JP6873375B2 - 通信装置、通信システム及び通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信装置、通信システム及び通信方法に関する。

下記特許文献１には、通信システムで通信されるメッセージの正／不正を簡易な構成で判定することを目的とする通信システムが開示されている。この通信システムは、複数の通信装置がメッセージを通信可能に通信線に接続された通信システムにおいて、通信装置には通信されるメッセージに対して規定された通信間隔が設定されており、メッセージを送信する通信装置は上記規定された通信間隔に基づいてメッセージを送信するものであり、送信されたメッセージを受信する通信装置は、当該受信したメッセージの通信間隔を検出し、この検出した通信間隔と上記規定された通信間隔との差を上記検出した通信間隔を正常と判断する範囲として設定された基準範囲と比較することにより上記受信したメッセージの正／不正を判定するものであり、上記基準範囲が上記送信されたメッセージが衝突した後に新たにメッセージが送信されるときの通信間隔と上記規定された通信間隔との間の誤差を含むように設定されてなるものである。

特許第５６６４７９９号公報

ところで、背景技術では、実際に検出した２つの受信メッセージの通信間隔を基準範囲と比較することにより受信メッセージの正／不正を判定するが、正規メッセージを不正メッセージと判定する虞が高いという問題点がある。すなわち、背景技術における基準範囲は、送信されたメッセージが通信回線上で衝突した後にメッセージが再度送信されるときの通信間隔と規定された通信間隔との間の誤差を含むように設定されるが、この誤差を正確に見積ることは困難あるいは煩雑な作業を必要とするものである。したがって、上記背景技術では基準範囲を適切に設定することが困難なために、不正メッセージを発信する不正装置を的確に発見することが困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、不正メッセージを発信する不正装置を従来よりも的確に発見することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、通信装置に係る第１の解決手段として、送信間隔が規定された通信プロトコルに準拠してメッセージを送受信する通信装置であって、複数の前記メッセージにおける受信周期の積算値に基づいて不正装置からの受信の発生を検知する不正通信検知手段を備える、という手段を採用する。

本発明では、通信装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記通信プロトコルは、前記メッセージの種別毎に前記送信間隔が規定されており、前記不正通信検知手段は、前記種別毎の前記積算値に基づいて前記不正装置からの受信の発生を検知する、という手段を採用する。

本発明では、通信装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記不正通信検知手段は、前記メッセージ毎に受信タイムスタンプを保存し、前後の前記受信タイムスタンプの差分を前記受信周期として計算し、所定数の前記メッセージに関する前記受信周期の合計を前記積算値として計算する、という手段を採用する。

本発明では、通信装置に係る第４の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記不正通信検知手段は、所定の期間を計時する度にカウントアップすると共に前記メッセージの受信毎にリセットされる周期カウンタを備え、連続する２つの前記期間における前記周期カウンタの計数値の合計値を前記積算値とする、という手段を採用する。

本発明では、通信装置に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記通信プロトコルは、ＣＡＮ（Controller Area Network）プロトコルである、という手段を採用する。

また、本発明では、通信システムに係る解決手段として、上記第１〜第５のいずれかの解決手段に係る複数の通信装置と、該通信装置を相互に接続する通信回線とを備える、という手段を採用する。

さらに、本発明では、通信方法に係る解決手段として、送信間隔が規定された通信プロトコルで複数の通信ノードがメッセージの送受信を行う通信方法であって、前記メッセージを受信する通信ノードは、複数の前記メッセージにおける受信周期の積算値に基づいて不正な通信ノードからの受信の発生を検知する、という手段を採用する。

本発明によれば、複数のメッセージにおける受信周期の積算値に基づいて不正な送信装置あるいは送信ノードからの受信の発生を検知するので、不正メッセージを発信する不正装置を従来よりも的確に発見することが可能である。

本発明の一実施形態に係る通信システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る通信装置の要部動作を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態の変形例に係る通信装置の要部動作を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る通信装置、通信システム及び通信方法ついて説明する。本実施形態に係る通信システムは、図１に示すように通信回線Ｎと複数（ｎ個）の通信装置Ａ１〜Ａｎ及び不正装置Ｆを備えている。この通信システムは、各通信装置Ａ１〜Ａｎ及び不正装置Ｆが通信回線Ｎを介して相互に接続され、所定の通信プロトコルに準拠したメッセージ（通信フレーム）の送受信を行うものである。

上記通信プロトコルは、上記メッセージの送信間隔が仕様の１つとして規定されたものであり、例えば車両に搭載されるＣＡＮ（Controller Area Network）プロトコルである。ＣＡＮプロトコルでは、メッセージに幾つかの種別が定義されており、この種別毎に複数の識別子（ＩＤ：Identification）が規定されている。この識別子は、メッセージの種別を示すと共にメッセージの送受信における優先順位をも示すものである。ＣＡＮプロトコルでは、このような識別子毎にメッセージの送信間隔Ｄを規定することができる。

通信回線Ｎは、上記メッセージを電気的に伝送する通信線路であり、図示するように信号線Ｔと一対の終端抵抗器Ｌ１、Ｌ２を備えている。信号線Ｔは、例えば一対の電線を撚り合わせたツイストペア線であり、上記メッセージを信号伝送すると共にコモンモードノイズを抑制する機能を備える。この信号線Ｔは、一端に終端抵抗器Ｌ１が設けられ、他端に終端抵抗器Ｌ２が設けられている。一対の終端抵抗器Ｌ１、Ｌ２は、上記信号線Ｔの両端における電気的な反射を抑制するためのものであり、信号線Ｔが固有に有する特性インピーダンスにマッチングした抵抗値を有する。

ｎ個の通信装置Ａ１〜Ａｎは、上記通信プロトコルに準拠したメッセージを通信回線Ｎを介して相互に送受信する送受信装置である。すなわち、各通信装置Ａ１〜Ａｎは、上記通信プロトコルに準拠したメッセージ（送信メッセージＭｓ）を生成して通信回線Ｎに出力すると共に、通信回線Ｎから入力されたメッセージ（受信メッセージＭｊ）の内容を解読する。このようなｎ個の通信装置Ａ１〜Ａｎは、本発明における通信ノードに相当する。

ここで、各通信装置Ａ１〜Ａｎは、図２に示す詳細構成を備えている。すなわち、各通信装置Ａ１〜Ａｎは、送受信部１、送信処理部２、受信処理部３及びなりすまし検知部４（不正通信検知手段）を備えている。送受信部１は、上述したメッセージを通信回線Ｎとの間で電気的に授受する。すなわち、この送受信部１は、送信処理部２から入力された送信メッセージＭｓに電気的な出力処理を施して通信回線Ｎに出力すると共に、通信回線Ｎから入力された受信メッセージＭｊに電気的な入力処理を施して受信処理部３及びなりすまし検知部４に出力する。

送信処理部２は、外部の上位系から入力された情報に基づいて送信メッセージＭｓを生成して送受信部１に出力する。受信処理部３は、送受信部１から入力された受信メッセージＭｊに所定の論理処理を施して受信メッセージＭｊの内容を解読して外部の上位系に出力する。

なりすまし検知部４は、送受信部１から入力される複数の受信メッセージＭｊにおける受信周期の積算値に基づいて不正装置Ｆからの受信の発生を検知する。このなりすまし検知部４は、図２に示すように受信間隔計算部４ａ、受信回数計算部４ｂ及び判定部４ｃを備えており、検知結果を受信処理部３に出力する。このようななりすまし検知部４は、本発明における不正通信検知手段に相当する。

受信間隔計算部４ａは、送受信部１から受信メッセージＭｊが入力される度に受信メッセージＭｊ毎にタイムスタンプ（受信タイムスタンプ）を保存し、識別子毎に時系列的に前後の受信メッセージＭｊのタイムスタンプの差分を受信周期Ｐとして計算する。より正確には、上述したようにメッセージには個々に識別子（ＩＤ）が設定され、また識別子（ＩＤ）毎に送信間隔Ｄが規定されるので、受信間隔計算部４ａは、上記タイムスタンプを受信メッセージＭｊの識別子（ＩＤ）毎に保存する。

また、この受信間隔計算部４ａは、所定数の受信メッセージＭｊに関する受信周期Ｐを積算することにより受信周期Ｐの積算値Ｓを計算し、当該受信周期Ｐの積算値Ｓを判定部４ｃに出力する。すなわち、この受信間隔計算部４ａは、上記積算値Ｓを識別子（ＩＤ）毎に計算して判定部４ｃに出力する。

受信回数計算部４ｂは、送受信部１から順次入力される受信メッセージＭｊの個数を順次計数するカウンタ（受信カウンタ）である。この受信回数計算部４ｂは、受信メッセージＭｊの個数として所定数を計数すると、判定部４ｃにカウントアップ信号を出力する。上記所定数は、３以上であり、例えば「５」である。

判定部４ｃは、受信間隔計算部４ａから入力される積算値Ｓ及び受信回数計算部４ｂから入力されるカウントアップ信号に基づいて、受信メッセージＭｊに各通信装置Ａ１〜Ａｎ以外の不正装置Ｆからの受信の発生を判定する。すなわち、この判定部４ｃは、受信回数計算部４ｂからカウントアップ信号が入力されたときの積算値Ｓを所定の判定しきい値と比較することにより、不正装置Ｆからの受信の発生を判定する。また、この判定部４ｃは、上記判定の結果を検知信号Ｈとして受信処理部３に出力する。

不正装置Ｆは、上述した通信プロトコルに準拠した通信能力を備えているものの、本来的に通信システムに存在しない通信装置である。すなわち、この不正装置Ｆは、通信回線Ｎに不正に接続された通信装置であり、不正な送信メッセージ（不正メッセージＭｂ）を生成して通信回線Ｎに出力する。

次に、このように構成された通信システムの動作（通信方法）、特になりすまし検知部４の動作について、図３をも参照して詳しく説明する。

この通信システムでは、メッセージ（通信フレーム）の構造（フレーム構造）が規定されているので、１つの送信メッセージＭｓで伝送できる情報量に制限がある。したがって、制限を超える情報量を伝送するためには、識別子が同一な複数の送信メッセージＭｓを識別子について規定された送信間隔Ｄを確保した状態で順次伝送させる必要がある。

例えば、通信装置Ａ１が上記制限を超える情報量を識別子Ｘの送信メッセージＭｓを用いて他の通信装置Ａ２〜Ａｎに伝送する場合、上記識別子Ｘについて規定された送信間隔で送信メッセージＭｓを通信回線Ｎに順次出力する。この結果、他の通信装置Ａ２〜Ａｎは、上記送信間隔で受信メッセージＭｊを順次受信することになる。なお、このような通信システムの構成要素として正規な通信装置Ａ１から受信した受信メッセージＭｊは、通信システムにおいて正規な正規メッセージＭａである。

このような状況において、不正装置Ｆが通信装置Ａ１になりすまして識別子Ｘの送信メッセージＭｓを通信回線Ｎに出力した場合、この送信メッセージＭｓは、通信装置Ａ１の正規メッセージＭａに対して規定の送信間隔を満足しない送信メッセージＭｓ（不正メッセージＭｂ）となる。

本実施形態におけるなりすまし検知部４は、このような不正装置Ｆからの不正メッセージＭｂの受信の発生を図３のタイミングチャートに示すように検知し、その検知結果を検知信号Ｈとして受信処理部３に出力する。

すなわち、なりすまし検知部４における受信間隔計算部４ａは、送受信部１から受信メッセージＭｊが入力される度に受信メッセージＭｊの識別子毎にタイムスタンプ（受信タイムスタンプ）を保存する。そして、受信間隔計算部４ａは、同一の識別子毎に前後の受信メッセージＭｊのタイムスタンプの差分を受信周期Ｐとして計算する。

ここで、図３に示すように、通信装置Ａ１から識別子Ｘの正規メッセージＭａを受信周期Ｐで順次受信している状態において、この正規メッセージＭａと同一の識別子Ｘの不正メッセージＭｂを受信すると、他の通信装置Ａ２〜Ａｎは、識別子Ｘについて受信周期Ｐとは異なる受信周期Ｐｂで正規メッセージＭａ及び不正メッセージＭｂを受信することになる。

受信回数計算部４ｂは所定数を計数する度にカウントアップ信号を判定部４ｃに出力するので、判定部４ｃにカウントアップ信号が入力されたタイミングにおいて、正規メッセージＭａのみを受信している場合に受信間隔計算部４ａから判定部４ｃに出力される積算値Ｓは、図３に示すように正規メッセージＭａ及び不正メッセージＭｂを受信している場合における積算値Ｓｂとは異なる値となる。

判定部４ｃは、受信回数計算部４ｂから入力される上記積算値Ｓを受信回数計算部４ｂからカウントアップ信号が入力されたタイミングで判定しきい値と比較する。すなわち、受信回数計算部４ｂは送受信部１が５個の受信メッセージＭｊを受信する度にカウントアップ信号を出力するので、判定部４ｃは、送受信部１が５個の受信メッセージＭｊを受信する度に受信回数計算部４ｂから入力される積算値Ｓを判定しきい値を用いて評価することになる。

そして、判定部４ｃは、この比較結果（評価結果）に基づいて送受信部１が不正メッセージＭｂを受信したか否かを示す検知信号Ｈを生成する。すなわち、この検知信号Ｈは、図３に示すように正規メッセージＭａのみを受信している場合と正規メッセージＭａ及び不正メッセージＭｂを受信している場合とで異なる状態となる。

本実施形態によれば、各通信装置Ａ１〜Ａｎが５個の受信メッセージＭｊにおける受信周期Ｐの積算値Ｓに基づいて不正メッセージＭｂの受信の発生を検知するので、２つの受信メッセージの通信間隔に基づいて不正メッセージの発生を判定する従来技術よりも的確に通信回線Ｎに対する不正装置Ｆの接続を検知することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、本発明における不正通信検知手段をなりすまし検知部４つまり受信間隔計算部４ａ、受信回数計算部４ｂ及び判定部４ｃによって構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、所定の期間を計時する度にカウントアップすると共に受信メッセージＭｊの受信毎にリセットされる周期カウンタと、連続する２つの上記期間における周期カウンタの計数値の合計値を積算値として計算し、この積算値を所定のしきい値と比較する判定部とによって本発明における不正通信検知手段（なりすまし検知部）を構成しても良い。

図４は、この変形例に係るなりすまし検知部の動作例を示すタイミングチャートであり、上記期間を送信間隔Ｄ（＝１０ｍｓ）とした場合を示している。周期カウンタは、１ｍｓを計時する度にカウントアップし、また受信メッセージのＭｊが入力されるとリセットされる。このような周期カウンタは、１０ｍｓを計時する間に送受信部１が正規メッセージＭａのみを受信する場合と送受信部１が正規メッセージＭａ及び不正メッセージＭｂを受信する場合とで異なる計数値を出力する。

送受信部１が正規メッセージＭａ及び不正メッセージＭｂを受信する場合、図４に示すように、最初の周期において送受信部１が正規メッセージＭａを受信したタイミングにおける周期カウンタの計数値は「１１」であり、不正メッセージＭｂを受信したタイミングにおける周期カウンタの計数値は「３」である。第２の周期において送受信部１が正規メッセージＭａを受信したタイミングにおける周期カウンタの計数値は「７」であり、不正メッセージＭｂを受信したタイミングにおける周期カウンタの計数値は「３」である。

また、第３の周期において送受信部１が正規メッセージＭａを受信したタイミングにおける周期カウンタの計数値は「７」であり、不正メッセージＭｂを受信したタイミングにおける周期カウンタの計数値は「３」である。さらに、第４の周期において送受信部１が正規メッセージＭａを受信したタイミングにおける周期カウンタの計数値は「６」であり、不正メッセージＭｂを受信したタイミングにおける周期カウンタの計数値は「３」である。

そして、連続する２つの期間つまり前後の２周期における周期カウンタの計数値の合計値（積算値）は、最初の周期において「１４」、第２の周期において「１０」、第３の周期において「１０」、第４の周期において「９」となる。

これに対して、送受信部１が正規メッセージＭａのみを受信する場合には、図４において不正メッセージＭｂが削除されるので、各周期における周期カウンタの計数値は、図４に示す値とは異なるものになり、よって前後の２周期における積算値も図４に示す値とは異なるものになる。そして、この変形例における判定部は、このようにして得られた積算値を所定のしきい値と比較することにより、送受信部１が不正メッセージＭｂを受信したか否かを判定する。

このような変形例において、上述した実施形態と同様に複数の受信メッセージＭｊに基づいて不正メッセージＭｂの受信を判定するので、従来よりも的確に通信回線Ｎに対する不正装置Ｆの接続を検知することが可能である。

（２）上記実施形態では、ＣＡＮプロトコルに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、送信間隔が規定される通信プロトコルであれば、ＣＡＮプロトコル以外の通信プロトコルにも適用可能である。

Ｎ 通信回線
Ａ１〜Ａｎ 通信装置（通信ノード）
Ｆ 不正装置
Ｔ 信号線
Ｌ１、Ｌ２ 終端抵抗器
１ 送受信部
２ 送信処理部
３ 受信処理部
４ なりすまし検知部（不正通信検知手段）
４ａ 受信間隔計算部
４ｂ 受信回数計算部
４ｃ 判定部

Claims (6)

1. 送信間隔が規定された通信プロトコルに準拠してメッセージを送受信する通信装置であって、
   前記通信プロトコルは、前記メッセージの種別毎に前記送信間隔が規定されており、
   種別毎の複数の前記メッセージにおける受信周期の積算値が所定の判定しきい値を下回った場合に不正装置からのなりすまし受信の発生を検知する不正通信検知手段を備えることを特徴とする通信装置。
2. 前記不正通信検知手段は、前記メッセージ毎に受信タイムスタンプを保存し、前後の前記受信タイムスタンプの差分を前記受信周期として計算し、所定数の前記メッセージに関する前記受信周期の合計を前記積算値として計算することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記不正通信検知手段は、所定の期間を計時する度にカウントアップすると共に前記メッセージの受信毎にリセットされる周期カウンタを備え、連続する２つの前記期間における前記周期カウンタの計数値の合計値を前記積算値とすることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
4. 前記通信プロトコルは、ＣＡＮ（Controller Area Network）プロトコルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の通信装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の複数の通信装置と、
   該通信装置を相互に接続する通信回線と
   を備えることを特徴とする通信システム。
6. 送信間隔が規定された通信プロトコルで複数の通信ノードがメッセージの送受信を行う通信方法であって、
   前記通信プロトコルは、前記メッセージの種別毎に前記送信間隔が規定されており、
   前記メッセージを受信する通信ノードは、種別毎の複数の前記メッセージにおける受信周期の積算値が所定の判定しきい値を下回った場合に不正な通信ノードからのなりすまし受信の発生を検知することを特徴とする通信方法。
   

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