[논문]DTLS 보안기술이 적용된 CoAP/6LoWPAN 기반의 스마트 홈네트워크 시스템

김연수; 김기태; 이보경

doi:10.7236/jiibc.2018.18.6.53

DTLS 보안기술이 적용된 CoAP/6LoWPAN 기반의 스마트 홈네트워크 시스템
CoAP/6LoWPAN-based Smart Home Network system using DTLS 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.6, 2018년, pp.53 - 61

김연수 (한국산업기술대학교, 컴퓨터공학부) , 김기태 (한국산업기술대학교, 컴퓨터공학부) , 이보경 (한국산업기술대학교, 컴퓨터공학부)

초록
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최근 사물인터넷 관련 기술이 급속도로 발전하고 있고 이에 따라 모바일 환경 중심의 홈 네트워크 시스템과 관련된 연구들이 활발하게 진행되고 있다. IETF(Internet Engineering Task Force)에서는 저전력, 저용량, 저성능 등 제한된 환경에서 인터넷과 연동하여 사물들을 동작시키기 위한 대표적인 기술로 CoAP/6LoWPAN 프로토콜을 제안하고 있다. 그러나 기존에 구현된 홈 네트워크 시스템은 보안 기능이 거의 구현되어 있지 않은 실정이다. IETF에서는 IoT환경에 적합한 UDP 기반의 보안 프로토콜로 DTLS(Datagram Transport Layer Security)을 권고하고 있다. 본 논문에서는 DTLS 보안기술을 적용하여 모바일 환경에서 CoAP/6LoWPAN 기반의 홈 네트워크 시스템을 동작시키고 제어하는 시스템을 구현하였다. 또한 본 시스템을 활용하여 DTLS 동작 절차에 따른 데이터 전송 시간을 측정하였으며 향후 보안 프로토콜의 성능 개선의 필요성을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, technologies related to the Internet of Things have developed rapidly and research on mobile environment home network systems is actively in progress. The Internet Engineering Task Force (IETF) Working Group proposed the CoAP/6LoWPAN technology as a suitable protocol for internetworking IoT devices with the Internet in a limited environment and adopting it as a standard. However, the existing home network systems hardly include security protocols. IETF recommends DTLS(Datagram Transport Layer Security) on UDP as security protocol suitable for IoT environments. In this paper, smart home network system based on CoAP/6LoWPAN by using DTLS is implemented in mobile environments. The data transfer time is measured according to each procedure of the DTLS protocol and the need to improve DTLS protocol is suggested.

주제어

표/그림 (11)

표 표 1. DTLS의 Record Layer 포맷 Table 1. DTLS Record Layer Format
그림 그림 1. 통합 시스템 구성 Fig. 1. Integrated System Configuration
그림 그림 2 프로토콜 스텍 Fig. 2. Protocol Stack
그림 그림 3. 홈 네트워크 시스템 모델 구성 Fig. 3. Home Network System model
그림 그림 4. 안드로이드 앱 화면 Fig. 4. Android App Screen
그림 그림 5. 전체 핸드쉐이크 과정 Fig. 5. Message Flights for Full Handshake
그림 그림 6. 보안인증 과정 Fig. 6. Security certification process
그림 그림 7. CoAP/DTLS GET 메시지 과정 Fig. 7. Process of CoAP/DTLS GET message
그림 그림 8. CoAP, HTTP, DTLS의 전송 시간(ms) Fig. 8. Transmission Times of CoAP and HTTP and DTLS (ms)
그림 그림 9. 구간 별 소요시간(s) Fig. 9. Interval operation time(s)
표 표 2. 구간 별 소요시간(ms) Table 2. Interval operation time(ms)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 DTLS 보안기술을 적용하여 모바일 환경에서 CoAP/6LoWPAN 기반의 홈 네트워크 시스템을 동작시키고 제어하는 시스템을 구현하였다. 또한 본 시스템을 활용하여 DTLS 동작 절차에 따른 데이터 전송 시간을 측정하였으며 향후 보안 프로토콜의 성능 개선의 필요성을 제안한다.
따라서 본 논문에서는 DTLS 보안기술을 적용하여 모바일 환경에서 CoAP/6LoWPAN 기반의 홈 네트워크 시스템을 동작시키고 제어하는 시스템을 구현하였다. 또한 본 시스템을 활용하여 DTLS 동작 절차에 따른 데이터 전송 시간을 측정하였으며 향후 보안 프로토콜의 성능 개선의 필요성을 제안한다.

제안 방법

다음으로 한 차례의 CoAP 응답이 완료될 때 까지 각 구간에서의 각 flight별 전송 시간을 측정하였으며 100회 정도 측정하여 평균을 구하였다.
본 논문에서는 DTLS 보안기술을 적용하여 모바일 환경에서 CoAP/6LoWPAN 기반의 홈 네트워크 시스템을 동작시키고 제어하는 시스템을 구현하였다. 또한 구현된 시스템을 이용하여 DTLS 프로토콜의 동작 과정에 따른 데이터 전송 시간을 측정하였다. 그 결과, 센서의 측정값을 받아오는 과정에 보안 프로토콜을 적용하였더니 평균 약 2초 정도의 시간이 소요되었다.
또한 보안모듈을 적용하였을 때 소요되는 시간과 그렇지 않은 경우를 비교하기 위하여, CoAP에 보안 프로토콜을 적용하지 않았을 때, CoAP에 DTLS 보안프로토콜을 적용하였을 때, HTTP를 이용할 때 3가지의 경우로 나누어서 센서 정보를 가져오는데 소요되는 시간을 측정하여 비교 분석하였다. DTLS 보안 모듈을 적용하였을 때 소요되는 시간은 보안 모듈을 적용하지 않았을 때 대비 무려 약 9.
메시지 전송에는 DTLS 보안이 적용된 CoAP 프로토콜이 사용되며, 구현에는 JAVA 기반의 CoAP 프레임워크인 Californium 을 사용하였다. 또한 성능 분석을 위해 HTTP, CoAP, CoAP/DTLS를 모두 지원하도록 하였다.
CoAP 서버와 CoAP 클라 이언트는 CoAP메세지를 CoapEndpoint라는 객체의 인스 턴트로써 캡슐화하고 이를 dtlsConnector에 넘기면, 커넥 터는 DTLS 헤더와 메시지를 Flight에 담아 전송한다. 또한 클라이언트와 서버는 각각 추상클래스인 Handshaker 를 상속받은 ClientHandshaker, ServerHandshaker를 생성하여 핸드쉐이크 과정을 진행한다. CoAP클라이언트에서 동작되는 각 Flight별 보안모듈의 핵심 함수는 다음과 같다.
// ServerHello 메시지의 처리. 메시지에 포함된 정보를 통해 세션 식별자, 합의된 Cipher Suite, 압축 방법을 설정한다.
그 결과, 센서의 측정값을 받아오는 과정에 보안 프로토콜을 적용하였더니 평균 약 2초 정도의 시간이 소요되었다. 보안 프로토콜의 각 절차 별 구간별로 소요 시간을 분석하였다. 각 구간별로는 CoAP서버와 게이트웨이 사이에 소요되는 시간이 전체 시간 대비 58.
본 논문에서 구현한 스마트 홈 네트워크 시스템은 스마트폰을 중심으로 각 방의 CoAP 서버와 통신하여 센서를 조작할 수 있는 구조이다. 서버는 블루투스를 통한 6LoWPAN으로 게이트웨이와 통신하며, 클라이언트는 집안의 WiFi를 통해 게이트웨이와 통신한다.
본 논문에서는 개발한 시스템을 활용하여 DTLS 동작 절차에 따른 데이터 전송 시간을 측정하기 위하여 사용자가 1층 서버의 온도센서 값을 핸드쉐이크 후 GET 메소드를 통해 받아오는 과정의 소요 시간을 분석하였다. 비교를 위해 CoAP와 DTLS 프로토콜을 함께 사용한 경우, CoAP 프로토콜만 사용한 경우, HTTP 프로토콜을 사용한 경우로 나누었다.
본 논문에서는 개발한 시스템을 활용하여 DTLS 동작 절차에 따른 데이터 전송 시간을 측정하기 위하여 사용자가 1층 서버의 온도센서 값을 핸드쉐이크 후 GET 메소드를 통해 받아오는 과정의 소요 시간을 분석하였다. 비교를 위해 CoAP와 DTLS 프로토콜을 함께 사용한 경우, CoAP 프로토콜만 사용한 경우, HTTP 프로토콜을 사용한 경우로 나누었다. 우선 CoAP클라이언트가 센서를 통해 온도 값을 요청한 뒤 확인이 완료될 때까지 소요되는 시간을 측정하였으며 세부 결과는 그림 8에서 보여준다.
시간 지연의 원인 분석을 위해 시간 측정에 사용되었던 DTLS 패킷을 분석하였다. 클라이언트와 게이트웨이 사이, 게이트웨이와 서버 사이에서 전송에 소요된 시간과 클라이언트, 서버에서 패킷을 받고 응답하기까지의 처리 시간을 구간별로 나누어 합산하였다.
이 게이트웨이가 양쪽 네트워크의 Default Gateway가 되어 라우팅을 수행한다. 이 두 가지 기능을 수행시키기 위해 RADVD(Router Advertise Daemon)라는 프로그램을 사용하였다. 이 프로그램은 백그라운드에서 동작하면서 같은 네트워크에 연결된 디바이스들에 IP를 할당하고 라우팅 테이블을 자동으로 설정 해 주는 기능을 가지고 있다.
// 클라이언트가 보낸 Flight 5의 첫 메시지인 Certificate를 처리하는 함수이다. 인증서가 올바른 ca 로부터 서명을 받았는지 확인하고 인증서에 포함된 클라이언트의 공개 키를 저장한다.
시간 지연의 원인 분석을 위해 시간 측정에 사용되었던 DTLS 패킷을 분석하였다. 클라이언트와 게이트웨이 사이, 게이트웨이와 서버 사이에서 전송에 소요된 시간과 클라이언트, 서버에서 패킷을 받고 응답하기까지의 처리 시간을 구간별로 나누어 합산하였다.

대상 데이터

서버는 라즈베리파이3에서 동작하며, 서버 겸 센서노드 역할을 한다. 1층, 2층, 외부에 각각 하나씩 총 3대의 라즈베리파이가 사용되었다. 서버는 6LoWPAN/BLE를 통해 게이트웨이와 연결된다.

성능/효과

또한 보안모듈을 적용하였을 때 소요되는 시간과 그렇지 않은 경우를 비교하기 위하여, CoAP에 보안 프로토콜을 적용하지 않았을 때, CoAP에 DTLS 보안프로토콜을 적용하였을 때, HTTP를 이용할 때 3가지의 경우로 나누어서 센서 정보를 가져오는데 소요되는 시간을 측정하여 비교 분석하였다. DTLS 보안 모듈을 적용하였을 때 소요되는 시간은 보안 모듈을 적용하지 않았을 때 대비 무려 약 9.5배 이상의 소요시간을 나타냈다.
보안 프로토콜의 각 절차 별 구간별로 소요 시간을 분석하였다. 각 구간별로는 CoAP서버와 게이트웨이 사이에 소요되는 시간이 전체 시간 대비 58.1%로 가장 많은 시간을 차지하였다.
또한 구현된 시스템을 이용하여 DTLS 프로토콜의 동작 과정에 따른 데이터 전송 시간을 측정하였다. 그 결과, 센서의 측정값을 받아오는 과정에 보안 프로토콜을 적용하였더니 평균 약 2초 정도의 시간이 소요되었다. 보안 프로토콜의 각 절차 별 구간별로 소요 시간을 분석하였다.
분석 결과, 게이트웨이와 서버 사이의 전송에 소요되는 평균 시간이 1167.4ms로 전체 평균의 합의 58.1%를 차지하여 가장 높았다.
위의 결과를 바탕으로 분석 가능한 점은 CoAP 서버와 게이트웨이 사이의 6LoWPAN 통신 속도가 패킷의 크기가 늘어남에 따라 큰 폭으로 느려진다는 점이다. ClientHello와 HelloRequest 메시지의 경우 200byte 이하의 크기에 0.

후속연구

따라서 본 논문에서는 DTLS 보안기술을 적용하여 모바일 환경에서 CoAP/6LoWPAN 기반의 홈 네트워크 시스템을 동작시키고 제어하는 시스템을 구현하였다. 또한 본 시스템을 활용하여 DTLS 동작 절차에 따른 데이터 전송 시간을 측정하였으며 향후 보안 프로토콜의 성능 개선의 필요성을 제안한다.
DTLS 프로토콜은 UDP기반의 IoT 환경에서 사용 가능하기는 하지만 본 논문의 결과에서 제시된 것처럼 많은 소요시간을 보인다. 특히 핸드쉐이킹 과정에서 많은 시간을 소요하는 것으로 나타나며 데이터를 전송할 때 암호화 데이터를 응용 데이터에 같이 전송하는 방안 등 암호화 과정을 줄일 수 있는 다양한 방안이 향후 연구과제로 제시된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DTLS란 무엇인가?	DTLS(Datagram Transport Layer Security)는 데이터그램 기반 응용 프로그램이 도청, 변조 또는 메시지를 방지하기 위해 설계된 방식으로 통신할 수 있도록 하여 데이터그램 기반 응용 프로그램에 보안을 제공하는 통신 프로토콜이다. UDP에서 TLS 프로토콜이 동작할 수 없는 이유는 단순하게도 비신뢰적인 전송으로 인한 패킷 손실 때문인데, 이를 해결하기 위한 몇몇 변경점 외에는 TLS와 유사한 프로토콜이라 할 수 있다.
	CoAP가 기존 인터넷 환경과의 자연스러운 통합을 도모할 수 있었던 이유는 무엇인가?	CoAP는 저성능, 저 전력 등 제한된 환경에서의 통신을 위해 개발된 UDP 기반 응용 계층 프로토콜이다. HTTP(HyperText Transfer Protocol)와 동일한 RESTful 아키텍처를 기반으로 설계되었기 때문에 HTTP와의 상호 변환이 용이하여 기존 인터넷 환경과의 자연스러운 통합을 도모하였으며, 헤더를 단순화 시켜 패킷을 경량화 하였기 때문에 전송 오버헤드가 줄어들었다. 해당 프로토콜의 표준 문서는 IETF RFC 7252로 제안되었다.
	IoT 환경에서 높은 수준의 보안 기술을 적용하기 어려운 이유는 무엇인가?	IoT 환경에서 사용되는 무선 통신 칩들은 일반적으로 저성능, 저전력의 제한된 환경에서 작동하면서 기본적인 통신 기능만을 제공하기 때문에, 높은 수준의 보안 기술을 적용하기 어렵다. 최근 IoT환경에 보안을 적용하기 위한 프로토콜로서 IETF(Internet Engineering Task Force)에서는 DTLS(Datagram Transport Layer Security)프로토콜 사용을 권장하고 있다.

참고문헌 (9)

SooHyun Ahn, Kwangjo Kim "A Method of lightweight DTLS protocol for IoT", Graduate school of information security, KAIST.
HanByul Yeon, A Study on End-to-End Security from the Viewpoint of IoT Network Architecture, http://www.riss.kr/link?idT14477869
IETF-RFC6347 Datagram Transport Layer Security Version 1.2, https://tools.ietf.org/html/rfc6347
IETF-RFC7252 The Constrained Application Protocol (CoAP), https://tools.ietf.org/html/rfc7252
IETF-RFC6347 IPv6 over BLUETOOTH(R) Low Energy, https://trac.tools.ietf.org/html/rfc7668
Sun-Jin Oh, Design of the Smart Application based on IoT DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2017.17.5.151
Lei Hang, Wenquan Jin, Do-Hyeun Kim, A Design and Implementation for Registration Service of IoT Embedded Node using CoAP Protocol-based Resource Directory in Mobile Internet Environments DOI: http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2016.16.1.147
Minzheong Song, A Study on Business Types of IoT-based Smarthome: Based on the Theory of Platform Typology DOI: http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2016.16.2.27
Hyoung-Ro Lee, Chi-Ho Lin, Design and Implementation of Arduino-based Efficient Home Security Monitoring System DOI: http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2016.16.2.49

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