スワーム分散通信セキュリティ技術仕様書（耐量子・ハッキング対策）

1. 概要

本ドキュメントは、UAV / AUV スワーム制御（uav_swarm_control）、マルチドメインシミュレータ（EvoMobilitySim）、およびエッジ通信クライアント（EvoDeviceClient）における、機体同士（P2P）および地上管制塔（Ground Control Tower）間の通信ハッキング対策・耐量子セキュリティ（Post-Quantum Resilience）の設計と実装仕様を定めます。

2. 脅威モデルとセキュリティ要件

空中（UAV）、水中（AUV）、陸上（UGV）の自律移動体群と地上管制塔が分散協調する環境において、以下の脅威に対処します。

flowchart TD
    subgraph Threats["想定されるサイバー脅威"]
        T1["なりすまし / 不正機体侵入<br/>(Spoofing / Sybil Attack)"]
        T2["メッセージ改ざん / MITM<br/>(Tampering / Man-in-the-Middle)"]
        T3["リプレイ攻撃<br/>(Replay Attack)"]
        T4["不正管制コマンド注入<br/>(Unauthorized Command Injection)"]
        T5["将来の量子コンピュータによる解読<br/>(Quantum Grover/Shor Attacks)"]
    end

    subgraph Defense["防御アーキテクチャ (Comm.security)"]
        D1["相互ノード・ロール認証<br/>(KeyStore & Role Authorization)"]
        D2["正準JSON決定論的署名<br/>(HMAC-SHA256/512 Integrity)"]
        D3["時間窓 + Nonceスライディングキャッシュ<br/>(AntiReplayCache)"]
        D4["管制塔専用署名 + 権限強制<br/>(Control Tower Signature Enforcement)"]
        D5["耐量子ハイブリッドトークン<br/>(SHA3-512 Sponge Lattice Guard)"]
    end

    T1 --> D1
    T2 --> D2
    T3 --> D3
    T4 --> D4
    T5 --> D5

3. 通信シーケンスと検証フロー

機体から地上管制へのアップリンク、および地上管制からの航路指示・緊急回避コマンドの送受信シーケンスは下図の通りです。

sequenceDiagram
    autonumber
    participant A as UAV / AUV (Edge)
    participant C as Ground Control Tower
    participant S as SQLite Security Audit Store

    A->>A: Canonicalize JSON & Sign (HMAC-SHA256/512 + PQC Token)
    A->>C: POST /api/v1/swarm/state (with security header)
    Note over C: Validate Timestamp Drift (|Δt| <= 10s)<br/>Check Nonce in AntiReplayCache<br/>Verify HMAC Signature & PQC Token
    alt Verification Success
        C->>C: Ingest into AOI Read-Model
        C->>C: Generate & Sign Coordination Commands
        C-->>A: Return Response (HTTP 200 OK)
    else Signature Mismatch or Replay Detected
        C->>S: Log security_tamper_detected / security_replay_rejected
        C-->>A: Reject Payload (403 Forbidden or Non-Ingested)
    end

4. セキュリティヘッダー仕様

すべての DeviceStateEnvelope、TrajectoryUpdateEnvelope、および CoordinationCommand に付与される security ヘッダー構造です。

{
  "node_id": "uav-tokyo-01",
  "role": "aircraft",
  "plan_generation": 4,
  "battery_percent": 88.5,
  "link_quality": 0.94,
  "payload": {
    "area_id": "Tokyo Central AOI",
    "run_id": "run-20260916-001",
    "position": {"x_m": 120.0, "y_m": 250.0, "altitude_m": 65.0},
    "velocity_mps": {"x_mps": 12.0, "y_mps": 0.0, "z_mps": 0.0}
  },
  "security": {
    "version": "1.0",
    "key_id": "evospikenet-swarm-default-key-v1",
    "algorithm": "PQC-HYBRID-SHA256",
    "timestamp_ns": 1758000000000000000,
    "nonce": "9f8e7d6c5b4a3120efcdab8967452301",
    "sender_id": "uav-tokyo-01",
    "role": "aircraft",
    "signature": "3a7b9c1d2e3f405162738495a6b7c8d90123456789abcdef0123456789abcdef",
    "pqc_token": "a1b2c3d4e5f60718293a4b5c6d7e8f901a2b3c4d5e6f7a8b9c0d1e2f3a4b5c6d"
  }
}

5. 耐量子暗号（PQC）ハイブリッド設計

Grover 耐性 (Quantum Search Attack Resistance):
256ビットおよび512ビットの秘密鍵を採用。Grover の量子検索アルゴリズムに対しても、最低 \(2^{128}\) 以上の有効計算量を確保。
耐量子スポンジガード（SHA3-512 Sponge Lattice Guard）:
PQC シードと正準データ、タイムスタンプ、Nonce を SHA3-512 スポンジ構成でミキシングしたガードトークン（pqc_token）を生成・検証。
クリプトアジリティ（Crypto Agility）:
将来の NIST PQC 標準（ML-DSA / CRYSTALS-Dilithium, Falcon, SPHINCS+）への移行が可能なプラグイン構造。

6. 各プロダクトでの設定環境変数

環境変数	対象プロダクト	デフォルト値	説明
`EVODEVICE_SECURITY_ENABLED`	EvoDeviceClient	`true`	セキュリティ機能の有効化
`EVODEVICE_SECURITY_STRICT`	EvoDeviceClient	`false`	厳格モード（未署名メッセージの完全遮断）
`EVODEVICE_SECURITY_ALGO`	EvoDeviceClient	`PQC-HYBRID-SHA256`	暗号アルゴリズム（`PQC-HYBRID-SHA256` / `PQC-HYBRID-SHA512` / `HMAC-SHA256`）
`EVODEVICE_SECURITY_KEY_ID`	EvoDeviceClient	`evospikenet-swarm-default-key-v1`	鍵識別子
`EVODEVICE_SECURITY_MAX_DRIFT_S`	EvoDeviceClient	`10.0`	リプレイ防止用の許容最大時刻ズレ（秒）
`UAV_SECURITY_ENABLED`	uav_swarm_control	`1`	地上管制セキュリティ機能の有効化
`UAV_SECURITY_STRICT`	uav_swarm_control	`0`	地上管制厳格モード
`EVOMOBILITYSIM_SECURITY_ENABLED`	EvoMobilitySim	`true`	シミュレータセキュリティの有効化