携帯端末に適した VoIP 暗号化通信システムの構築

平成 21 年度
フロンティアプロジェクト
修士学位論文
携帯端末に適した
VoIP 暗号化通信システムの構築
An encrypted VoIP communication system
for mobile telephones
1095702
石井
指導教員
清水
勇太
明宏
2010 年 3 月 4 日
高知工科大学大学院 工学研究科 基盤工学専攻
フロンティア工学コース
要 旨
携帯端末に適した
VoIP 暗号化通信システムの構築
石井
勇太
近年, 公衆電話網と IP ネットワーク網を統合する動きが進んでいる. その中で, IP ネット
ワークを用いた音声通信の仕組みとして, VoIP(Voice over Internet Protocol) 通信が利用
されている. しかし, 公衆網を利用した VoIP 通信は, 悪意ある第三者に通話内容を盗聴され
る可能性がある. この問題を解決するために, VoIP over SSL(VoIPs) を利用する方法があ
るが, VoIPs は通話中に同一の暗号鍵を利用する. そのため, 通話中に暗号鍵を盗まれると,
通話内容の秘匿性を保てない. この問題を解決するために, 先行研究では一定時間ごとに暗
号鍵を変更する, 秘匿性の高い VoIP 通信を提案している. 先行研究では, 携帯端末を用いた
同一 LAN 内の VoIP 通信を実現している.
本研究では異なる LAN 間の VoIP 通信を実現するために, VoIP 通信を中継するロビー
サーバを設置し, サーバを経由して通信する.
キーワード
VoIP, 暗号化, ワンタイムパスワード, SAS-2, ロビーサーバ, IP ネットワー
ク, 携帯電話
–i–
Abstract
An encrypted VoIP communication system
for mobile telephones
Yuta, Ishii
In recent years, movement to integrate the public telephone net and the IP network
is advanced. In the movement, VoIP(Voice over Internet Protocol) to communicate
the voice-data by the IP network is used. However, VoIP using the public network
has danger. In order to solve this problem, there is a method of using VoIPs(VoIP
over SSL). However, VoIPs keeps using the same encryption key while talking over
the mobile phone. Therefore, when he/she had the encryption key stolen, hiding the
content of the telephone call secretly can not be kept. As the earlier study, the VoIP
communication that improve degree of hiding the content of the telephone call have been
As the earlier study, the VoIP communication in same LAN with a portable terminal
has been achieved.
In this study, we have achieved the VoIP communication with different LAN, and
exchanged address information of the lobby server with other party beforehand.
key words
VoIP, Encryption, One-time password, SAS-2, lobby server, IP network,
mobile phone
– ii –
目次
第1章
緒論
1
1.1
研究背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
本論文の構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
VoIP
3
VoIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
第2章
2.1
2.2
第3章
3.1
第4章
2.1.1
VoIP/H.323 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.2
VoIP/SIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
VoIP over SSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
暗号鍵交換方式
9
SAS-2 鍵交換方式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.1.1
定義と記法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.1.2
SAS-2 プロトコル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.1.3
共通鍵/更新 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
SAS-Phone
14
4.1
システム構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
4.2
プロトコル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
第5章
4.2.1
SET UP PHASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.2.2
AUDIO TRANSEFER PHASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
携帯端末に適した VoIP 暗号化通信の提案
19
5.1
提案手法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
5.2
提案システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
– iii –
目次
第6章
5.2.1
登録フェーズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
5.2.2
認証フェーズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
5.2.3
接続フェーズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
5.2.4
通話フェーズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
評価と考察
26
6.1
検証環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
6.2
検証結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
6.3
考察 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
結論
28
第7章
謝辞
29
参考文献
30
– iv –
図目次
2.1
H.323 の構成図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2
H.323 のコールフロー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.3
VoIP/SIP のコールフロー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.1
H.323 の構成図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.2
H.323 の構成図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4.1
SAS-Phone の概要図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
4.2
SAS-Phone のコールフロー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.3
SET UP PHASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
4.4
AUDIO TRANSEFER PHASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
5.1
提案システムの概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
5.2
提案システムのコールフロー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
5.3
VoIP 端末と認証サーバの鍵交換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
5.4
VoIP 端末の認証手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
5.5
提案システムの接続フェーズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
5.6
提案システムの通話フェーズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
–v–
表目次
2.1
H.323 プロトコルスタック . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2
VoIP/SIP プロトコルスタック . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
6.1
検証環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
6.2
端末の処理時間 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
– vi –
第1章
緒論
本章では, 本研究における社会的, および技術的背景の概要を述べる. そして, 本研究が達
成すべき目標を示す.
1.1
研究背景
企業や一般家庭へのインターネットの普及や, LAN のブロードバンド化により, 公衆電話
網と IP ネットワーク網を統合する動きが進んでいる [1].
例えば, 従来の公衆電話網を用いた音声通話は, 構内交換機である PBX（Private Branch
eXchange）と電話装置, 電話配線, 拠点間を結ぶ音声専用線が必要である. そのため, メー
ルやチャットなどのデジタルデータを転送するデータ網と, 音声を転送する音声専用線の 2
種類が必要である. そこで, PBX を IP-PBX に変更することにより, 通信網や交換設備が
集約できるため, 拠点間を結ぶ音声専用線は不要となる.[2]. そのため, 保守やメンテナンス
に必要なランニングコストが削減できる. IP 網を用いる音声通信のことを, VoIP（Voice
over Internet Protocol）と呼ぶ [3]. VoIP 通信を利用することにより, 無線 LAN を利用し
た VoWLAN（Voice over Wireless LAN）が可能となった. 近年, VoWLAN 対応端末が増
加しており, カフェや空港のラウンジなど, VoWLAN を利用できる場所も増加している [4].
VoWLAN を利用することにより, 外出先においても内線電話を利用でき, 電話料金が削減
できる.
しかし, 公衆網を用いた通話は, 通信・通話内容が第三者に盗聴される恐れがあり, 安全
とは言えない [5]. そこで, 通話内容を暗号化し, 第三者による盗聴を防ぐ技術として VoIPs
–1–
1.2 本論文の構成
（VoIP over SSL）がある. VoIPs とは, VoIP 通信に SSL 暗号化技術を応用することによ
り, 音声データを暗号化して通話する技術である. しかし VoIPs は通話中, 常に同じ暗号鍵
を利用するため, 第三者に暗号鍵および暗号化された通話内容を盗まれた場合, 通話内容の
盗聴が可能となる. この問題は先行研究により, 一定時間ごとに暗号鍵を変更することで, 秘
匿性の高い VoIP 通信が提案されている. 先行研究では, 携帯端末を用いた同一 LAN 内の
VoIP 通信を実現している. そこで本研究では, VoIP 通信を中継するロビーサーバを設置し,
サーバを経由して VoIP 通信することで, 異なる LAN 間の VoIP 通信を実現する.
1.2
本論文の構成
本論文では, 携帯端末を用いて異なる LAN 間で通話可能な, 秘匿性の高い VoIP 通信につ
いて述べる.
第二章では, VoIP の技術的背景および概要, 実現手法について述べる.
第三章では, 暗号鍵交換方式の中で安全性が高く, 先行研究で使用されている SAS-2 につ
いて述べる.
第四章では, 先行研究である SAS-Phone のシステム, プロトコルについて述べる.
第五章では, 提案する手法とシステムについて述べる. さらに, 提案するシステムはフェー
ズごとに分けて, 音声通話の実現手順について述べる.
第六章では, 提案する手法とシステムを実装した結果について評価し, 考察を行った結果
について述べる.
最後に, 本論文の成果をまとめ, 今後の課題について述べる.
–2–
第2章
VoIP
本章では VoIP の技術背景, および VoIP のプロトコルについて述べる. また, 現状の
VoIP 通信における暗号化の方式についても述べる.
2.1
VoIP
インターネットの普及とネットワークの広帯域化により, 公衆電話網と IP ネットワーク
を統合する動きが進んでいる. また, 移動端末のアクセスネットワークも, IP ネットワーク
へ移行する動きが出ている. このように, 音声情報をデジタル情報に変換し, LAN や WAN
などの IP ネットワークを用いて, デジタル化した音声情報を転送する技術を VoIP という.
VoIP の代表的なプロトコルとして, 国際電気通信連合 (ITU-T) で勧告された VoIP/H.323
や, 現在最も採用されている VoIP/SIP(Voice over Internet Protocol / Session Initiation
Protocol) がある. 次に, VoIP/H.323 と VoIP/SIP について述べる.
2.1.1
VoIP/H.323
H.323 とは, 音声や動画などをインターネット網を用いて, リアルタイムでデータ通信す
るプロトコルである [6]. VoIP/H.323 で通信するためには, 図 2.1 に示すように, 音声や動
画を転送する端末, ゲートウェイ, ゲートキーパー, MCU(Multipoint Control Unit) が必要
である.
端末とは音声の録音, 再生, 符号化などの機能を有し, リアルタイムで音声情報を伝送する
機器である. ゲートウェイとは, 既存の電話網や ISDN などの H.323 以外の通信プロトコル
–3–
2.1 VoIP
図 2.1
H.323 の構成図
と H.323 プロトコルを接続し, 音声情報と IP パケットを相互変換する機器である. ゲート
キーパーとは, 電話番号から IP アドレスへの変換や, 通信帯域や接続端末などの管理機能を
有する機器である. MCU とは端末にパケットを配分し, 電話会議やテレビ会議などの多地
点間通信を行う機器である.
そして, これらの機器を用いて通信するには, 次のプロトコルやコーデックを使用する必要
がある. 表 2.1 にプロトコルスタックを示す. H.323 プロトコルには 4 種類のプロトコルが
あり, それぞれ通信を制御するプロトコルと音声を制御するプロトコルに分類できる. 通信
を制御するプロトコルには, H.225.0 RAS プロトコルと Q.931 プロトコルがある. H.225.0
RAS プロトコルは, ゲートキーパーと VoIP 端末間の通信手順の制御を行い, Q.931 プロト
コルは VoIP 端末同士の通信を制御する. 音声を制御するプロトコルには, H.245 制御プロ
トコルと RTP(Real - time Transport Protocol), RTCP(Real - time Transport Control
Protocol) プロトコルがある H.245 制御プロトコルは, VoIP 端末の通話に使用する符号化
などの制御を行い, RTP, RTCP プロトコルは VoIP 端末同士の音声を制御する.
H.323 を実装するためのコールフローは, 次の 4 点から構成される. 図 2.2 に, H.323
のコールフローを示す. まず, 他端末が通話可能な状態かを確認する SET UP フェイズ
があり, H.225.0 RAS 制御プロトコルと Q931 プロトコルを用いて通信を確立する. 次に
–4–
2.1 VoIP
表 2.1 H.323 プロトコルスタック
アプリ
RTP
RTCP
RAS
Q.931
ケーション層
(音声・映像)
(H.225.0)
(H.225.0)
(H.225.0)
トランスポート層
UDP
H.245
TCP
IP
インターネットワーク層
CONTROL SIGNALLING フェイズがあり, H.245 制御プロトコルを用いて音声の符号化
といった制御を行う. そして AUDIO フェイズがあり, 音声情報を転送して通話を行う. 最
後に RELEASE フェイズでは, H.245 制御プロトコルを用いて VoIP 通信を終了する.
VoIP/H.323 を用いることにより, IP 網でリアルタイムの音声通話が可能となった. し
かし, VoIP/H.323 は特定条件において DoS 攻撃に脆弱であること, 遠隔地から第三者が
任意のコードを実行できる問題が発見されたため, VoIP/SIP に移行しつつある. また,
VoIP/SIP に移行している別の理由として, VoIP/H.323 はバイナリ形式のプロトコルであ
ることや, データ構造の記述に ASN.1(Abstract Syntax Notation One) を利用することな
ど, 処理が複雑であったことも挙げられる.
2.1.2
VoIP/SIP
SIP とは, アプリケーション層を利用してインターネット上で音声, 動画, テキストメッ
セージなどで, リアルタイムに通信を行うためのプロトコルである [7][8]. SIP の特徴は, テ
キストベースで表現されているプロトコルのため, バイナリ形式の H.323 と比較して, 実装
や拡張が容易である. 表 2.2 にプロトコルスタックを示す.
VoIP/SIP は, クライアントがメッセージをサーバに送信するリクエスト, サーバがクラ
イアントのリクエストに応答するレスポンスを繰り返す, リクエスト/レスポンスモデルで
ある. VoIP/SIP を用いるためには, VoIP/SIP 対応アプリケーションを搭載した端末, SIP
サーバが必要である. SIP サーバには, ステートフルプロキシ, ステートレスプロキシの 2 種
–5–
2.1 VoIP
図 2.2 H.323 のコールフロー
類がある. ステートフルプロキシは, 送信端末からのリクエストに対して暫定的なレスポン
スの生成や, メッセージを再送信することが出来るプロキシサーバである. それに対してス
テートレスプロキシは, 送信端末に暫定的なレスポンスを生成せず, メッセージを中継する
だけのプロキシサーバである.
次に, VoIP/SIP を用いた電話発信から通話終了までのコールフロープロトコルを, 図 2.3
に示す.
まず, 発信端末 A が SIP サーバ A に INVITE メッセージを送信する. INVITE メッセー
–6–
2.1 VoIP
表 2.2 VoIP/SIP プロトコルスタック
SIP
RTP
SIP
プロトコル
ネットワーク層
SDP
TCP
RTPRTCP/
DNS
UDP
データリンク層
データリンク層
物理層
物理層
図 2.3 VoIP/SIP のコールフロー
ジを受け取った SIP サーバは, 次の SIP サーバには INVITE メッセージを送り, 送信元の
発信端末には 100 Trying メッセージを送る. 同様に, 送信先へは INVITE メッセージを送
り, 送信元へは 100 Trying メッセージを返信し, INVITE メッセージが受信端末に到着する
まで続ける. 受信端末 B が INVITE メッセージを受け取った後は, SIP サーバを経由して送
信端末 A に向けて 180 Ringing メッセージと, 200 OK メッセージを送信する. 発信端末 A
–7–
2.2 VoIP over SSL
が 200 OK メッセージを受け取ることで, 発信端末 A と受信端末 B は通話可能状態になる.
次に, 発信端末 A が SIP サーバを経由して, 受信端末 B へ ACK メッセージを送信すること
で通話状態となる. その後, お互いの端末で音声データを録音, 送受信して再生することで,
通話を実現させている. 通話を終了させるには, 片方の端末が他方の端末へ BYE メッセー
ジを送信し, BYE メッセージを受け取った端末が 200 OK メッセージを返信することで完
了する. これにより, 電話発信, 通話状態, 通話終了が実現出来る.
2.2
VoIP over SSL
VoIP over SSL とは, セキュリティを確保して VoIP 通信を行う技術である. H.323 およ
び VoIP/SIP で通信する際は, 暗号化されていないデータを送受信するため, データの通信
経路上で盗聴される危険性がある.
そこで, VoIP 通信を行う前に SSL セッションを確立し, データを暗号化して VoIP 通信
を行うことで, 通信の秘匿性を確保している. まず, VoIP 通信を行う前にお互いに暗号鍵を
送信する. 次に, 送信端末は暗号鍵を使ってデータを暗号化し, 受信端末は事前に交換してい
た暗号鍵を用いてデータを複合する. これにより, 仮に公衆網上で第三者にデータを盗まれ
ても, データは暗号化されているため, 第三者にデータの内容を知られることはない.
しかし, VoIP over SSL では, 同一の暗号鍵を使い続けるため, 暗号鍵を盗まれ, かつ音声
通信を盗聴された場合, 完全な音声の復元が可能である. そこで, 小野らの先行研究により,
一定時間ごとに暗号鍵を変更するプロトコルが提案されている.
–8–
第3章
暗号鍵交換方式
本章では, 先行研究で提案されたプロトコルで用いられている, ワンタイムパスワードを
用いた SAS-2 鍵交換方式について述べる. また, SAS-2 鍵交換方式の定義と記法, プロトコ
ル, 共通鍵交換および更新について述べる.
3.1
SAS-2 鍵交換方式
SAS-2 鍵交換方式は, ワンタイムパスワード認証方式を用いた鍵交換方式である [9]. 特徴
として, 一定時間ごとにパスワードを変更するため, 反射攻撃（Replay Attack）や中間者攻
撃（Man-in-the-middle Attack）などによる成りすましの危険性に対する耐性が強いこと
が挙げられる. また, 鍵交換時に必要となる通信セッション回数が二回であり, さらに一方
向性関数や排他的論理和演算の適用回数が, 他の鍵交換方式よりも少ないことも挙げられる.
そのため処理負荷が小さく, 高速鍵交換が求められるサービスへの応用が可能である. 次に,
SAS-2 鍵交換方式で実行されるプロトコルと, これを用いた共通鍵生成について述べる.
3.1.1
定義と記法
SAS-2 鍵交換方式で用いる定義と記法は次のとおりである.
• User は, 鍵を生成するユーザである.
• Server は, User の鍵を受け取るサーバである.
• ID は, ユーザの識別子を示す.
• S は, ユーザのパスワードを示す.
–9–
3.1 SAS-2 鍵交換方式
• X, F, H は, 一方向性関数を示す. 例として, H(x) は x を一方向性関数に適用して得た
出力値を示す. また, この一方向性関数は出力ビット数が常に一定とする.
• i は, 鍵交換セッション毎に加算される数値である.
• Ni は, i 回目の鍵交換時に生成される乱数を示す.
• +は, 加算演算子を示す.
⊕
•
は, 排他的論理和演算子を示す.
3.1.2
SAS-2 プロトコル
SAS-2 プロトコルは, 登録フェーズと鍵交換フェーズで構成されている. 登録フェーズは,
鍵交換を行う前に最初の一度だけ実行され, 以降は鍵交換フェーズが実行される. まず, 登録
フェーズを述べ, 鍵交換フェーズ, プロトコルの安全性を述べる.
まず, 図 3.1 に示す, 登録フェーズを述べる.
1. ユーザは, 自身の識別子 ID, パスワード S を入力する. それと同時に, 乱数 N 1 を生成
⊕
し, 保存する. そして入力された ID, S, 生成された N1 を用い, A + X(ID, S
N1 ) を
算出する.
2. ユーザは, ID, A を安全なルートを用いてサーバへ送信する.
3. サーバは, 受け取った ID, A を保存する.
これらを実行することにより, 鍵交換を行うための準備が整う.
図 3.2 に示す, 鍵交換フェーズを, 次に述べる.
1. ユーザは, 自身の識別子 ID, パスワード S を入力する. そして, 入力されたデータと保
存された乱数 Ni を用い, A = X(ID, S bigoplus Ni ) を算出する. 次に, ユーザは乱数
Ni +1 を生成し, 保存する. さらに, ユーザは C = X(ID, S
⊕
Ni +1), F(C) = F(ID,
⊕
C) をそれぞれ求め, 算出された C, F(C) と, 先に生成した乱数 Ni +1 を用い α = C
⊕
(F(C) + A), β = F(C)
A をそれぞれ求める.
– 10 –
3.1 SAS-2 鍵交換方式
図 3.1
H.323 の構成図
2. ユーザは, ID, α, β をサーバへ送信する. このとき使用するネットワークは, インター
ネットのように安全でない共通ネットワークを用いてもよい.
⊕
3. サーバは, 受信した β と保存された A を用い, F(C) + β
A を算出する. さらに,
⊕
サーバは C = α
(F(C) + A) を算出する. 先に算出された F(C) と, F(ID, C) を比
較し, 不一致ならば鍵交換は不成立となる. 一致すれば鍵交換が成立し, 以下のしょりが
実行される.
4. サーバは, 保存された A の代わりとして C を保存し, 次回鍵交換に備える. さらに, γ =
H(ID, F(C)) を算出する.
5. サーバは, γ をインターネットなどを通してユーザへ送信する.
6. ユーザは, H(ID, F(C)) を算出し, 受信した γ と比較する. もし一致すれば, 鍵交換が成
立する. 不一致ならば, 鍵交換は不成立となる.
– 11 –
3.1 SAS-2 鍵交換方式
図 3.2
H.323 の構成図
次に, プロトコルの安全性を述べる. ワンタイムパスワード認証方式に対する攻撃として,
反射攻撃による成りすましが考えられる. 反射攻撃では, 正当なユーザによる認証・鍵交換
が行われた際に送受信された情報を, 悪意ある第三者が経路中で盗聴し再利用する. 正当な
ユーザが SAS-2 による (i+1) 回目の認証・鍵交換を行う際に, ユーザが送信する情報を以下
に示す.
α ←− E
⊕
(F (E) + C)
⊕
β ←− F (E)
C
ID
この時, 悪意ある第三者が成りすまし攻撃を実行する場合, 以下の情報を送信しなければ
ならない.
– 12 –
3.1 SAS-2 鍵交換方式
α′ ←− x
⊕
(F (E) + C)
⊕
β ′ ←− F (x)
C
ID
第三者が, たとえ i 回目以前での情報をすべて取得できたとしても, これら情報の組み合わ
せを生成することは不可能である. 以上より, SAS-2 プロトコルによる認証・鍵交換は安全
であると言える.
3.1.3
共通鍵/更新
SAS-2 を用いた相互認証が成立した場合, サーバおよびユーザは SAS-2 認証で使用した
データを用いて乱数を生成し, その乱数を使用して中間鍵の生成を行う. その中間鍵を基に
サーバおよびユーザは共通鍵を生成する. 相互認証および共通鍵の共有が成功すると, サー
バはリクエストデータをサーバ側の共通鍵を用いて暗号化し, ユーザに送信する. 暗号化さ
れたデータを受け取ったユーザは, 共通鍵を用いて受け取ったデータを複合する.
– 13 –
第4章
SAS-Phone
本章では, 先行研究である SAS-Phone におけるシステム構成, およびプロトコルを述べ
る [10].
なお, 本章で用いる記号の定義と記法は, 次の通りである.
• X は, 音声通話を発信する発信者である.
• Y は, 音声通話を受信する受信者である.
• ID, S は, 一時的なユーザ識別子である.
• D, X, F, H は, 一方向性関数を示す. 例として, H(x) は x を一方向性関数に適用して得
た出力値を示す. また, この一方向性関数は出力ビット数が常に一定とする.
• i は, 鍵交換セッション毎に加算される数値である.
• Ni は, i 回目の認証時に生成される乱数を示す.
• Xa は, X の処理能力情報を示す.
• Ya は, Y の処理能力情報を示す.
• T は, 鍵交換を行う時間間隔を示す.
• M は, 音声を一定時間録音した音声データである.
• Mk は, 音声を暗号化するための共通鍵である.
• Me は, 音声データ M を暗号鍵 Mk を用いて暗号化した暗号化データである.
• +は, 加算演算子を示す.
⊕
•
は, 排他的論理和演算子を示す.
– 14 –
4.1 システム構成
4.1
システム構成
実装する端末を iPod touch 2G としている. 選定理由としては, 音声の録音・再生機能と
ネットワーク機能を有しており, いずれもデベロッパが利用可能な API となっていることで
ある. SAS-Phone の VoIP 通話における概要を, 図 4.1 に示す. また, 音声の録音・再生プ
ロトコルは, 独自プロトコルとなっている [10].
録音プロトコルは, 次の三点から構成される. まず, 鍵交換タイミングは 200ms とし, 決
定した鍵交換タイミングの時間の間, 音声を録音する. 次に, 録音した音声を AES 暗号化方
式を用いて暗号化する. 最後に暗号化したデータを WirelessLAN を用いて転送する.
次に, 再生プロトコルを述べる. 再生プロトコルは次の三点から構成される. まず, 転送さ
れた音声データを受信する. 次に受信した音声データを, 交換した暗号鍵を用いて復号する.
最後に複合した音声データを再生する.
そして, 鍵交換方式は, 鍵生成コストおよび鍵交換コストにおいて優位である SAS-2 とし
ている.
図 4.1 SAS-Phone の概要図
– 15 –
4.2 プロトコル
4.2
プロトコル
コールフロープロトコルの構成を, 図 4.2 に示す. まず, 端末情報や音声符号化形式など
を転送する SET UP PHASE を実行する. 次に, 暗号鍵交換を行っていない場合, FIRST
KEY EXCHANGE を実行する. そして, 音声通信が開始し, 音声情報や暗号鍵交換などを
行う AUDIO TRANSEFFR PHASE を実行する. 最後に, 通話終了のためにシグナル送受
信や, セッション切断などを行う.
図 4.2
4.2.1
SAS-Phone のコールフロー
SET UP PHASE
SET UP PHASE のフローチャートを図 4.3 に示し, SET UP PHASE について述べる.
SET UP PHASE では, 音声通話を行うために必要な情報を交換するとともに, X および Y
を通話開始可能状態にする. そのために, まず X が処理能力 Xa を算出する. 次に, X が接
続要求を Y に出す. そして, 接続要求を受けた Y は, 能力情報 Ya を算出する. 算出が終わっ
た後, Y は時間計測を開始する. Y は計測開始後, すぐに接続返答を X に送信する. 接続返
答を X は, すぐに Xa を Y に送信する. Xa を受け取った Y は, 時間計測を終了し, 要した
– 16 –
4.2 プロトコル
時間から実測ネットワーク帯域を算出する. そして, Y は実測ネットワーク帯域, Xa , Ya よ
り, 鍵交換タイミング T を算出する. その後, Y が算出した鍵交換タイミングを X に送信し,
X は T を保存する. これらを行うことで, SET UP PHASE は終了する.
図 4.3 SET UP PHASE
4.2.2
AUDIO TRANSEFER PHASE
AUDIO TRANSEFER PHASE は, 鍵交換フェーズと音声情報転送フェーズから構成さ
れる.
鍵交換フェーズは, SAS-2 鍵交換フェーズと同様である.
音声情報転送フェーズの構成を, 図 4.4 に示す. まず, X が F(C) を用いて暗号鍵 Mk を算
出する. 次に, 録音した音声データ M を Mk を用いて暗号化する. 暗号化された音声デー
タ Me は, 無線 LAN を用いて X から Y に転送される. そして, Y は F(C) をもとに Mk を
算出する. さらに, Y は算出した Mk を利用して, Mk を音声データ M に復号する. 最後に,
Y は複合した音声データ M を再生する. これらを行うことにより, AUDIO TRANSEFER
PHASE は終了する.
– 17 –
4.2 プロトコル
図 4.4
AUDIO TRANSEFER PHASE
– 18 –
第5章
携帯端末に適した VoIP 暗号化通信
の提案
小野らの先行研究は, 既存方式と比べてより安全に VoIP 通信することができ, 携帯端末
を用いて同じネットワーク内での通信を実現している. そこで, 同じネットワーク内だけで
なく, 異なるネットワーク同士で通信可能な, 携帯端末に適した VoIP 暗号化通信システム
を提案する.
本章では, 本研究における提案手法, および提案システムについて述べる.
なお, 本章で用いる記号の定義と記法は次の通りである.
• X は, 音声通話を発信する発信者である.
• Y は, 音声通話を受信する受信者である.
• Z は, 発信者と受信者を認証し, 音声を中継する認証サーバである.
• ID, S は, 一時的なユーザ識別子である.
• D, X, F, H は, 一方向性関数を示す. 例として F(x) は x を一方向性関数に適用して得
た出力値を示す. またこの一方向性関数は, 出力ビット数が常に一定とする.
• i は, 認証セッション毎に加算される数値である.
• Ni は, i 回目の認証時に生成される乱数を示す.
• M は, 音声を一定時間録音した音声データである.
• Mk は, 音声を暗号化するための共通鍵である.
• Me は, 音声データ M を暗号鍵 Mk を用いて暗号化した, 暗号化データである.
– 19 –
5.1 提案手法
• +は, 加算演算子を示す.
⊕
•
は, 排他的論理和演算子を示す.
5.1
提案手法
提案手法は, VoIP 端末が認証サーバと通信し, サーバを経由して通信先 VoIP 端末と IP
網を用いて通信する. VoIP 端末と認証サーバの構成を図 5.1 に示し, IP 網を用いて VoIP
端末間で通信するまでの流れを示す.
1. 端末 A からユーザ認証情報をサーバに送信して, 認証に成功するとログインする
2. VoIP 通信を行う端末 B を指定する
3. サーバは VoIP 通信を行うための接続ポートを生成する
4. 生成した接続ポートで通信するための URL を, メールに記載して端末 B へ送信する
5. 端末 B は受信したメールの URL にアクセスし, ログインする
6. 端末 B はサーバとソケット接続を行い, サーバは端末 A にソケット接続要求を行う
7. 端末 A がソケット接続を行うことで, サーバを経由して端末間で VoIP 通話が可能に
なる
5.2
提案システム
提案システムは, 携帯端末における SAS-2 を適用した VoIP 通話である.
提案システムで利用するプロトコルは, 登録フェーズ, 認証フェーズ, 接続フェーズ, 通話
フェーズから構成される. 提案システムの概要を, 図 5.2 に示す. 登録フェーズは, VoIP 端末
が認証サーバと初めて通信する場合のみ行う. VoIP 通信するには 3 つのフェーズがあり, 認
証フェーズ, 通話フェーズ, 終了フェーズから構成される. 次に, 各フェーズについて述べる.
– 20 –
5.2 提案システム
図 5.1
図 5.2
5.2.1
提案システムの概要
提案システムのコールフロー
登録フェーズ
登録フェーズでは, VoIP 端末と認証サーバが暗号鍵を交換していない場合のみ, SAS-2 を
用いて鍵交換を行う. 図 5.3 に示す, 認証サーバと VoIP 端末の鍵交換ついて述べる. まず,
認証サーバに登録を行うユーザ X が, 無線 LAN セッションを SSL で確立する. 次に, ユー
ザ X が認証サーバに対して, SAS-2 登録フェーズを実行する.
– 21 –
5.2 提案システム
図 5.3 VoIP 端末と認証サーバの鍵交換
5.2.2
認証フェーズ
認証フェーズでは, サーバは登録フェーズで登録した情報を用いて VoIP 端末を認証する.
VoIP 端末を認証する手順を, 図 5.4 に示す. まず, ユーザ X はサーバへ SSL 通信で認証を
行い, 認証に成功するとログイン出来る. ログインしたユーザ X は, VoIP 通信を行うユーザ
Y を指定し, 接続要求を認証サーバへ行う. 接続要求を受け取った認証サーバは, VoIP 通信
を行うためのポートを作成し, ユーザ Y へ URL 情報の記載されたメールを送信する. メー
ルを受け取ったユーザ Y は, メールに記載されている URL にログインを行うことで認証
フェーズは完了する.
– 22 –
5.2 提案システム
図 5.4 VoIP 端末の認証手順
5.2.3
接続フェーズ
接続フェーズでは, VoIP 通信する準備として VoIP 端末と認証サーバが Socket 通信を行
う. 図 5.5 に示す, VoIP 端末と認証サーバの Socket 接続について述べる. まず, ユーザ Y
は認証フェーズでログインが完了した後, 認証サーバへ接続する. ユーザ Y に接続された認
証サーバは, ユーザ X へと接続要求を送信する. そして, ユーザ X は認証サーバへ接続し,
認証サーバがユーザ Y へ OK メッセージを送信することで, ユーザ X とユーザ Y が VoIP
通信する準備が完了する.
5.2.4
通話フェーズ
通話フェーズでは, サーバを経由して VoIP 端末同士で VoIP 通信を行う. 図 5.6 に示す,
通話フェーズについて述べる. まず, X が F(x) を用いて暗号鍵 Mk を算出する. 次に, 録音
した音声データ M を Mk を用いて暗号化する. 暗号化された音声データ Me は, 無線 LAN
を用いて, X から Z に転送される. そして Z は, F(C) をもとに, Mk を算出する. さらに Z
は, 算出した Mk を利用して Mk を音声データ M に復号する. 同様に, Z から Y へも暗号化
をして音声データを送信する. 最後に Y は, 復号した音声データ M を再生する.
– 23 –
5.2 提案システム
図 5.5
提案システムの接続フェーズ
– 24 –
5.2 提案システム
図 5.6
提案システムの通話フェーズ
– 25 –
第6章
評価と考察
本研究における提案システムをエミュレータを用いて再現し, 得られた処理速度によって
評価する. ただし, 本来の目的はネットワーク間の通信であるが, 今回の検証実験ではローカ
ルネットワーク内で中継サーバを利用している. また, 送信端末と受信端末はシミュレータ
を利用しており, 携帯端末との性能差はあるが, 今回は中継サーバによる遅延の計測が目的
である.
6.1
検証環境
送信クライアント端末から中継サーバ端末, 中継サーバ端末から受信クライアント端末の
順に音声ファイルを転送し, その転送時間を計測した. 転送時間の測定に使用した音声ファ
イルの容量は, 1MB(1,085,597byte) である. 今回行った検証実験の環境を, 表 6.1 に示す.
ただし, 本来の使用端末は iPhone であり, 今回の使用端末は MacBookAir と MacPro で
ある.
6.2
検証結果
まず, 送信端末で音声ファイルをバイナリ化し, 中継サーバ端末に TCP プロトコルを用い
て送信した. 中継サーバはバイナリデータを受信し, 受信したデータを受信端末に TCP プ
ロトコルを用いて転送する. 受信端末は受信したバイナリデータを, 音声ファイルに再構築
することで, 音声通話が可能となった. 各端末での処理時間を, 表 6.2 に示す.
– 26 –
6.3 考察
表 6.1
検証環境
送信クライアント端末
MacBookAir
プロセッサ
1.6GHz Intel Core 2 Duo
メモリ
2GB 1067MHz DDR3
中継サーバ端末
CentOS デスクトップマシン
プロセッサ
Intel(R) Pentium(R) 4 CPU 3.00GHz
メモリ
1GB
受信クライアント端末
MacPro
プロセッサ
2 x 2 GHz Dual-Intel Xeon
メモリ
4GB
無線 LAN
IPN-W500AP
通信速度
54Mbps
表 6.2 端末の処理時間
6.3
送信クライアント端末
5.270000ms
中継サーバ端末
0.050000ms
受信クライアント端末
1.670000ms
考察
中継サーバの処理時間は 0.05 秒であり, 音声通話において支障がない程度の遅延時間であ
ると考えられる. 今回の実験は, 携帯端末ではなくシミュレータを利用しているが, サーバを
経由しても SAS-2 を用いた音声通信が実現できる可能性を確認できた.
– 27 –
第7章
結論
本論文では, 本研究における提案システムを用いることにより, 中継サーバを経由して
SAS-2 を用いた音声通話を実現する可能性を示した. しかし, 今回検証した環境は, 送信端
末と受信端末にシミュレータを使用しており, 本来の使用用途である携帯端末の処理能力は
考慮していない. そのため, 携帯端末で無線 LAN を利用して音声通話すると, 携帯端末の処
理能力では通信速度が低下する恐れがある. この問題の解決策としては, SAS-2 の鍵交換回
数を減らし, 暗号化の処理量を減らすことが考えられる. また, ローカルネットワーク内に中
継サーバを設置して通信したが, 中継サーバでの処理時間が非常に短いことから, 中継サー
バを経由しても SAS-2 を用いた VoIP 通話が可能であると考えられる.
– 28 –
謝辞
本研究の遂行と論文作成にあたって, 言葉では言い表せないほどの御指導, 御助言をいた
だきました高知工科大学フロンティア工学コース 清水明宏教授に心より感謝し厚く御礼申
し上げます．本研究の副査を担当していただいた高知工科大学フロンティア工学コース 渡
邊法美教授, 古沢浩准教授に深く御礼申し上げます．
また, 提案システム実装にご協力いただきました清水研究室, 青木渉氏に心より感謝いた
します．さらに, 本研究において適切なご助言ををいただいた高知工科大学 清水研究室 岡
村大氏, 中野友貴氏に心より感謝いたします. 最後に, 有益な議論を交わしていただいた高知
工科大学 清水研究室の関係者各位に深く感謝いたします．
– 29 –
参考文献
[1] 小泉 修，“図解でわかる VoIP のすべて,” 日本実業出版社，2003．
[2] IP 電話普及推進センタ，“実践入門ネットワーク NGN 時代の IP 電話標準テキスト,”
リックテレコム，2009．
[3] 日経 NETWORK，“絶対わかる！IP 電話超入門,” 日経 BP 社，ISBN-10:4822212785，
2005/10．
[4] Hiroyuki Koga，Shigeru Kashihara, Yutaka Fukuda, Katsuyoshi Iida, Yuji Oie“A
quality-aware VoWLAN architecture and its quantitative evaluations,” Wireless
Communications, IEEE, Vol.13, No. 5, pp. 52-59, 2006．
[5] Matthew Gast，渡辺 尚, 小野 良司, “ 802.11 無線ネットワーク管理,” オライリー・
ジャパン，ISBN-4-87311-308-3, 2006/11．
[6] ITU-T，“Visual Telephone Systems and Equipment for Local Area Networks Which
Provide a Non-Guaranteed Quality of Service,” ITU-T Recommendation H.323，
1996．
[7] IETF3261，“SIP:Session Initiation Protocol,” IETF，2002．
[8] IETF4566，“SDP:Session Description Protocol,” IETF，2006．
[9] T. Tsuji，and A. Shimizu, “Simple and secure password authentication protocol,
ver.2(SAS-2), ” IEICE Technical Reports, OIS2002-30, 2002．
[10] 小野 豊，“携帯電話における VoIP 暗号化通信の提案,” 平成 20 年度高知工科大学論集，
2009．
– 30 –