ネットワークスペシャリスト午後II 総合事例記述令和7年 春期
午後II 問2
問2 IoT システムの設計
テーマ：LPWA・CoAPを利用したIoTシステムの設計とセキュリティ対策
左右2分割表示：左側の問題文をスクロールしながら右側の設問に解答できます
長文事例本文
図表クリックで拡大問2 IoT システムの設計に関する次の記述を読んで，設問に答えよ。
Y 社は，LP ガスメーターを製造し，全国の LP ガス販売業者に販売している。このたび，Y 社では，LP ガス販売業者向けに LP ガス使用量の遠隔検針サービスを開始することになり，遠隔検針機能をもつ Y 社製 LP ガスメーター（以下，G メーターという），G メーターを管理するサーバなどから構成される IoT システムを開発することにした。
IoT システム開発プロジェクトチームの責任者には，W 課長が任命された。W 課長は，IoT システムの要件として次の二つを設定し，プロジェクトチームのメンバーでネットワーク技術者の X 主任に，IoT システムの機能と構成の検討を指示した。
（1）G メーターは全国に設置されるので，全国規模で提供可能な IoT 向けの無線回線を利用すること
（2）G メーターは電池で動作させるので，長時間の稼働を可能にすること
〔IoT 向けの無線技術の調査と無線回線の選定〕
最初に，X 主任は，IoT 向けの無線技術を調査し，調査結果を次のようにまとめた。
・IoT 向けには，LPWA（Low Power Wide Area）と呼ばれる，低 a 電力の無線通信技術が利用される。
・LPWA は，セルラー系と非セルラー系の二つに大別される。b 系には LoRaWAN，Sigfox などがあり，c 系には LTE-M（LTE Cat.M1），NB-IoT（LTE Cat.NB1）などがある。
・LoRaWAN，Sigfox は，日本では Sub-GHz 帯の一つである 920 MHz 帯を利用する。920 MHz 帯は Wi-Fi が利用する周波数帯と同様に，d バンドと呼ばれる周波数帯であるが，2.4 GHz 帯と比べて電波 e の影響が少ない。
・LTE-M，NB-IoT は，f と呼ばれる標準化プロジェクトが作成した技術仕様を基に，通信事業者が全国規模で構築した LTE 網でサービスが提供されている。
調査の結果，LTE-M を利用すれば全国の幅広い地域で IoT システムを稼働させることができることが分かった。次に，X 主任は，LTE-M を利用した IoT 向けのサービスを提供している企業の中から Z 社を選定し，Z 社の IoT 向け通信サービスについて調査することにした。
〔Z 社の IoT 向け通信サービスの調査〕
Z 社の IoT 向け通信サービスは，LPWA 閉域接続サービスと IPsec VPN を用いて顧客ごとに閉域網を構成する。
Z 社の IoT 向け通信サービスを利用したときの IoT システムの構成を図1に示す。
拡大
Z 社は，GW とルータとの間を専用線で接続し，Z 社サービス拠点と Y 社サービス拠点との間は IPsec VPN で接続することによって，Y 社向けの閉域網を構成する。
図1中の IPsec ルータ1で動作する IKEv2 は，IPsec ルータ2との間で，四つのメッセージの交換を g 往復で行い，SAD（Security Association Database）を作成する。IPsec ルータ1の SPD（Security Policy Database）中のセレクターには，h 宛てのパケットを受信したとき，SAD を参照して IPsec の処理を行うことが設定されている。
閉域網が構成されることによって，G メーターと IPsec ルータ2に接続する予定の G メーター管理サーバとの通信は，プライベート IP アドレスで行うことができる。G メーターには，通信事業者が契約者を識別する情報を記録している i カードを装着する。
X 主任は，Z 社の IoT 向け通信サービスの利用料を，次の条件を基に試算した。
・G メーター1台当たりの1回の検針時の通信量を 100 バイトとし，1時間ごとに検針を実施する。
・通信費は1か月の通信量 1,000 バイト当たり1円とし，G メーターごとに割り当てる1回線当たりの基本料金は月額 300 円とする。
この条件から，Z 社の IoT 向け通信サービスを利用すると，1か月が 30 日の場合，G メーター1台当たりの検針に必要な1か月の利用料は j 円なので，LP ガス販売業者向けに安価な遠隔検針サービスを提供できることが分かった。
次に X 主任は，G メーターと G メーター管理サーバとの間でデータを送受信するための通信プロトコルを検討した。IoT 向けの通信プロトコルには，RFC 7252 で標準化された CoAP（Constrained Application Protocol）と OASIS 標準メッセージングプロトコルである MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）がある。CoAP は，Web システムにおける API の形式である k アーキテクチャを採用しているので，Web 技術で IoT システムを構築する場合に適している。そこで，X 主任は，CoAP について調査した。
〔CoAP の調査〕
CoAP は，伝送効率を考慮して標準では UDP を利用し，データの保護が必要な場合は，RFC 9147 で標準化された DTLS（Datagram TLS）を利用することができる。
CoAP のメッセージ形式を図2に示す。
拡大
CoAP では，確認が必要なメッセージ（以下，CON という），確認が不要なメッセージ（以下，NON という），確認応答メッセージ（以下，ACK という），リセットメッセージの4種類が定義されており，図2中のタイプでメッセージ種類を指定する。CoAP サーバ及び CoAP クライアントは，CON を受信したときは ACK を返送し，NON を受信したときは ACK を返送しない。
図2中のコードは，要求の場合，メソッドコードを示し，応答の場合，レスポンスコードを示す。メソッドコードを表1に，レスポンスコードを表2に示す。
拡大
拡大
メッセージ ID は，要求と応答のメッセージを関連付けるとともに，メッセージの重複を検出するのに使用される。CoAP は，l 層のプロトコルである UDP 上での動作を前提としている。通信品質の劣るネットワークなどでは，パケットが m で到着したり，n して出現したり，通知なしに消失したりすることがあるので，CoAP は，メッセージ ID を利用することによって，送受信が正しく行われるための仕組みを実装している。
トークンは，要求した情報と応答された情報を関連付けるために使用される。CoAP クライアントはトークンの値によって，どの要求に対して応答された情報なのかを判断する。
CON と ACK を用いた通信例を図3に示す。
拡大
図3中の(ⅰ)では，CoAP クライアントは，CON に対して返送された ACK によって，CON が CoAP サーバに到達して処理されたことが分かることを示している。CoAP では，図3中の(ⅰ)に示したように，ACK の受信を待たずに連続して CON を送信することができる，非 o 通信が行われる。
(ⅱ)では，ACK 不達時に，CON の再送によって CON 又は ACK を確実に到達させることを示している。(ⅱ)に示したように，CoAP クライアントは CON を送信後，デフォルトのタイムアウト時間である a の時間 ACK の受信を待ち，ACK が受信できなかった場合は，指数 p と呼ばれる方式で算出した b の時間経過後に CON を再送する。図3で示したように，CoAP では，CON に対する ACK の返送及び CON の再送によって，パケットロスなどが発生するネットワークを利用した場合も，確実な通信を行うことができる。
IoT 向けの機器は，サーバにデータの提供を要求する場合がある。このような場合，要求したデータと応答されたデータを関連付けるのにトークンが利用される。
機器がサーバにデータの提供を要求したときのトークンの使用例を図4に示す。
拡大
図4では，機器がサーバ宛ての CON の中で，提供を求めるデータに 0x10 という値のトークンを指定している。この要求を受信したサーバは，提供するデータに 0x10 という値のトークンを付与して応答する。機器は，トークン値から要求したデータとしてデータ A が回答されたことを知ることができる。
図4中の ACK には，Content のデータも含まれている。このように，CoAP では，ACK に Content のデータを加えて送信する，ピギーバックと呼ばれる応答方式が利用される。
機器が連続してサーバに異なるデータの提供を要求する場合もある。
機器が連続してサーバに異なるデータの提供を要求したときの応答例を図5に示す。
拡大
図5中の①(ⅳ)は，サーバが要求を受信したときにデータをすぐに送信できない場合の応答である。②(ⅱ)を受信したサーバはデータを送信できている。(ⅶ)は，ネットワーク上の何らかの原因によって，(ⅵ)と重複した ACK が機器に到達したことを示している。③(ⅶ)を受信した機器は，ACK が重複したものであると判断して，対応する処理を行う。
CoAP 通信で，データの保護が必要な場合は DTLS を利用する。DTLS は，TCP 通信のアプリケーション層のデータを暗号化する TLS の機能を UDP に適用した技術である。
DTLS バージョン 1.3（以下，DTLS 1.3 という）は，TLS バージョン 1.2（以下，TLS 1.2 という）と異なった方法で ClientHello メッセージの送信を求める。
TLS 1.2 と DTLS 1.3 のハンドシェークの違いを図6に示す。
拡大
図6中の(1)に示した TLS 1.2 のハンドシェークを UDP 上で行うと，④攻撃者が(ⅰ)の ClientHello メッセージの送信元を偽装して送信した場合，TLS サーバはパケットサイズの大きな(ⅱ)の ServerHello メッセージを返送することになり，TLS サーバが DDoS 攻撃の加害者になるおそれがある。この攻撃に対処するために，(2)に示した DTLS 1.3 のハンドシェークでは，(ⅰ)の ClientHello メッセージを受信した DTLS サーバが，(ⅱ)の HelloRetryRequest メッセージに cookie を添付して送信する。(ⅱ)を受信した DTLS クライアントは，受信した cookie を添付した(ⅲ)の ClientHello メッセージを再度送信する。⑤DTLS サーバは，(ⅲ)に添付された cookie を検査し，cookie が不正な場合は対応する処理を行う。
無線回線の選定及び Y 社拠点に導入する G メーター管理サーバとの間で利用する CoAP の調査が終わったので，X 主任は，IoT システムの機能と構成の検討に取り掛かった。
〔IoT システムの機能と構成の検討〕
まず，X 主任は，G メーター開発技術者から G メーターが送受信できる情報の説明を受け，次の2点の主要な機能を実現するための方式を検討した。
（1）遠隔検針
（2）異常通知
G メーター管理サーバは数万台の G メーターを管理することを前提に，G メーターで CoAP クライアント機能を，G メーター管理サーバで CoAP サーバ機能を動作させることにした。
X 主任が考えた，G メーターの動作を次に示す。
(1)について，G メーターは1時間ごとに LP ガスの流量積算値を測定して，測定時刻と測定値（以下，測定データという）をメモリに記録し，毎日午前0時の測定の後，⑥ランダムな時間経過後に，前日に測定した1時間ごとの測定データを 24 回に分けて G メーター管理サーバに送信する。⑦LP ガスの流量積算値の測定又は測定データ送信後，次の測定を行う時刻までの間は，G メーターはスリープ状態になる。
(2)について，G メーターはウェイクアップして測定を行うタイミングを利用して，G メーター自身の稼働状態をチェックし，異常を検知したときに異常内容を G メーター管理サーバに送信する。
X 主任は，G メーターの動作を基に，G メーターと G メーター管理サーバとの間の通信方法をまとめた。G メーターと G メーター管理サーバとの間の通信の概要を図7に，G メーターによる測定と測定データの送信タイミングを図8に示す。
拡大
拡大
図7中の（1）及び図8に示したように，G メーターは，毎日午前0時の測定を行った後，1時までの間のランダムな時間経過後に，1時間ごとに記録した1日分 24 件の測定データを，それぞれ POST メソッドで G メーター管理サーバに送信する。これによって，図7中の(1)では，G メーターが POST メソッドを 24 回発行することになる。⑧CoAP でやり取りされる IP パケットの数は，HTTP バージョン 1.1 を利用して同様の方法で測定データを送信する場合と比べると少ないので，測定データの通信時間は短くて済む。
図7で示した CoAP 通信で DTLS を利用すると，G メーターで実施する通信処理の負荷が，G メーターの性能に影響を与えるおそれがある。そこで，X 主任は，⑨今回開発する IoT システムでは，DTLS を利用しなくても CoAP 通信のセキュリティは確保されると判断し，DTLS は利用しないことにした。
G メーターは図8に示した動作を行うので，時計機能の実装が必要になる。G メーターに精度の高いリアルタイムクロックを実装しても，⑩G メーターを長時間稼働させると時刻の誤差が無視できないほど大きくなるおそれがある。そこで，X 主任は，⑪G メーターに時刻の誤差を抑えるための処理を組み込むことにした。
これらの検討を基に，X 主任は，IoT システムの構成を設計した。X 主任が設計した IoT システムの構成を図9に示す。
拡大
図9中の Y 社サービス拠点のサーバは，NTP サーバとの間で時刻同期を行う。
G メーター管理サーバは，全 G メーターから1日分の測定データを受信した後に，2時から G メーターごとに LP ガス消費量などを集計する。集計したデータは LP ガス販売業者別に情報提供サーバに送信される。情報提供サーバは，受信した情報を LP ガス販売業者向けに公開する。
G メーターから送信される異常情報は，G メーター管理サーバを介して情報提供サーバに送信される。情報提供サーバは，LP ガス販売業者宛ての異常通知メールを作成し，メールサーバに送信する。
IoT システムの機能と構成の検討が完了したので，X 主任は，検討結果を W 課長に報告した。W 課長は，報告内容を基に，IoT システム開発の概要を経営会議で提案した。提案内容が承認され，IoT システム開発プロジェクトが本格的に開始されることになった。
拡大図1 Z 社のIoT 向け通信サービスを利用したときのIoT システムの構成（抜粋）
拡大図2 CoAP のメッセージ形式
拡大表1 メソッドコード（抜粋）
拡大表2 レスポンスコード（抜粋）
拡大図3 CON とACK を用いた通信例
拡大図4 機器がサーバにデータの提供を要求したときのトークンの使用例
拡大図5 機器が連続してサーバに異なるデータの提供を要求したときの応答例
拡大図6 TLS 1.2 とDTLS 1.3 のハンドシェークの違い
拡大図7 G メーターとG メーター管理サーバとの間の通信の概要
拡大図8 G メーターによる測定と測定データの送信タイミング
拡大図9 X 主任が設計したIoT システムの構成（抜粋）
設問一覧 ＆ 解答・演習
まずは解答を作成してみましょう。「解答例を見る」をクリックするとIPA公式解答例と採点基準が開きます。
設問1 [ a ]記述問題
制限字数：10 字以内
本文中の a に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 10 文字
設問1 [ b ]記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の b に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 15 文字
設問1 [ c ]記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の c に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 15 文字
設問1 [ d ]記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の d に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 15 文字
設問1 [ e ]記述問題
制限字数：10 字以内
本文中の e に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 10 文字
設問1 [ f ]記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の f に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 15 文字
設問2 [ g ]記述問題
制限字数：5 字以内
本文中の g に入れる適切な数字を答えよ。
0 / 5 文字
設問2 [ h ]記述問題
制限字数：20 字以内
本文中の h に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 20 文字
設問2 [ i ]記述問題
制限字数：10 字以内
本文中の i に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 10 文字
設問2 [ j ]記述問題
制限字数：10 字以内
本文中の j に入れる適切な数字を答えよ。
0 / 10 文字
設問2 [ k ]記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の k に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 15 文字
設問3 (1) [ l ]記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の l に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 15 文字
設問3 (1) [ m ]記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の m に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 15 文字
設問3 (1) [ n ]記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の n に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 15 文字
設問3 (1) [ o ]記述問題
制限字数：10 字以内
本文中の o に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 10 文字
設問3 (1) [ p ]記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の p に入れる適切な字句を答えよ。
0 / 15 文字
設問3 (2)記述問題
制限字数：15 字以内
本文中の下線①について，(iv)で送信できなかったデータが送信されるメッセージを，図5 中の(i)〜(ix)で答えよ。また，そのメッセージが(i)の要求に対する応答であると判断できる理由を，15字以内で答えよ。
0 / 15 文字
設問3 (3)記述問題
制限字数：10 字以内
本文中の下線②について，サーバが送信したACK を，図5 中の(i)〜(ix)で答えよ。
0 / 10 文字
設問3 (4)記述問題
制限字数：30 字以内
本文中の下線③について，受信した機器が重複したACK であると判断する理由及び実施する処理を，それぞれ30字以内で答えよ。
0 / 30 文字
設問3 (5)記述問題
制限字数：40 字以内
本文中の下線④について，攻撃者が行う偽装の内容を，40字以内で具体的に答えよ。また，その攻撃は，複数のDDoS攻撃の手法の中で，何と呼ばれる手法の攻撃か。攻撃名を答えよ。
0 / 40 文字
設問3 (6)記述問題
制限字数：30 字以内
本文中の下線⑤について，cookie が正しい場合にDTLS サーバが判断できることを，30字以内で答えよ。また，cookie が不正なものであると判断した場合にDTLS サーバが行う対応を，30字以内で答えよ。
0 / 30 文字
設問4 (1)記述問題
制限字数：35 字以内
本文中の下線⑥について，測定データの送信をランダムの時間控えることによる効果を，35字以内で答えよ。
0 / 35 文字
設問4 (2)記述問題
制限字数：25 字以内
本文中の下線⑦について，スリープ状態になることによる効果を，25字以内で答えよ。
0 / 25 文字
設問4 (3)記述問題
制限字数：35 字以内
本文中の下線⑧について，HTTP バージョン1.1 を利用した場合，やり取りするIP パケットの数が多くなる理由を，35字以内で答えよ。
0 / 35 文字
設問4 (4)記述問題
制限字数：30 字以内
本文中の下線⑨について，DTLS を利用しなくてもセキュリティが確保されると判断した理由を，30字以内で答えよ。
0 / 30 文字
設問4 (5)記述問題
制限字数：30 字以内
本文中の下線⑩について，時刻の誤差によって発生する問題を，30字以内で答えよ。
0 / 30 文字
設問4 (6)記述問題
制限字数：40 字以内
本文中の下線⑪について，時刻の誤差を抑えるために考えられる，CoAP 通信を利用した処理の内容を，40字以内で答えよ。
0 / 40 文字
午後II長文記述の得点力を引き上げる定番対策書Amazon・楽天 公式提携
PR
IPA 厳選対策書徹底攻略 ネットワークスペシャリスト教科書 令和8年度瀬戸 美月 著 / インプレス
NW徹底攻略瀬戸 美月 著 / インプレス
徹底攻略 ネットワークスペシャリスト教科書 令和8年度
💡 推薦ポイント:午後I・午後IIの長文ネットワーク構成事例でどこに着目してパケットの流れや設定不備を読み解くか、実践的な解法プロセスを身につけられます。
¥3,278（税込）
※本リンク先はプロモーション（アフィリエイト広告）が含まれています
【出題趣旨】IPA公式発表
【採点講評】IPA公式発表
本問に関連するネットワークスペシャリスト重要用語解説
本番形式・制限時間付きで演習する
令和7年 春期 午後II（2問中1問選択・120分）を実戦演習モードで通し解答し、総合採点を受けられます。