[논문]차량용 블랙박스 영상파일의 무결성 검증에 해시함수 이용 방법

최진영; 장남수

doi:10.7840/kics.2017.42.1.241

차량용 블랙박스 영상파일의 무결성 검증에 해시함수 이용 방법
Integrity Verification in Vehicle Black Box Video Files with Hashing Method 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.42 no.1, 2017년, pp.241 - 249

최진영 (Sejong Cyber University Graduate School of Information Security) , 장남수 (Sejong Cyber University Department of Information Security)

초록
AI-Helper

최근 차량용 블랙박스의 보급이 확산됨에 따라 이를 법적 증거로 사용하는 경우가 증가하고 있으며, 이에 따라 영상데이터의 무결성 검증에 대한 필요성이 대두되고 있다. 그러나 임베디드 시스템으로 분류되는 블랙박스는 적은 용량과 낮은 처리속도를 가지므로 영상파일 저장과 무결성 검증 처리의 한계점을 가진다. 본 논문에서는 제한된 자원을 가진 블랙박스 환경에서 고속경량 해시함수 LSH와 HMAC의 안전성을 이용하여 영상파일의 무결성을 보장하는 기법을 제안한다. 또한 이 기법을 구현하여 블랙박스 기기에서 무결성 검증 시의 CPU Idle Rate를 측정한 실험 결과를 제시하고, 제안한 기법의 효과성과 실용 가능성에 대해 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as a vehicle black box device has propagated, it has been increasingly used as a legal proof and there are the needs to verify an integrity of the video data. However, since the black box classified as the embedded system has a small capacity and low processing speed, there are limitations to the storage of video files and the integrity verification processing. In this paper, we propose a novel method for video files integrity in the black box environment with limited resources by using lightweight hash function LSH and the security of HMAC. We also present the test results of CPU idle rate at integrity verification in vehicle black box device by implementing this method, and verify the effectiveness and practicality of the proposed method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 경량고속 해시함수와 비밀 키를 이용하여 HMAC의 변형 방식으로써 영상파일 내 어느 곳에서 파일이 끊기더라도 끊긴 지점까지의 무결성 검증이 가능하게 하는 방법을 제안하고자 한다. 제안하는 방법은 format free 방식 하에서 안전하게 닫지 못한 파일도 데이터가 저장된 곳 까지의 무결성 검증이 가능하다.
본 논문에서는 블랙박스에서의 무결성 검증 기능을 KS 기준에 부합하게 구현하는데 있어서 기존과 같이 무거운 공개키나 대칭키 암호 알고리즘을 사용하는 대신에 가벼운 해시함수만을 이용하고자 한다. 비밀 키를 이용한 HMAC의 변형 방식으로써 해시함수만을 이용하여 적은 메모리 자원을 가지고 높은 효율성을 발휘하며 데이터 생성의 주체를 확인하고 무결성 검증을 할 수 있다.
이러한 현상은 앞서 설명한 사고발생시 전원탈거와 같은 악조건 형성과 관련되어 발생 가능한 것이며 이에 대한 보완책으로서 format free 방식 채택 등으로써 파일을 닫지 못하더라도 차후 복구가 가능하게 하는 기술이 적용되고 있으나 이 때에도 법적 효력을 가지려면 무결성 검증값을 같이 저장해 주어야 한다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 HMAC을 활용하고자 한다. HMAC은 해시함수를 기반으로 구성되므로 효율적 구성을 위하여 본 절에서는 해시함수의 성능을 비교한다.

가설 설정

- 데이터 교체 방지 : 데이터가 바뀐다면 hash 함수의 결과값이 달라짐.

제안 방법

본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 HMAC을 활용하고자 한다. HMAC은 해시함수를 기반으로 구성되므로 효율적 구성을 위하여 본 절에서는 해시함수의 성능을 비교한다.
영상 파일 무결성 검증에 해시함수를 사용할 때는 그림 4와 같이 일반적으로 frame 단위로 해시하는 방법을 취한다. 그러므로 실제 상황을 시뮬레이션 하기 위해 실제 영상 파일의 각 frame 길이를 추출하여 하나의 정수 배열로 만들었다. 그리고 이 배열의 각 원소값 byte수에 해당되는 메시지들을 차례로 모두 해시하여 전체 소요된 시간을 출력하였다.
그러므로 실제 상황을 시뮬레이션 하기 위해 실제 영상 파일의 각 frame 길이를 추출하여 하나의 정수 배열로 만들었다. 그리고 이 배열의 각 원소값 byte수에 해당되는 메시지들을 차례로 모두 해시하여 전체 소요된 시간을 출력하였다. 그림 5와 같이 최소 frame 크기는 4096 byte, 최대 frame 크기는 74K-byte인 약 52.
블록 체인을 순환형으로 맨 뒤와 맨 앞 블록을 연결함으로써 후위삭제 공격을 방지함과 동시에 맨 앞의 블록을 overwrite할 때에도 무결성 보장이 되도록 하였다. 또한 하나의 파일 안의 모든 블록이 연결되도록 하는 대신 인접한 2개 블록만 연결되도록 함으로써 인접과계를 증명하면서도 파일시스템 오류 시에 부분적으로 무결성 검증 가능하도록 하였다. 그러나 AVI 파일단위 무결성 검증 데이터 저장방법을 구현하기 위해서는 한 블록을 쓸 때마다 맨 첫 블록을 가진 파일의 첫 IVD값을 새로 써주어야하므로 항상 2개의 파일을 연 상태로 양쪽에 IVD 값을 써 주어야 한다.
HMAC 변형 방식인 제안하는 방법의 성능을 블랙 박스에서 측정하면 다음과 같다. 블랙박스 스펙은 HD 전방(1280x720)만 녹화하는 상태에서 테스트 하였으며 embedded linux에서 블랙박스 프로그램을 수행하며 동시에 top 프로그램을 수행하여 cpu idle rate를 측정하였다. 무결성 검증을 하지 않을 때는 그림 10과 같이 cpu idle rate가 29%로서 비교적 여유가 있다.
. 블록 체인을 순환형으로 맨 뒤와 맨 앞 블록을 연결함으로써 후위삭제 공격을 방지함과 동시에 맨 앞의 블록을 overwrite할 때에도 무결성 보장이 되도록 하였다. 또한 하나의 파일 안의 모든 블록이 연결되도록 하는 대신 인접한 2개 블록만 연결되도록 함으로써 인접과계를 증명하면서도 파일시스템 오류 시에 부분적으로 무결성 검증 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 경량고속 해시함수와 비밀 키를 이용하여 HMAC의 변형 방식으로써 영상파일 내 어느 곳에서 파일이 끊기더라도 끊긴 지점까지의 무결성 검증이 가능하게 하는 방법을 제안하고자 한다. 제안하는 방법은 format free 방식 하에서 안전하게 닫지 못한 파일도 데이터가 저장된 곳 까지의 무결성 검증이 가능하다. 또한, 고의 또는 과실에 의해 부분적으로 훼손된 파일이라도 훼손되지 않은 나머지 부분들에 대해서는 무결성 검증이 가능하다.
에서는 블랙 박스의 보안 요구사항을 무결성, 부인방지, 오류복구, 빠른 계산 속도로 보고 이를 충족시키기 위해 hash 함수와 공개키 암호를 사용하였다. 첫 데이터 블록을 hash하기 전에 공개키로 서명함으로써 부인방지 하였고 각 데이터 블록을 2중으로 hash 함으로써 데이터 재생공격을 피하였으며 새로운 데이터 블록이 올 때마다 이전 데이터 블록의 IVD 값에 새로운 블록의 hash값을 함께 hash한 결과를 넣어 줌으로써 후위데 이터 삭제 공격과 데이터 교체 공격을 막아냈다. 그러나 무결성 검증의 구체적인 방법을 제안한 연구로서 의미가 크나 대다수의 블랙박스가 영상파일을 짧은 시간(예를 들어 1분) 단위로 쪼개어 보관하는 상황에서 파일 단위 무결성 검증과 함께 파일시스템 전체에 대한 무결성 검증이 필요한데 이를 지원하지는 못하고 있다.

대상 데이터

해시함수는 가장 널리 사용되는 SHA2와 최근 제안된 경량 해시함수 LSH를 대상으로 하였으며, 성능 측정을 위한 환경과 사용 소스의 출처는 다음과 같다.

이론/모형

① ~ ④ 과정은 frame당 1회씩 수행되고 ⑤ 과정은 파일당 2회씩(맨 처음 frame과 맨 마지막 frame일 때) 만 수행된다. Normal 해시는 일반적인 키를 이용한 HMAC 방식을 활용하였다. 이 결과값은 파일 내에 저장되어 각 frame의 무결성 검증에 사용되며 각 frame data뒤에 붙여서 저장한다.

성능/효과

256 및 512 Bytes의 모든 경우에서 LSH가 SHA 보다 속도면에서 우수하였으며, 메시지의 길이가 길어질수록 그리고 256 bit 보다는 512 bit일 때 두 함수의 속도차가 더욱 커진다.
256 및 512 Bytes의 모든 경우에서 LSH가 SHA 보다 속도면에서 우수하였으며, 메시지의 길이가 길어질수록 그리고 256 bit 보다는 512 bit일 때 두 함수의 속도차가 더욱 커진다. SHA 수행시간에 대비하여, 더 좋은 성능을 보인 LSH의 수행시간은 표 2와 같으며, 4096 byte 이상의 길이를 512 bit 이상의 해시함수로 처리할 때 LSH가 효과적임을 알 수 있다.
제안하는 방법에 LSH를 적용하여 무결성 검증을수행하면 그림 12와 같다. cpu idle rate가 21%로서 무결성 검증을 하지 않을 때보다는 여유가 줄어들었지만 실행에 문제없는 상태임을 알 수 있다.
9M-byte 크기 영상파일을 해시할 때 소요된 시간을 확인할 수 있다. 결과에서 알 수 있듯이 전체적으로 LSH가 좋은 성능을 보이고 4096 byte 이상 길이의 메시지들을 처리할 때 byte당 처리 시간이 가장 짧다. LSH-256은 SHA-256에 비해 88.
테스트 결과 LSH가 SHA 보다 나은 성능을 보였으며 이 결과가 영상파일 처리에서도 같게 나타남으로써 해시함수 성능에 따라 무결성 검증 기능의 효율성에 직접적인 영향을 주는 것으로 확인되었다. 무결성 검증을 하지 않을 때 29% idle과 LSH를 이용하여 무결성 검증할 때 21% idle은 정상 동작이 가능한 상태라고 할 수 있다. 그러나 SHA를 이용하여 무결성 검증할 때 0% idle 상태는 프로그램이 수행되기는 하였으나 이벤트 발생 시의 추가 처리를 고려하면 상용으로써 사용할 수 없는 과부하 상태이다.
블랙박스 프로그램을 수행하면서 top으로써 감시해 보면 표 1과 같이 상시의 cpu idle rate가 35~40%를 유지하다가도 충격 발생시에는 2~3초간 0%로 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
또한 계산량이 많은 공개키 암호를 사용하여 임베디드 환경에서의 부담을 가중시키고 있다. 블랙박스의 영상파일은 특정인에 대한 부인방지가 아니고 블랙박스 장치에 대한 의미만이 있으므로 부인방지하기보다는 어느 블랙박스에서 생성한 파일인지를 검증할 방법을 제안하는 것이 합리적일 것이며 이는 비밀 키를 블랙박스과 검증서버에 각각 보관함으로써 해결할 수 있다.
본 논문에서는 블랙박스에서의 무결성 검증 기능을 KS 기준에 부합하게 구현하는데 있어서 기존과 같이 무거운 공개키나 대칭키 암호 알고리즘을 사용하는 대신에 가벼운 해시함수만을 이용하고자 한다. 비밀 키를 이용한 HMAC의 변형 방식으로써 해시함수만을 이용하여 적은 메모리 자원을 가지고 높은 효율성을 발휘하며 데이터 생성의 주체를 확인하고 무결성 검증을 할 수 있다. 제안하는 방법 설명을 위하여 용어를 정의하면 다음과 같다.
테스트 결과 LSH가 SHA 보다 나은 성능을 보였으며 이 결과가 영상파일 처리에서도 같게 나타남으로써 해시함수 성능에 따라 무결성 검증 기능의 효율성에 직접적인 영향을 주는 것으로 확인되었다. 무결성 검증을 하지 않을 때 29% idle과 LSH를 이용하여 무결성 검증할 때 21% idle은 정상 동작이 가능한 상태라고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블랙박스에서 지원하는 무결성 검증방법 중 오류복구에 관해 설명하시오.	- 오류 복구 : SD카드 문제 등으로 인하여 파일의 일부가 손상되었더라도 체인 연결을 앞뒤로 인접한 2개 블록만을 연결하고 있으므로 정상적인 frame이 2개 이상 나온 이후로는 다시 무결성 검증이 가능
	임베디드 시스템에서 메모리 절감과 처리 효율성은 무엇의 중요한 요인인가?	임베디드 시스템으로 분류되는 블랙박스는 메모리와 CPU 면에서 일반 PC에 비하여 적은 용량과 낮은 처리속도를 가지고 있다. 그러므로 임베디드 시스템에서의 메모리 절감과 처리 효율성은 선택 사항을 넘어 필수사항이며 무결성 검증 기능의 구현 가능성을 결정짓는 중요한 요인이 된다. 그런 면에서 볼 때 공개 키를 사용하기 위해서는 많은 양의 코드와 프로세스 시간을 필요로 하게 된다.
	블랙박스의 가장 중요한 기능은 무엇인가?	블랙박스의 가장 중요한 기능은 사고영상 저장의 신뢰성이라 할 수 있다. 그러나 사고 발생 시에는 상시 저장 때와는 다른 악조건이 주어진다.

참고문헌 (7)

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원문보기 상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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