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JP6922963B2 - グループゲートウェイ及び通信方法 - Google Patents
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Description

本発明は、グループベースのMTC（Machine-Type-Communication）のためのセキュリティソリューションに関する。特に、本発明は、グループ鍵を導出するために、および/またはグループ鍵を管理するために、コアネットワーク内およびMTCデバイスにグループ鍵を配布する技術に関する。
MTCの3GPP（3rd Generation Partnership Project）アーキテクチャは、非特許文献1で研究されている。グループベースのMTCの研究は、非特許文献2で開始されている。
さらに、特許文献1には、GW（ゲートウェイ）は、MTCデバイスのグループのためのコアネットワークへのゲートウェイとして機能し、安全にグループメンバーとの通信を行うために、グループ鍵を使用することを開示している。
MTCデバイスは時々以下の説明において、「MTC UE」または「UE」と呼ばれるMTC用の装置UE（User Equipment）であることに留意されたい。
しかしながら、本願発明者は、グループ鍵は、任意の保護なしでグループメンバーに配布された特許文献1に問題があることを見出した。
非特許文献3は、MME（Mobility Management Entity）が、NAS（Non Access Stratum）のセキュリティコンテキストを使用して、グループ鍵を保護することを開示していることに留意されたい。しかし、NASセキュリティコンテキストは、単にグループ鍵の秘匿性を確保するにすぎないという非特許文献3の問題点がある。
従って、本発明の目的は、グループ鍵を配布する際のセキュリティを向上させることである。
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る通信システムは、コアネットワークと通信するMTC（マシンタイプ通信）デバイスのグループと、MTCデバイスの各々に安全にグループ通信を行うための第1の鍵を配布する、グループのコアネットワークへのゲートウェイを備え、前記ゲートウェイは、第1の鍵を配布するときに、ゲートウェイが、予めゲートウェイとMTCデバイスとの間で共有され、グループのメンバーとしてのMTCデバイスの各々を認証するためのゲートウェイ用に使用される第2の鍵、またはコアネットワークを介してグループと通信しSCS（サービス能力サーバ）のためのコアネットワークに進入点を提供するMTC-IWF（MTCインターワーキング機能）とMTCデバイスとの間で共有され、安全にMTC-IWFとMTCデバイスの各々との間の個々の通信を行うための一時的な鍵を導出するために使用される第3の鍵、を使用することにより第1の鍵の機密性と完全性を保護する。
さらに、本発明の第2の実施態様によれば、ゲートウェイは、コアネットワークと通信するMTCデバイスのグループのためのコアネットワークへのゲートウェイであって、安全にグループ通信を行うための第1の鍵の機密性と完全性を保護する保護手段と、MTCデバイスの各々に保護された第1の鍵を分配する分配手段と、を備え、保護手段は、予めゲートウェイとMTCデバイスとの間で共有され、グループのメンバーとしてのMTCデバイスの各々を認証するためのゲートウェイ用に使用される第2の鍵、またはコアネットワークを介してグループと通信しSCSのためのコアネットワークに進入点を提供するMTC-IWFとMTCデバイスとの間で共有され、安全にMTC-IWFとMTCデバイスの各々との間の個々の通信を行うための一時的な鍵を導出するために使用される第3の鍵、を使用して保護を行うように構成されている。
さらに、本発明の第3実施態様に係るMTCデバイスは、コアネットワークと通信するようにグループ化されたMTCデバイスであって、MTCデバイスのグループのためのゲートウェイからコアネットワークへの安全にグループ通信を行うための、第2の鍵または第3の鍵で第1の鍵の秘密性及び完全性が保護された第1の鍵を受信する受信手段を備え、第2の鍵は、予めゲートウェイとMTCデバイスとの間で共有され、グループのメンバーとしてMTCデバイスの各々を認証するためにゲートウェイに使用され、第3の鍵は、コアネットワークを介してグループと通信しSCSのためのコアネットワークに進入点を提供するMTC-IWFとMTCデバイスとの間で共有され、安全にMTC-IWFとMTCデバイスの各々との間の個々の通信を行うための一時的な鍵を導出するために使用される。
さらに、本発明の第4の実施態様による方法は、コアネットワークと通信するMTCデバイスのグループのためのコアネットワークへのゲートウェイの動作を制御する方法であって、安全にグループ通信を行うための第1の鍵の機密性と完全性を保護し、MTCデバイスの各々に保護された第1の鍵を分配し、予めゲートウェイとMTCデバイスとの間で共有され、グループのメンバーとしてのMTCデバイスの各々を認証するためのゲートウェイ用に使用される第2の鍵、またはコアネットワークを介してグループと通信しSCSのためのコアネットワークに進入点を提供するMTC-IWFとMTCデバイスとの間で共有され、安全にMTC-IWFとMTCデバイスの各々との間の個々の通信を行うための一時的な鍵を導出するために使用される第3の鍵、を使用して、保護を行うように構成されている。
また、本発明の第5の実施態様による方法は、コアネットワークと通信するようにグループ化されたMTCデバイスの動作を制御するための方法であって、MTCデバイスのグループのためのゲートウェイからコアネットワークへの安全にグループ通信を行うための、第2の鍵または第3の鍵で第1の鍵の秘密性及び完全性が保護された第1の鍵を受信し、第2の鍵は、予めゲートウェイとMTCデバイスとの間で共有され、グループのメンバーとしてMTCデバイスの各々を認証するためにゲートウェイに使用され、第3の鍵は、コアネットワークを介してグループと通信しSCSのためのコアネットワークに進入点を提供するMTC-IWFとMTCデバイスとの間で共有され、安全にMTC-IWFとMTCデバイスの各々との間の個々の通信を行うための一時的な鍵を導出するために使用される。
本発明によれば、上記課題を解決することができ、グループ鍵を配布する際のセキュリティを向上させることができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る通信システムの構成例を示すブロック図である。 図2は、本実施形態に係る通信システムの第1の動作例を示すシーケンス図である。 図3は、本実施形態に係る通信システムの第2の動作例を示すシーケンス図である。 図4は、本実施形態に係る通信システムの第3の動作例を示すシーケンス図である。 図5は、本実施形態に係る通信システムの第4の動作例を示すシーケンス図である。 図6は、本実施形態に係る通信システムの第5の動作例を示すシーケンス図である。 図7は、本実施形態に係る通信システムの第6の動作例を示すシーケンス図である。 図8は、本実施形態によるMTC UEの構成例を示すブロック図である。 図9は、本実施形態に係るグループGWの構成例を示すブロック図である。 図10は、実施の形態に係るHSSの構成例を示すブロック図である。 図11は、本実施形態によるMTC-IWFの構成例を示すブロック図である。
以下、本発明の例示的な実施形態を添付の図面と共に説明する。
この例示的な実施形態では、コアネットワークにおけるグループ鍵導出の詳細が提案され、適切なネットワークノードとUE、鍵管理方法と、グループ鍵への鍵配布は、通信を保護するために使用される。鍵導出パラメータは、HSS（ホームサブスクリプションサーバ）からMTC-IWFに、またはMTC-IWFからHSSに、送信することができる。導出アルゴリズムは、ネットワークノードで利用可能である。
図1に示すように、本実施の形態に係る通信システムは、コアネットワーク（3GPPネットワーク）およびRAN（無線アクセスネットワーク）を介してコアネットワークに接続するMTC用装置UEである、1つまたは複数のMTC UE10を含む。この例示的な実施形態では、MTC UE10は、コアネットワークと通信するようにグループ化される。図示を省略しているが、RANは、複数の基地局（例えば、複数のeNB（evolved Node B））により形成されている。
MTC UE10は、コアネットワークに接続する。MTC UE10は、1つまたは複数のMTCアプリケーションをホストすることができる。外部ネットワーク内の対応するMTCのアプリケーションは、SCS60でホストされている。SCS60は、MTC UE10と通信するコアネットワークに接続されている。
さらに、コアネットワークは、ネットワークノードの一部としてMME30、HSS40およびMTC-IWF50を含む。MME30は、RANとMTC-IWF50との間のトラフィックを中継する。HSS40は、MTC UE10に関するサブスクリプション情報などを管理する。MTC-IWF50は、SCS60のコアネットワークへの進入点として機能し、必要に応じて、HSS40からサブスクリプション情報等を取得する。コアネットワークはまた、他のネットワークノード、SGSN（サービングGPRS（汎用パケット無線サービス）サポートノード）、MSC（モバイル交換センター）などを含む。SGSNとMSCは、MME30と同様に機能する。
図1では省略されているが、コアネットワークは、MTC UE10以下のグループのコアネットワークへのゲートウェイを含む。このゲートウェイは、「グループGW」と呼ばれ、一般的に符号20で示される。一般的には、グループGW20が、安全にグループGW20とMTCのUE10のグループ間のグループ通信を行うために、各MTC UE10グループ鍵を分配する。グループGW20は、ネットワークノードに配置される、または独立したノードとすることができる。
次に、本実施形態の動作例を、図2〜7を参照して詳細に説明する。MTC UE10グループGW20、HSS40およびMTC-IWF50の構成例は、図8〜11を参照して後述する。
1.鍵配布
グループ通信は、グループGW20とMTC UE10のグループメンバーが同じグループ鍵を共有する必要がある。
グループGW20は、グループ鍵を取得することができ、2つの選択肢がある。選択肢の一つは、グループGW20自体がグループ鍵を導出する場合である。グループ鍵を導出する方法は後述する。選択肢のうちの別の1つは、グループGW20が、他のネットワークノードからグループ鍵を受信する場合である。この例示的な実施形態では、グループGW20は、MTC-IWF50で構成されているかどうかを考慮する。
（1）MTC-IWF50は、グループGW20ではなく、グループ鍵を共有しないケース
図2に示すように、この場合には、HSS40は、グループ鍵を導出し、サブスクリプション情報応答メッセージでグループIDとともにグループ鍵MTC-IWF50に送信する（ステップS1a〜S1c）。
また、MTC-IWF50は、サブスクリプション情報応答メッセージで、HSS40からグループIDおよび必要に応じて鍵導出パラメータを受信した場合、グループ鍵を導出する（ステップS2a〜S2C）。
導出されるグループ鍵は、グループIDとグループ鍵のKSI（鍵セット識別子）と一緒に、MME30を介してグループGW20に、送信される（ステップS3）。
その後、グループGW20は、MTCグループのメンバーであるMTC UE10_1〜10_n（2？n）にグループ鍵を配布する（ステップS4_1〜S4_n）。
MTC UE10_1〜10_nに配布する時にグループ鍵を保護する二つの方法がある。
方法の一つは、グループ鍵Kgrを使用した、事前に設定された認証を使用することである。鍵Kgrは、予めグループGW20とMTC UE10_1〜10_nとの間で共有され、MTCグループのメンバーとしてMTC UE10_1〜10_nの各々を認証するグループGW20用に使用される。
認証時には、MTC UE10_1〜10_nの各々は、グループGW20からの認証要求メッセージを受信し、鍵Kgrで、例えば、RES（認証応答）を計算する。MTC UE10_1〜10_nの各々は、計算されたRESを含む認証応答メッセージをグループGW20に送信する。グループGW20は、鍵Kgrで受信したRESをチェックすることにより、MTC UE10_1〜10_nの各々を認証する。
配布時には、グループGW20は、グループ鍵の機密性を保護するため、鍵Kgrとグループ鍵を暗号化し、また鍵Kgrとグループ鍵の整合性を保証する。MTC UE10_1〜10_nの各々は、鍵Kgrで受信したグループ鍵を復号し、また鍵Kgrで受信したグループ鍵の整合性をチェックする。
もう一つの方法は、ルート鍵K_iwfを使用することである。ルート鍵K_iwfは、MTC-IWF50とMTC UE10_1〜10_nとの間で共有され、MTC-IWF50とMTC UE10_1〜10_nの各々との間の個々の通信を安全に行うための一時的な鍵を導出するために使用される。
一時的な鍵の一つは、MTC-IWFとMTC UEとの間で転送されるメッセージの暗号化と復号化のための機密性の鍵である。一時的な鍵のもう一つは、MTC-IWFとMTC UEとの間で転送されるメッセージの整合性をチェックするための整合性の鍵である。
配布時には、グループGW20は、グループ鍵の機密性を保護するための鍵K_iwfとグループ鍵を暗号化し、また鍵K_iwfでグループ鍵の整合性が保証される。MTC UE10_1〜10_nの各鍵K_iwfで受信したグループ鍵を復号し、また鍵K_iwfで受信したグループ鍵の整合性をチェックする。
この例示的な実施形態によれば、グループ鍵の配布時の機密性と完全性の両方が、グループメンバーに確保され、上記特許文献1及び非特許文献3と比較して安全性を向上させることができる。
（2）MTC-IWF50が、グループGW20であるケース
図3に示すように、この場合、HSS40または（グループGWとなる）MTC-IWF50Aは、図2と同様の方法でグループ鍵を導出する（ステップS11a〜S12c）。
そして、MTC-IWF50Aは、図2と同様にMTC UE10_1〜10_nにグループ鍵を配布する（ステップS14_1〜S14_n）。
（3）MTC-IWF50が、グループGW20ではなく、グループ鍵を共有する必要がないケース
図4に示すように、この場合には、HSS40は、グループ鍵を導出し、例えば、認証データ応答メッセージにおけるUEの認証手順中にMME30に送信する（ステップS21及びS22）。認証データ応答メッセージ中にグループ鍵を含む場合には、通信プロトコルへの影響を低減することができる。認証データ応答メッセージは、典型的なMMEとHSSとの間で転送される既存のメッセージである。
MME30は、新しいメッセージまたは転送トリガに含めることにより、グループGW20にグループ鍵を送信することができる（ステップS23）。
グループ鍵のみが、MTC UE10_1〜10_nの各グループメンバーと個別にコアネットワークに認証された後にアクティベートすることができる。MTC UE10_1〜10_nの各々が個別にグループメンバーとして認証されていることを確認した後、MME30は、グループGW20にグループ鍵を送信することができる。
その後、グループGW20は、図2と同様にMTC UE10_1〜10_nにグループ鍵を配布する（ステップS24_1〜S24_n）。
2.鍵導出
グループ鍵を導出するために、3GPP TS 33.401で定義されたKDF（鍵導出機能）を再利用することができる。
入力パラメータは、4つの選択肢がある。
（1）（MTC UEとグループGW内で）事前に設定された鍵Kgr、
（2）MTC-IWFとMTC UEとの間で共有される鍵K_iwf、
（3）3GPP TS33.401で定義されるKasme、及び
（4）乱数。
他のパラメータは、内部のグループID、グループゲートウェイID、鍵導出アルゴリズム識別子、カウンタとすることができる。
新しいグループ鍵が導出されたときに有効期間も生成することができる。
鍵導出パラメータは、HSS40からMTC-IWF50（または50A）に、またはMTC-IWF50（または50A）からHSS40に、送信することができる。導出アルゴリズムは、グループ鍵を導出するネットワークノードで設定されている。
3.鍵管理
グループ鍵は、
グループ鍵の有効期間が切れている、
グループメンバーがグループから削除される、
導出パラメータ（例えば、ルート鍵K_iwf）を更新した、または
非アクティブ状態に遷移する前に、新しいグループ鍵を導出し、保存する、
ときに更新することができる。
鍵更新手順の例を、図5〜7に示す。
（1）MTC-IWF50は、グループGW20ではなく、グループ鍵を共有するケース
図5に示すように、この場合には、HSS40は、グループ鍵を更新し、サブスクリプション情報更新メッセージをグループIDとともにMTC-IWF50に送信する（ステップS31A及びS31B）。
また、MTC-IWF50は、グループ鍵を更新し、必要に応じてHSS40から鍵導出パラメータを取得する（ステップS32a及びS32B）。
更新されたグループ鍵は、グループIDと、更新されたグループ鍵のKSIとともに、MME30を介してグループGW20に送信される（ステップS33）。
その後、グループGW20は、MTC UE10_1〜10_nに更新されたグループ鍵を再配布する（ステップS34_1〜S34_n）。このとき、更新されたグループ鍵は、鍵KgrまたはK_iwfを使用して保護される。
（2）MTC-IWF50が、グループGW20であるケース
この場合、図6に示すように、HSS40またはMTC-IWF50Aは、図5と同様の方法でグループ鍵を更新する（ステップS41A〜S42B）。
そして、MTC-IWF50Aは、図5と同様にMTC UE10_1〜10_nに更新されたグループ鍵を再配布する（ステップS44_1〜S44_n）。
（3）MTC-IWF50は、グループGW20ではなく、グループ鍵を共有する必要がないケース
図7に示すように、この場合には、HSS40は、グループ鍵を更新し、例えば挿入されたサブスクリプションデータメッセージをMME30に送信する（ステップS51及びS52）。挿入されたサブスクリプションデータメッセージ内に更新されたグループ鍵を含む場合、通信プロトコルへの影響を低減することができる。サブスクリプションデータ挿入は、典型的なMMEとHSSとの間で転送される既存のメッセージである。
MME30は、新しいメッセージで、グループGW20に更新されたグループ鍵を送信することができる（ステップS53）。
その後、グループGW20は、図5と同様にMTC UE10_1〜10_nに更新されたグループ鍵を再配布する（ステップS54_1〜S54_n）。
次に、本実施形態に係るMTC UE10、グループGW20、HSS40およびMTC-IWF50（50A）の構成例を、図8〜11を用いて説明する。
図8に示すように、MTC UE10は、受信ユニット11、例えば、グループGW20からの保護されたグループ鍵を受信する受信ユニット11と、無線を介してコアネットワークと通信を行う通信器を含むRAN、この通信器を制御するCPU（Central Processing Unit）などの制御装置で構成することができる。
図9で示したように、グループGW20は、少なくとも保護ユニット21と分配ユニット22を含む。保護ユニット21は、鍵KgrまたはK_iwfを使用して、グループ鍵を保護する。分配ユニット22は、MTC端末10に保護されたグループ鍵を配布する。HSS40または（グループGW20ではない）MTC-IWF50がグループ鍵を導出する場合には、グループGW20は、HSS40またはMTC-IWF50からグループ鍵を受信する受信ユニット23を備える。受信ユニット23はまた、更新されたグループ鍵を受信する。グループGW20は、受信ユニット23の代わりに、鍵導出パラメータとして、鍵Kgr、鍵K_iwf、Kasmeまたは乱数を使用してグループ鍵を導出する導出ユニット24を含むことができる。導出ユニット24は、グループ鍵を更新する。いずれの場合においても、保護ユニット21は、鍵KgrまたはK_iwfを使用して、更新されたグループ鍵を保護し、分配ユニット22は、保護され更新されたグループ鍵を再分配する。これらユニット21〜24は、相互にバスなどを介して互いに接続されていることに留意されたい。これらユニット21〜24は、コアネットワーク内の他のノードと通信を行う、例えば、通信器、およびそのようなこれらの通信器を制御するCPU等の制御装置によって構成することができる。
図10で示すように、HSS40は、HSSの典型的な要素に加えて、導出ユニット42と、送信ユニット42を含むことができる。導出ユニット42は、鍵導出パラメータとして、鍵Kgr、鍵K_iwf、Kasmeまたは乱数を使用して、グループ鍵を導出する。送信ユニット42は、グループGW20および/またはMTC-IWF50にグループ鍵を送信する。導出ユニット42は、グループ鍵を更新することができ、送信ユニット42は、グループGW20および/またはMTC-IWF50に更新されたグループ鍵を送信する。これらのユニット41および42は、相互にバスなどを介して互いに接続されていることに留意されたい。これらのユニット41及び42は、例えば、他のコアネットワーク内のノード、及びコントローラと通信を行う通信器、及びこれらの通信器を制御するCPU等で構成することができる。
図11で示したように、MTC-IWF50（50A）は、典型的なMTC-IWFの要素に加えて、導出ユニット51、送信ユニット52を含むことができる。導出ユニット51は、鍵導出パラメータとして、鍵Kgr、鍵K_iwf、Kasmeまたは乱数を使用して、グループ鍵を導出する。送信ユニット52は、グループGW20またはMTC UE10にグループ鍵を送信する。導出ユニット51は、グループ鍵を更新することができ、送信ユニット52は、グループGW20またはMTC UE10に更新されたグループ鍵を送信することができる。これらのユニット51および52は、相互にバスなどを介して互いに接続されていることに留意されたい。これらのユニット51および52は、コアネットワーク内の他のノードと通信を行う、例えば、通信器、およびそのようなこれらの通信器を制御するCPU等の制御装置によって構成することができる。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、それは種々の変更は、特許請求の範囲の記載に基づいて当業者によってなされ得ることは明らかである。
本出願は、に基づいて、2013年7月31日に出願された特願2013-158881の優先権の利益を主張し、その開示は参照により全体が本明細書に組み込まれる。
10、10_1-10_n MTC UE
11、23 受信ユニット
20 グループGW
21 保護ユニット
22 分配ユニット
24、41、51 導出ユニット
30 MME
40 HSS
42、52 送信ユニット
50、50A MTC-IWF
60 SCS

Claims (7)

  1. 鍵情報を管理するネットワークサーバと、グループメンバーからなるグループを形成する複数のＵＥ（Ｕｓｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）とを含むグループ通信システムにおけるグループゲートウェイであって、
    前記グループゲートウェイが前記鍵情報を前記ネットワークサーバから受信した場合に、前記グループメンバーで共有され、前記グループゲートウェイと前記グループメンバーのグループ間のグループ通信を行うためのグループ鍵を生成する鍵生成手段と、
    前記グループ鍵の機密性を保護し、前記機密性を保護したグループ鍵を前記複数のＵＥに配布する配布手段と、
    前記グループからグループメンバーが削除された場合に、前記グループ鍵を更新する更新手段と、を有する
    グループゲートウェイ。
  2. 前記グループゲートウェイは、さらに前記更新された前記グループ鍵を再配布する再配布手段、を有する請求項１記載のグループゲートウェイ。
  3. 前記鍵生成手段は、ＫＤＦ（Ｋｅｙ Ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を用いる、請求項１記載のグループゲートウェイ。
  4. 鍵情報を管理するネットワークサーバと、グループメンバーからなるグループを形成する複数のＵＥ（Ｕｓｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）とを含むグループ通信システムにおけるグループゲートウェイの通信方法であって、
    前記グループゲートウェイが前記鍵情報を前記ネットワークサーバから受信した場合に、前記グループメンバーで共有され、前記グループゲートウェイと前記グループメンバーのグループ間のグループ通信を行うためのグループ鍵を生成し、
    前記グループ鍵の機密性を保護し、前記機密性を保護したグループ鍵を前記複数のＵＥに配布し、
    前記グループからグループメンバーが削除された場合に、前記グループ鍵を更新する、
    通信方法。
  5. 前記グループゲートウェイは、さらに前記更新された前記グループ鍵を再配布する、請求項４記載の通信方法。
  6. 前記グループ鍵は、ＫＤＦ（Ｋｅｙ Ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を用いて生成される、請求項４記載の通信方法。
  7. 鍵情報を管理するネットワークサーバと、グループゲートウェイとを含むグループ通信システムにおける複数のＵＥ（Ｕｓｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）の通信方法であって、
    前記複数のＵＥのグループメンバーからなるグループを形成し、
    前記グループゲートウェイが前記鍵情報を前記ネットワークサーバから受信した場合に、前記グループメンバーで共有され、前記グループゲートウェイと前記グループメンバーのグループ間のグループ通信を行うためのグループ鍵を生成し、前記グループ鍵の機密性を保護する前記グループゲートウェイから、前記機密性を保護したグループ鍵を受信し、
    前記機密性を保護したグループ鍵を復号し、
    前記グループからグループメンバーが削除された場合に、前記グループゲートウェイから、再配信された機密性を保護した更新されたグループ鍵を受信する、
    通信方法。
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