IoTセンサーの効率的プロビジョニング：安全な接続と認証情報管理

モノのインターネット（IoT）は、今や私たちの多くにとって馴染みのものです。IoTデバイスは、コンシューマー、医療、産業市場のいずれかに属すると見なせます。ビデオドアベル、インスリンポンプ、産業用センサーのいずれであっても、ユーザーは2つの重大な課題に直面します：1) デバイスを物理的/論理的にネットワークに接続すること、2) デバイスが同じネットワーク上の他デバイスや、デバイスのデータを収集すると期待されるサーバーと相互運用するための適切な認証情報を持つことを保証すること。これらの課題は、プロビジョニングと呼ばれるプロセスに大まかに分類できます。

基本プロビジョニングプロセス

プロビジョニングプロセスでの最大の課題は、デバイスとネットワーク/サーバーへの接続が安全であることを保証する能力です。これは非対称および対称暗号技術、およびデジタル証明書の存在に大きく依存します。

非対称暗号化では、数学的に関連した公開/秘密鍵ペアがあります。公開鍵で暗号化すれば、対応する秘密鍵のみが復号できます。これは、同じ鍵で暗号化と復号を行う対称暗号化とは対照的です。対称暗号化は、非対称暗号化より少ないリソース（鍵のビット数が少ない、結果として暗号化が高速）でより強力なセキュリティを達成できます。しかし、対称暗号化では鍵を第三者に見られない方法で交換する必要があります。通常は、宛先の公開鍵でプレマスターキーを暗号化し、宛先に送り、宛先が自分の秘密鍵でプレマスターキーを復号し、共有セッションキーを生成します。これがDiffie-Hellman鍵交換が、非対称暗号化を活用したハンドシェイクで、より高速・強力な対称暗号化を可能にする仕組みです。

ステップ1：デバイス登録

プロビジョニングの第一要件は、IoTデバイスが固有のアイデンティティメカニズムを持つことです。これはデバイス製造プロセスの一部として、アイデンティティチップを部品表に含めるか、最近多くのマイクロプロセッサーメーカーが行っているように、製造時に固有のアイデンティティ（公開鍵と秘密鍵）をプロセッサーに書き込むことで実現できます。これはサプライチェーン中のプロビジョニングと呼ばれます。

ステップ2：鍵生成

IoTデバイスがTPM（Trusted Platform Module）のような固有アイデンティティチップを持っているか、製造時に公開/秘密鍵セットがインストールされていれば、この鍵生成はすでに完了しています。しかし、鍵セットが存在しない場合、インストーラーはOpenSSLなどのツールで生成できます。またはクラウドプロバイダーを使用する場合、サービスプロバイダーが通常鍵生成メカニズムを持っています。公開鍵と秘密鍵はデバイスに保存する必要があり、秘密鍵はデバイスから現場で読み出されないよう何らかの保護ストレージに配置する必要があります。セキュリティ上の理由から、RSAベースのアルゴリズムを使用する場合は鍵を少なくとも2048ビット以上、楕円曲線ベースのアルゴリズムの場合は256ビット以上にすることが推奨されます。

ステップ3：証明書生成

アクティベーション時に、デバイスは証明書署名要求（CSR）を生成し、認証局（CA）に送って署名してもらいます。CAは通常、DigiCert、GlobalSign、またはクラウドサービスプロバイダーのような信頼できるサードパーティです。デバイスはCSRに公開鍵とメタデータを送り、CAがSSL証明書（通常X.509証明書）を生成し、CAの秘密鍵で署名してデバイスに返します。デバイスが証明書を持てば、トランスポートレイヤーセキュリティ（TLS）ハンドシェイクに参加し、サーバーへの暗号化リンクを確立できます。証明書が信頼できるサードパーティの秘密鍵で署名されているため、証明書内の公開鍵に関連付けられた秘密鍵を制御するデバイスが既知かつ信頼できると断定できます。

「自己署名証明書」を生成することも可能です。例えばデバイスが社内製造されメーカーのみで使用される場合、外部CAによる認証は不要です。OpenSSLなどのツールで公開/秘密鍵ペアと証明書を生成し、製造ラインから出る際にデバイスのセキュアストレージにコピーできます。

ステップ4：デバイスプロビジョニング

鍵と証明書により、デバイスはTLSまたはデータグラム版TLSであるDTLSを介して安全なリンクを開始し、サービスプロバイダーにアイデンティティを主張できます。TLS/DTLSハンドシェイクで対称暗号化鍵が確立され、デバイスとサービスプロバイダー間のその後の安全なデータ転送に使用されるため、デバイスを登録し、ステップ1でサービスプロバイダーと生成したレコードにデータを格納できます。

このハンドシェイクは、安全な鍵交換を実装し対称暗号化リンクを確立するために使用されます。リンクが確立されれば、データをデバイスからサーバーへ、サイバー攻撃による侵害の恐れなく転送できます。例えば、中間者攻撃（MITM）では、中継者が通信を傍受しますが、バルク暗号化で使用される対称鍵がないため防止されます。新しいバージョンのTLSハンドシェイク（TLS 1.3）では、このメッセージ交換が大幅に短縮され、デバイスからデータ収集システムへの低レイテンシー転送をサポートします。

大量プロビジョニング：人的介入なしで数千台を展開

ここまでは、シングルトンや少数デバイスでの人的関与を前提にプロビジョニングを議論してきました。セキュリティも、デバイスを元のパッケージから取り出す人間がデバイスの真正性を証言できることに大きく依存していました。しかし、産業規模で作業する場合、人間が物理的に関与する要件は非現実的です。

例えば、最新のスマートビルには、環境光センサー、空気質センサー、室内占有判定用マイク、温湿度センサーなど、数千のセンサーが含まれます。人間がこれらを手動でプロビジョニングしようとすれば、たちまちフルタイムジョブになります。しかし、これらのデバイスのアイデンティティとセキュリティ認証情報は保証される必要があります。では、人的介入なしでデバイスを大量プロビジョニングするにはどうすればよいでしょうか。

まず、産業用IoTデバイスにも冒頭で議論した2つの基本要件があることを理解する必要があります。オペレーターはデバイスをネットワークに関連付け、デバイスのアイデンティティとセキュリティを検証してから、センサー出力を収集・分析するサーバー/サービスプロバイダーへのアクセスを許可する必要があります。ネットワークへの物理接続は通信媒体によって異なり、アイデンティティを主張するにはデジタル証明書の使用が必要です。大量プロビジョニングをサポートするには、公開/秘密鍵ペアとデバイス証明書をサプライチェーンに組み込むのが最善です。そうすればデバイスは箱から出してすぐ、証明書署名要求を生成し、プロビジョニングハンドシェイクを処理できる状態になります。

無線プロトコル別のプロビジョニング戦略

自然に、多くのIoTデバイスは何らかの無線プロトコルを使用します。特にグリーンフィールド用途では。セルラー、Wi-Fi、Zigbee、LoRaWAN、SigFoxなど多数の選択肢があります。しかし、レガシー用途をアップグレードする場合、Ethernet、RS-485、ProfiBus、その他多くの古い有線技術がまだ使用されている可能性があります。有線インターフェースの場合、ネットワークアクセスはデバイスにケーブルを挿すだけで済むこともあります。しかし、無線プロトコルはやや複雑です。

セルラー接続の場合、プロビジョニングは加入者識別モジュール（SIM）カードや、新しい埋め込み型eSIMモジュールの形でキャリアによって処理される可能性が高いです。キャリアがデバイスの国際移動体機器識別番号（IMEI）を取得し、内部データベースで特定のSIM/eSIMと関連付けると、キャリアはデバイスを特定するユニークな手段を持ちます。このユニークなアイデンティティは、デバイスをキャリアネットワークの正当なメンバーとして検証し、デバイスへのオーバーザエア（OTA）プロビジョニングを提供するために使用されます。したがって、IMEI番号と関連付けられたSIM/eSIMのリストがあれば、すべてのデバイスをさらなる人的介入なしでアクティベート/プロビジョニングできます。同じアプローチを、LoRaWANのような他のセルラー類似無線技術にも適用できます。

スマートビルでますます採用されているBluetoothメッシュなどの技術も、デバイスに埋め込まれた公開/秘密鍵ペアとデジタル証明書に基づく、明確に定義されたプロビジョニングプロトコルと関連セキュリティハンドシェイクを通じて、人的介入なしでミリ秒単位で新デバイスをネットワークに安全に追加できます。同じ種類のプロビジョニングシナリオが、多くのIoT接続オプションで見られます。

IoTプロビジョニングの総括

デバイスをネットワークに接続しプロビジョニングするには、セキュリティとプロビジョニングプロセスについてかなりの検討が必要です。幸い、サプライチェーンセキュリティ認証情報と新しいプロビジョニングプロトコル・技術により、プロセスは最小限の人的介入と、過去より大幅に少ない時間で完了できます。自動証明書生成と明確に定義されたセキュリティプロトコルにより、デバイスが有効なアイデンティティを持ち、常に自分たちとサーバー/サービスプロバイダー間で安全な鍵生成と暗号化通信を使用することを保証できます。

主要クラウドサービスプロバイダーは、プロビジョニングメカニズムにかなりの考慮を払っており、明確に定義されたプロビジョニングステップとプロトコルを持っています。残念ながら、各サービスプロバイダーは異なるAPIセットとアプローチを使用します。しかし、一般的なプロビジョニングフローはベンダー間で同じであり、大量展開のケースでは容易に自動化できます。また、レガシーや社内インフラが必要な企業向けに、IoTプロビジョニングデバイスと自動化アプローチに焦点を当てた多数の企業も存在します。したがって、コンシューマーであれエンタープライズであれ、誰もがいつかプロビジョニングの問題を検討する必要がありますが、少なくとも既存のアプローチを活用でき、新たな道を切り開く必要はありません。

この記事は、Mike Anderson（組み込みシステムアーキテクト、業界コンサルタント）によって執筆されました。詳細はMr. Andersonまで：This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. または https://info.hotims.com/82319-160 .