[논문]블루투스 비컨을 사용한 스마트 팩토리에서의 무선인터넷 보안 연결 시스템 구현

장윤성; 신수용

doi:10.6109/jkiice.2018.22.12.1705

블루투스 비컨을 사용한 스마트 팩토리에서의 무선인터넷 보안 연결 시스템 구현
Implementation Wireless Internet Security Connection System Using Bluetooth Beacon in Smart Factory 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.22 no.12, 2018년, pp.1705 - 1713

장윤성 (Dept. of IT Convergence Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 신수용 (Dept. of IT Convergence Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

초록
AI-Helper

최근 부각되고 있는 4차 산업혁명 중의 하나의 경향은 ICT와 제조업의 융합으로 산업기기와 생산과정이 모두 하나의 네트워크로 연결되고 상호 소통하는 것이다. 하나의 네트워크로 연결되어 있다는 것은 관리의 이점이 존재하나, 역으로 보안의 위험성이 존재한다. 특히 Wi-Fi은 MAC주소의 소프트웨어적인 변경이나 비밀번호 노출을 통해 외부인이 손쉽게 접근이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 Bluetooth 4.0에서 추가된 Bluetooth Low Energy를 사용하는 방식인 Beacon을 응용하여 사용자는 비밀번호를 몰라도 무선인터넷에 보안 연결하는 블랙박스 방식의 시스템을 제안한다. 또한 이 제안한 시스템을 실제로 라즈베리파이로 구현을 하고 실제 연결 테스트를 시행하여 시스템의 효용성을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is currently undergoing the fourth industrial revolution, which is the convergence of ICT and manufacturing, connecting both industrial equipment and production processes to one network and communicating with each other. The fact that they are connected to one network has the advantage of management, but there is a risk of security. In particular, Wi-Fi can be easily accessed by outsiders through a software change of the MAC address or password exposures. In this paper, by applying the method of Beacon using a Bluetooth Low Energy Add in Bluetooth 4.0, we propose a system of black-box approach to secure connections to wireless Internet, users do not have to know the password. We also implemented the proposed system using the raspberry pi and verified the effectiveness of a real-time system by testing the communication.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 2 iBeacon Payload
그림 Fig. 3 Eddystone Beacon Frame[17]
그림 Fig. 1 (a) BLE Protocol Stack; (b) BLE Data Unit Structure
그림 Fig. 4 Step of 802.1x Authentication Specifications
그림 Fig. 5 System model
그림 Fig. 6 All Flowchart
표 Table. 1 Beacon Data Frame
그림 Fig. 7 Router FlowChart
그림 Fig. 8 Router Prototype for the test
그림 Fig. 9 Device Flowchart
그림 Fig. 10 Prototype App for the test
그림 Table. 2 Test Equipment Specification
그림 Fig. 12 Prototype App
표 Fig. 11 General connect

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 무선 인터넷 공유기에 Bluetooth Low Energy(BLE)의 Beacon 기술을 이용하여 연결과정을 블랙박스 시킨 무선인터넷 보안 연결 시스템을 제안한다. Bluetooth Low Energy 의 Beacon은 기존 Bluetooth의 특징인 Pairing 과정이 없다는 것이 특징으로, Bluetooth Low Energy를 지원하고 Beacon 신호를 받을 수 있는 위치에 있다면 어느 사람이라도 데이터를 수신할 수 있다는 장점이 있다.
특히 Wi-Fi의 경우에는 사용자가 계정정보를 소유하고 직접 입력하여 연결하는 방식을 사용하는데, 이 계정정보가 유출될 경우 비인가자가 손쉽게 네트워크에 접속할 수 있게 된다. 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 Bluetooth Low Energy의 단방향 비컨 서비스를 이용하여 무선인터넷 연결 인증과정을 블랙박스 한 무선인터넷 보안 연결 시스템을 제안 및 구현하였다. 사용자가 무선인터넷 접속과정은 모르고 기기와 기기 사이 직접 통신을 하여 외부인의 침입을 막는 것이다.

가설 설정

Bluetooth Low Energy는 저전력, 저용량 데이터 전송을 지원하는 통신 규격이며 비동기식 비연결형 MAC을 기반으로 프로토콜이 동작한다.[12] Bluetooth Low Energy의 스택은 그림 1과 같이 표현된다.

제안 방법

하지만 본 논문에서는 Bluetooth Low Energy의 Beacon 서비스를 사용한 무선인터넷 보안 연결 시스템을 그림 5, 그림 6과 같이 제안한다. 그리고 Wi-Fi 통신 모듈과 Bluetooth 통신 모듈을 연결한 라우터 역할을 하는 Raspberry Pi와 안드로이드 애플리케이션으로 구성하였다. 라우터에서 블루투스 비컨을 통한 단방향 통신을 통해 암호화된 코드가 전송이 되고, 안드로이드 앱을 통한 인증과정을 거쳐 라우터에 연결이 된다.
안드로이드 애플리케이션은 Google에서 github을 통해 공개해놓은 Eddystonevalidator를 기반으로 제작하였고, 이 애플리케이션을 통해 라우터에서 송신한 Bluetooth Beacon 데이터를 수신할 수 있다. 받은 Beacon 데이터는 사용자가 접속 버튼을 눌렀을 때 복호화를 수행하는데, 이 또한 OpenSSL 소스를 통해 만든 libcrypto 암복호화 라이브러리를 안드로이드 NDK를 통해 사용하였다. 안드로이드 NDK는 C와 C++같은 네이티브 코드 언어를 사용하여 앱의 일부를 구현하는 도구 모음이다.
스마트기기에서는 라우터와 동일 한 암호 키를 소유하며 비컨을 통해 수신받은 데이터를 복호화하고 스마트기기에 무선인터넷 접속을 명령한다. 본 논문에서는 구현의 간편함을 위하여 원래 Beacon의 식별 데이터를 전송하는 Eddystone-UID방식을 일부 수정하여 사용하였다. Eddystone-UID는 Namespace와 instance를 위해 16 byte를 보낼 수 있는데, 이를 AES 방식으로 암호화된 데이터를 10 byte씩 분할하여 1초 간격으로 보내도록 하였다.
이 AES 암호화는 대칭 키 암호화 알고리즘으로, 암호화와 복호화에 같은 암호 키를 사용하는 방식이다. 본 시스템에서는 무선인터넷의 계정정보를 주기적으로 무작위 변경을 하고 이 변경되는 비밀번호를 AES로 암호화한다. 이렇게 만들어진 암호화 데이터를 블루투스 비컨을 통해 스마트기기로 전송한다.
AES 암호화는 네트워크를 통한 데이터 통신에 쓰이는 프로토콜인 TLS와 SSL의 오픈소스 구현판, OpenSSL의 소스를 사용하였다. 이 OpenSSL 소스를 통해 libcrypto라는 암호화 및 복호화 라이브러리를 만들 수 있으며, 이를 사용하여 AES암호화를 수행하였다.[20]
이 시스템은 무선 라우터에 기능을 추가한 것으로 펌웨어를 수정할 수 있는 라우터가 있어야 한다. 하지만 기존의 상용제품의 경우 펌웨어를 수정하도록 하는 경우가 많지 않기 때문에, 본 연구에서는 Raspberry Pi에 OpenWRT를 설치하여 무선 라우터 기능을 수행하도록 하였다. OpenWRT는 Embedded 장치를, 특히 일반적으로 무선 라우터용으로 개발된 GNU/Linux 배포판이다.
하지만 본 논문에서는 Bluetooth Low Energy의 Beacon 서비스를 사용한 무선인터넷 보안 연결 시스템을 그림 5, 그림 6과 같이 제안한다.

대상 데이터

AES 암호화는 네트워크를 통한 데이터 통신에 쓰이는 프로토콜인 TLS와 SSL의 오픈소스 구현판, OpenSSL의 소스를 사용하였다. 이 OpenSSL 소스를 통해 libcrypto라는 암호화 및 복호화 라이브러리를 만들 수 있으며, 이를 사용하여 AES암호화를 수행하였다.
스마트기기 부분에서는 그림 9의 흐름도와 같이 Bluetooth Beacon 신호 수신, 데이터 복호화, Wi-Fi 자동 접속 등 세 가지 부분으로 나눌 수 있으며, 대부분 Bluetooth Low Energy를 지원하는 안드로이드 운영체제 기반 스마트폰을 사용하였다. 안드로이드 애플리케이션은 Google에서 github을 통해 공개해놓은 Eddystonevalidator를 기반으로 제작하였고, 이 애플리케이션을 통해 라우터에서 송신한 Bluetooth Beacon 데이터를 수신할 수 있다.

후속연구

더 나아가 공장이라는 공간에서 벗어나 유사 혹은 더 엄격한 보안이 필요한 국방 관련 등 분야에 기존 사용되고 있던 기술과 접목을 한다면 더욱 유용하게 사용될 것으로 예상한다.
한편, 반대로 연결 인증과정을 블랙 박스화 하였다는 점은 현재 많이 설치되고 있는 공공 무선인터넷에 적용 될 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유선 네트워크만으로 망을 구축하면 이동작업에 적합하지 않다는 점 외에 다른 문제점은 무엇이 있는가?	공장의 규모와 복잡도, 그리고 작업 동선 등에 따라 차이는 존재하지만 유선 네트워크만으로 망을 구축한다면 넓은 공장에서의 이동작업에 적합하지 않았다. 특히 생산 공정이 달라지거나 공장 구조, 기계 위치, 로봇 이동경로가 변할 때마다 전체 통신망을 새로 구축하여야하는 불편함과 그로 인한 구축 비용 상승 등의 문제점이 있었다. [2]
	스마트 팩토리란 무엇인가?	여기서 공장에서도 스스로 생산, 공정의 통제, 작업장 안전 등을 관리하는 스마트 팩토리(Smart Factory)로 진화를 하고 있다. 스마트 팩토리란 공장 내 설비와 기계에 사물인터넷(Internet of Things) 센서가 설치되어 데이터가 실시간으로 수집, 분석되어 공장 내 모든 상황이 한 번에 보이고, 이를 분석해 목적된 바에 따라 스스로 제어되는 공장을 의미한다.
	4차 산업혁명에 따라 공장들은 어떤 방향으로 진화하고 있는가?	여기서 공장에서도 스스로 생산, 공정의 통제, 작업장 안전 등을 관리하는 스마트 팩토리(Smart Factory)로 진화를 하고 있다. 스마트 팩토리란 공장 내 설비와 기계에 사물인터넷(Internet of Things) 센서가 설치되어 데이터가 실시간으로 수집, 분석되어 공장 내 모든 상황이 한 번에 보이고, 이를 분석해 목적된 바에 따라 스스로 제어되는 공장을 의미한다.

참고문헌 (23)

M.H. Lee, and A.S. Kim, "Technical model of the Fourth Industrial Revolution, AI+12 Tech," The Journal of The Korean Institute of Communication Sciences, vol. 34, no. 8, pp. 3-8, Aug. 2017.
H.S Kim, "Investigation on NFC-based Security System for Smart Work," Journal of Security Engineering, vol. 11, no. 3 (2014), pp. 263-272.

상세보기
S. Wang, J. Wan, D. Li, and C. Zhang, "Implementing Smart Factory of Industrie 4.0: An Outlook," International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 12, no. 1, pp. 1-10, Jan. 2016.
D.W. Kim, S.P. Choi, J.W. Kim, and B.K. Park, "A Study on the Wireless Communication Technology for Smart Factory," Proceedings of Symposium of the Korean Institute of communications and Information Sciences, pp. 930-931, 2016.
R. Candell, M. Kashef, "Industrial wireless: Problem space, success considerations, technologies, and future direction," 2017 Resilience Week (RWS), pp. 133-139, 2017.
T. Heer, O. Kleineberg, The Smart Factory of the Future - Part 2 [Internet]. Available: https://www.belden.com/blog/ndustrial-ethernet/the-smart-factory-of-the-future-part-2.
J. P. Tomas, Three smart factory case studies [Internet]. Available: https://enterpriseiotinsights.com/20170830/mart-factory/three-smart-factory-case-studies-tag23-tag99.
H.S. Lee. "Embedded System Framework and Its Implementation for Device-to-Device Intelligent Communication of Manufacturing IoT Device considering Smart Factory," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 27, no. 5, pp. 459-465, Oct. 2017.
J.I. Bang, Industrial Security Strategy in the Age of Smart Factory [Internet]. Available:http://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno21081.
Technitium MAC Address Changer [Internet]. Available: http://technitium.com/tmac/index.html.
Bluetooth Alliance, Bluetooth Specifications [Internet]. Available : https://www.bluetooth.com/ko-kr.
M.J. Kim. "An Analysis on the Number of Advertisements for Device Discovery in the Bluetooth Low Energy Network," Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers, vol. 53, no. 8, pp. 3-12, Aug. 2016.
iBeacon [Internet]. Available : https://developer.apple.com/ibeacon/.
Mark up the world using beacons [Internet]. Available: https://developers.google.com/beacons/.
D.Y Kim, S.H Kim, and E.H Jin, "The Research on iBeacon technology trend and issue," Korea Computer Congress 2014, pp. 390-392, 2014.
How do iBeacons work? [Internet]. Available: http://www.warski.org/blog/2014/01/how-ibeacons-work/.
Bluetooth Low Energy Eddystone Beacon Service [Internet]. Available: https://os.mbed.com/teams/Bluetooth-Low-Energy/code/BLE_EddystoneBeacon_Service/.
O. Nakhila "Parallel active dictionary attack on wpa2-psk wi-fi networks," Military Communications Conference, MILCOM 2015, pp. 665-670, 2015.
K.S Kwon, and K.H. Lee, "Implementation of Home Network Services Using OpenWRT-based Wireless Access Point and Zigbee Communications," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 22, no. 2, pp. 375-381, Feb. 2018.
V.P. Nambiar, K.H. Muhammad, and M.Z. Muhammad, "Accelerating the AES encryption function in OpenSSL for embedded systems," International Journal of Information and Communication Technology, vol. 2, no. 1-2 , pp. 83-93, Jan. 2009.
M.K. Son, and N.H. Kang, "Design and Implementation of Java Crypto Provider for Android Platform," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, vol. 37, no. 9, pp. 851-858, Sep. 2012.
Shrink your code and resources [Internet]. Available: https://developer.android.com/studio/build/shrink-code.html.
WiFiManger [Internet]. Available: https://developer.android.com/reference/android/net/wifi/WifiManager.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증