディジタル署名を生成し、生成した前記メッセージ認証コードとディジタル署名を前記通信データに付加して送信する第１処理と、
    　他の移動体又は固定局から送信された情報を受信し、受信した情報に含まれるメッセージ認証コードとディジタル署名とのどれを用いて認証を行うかを自らの状態に応じて決めて認証を行う第２処理と、を実行する無線通信装置。
  2. 　前記第２処理は、自らの状態を示す値を引数とする認証要求生成関数を実行することによって認証要求値を生成する処理であり、前記認証要求値は、メッセージ認証コードを用いる認証処理の要否と、ディジタル署名を用いる認証処理の要否とを表すデータである、請求項１記載の無線通信装置。
  3. 　中央処理装置を有し、前記自らの状態を示す値は、受信側として認証処理を行なう前記中央処理装置の負荷状態に応じた値である、請求項２記載の無線通信装置。
  4. 　前記第２処理は、前記中央処理装置の負荷が大きい場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、中央処理装置の負荷が小さい場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する、請求項３記載の無線通信装置。
  5. 　前記自らの状態を示す値は、認証処理の対象として新たに受信した情報と既に受信して認証処理を終った通信の履歴情報との対応関係の強弱に応じた値である、請求項２記載の無線通信装置。
  6. 　前記第２処理は、前記対応関係が強い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、前記対応関係が弱い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する、請求項５記載の無線通信装置。
  7. 　前記自らの状態を示す値は、送信側の他の移動体又は固定局に対する遠近関係に応じた値である、請求項２記載の無線通信装置。
  8. 　前記第２処理は、前記遠近関係が遠い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、前記遠近関係が近い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する、請求項７記載の無線通信装置。
  9. 　前記第２処理は、自移動体のセンサ装置が取得したセンサ情報に基づいて、又は自移動体の通信アプリケーションが受信した通信データの処理結果に基づいて、前記遠近関係を生成する、請求項８記載の無線通信装置。
  10. 　自移動体から前記メッセージ認証コードの要求を出力し、この要求を受信する認証局がその要求に応答して認証処理を行なってその正当性を判別したとき当該認証局が発行する前記メッセージ認証コードを自移動体が受信する第３処理を更に実行する、請求項１記載の無線通信装置。
  11. 　前記メッセージ認証コードは公開暗号鍵方式で暗号化され、更に前記第３処理は受信したメッセージ認証コードを復号する処理を含む、請求項１０記載の無線通信装置。
  12. 　他の移動体又は固定局との間で無線通信を行う自移動体における認証処理方法であって、
    　他の移動体又は固定局との間で共有される共通鍵を用いて通信データのメッセージ認証コードを生成すると共に、自らの固有の秘密鍵を用いてディジタル署名を生成し、生成した前記メッセージ認証コードとディジタル署名を前記通信データに付加して送信する第１処理と、
    　他の移動体又は固定局から送信された情報を受信し、受信した情報に含まれるメッセージ認証コードとディジタル署名とのどれを用いて認証を行うかを自らの状態に応じて決めて認証を行う第２処理と、を含む認証処理方法。
  13. 　前記第２処理は、自らの状態を示す値を引数とする認証要求生成関数を実行することによって認証要求値を生成する処理であり、前記認証要求値は、メッセージ認証コードを用いる認証処理の要否と、ディジタル署名を用いる認証処理の要否とを表すデータである、請求項１２記載の認証処理方法。
  14. 　前記自らの状態を示す値は、受信側として認証処理を行なう中央処理装置の負荷状態に応じた値である、請求項１３記載の認証処理方法。
  15. 　前記第２処理は、前記中央処理装置の負荷が大きい場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、中央処理装置の負荷が小さい場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する、請求項１４記載の認証処理方法。
  16. 　前記自らの状態を示す値は、認証処理の対象として新たに受信した情報と既に受信して認証処理を終った通信の履歴情報との対応関係の強弱に応じた値である、請求項１３記載の認証処理方法。
  17. 　前記第２処理は、前記対応関係が強い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、前記対応関係が弱い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する、請求項１６記載の認証処理方法。
  18. 　前記自らの状態を示す値は、送信側の他の移動体又は固定局に対する遠近関係に応じた値である、請求項１３記載の認証処理方法。
  19. 　前記第２処理は、前記遠近関係が遠い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を必要とし且つディジタル署名を用いる認証処理の不要と判定し、前記遠近関係が近い場合にはメッセージ認証コードを用いる認証処理を不要とし且つディジタル署名を用いる認証処理を必要と判定する、請求項１８記載の認証処理方法。
  20. 　前記第２処理は、自移動体のセンサ装置が取得したセンサ情報に基づいて、又は自移動体の通信アプリケーションが受信した通信データの処理結果に基づいて、前記遠近関係を生成する、請求項１９記載の認証処理方法。
  21. 　自移動体から前記メッセージ認証コードの要求を出力し、この要求を受信する認証局がその要求に応答して認証処理を行なってその正当性を判別したとき当該認証局が発行する前記メッセージ認証コードを自移動体が受信する第３処理を更に含む、請求項１２記載の認証処理方法。
  22. 　前記メッセージ認証コードは公開暗号鍵方式で暗号化され、更に前記第３処理は受信したメッセージ認証コードを復号する処理を含む、請求項２１記載の認証処理方法。
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