[논문]전술 군집 드론 네트워크를 위한 중앙집권식 그룹키 관리 기법

이종관; 신규용; 김경민

doi:10.9766/kimst.2018.21.6.817

전술 군집 드론 네트워크를 위한 중앙집권식 그룹키 관리 기법
Centralized Group Key Management Scheme for Tactical Swarming Drone Networks 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.6, 2018년, pp.817 - 825

이종관 (육군사관학교 사이버전 연구센터) , 신규용 (육군사관학교 사이버전 연구센터) , 김경민 (육군사관학교 사이버전 연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, drones have been used in various field to overcome time and space limitations. However, single drone still has a lot of restriction on transportation wight and travel time. Therefore many studies have been conducted to increase the utilization by swarm of drones. Many things should be additionally considered in order to operate swarming drones securely. Especially the group key management is a challenging research topic in tactical domain due to existence of adversary that has anti-drone skill. In this paper, we proposed an efficient group key management scheme for tactical swarming drone networks where an adversary equipped with anti-drone skills exists. The group key can be updated with a small number of message exchange compared to other convenience schemes. The numerical and simulation results demonstrate that the proposed scheme manages the group key efficiently and securely.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Notation
그림 Fig. 1. Procedure of group key management for a newly arrived node
그림 Fig. 2. Procedure of group key management for a leaving node
표 Table 2. Number of message exchange
그림 Fig. 3. Average number of message exchanges per frame with different λ₁ and λ₂
그림 Fig. 4. Average number of message exchanges per frame with different TH

AI 본문요약
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문제 정의

반면1-hop 거리에 있는 지상통제소의 지휘통제에 따라 임무를 수행하는 군집 드론의 네트워크 환경을 고려하면 중앙집권식이 가장 적절하다 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 전술 군집 드론 네트워크를 위한 효과적인 그룹키 관리 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 중앙집권식으로 지상통제소(GC: Ground Controller)가 KDC 역할을 수행하며, 간단한 키 생성 알고리즘을 적용하여 전술적인 환경을 고려한 네트워크 변화에도 안전하고 효과적으로 그룹키를 갱신, 분배할 수 있다.
통신효율성을 측정하기 전술적 환경에서 그룹키가 갱신되기 위해 필요한 메시지 교환횟수를 분석한다. 또한 그룹키 갱신시간이 통신 효율성에 미치는 영향을 살펴본다.
본 논문에서 전술 군집 드론 네트워크에서 중앙집권적인 그룹키 관리 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 군집 드론이 운용되는 전술적 환경을 고려하여 드론의 네트워크 집단 이탈, 집단 진입의 경우 메시지 교환 횟수를 최소화하여 그룹키를 갱신한다.

가설 설정

임무수행을 위해 최초 n개의 드론으로 구성된 군집드론은 작전 수행간 목표 및 임무 변경에 의해 일부가 계획적으로 군집을 이탈할 수 있으며, 적의 안티드론 기술에 의해 비계획적으로 이탈할 수 있다. 계획, 비계획적으로 군집을 이탈하는 드론은 다음과 같은 포아송(Poisson) 분포를 따른다고 가정한다.
이는 이상점(outlier) 검출 알고리즘을 통해 구현이 가능하다. 본 논문에서는 통계적 거리기반 이상점 검출 알고리즘을 통해 노드의 네트워크이탈을 판단할 수 있다고 가정한다^[8]. 즉, 적에게 노획되거나 또는 해킹에 의해 다른 노드들과 다른 이상행위를 하는 노드들은 네트워크 이탈로 판단하여 그룹키를 재분배한다.
한편, 안티드론 기술을 보유한 적(또는 비인가자)의 존재를 가정한다. 적은 안티드론 기술을 이용하여 드론의 물리적인 파괴 없이 드론을 획득할 수 있다.

제안 방법

계획된 노드 이탈의 경우 해당 노드는 명시적으로 GC에게 네트워크 이탈을 보고한다. 계획된 네트워크 이탈을 인지한 GC는 네트워크를 이탈한 노드에 대한 개인정보를 제외한 새로운 Type Ⅱ 다항식을 구성한다. n개의 노드로 구성된 네트워크에 u_n가 이탈 한 경우 GC가 생성하는 다항식은 다음과 같이 계산 된다.
한편, 그룹키의 안전성을 위해 네트워크 멤버십의 변경이 없더라도 무차별 대입 공격(brute force attack)에 대응하기 위해 주기적으로 그룹키를 갱신하는 것이 필요하다. 따라서 제안하는 기법에서는 그룹 키 갱신시간이 TH 이상이면 그룹키를 갱신하는 방법 을 적용하고, TH 이하이면 그룹키를 신규 노드에 전달하는 방법을 적용한다.
제안하는 기법에서 그룹키 갱신시간은 TH 프레임이고, 포아송 분포의 프레임당 평균은 λ이다.
제안하는 기법에서 그룹키가 일정 시간 이상 갱신되지 않으면 GC에서 자동으로 그룹키 갱신이 이루어진다. 제안하는 기법에서 그룹키 갱신시간은 TH 프레임이고, 포아송 분포의 프레임당 평균은 λ이다.
제안하는 기법에서 적용하는 그룹키 생성 알고리즘은 기본적으로 CG가 노드들의 정보와 분배하고자 하는 그룹키를 이용하여 다항식(Ψ)을 만들고 다항식의 계수를 각 노드들에게 전달한다.
공모 공격은 네트워크의 합법적인 가입자였던 2개 이상의 노드가 네트워크를 이탈한 이후 협력적인 방법으로 현재의 그룹키를 획득하려는 시도이다. 제안하는 기법에서는 그룹키를 갱신하는 과정에서 그룹을 이탈한 노드의 비밀키 정보가 모두 삭제된다. 또한 노드들의 비밀키는 상호 독립적으로 할당되기 때문에 그룹을 이탈한 노드들의 비밀키의 조합을 통해 다른 노드의 비밀키를 유추할 수 없다.
두 개 이상의 노드가 한 번에 네트워크에 가입 또는 이탈하는 경우에 개별적으로 그룹키를 갱신 또는 전달하는 것은 GC와의 메시지 교환을 비례적으로 증가시켜 매우 비효율적이다. 제안하는 기법에서는 다수의 노드가 네트워크에 가입 또는 이탈시 메시지 교환을 최소화하여 그룹키를 관리한다.
본 논문에서 전술 군집 드론 네트워크에서 중앙집권적인 그룹키 관리 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 군집 드론이 운용되는 전술적 환경을 고려하여 드론의 네트워크 집단 이탈, 집단 진입의 경우 메시지 교환 횟수를 최소화하여 그룹키를 갱신한다. 또한 적에 의한 드론 탈취에 대비하여 드론이 비계획적으로 이탈한 경우 가짜 그룹키를 이탈한 드론에게 전송하여 기만의 효과를 달성하고 보안성을 강화하였다.
제안하는 기법의 보안성을 평가하기 위해 전방안전성(Forward Secrecy), 후방안전성(Backward Secrecy), 공모공격(Collusion Attack)에 대한 안전성을 분석한다.
통신효율성을 측정하기 전술적 환경에서 그룹키가 갱신되기 위해 필요한 메시지 교환횟수를 분석한다. 또한 그룹키 갱신시간이 통신 효율성에 미치는 영향을 살펴본다.

성능/효과

TH는 100 프레임으로 설정하였는데 이는 100 프레임 동안 그룹키 갱신이 없으면 GC에 의해 자동으로 그룹키가 갱신되는 극단적인 상황을 조성한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 100 프레임마다 그룹키를 변경하더라도 TH가 제안하는 기법의 성능을 크게 훼손하지 않음을 알 수 있다. 이는 GC가 한 번의 메시지 전송만으로 그룹키를 갱신할 수 있기 때문이다.
따라서 다수의 그룹키 변경 소요를 한 번에 처리할 수 있는 제안하는 기법이 λ가 증가할 수록 기존 기법에 비해 우수한 성능을 나타낸다.
또한 노드들의 비밀키는 상호 독립적으로 할당되기 때문에 그룹을 이탈한 노드들의 비밀키의 조합을 통해 다른 노드의 비밀키를 유추할 수 없다. 따라서 제안하는 기법은 공모 공격에 안전하다.
또한 그룹키는 GC에 의해서 랜덤하게 생성되므로 과거의 그룹키들을 토대로 현재의 그룹키를 추출할 수 없다. 따라서 제안하는 기법은 전방 안전성을 보장한다.
또한 GC도 과거의 정보를 재전송하지 않을 뿐 아니라 그룹키는 랜덤하게 선택되므로 GC가 전송한 현재의 정보를 통해 과거의 정보를 유추하는 것은 불가능하다. 따라서 제안하는 기법은 후방 안전성을 보장한다.
따라서 본 논문에서는 전술 군집 드론 네트워크를 위한 효과적인 그룹키 관리 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 중앙집권식으로 지상통제소(GC: Ground Controller)가 KDC 역할을 수행하며, 간단한 키 생성 알고리즘을 적용하여 전술적인 환경을 고려한 네트워크 변화에도 안전하고 효과적으로 그룹키를 갱신, 분배할 수 있다.
제안하는 기법을 수학적으로 분석한 결과 개별 드론 단위로 그룹키를 처리하는 기존 기법들에 비해 메시지 교환 횟수를 크게 줄여 안전성을 보장하는 가운데 그룹키 관리의 효율성을 향상시킴을 확인하였다.

후속연구

최근 정밀한 위치 보정 기술을 이용해 사전에 입력된 시나리오에 따라 개별 드론들을 위치시킴으로써 군집 드론을 예술 공연에 활용하는 사례가 많다. 향후에는 이보다 더욱 진보된 형태로 군집 드론이 군사적 목적으로 활용될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	드론은 태생적으로 제한된 성능으로 활용도가 한정적이기때문에, 이를 극복하기 위해 진행중인 연구는 무엇인가?	하지만 개별 드론은 태생적으로 제한된 성능 때문에 그 활용도가 한정적일 수밖에 없다. 따라서 다수의 드론을 군집화하여 보다 효과적으로 다양한 분야에서 드론을 활용하려는 연구가 진행되고 있다[1]. 최근 정밀한 위치 보정 기술을 이용해 사전에 입력된 시나리오에 따라 개별 드론들을 위치시킴으로써 군집 드론을 예술 공연에 활용하는 사례가 많다.
	드론의 활용분야는 무엇이 있는가?	드론은 군사적 목적 뿐 아니라 물류, 구조, 방송, 통신 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 기존 방식으로는 해결하기 어려웠던 난제들을 드론을 활용하여 극복할 뿐 아니라 새로운 응용 분야를 창출하고 있다.
	그룹키 관리 기법은 어떻게 구분가능한가?	그룹키 관리 기법은 일반적으로 중앙집권식, 비중앙집권식, 분산식 등 3가지 형태로 구분할 수 있다[3,4].중앙집권식은 하나의 키분배센터(KDC: Key DistributionCenter)가 네트워크 전체의 키를 생성, 분배하는 역할을 한다.

참고문헌 (8)

Q. Cui, P. Liu, J. Wang and J. Yu, "Brief Analysis of Drone Swarms Communication," 2017 IEEE International Conference on Unmanned Systems(ICUS), Beijing, pp. 463-466, 2017.
X. Shi, C. Yang, W. Xie, C. Liang, Z. Shi and J. Chen, "Anti-Drone System with Multiple Surveillance Technologies: Architecture, Implementation, and Challenges," in IEEE Communications Magazine, Vol. 56, No. 4, pp. 68-74, APRIL 2018.

상세보기
N. Renugadevi, G. Swaminathan and A. S. Kumar, "Key Management Schemes for Secure Group Communication in Wireless Networks - A Survey," 2014 International Conference on Contemporary Computing and Informatics(IC3I), Mysore, pp. 446- 450, 2014.
B. Jiang and X. Hu, "A Survey of Group Key Management," 2008 International Conference on Computer Science and Software Engineering, Wuhan, Hubei, pp. 994-1002, 2008.
Zheng, X. L., Huang, C. T., Matthews, M., "Chinese Remainder Theorem based Group Key Management," Association for Computing Machinery Proc. 45th Annual Southeast Regional Conf.(ACMSE-07), Winston-Salem, North Carolina, USA, pp. 266-271, 2007.
Zhou, J., Ou, Y.-H., “Key Tree and Chinese Remainder Theorem based Group Key Distribution Scheme,” J. Chin. Inst. Eng., Vol. 32, No. 7, pp. 967-974, 2009.
C. Li, Y. Li, Z. Tian, S. L. Weekes and K. Pahlavan, "Design and Performance Evaluation of a Localization System to Locate Unwanted Drones by using Wireless Signals," 2018 IEEE International Conference on Consumer Electronics(ICCE), Las Vegas, NV, pp. 1-6, 2018.
Y. Zhang, N. Meratnia and P. Havinga, “Outlier Detection Techniques for Wireless Sensor Networks: A Survey,” in IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 12, No. 2, pp. 159-170, Second Quarter 2010.

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].

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