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문제 정의
- 모두 RFC로 채택되었으며, CMAC은 NIST[23], HMAC은 FIPS[24] 표준이다. 따라서, 본 논문에서는 통신 프로토콜에서 사용되는 대표 알고리즘의 특징에 대해 정리한다.
- 본 논문에서는 IoT환경에서 기기 간 안전한 통신을 위해 사용 되는 대표적인 블록 암호 알고리즘과 메시지 인증 코드의 특징을 정리하였다. 또한, 실제 IoT 실험 기기에 각 알고리즘을 직접 실행하여 성능 측정 결과를 제시하였다.
- 본 논문에서는 최근 제안되는 경량 블록 암호 알고리즘과 대표적인 메시지 인증 코드의 특징에 대해 정리한다. 이와 더불어 각 알고리즘을 실제 IoT 실험 기기에 직접 실행을 통해 성능 측정 결과를 제시한다.
제안 방법
- NOEKEON[6]은 Daemen 등이 제안하였으며, NESSIE 프로젝트에 2000년에 제출되었다. 128비트의 블록 크기와 키 길이, 16번의 라운드를 통해 암/복호화를 한다. 각 라운드에서는 하드웨어, 소프트웨어로 용이하게 구현 가능한 self-inverse변환을 이용한다.
- 64비트 블록 크기를 바탕으로 80비트 키 길이를 사용한다. 32라운드를 수행하며 라운드 함수 내에서 4비트 크기의 워드로 나누어 permutation을 사용하여 암/복호화를 한다.
- 성능이 제약적인 무선 센서와 RFID에 적합하도록 설계되어 소프트웨어, 하드웨어에서 컴팩트한 구현이 가능하도록 하였다. 64비트 블록 크기를 바탕으로 64, 80, 96비트 키 길이를 가지며, 키 길이에 따라 12, 16, 20라운드르 수행하며, sbox, rotation, mixcolumns를 통해 암/복호화를 한다.
- PICCOLO[14]는 Shibutani 등이 제안하였으며, Feistel 구조로 무선 센서 네트워크 환경에 적합하도록 설계되었다. 64비트 블록 크기를 바탕으로 80, 128비트 키 길이를 가지며, 키 길이에 따라 25, 31라운드를 수행하며 암/복호화를 한다.
- PRESENT[10]는 Bodganov 등이 제안한 AES를 기반으로 하는 블록 암호다. 64비트 블록 크기를 바탕으로 80비트 키 길이를 사용하며, AES에 비해 암호화 강도는 떨어지지만 면적과 소비전력을 개선시켜 RFID, smart card, USN과 같은 시스템에 최적화시켰다. 32라운드로 구성되며 sbox, XOR, bitshift 연산을 통해 암/복호화를 한다.
- RFID, USN 등과 같이 자전력, 경령화를 요구하는 컴퓨팅 환경에서 기밀성을 제공한다. 8비트 단위 산술연산만으로 구성되며, AES보다 간단한 알고리즘 구조로 설계되었다. 64비트 블록 크기를 바탕으로 128비트 키 길이를 통해 암/복호화를 한다.
- SIMON[17], SPECK[17]은 Beaulieu 등이 제안하였으며 NSA를 통해 발표되었다. Feistel 구조를 적용하였으며, SIMON은 하드웨어, SPECK은 소프트웨어 측면에 초점을 맞춰 설계되었다. 다양한 블록 크기, 키 길이, 이에 따른 라운드 연산이 가능하다.
- 64비트 블록 크기를 바탕으로 64, 96, 128비트 키 길이를 사용한다. SPN 구조로 총 12라운드로 이루어지며, 라운드 함수 내에 sbox, bitpermutation, column-to-row transposition, subkey addtion을 통해 암/복호화를 한다.
- 잘 알려진 메시지 인증 코드인 CBC-MAC의 단점을 개선한 알고리즘이다. 고정된 길이에서만 안전성이 보장되던 문제점을 키 연산 과정을 추가하여 해결하였다. 인증 태그 생성 과정은 CBC-MAC 연산 과정과 동일하지만, 마지막 블록 연산 시 사용되는 키가 메시지 패딩 여부에 따라 달라진다.
- Feistel 구조로 설계되었고, 키 길이에 따라 라운드 수가 달라진다. 기본적으로 평문을 4개의 32비트로 나누어 연산하며, 내부 함수에는 2종류의 sbox와 데이터 처리부와 키 스케줄링을 통해 암/복호화를 한다.
- 본 논문에서는 IoT환경에서 기기 간 안전한 통신을 위해 사용 되는 대표적인 블록 암호 알고리즘과 메시지 인증 코드의 특징을 정리하였다. 또한, 실제 IoT 실험 기기에 각 알고리즘을 직접 실행하여 성능 측정 결과를 제시하였다.
- 128비트 블록 크기를 바탕으로 128, 192, 256비트 키 길이를 사용할 수 있다. 라운드 함수 내에서 4개의 32비트 나누어 addition, rotation, XOR 연산을 사용하여 암/복호화를 한다.
- 아두이노 환경에서는 기본으로 제공해주는 스케치 IDE를 사용했고, 티모트 환경에서는 RIOT 운영체제를 올린 후 실행을 통해 측정하였다. 마지막으로 라즈베리 파이2는 라즈비안 운영체제를 올린 후 리눅스 환경에서 실행을 통해 측정을 하였다.
- 본 절에서는 블록 암호의 성능을 IoT 환경에서 널리 사용되는 실험용 기기인 8비트 아두이노 우노[26], 16비트 티모트[27], 32비트 라즈베리 파이2[28]를 통해 실험한 결과를 제시한다. <표 1>은 실험에 이용되는 기기의 명세를 나타낸다.
- KLEIN[16]은 Gong 등이 제안하였으며, SPN 구조를 적용하였다. 성능이 제약적인 무선 센서와 RFID에 적합하도록 설계되어 소프트웨어, 하드웨어에서 컴팩트한 구현이 가능하도록 하였다. 64비트 블록 크기를 바탕으로 64, 80, 96비트 키 길이를 가지며, 키 길이에 따라 12, 16, 20라운드르 수행하며, sbox, rotation, mixcolumns를 통해 암/복호화를 한다.
- 우리는 앞서 언급한 실험 기기에 C로 구현한 경량 블록 암호를 실행하여 Cycles 성능을 측정하였다. 아두이노 환경에서는 기본으로 제공해주는 스케치 IDE를 사용했고, 티모트 환경에서는 RIOT 운영체제를 올린 후 실행을 통해 측정하였다. 마지막으로 라즈베리 파이2는 라즈비안 운영체제를 올린 후 리눅스 환경에서 실행을 통해 측정을 하였다.
- 우리는 앞서 언급한 실험 기기에 C로 구현한 경량 블록 암호를 실행하여 Cycles 성능을 측정하였다. 아두이노 환경에서는 기본으로 제공해주는 스케치 IDE를 사용했고, 티모트 환경에서는 RIOT 운영체제를 올린 후 실행을 통해 측정하였다.
- 가장 좋은 성능은 보인 CMAC은 사용하는 블록 암호를 자유롭게 변경 가능하다. 이 특징을 고려하여 경량 암호 알고리즘 적용 시의 CMAC 성능을 측정하였다. <그림 7>은 경량 블록 암호 적용 시 CMAC의 성능을 보여준다.
- 본 논문에서는 최근 제안되는 경량 블록 암호 알고리즘과 대표적인 메시지 인증 코드의 특징에 대해 정리한다. 이와 더불어 각 알고리즘을 실제 IoT 실험 기기에 직접 실행을 통해 성능 측정 결과를 제시한다.
대상 데이터
- CLEFIA[11]는 SONY에서 발표한 AES와 유사한 블록 암호다. 128비트 블록 크기를 바탕으로 128, 192, 256 키 길이를 사용한다. Feistel 구조로 설계되었고, 키 길이에 따라 라운드 수가 달라진다.
성능/효과
- 성능 측정 결과 기기의 성능에 따라 큰 성능 차이를 보인다. 고성능인 라즈베리 파이2에서 가장 뛰어난 성능을 보이며 티모트와 아두이노는 라즈베리 파이2의 약 10배, 30배 이상의 성능 저하를 보인다.
- 위 결과를 다음과 같은 결과를 도출할 수 있다. 기기별로 최적화된 경량 암호 알고리즘이 가장 좋은 성능을 보이지만, MAC에 적용한 경우, 8비트 환경에 최적화된 알고리즘이 평균적으로 가장 좋은 성능을 보인다. 따라서, 모든 기기에 적용 가능한 보안 기술은 8비트 기기에 최적화되어야 한다.
- 측정 결과를 보면 경량 암호의 성능은 기기의 성능이 높아질수록 향상되는 것을 볼 수 있다. 대표적 블록 암호인 AES는 8비트 단위의 연산 처리를 하기 때문에 저성능의 아두이노에서는 비교적 좋은 성능을 보였지만, 기기 성능이 향상됨에 따라 성능이 저하되는 모습을 보였다.
- 메시지 인증 코드(Message Authentication Code, MAC)는 메시지의 무결성과 함께 이에 대한 인증을 보장하는 보안 기법이다. 메시지와 인증 태그를 함께 전송하여 전송 중 메시지 내용이 부당하게 변경되지 않고 안전하게 수신되었음을 검증한다. 해시 함수와 유사하게 임의의 길이의 입력 값을 고정된 길이의 출력 값으로 압축한다.
- 반면에 SIMON, SPECK, LEA는 전체적으로 가장 우수한 성능을 보여주었다. 그 이유를 살펴보면, SIMON은 하드웨어 성능에 초점을 맞춰 설계된 만큼 고성능의 기기로 갈수록 성능이 우수해졌다고 볼 수 있다.
- 실험을 통해 저성능의 기기일수록 알고리즘의 성능이 낮다는 점을 볼 수 있었다. 특히 8비트 기기에서는 타 기기에 비해 많은 성능 저하를 보였고, 이를 개선하기 위한 연구가 필요함을 인지하였다.
- 측정 결과, 32비트 기기인 라즈베리 파이2에서는 32비트 경량 블록 암호인 LEA가 가장 좋은 성능을 보인다. 그 외에 16비트 티모트, 8비트 아두이노에서는 8비트 경량 블록 암호인 HIGHT가 가장 좋은 성능을 보인다.
- <그림 3>,<그림 4>,<그림 5>는 블록 암호의 성능을 아두이노, 티모트, 라즈베리 파이2에서 암/복호화 성능을 측정한 결과를 보여준다. 측정 결과를 보면 경량 암호의 성능은 기기의 성능이 높아질수록 향상되는 것을 볼 수 있다. 대표적 블록 암호인 AES는 8비트 단위의 연산 처리를 하기 때문에 저성능의 아두이노에서는 비교적 좋은 성능을 보였지만, 기기 성능이 향상됨에 따라 성능이 저하되는 모습을 보였다.
후속연구
- 특히 8비트 기기에서는 타 기기에 비해 많은 성능 저하를 보였고, 이를 개선하기 위한 연구가 필요함을 인지하였다. 향후에는 저성능 기기에서 경량화 연구를 통해 보다 향상된 성능을 보일 수 있는 연구를 진행할 예정이다.
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