[논문]ARIA 암호 알고리즘을 이용한 원격측정 시스템 암호화 기법

최석훈; 이남식; 김복기

doi:10.12673/jant.2020.24.2.134

ARIA 암호 알고리즘을 이용한 원격측정 시스템 암호화 기법
Telemetry System Encryption Technique using ARIA Encryption Algorithm 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.24 no.2, 2020년, pp.134 - 141

최석훈 (단암시스템즈(주) 기술연구소) , 이남식 (단암시스템즈(주) 기술연구소) , 김복기 (단암시스템즈(주) 기술연구소)

초록
AI-Helper

원격측정 시스템은 무인기, 위성 발사체 등의 비행체 개발과정에서 비행 데이터 수집과 모니터링을 위해 비행체 내 다양한 신호를 계측하여 지상으로 전송하는 통신시스템이다. 최근 무선통신 기술의 발전으로 비행 데이터의 전송 과정에서 일어날 수 있는 보안 위협에 대응하기 위해 원격측정 시스템의 암호화 기술 적용은 중요해지고 있다. 따라서 본 논문에서는 원격측정 시스템의 암호화 적용을 위해 국가 표준 암호 알고리즘인 ARIA-256의 적용 방법을 제안하고 구현하였다. 블록 오류 확산과 원격측정 프레임의 특성을 고려하여 CTR (counter) 모드를 응용하고, 위성통신 표준화 기구(CCSDS)에서 권장하는 리드솔로몬 코드를 적용할 수 있도록 프레임을 구성하여 암호화하였다. ARIA-256 알고리즘과 암호 프레임은 FPGA(filed programmable gate array)로 구현하였고 시뮬레이션과 하드웨어 검증 시스템을 통해 연속성 있는 프레임의 암호화를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Telemetry system is a communication system that measures and transmits various signals in the aircraft to the ground for collecting and monitoring flight data during the development of unmanned air vehicle and satellite launch vehicles. With the recent development of wireless communication technology, it is becoming important to apply encryption of telemetry system to prepare with security threats that may occur during flight data transmission. In this paper, we suggested and implemented the application method of ARIA-256, Korean standard encryption algorithm, to apply encryption to telemetry system. In consideration of the block error propagation and the telemetry frame characteristics, frame is encrypted using the CTR mode and can apply the Reed-solomon codes recommended by CCSDS. ARIA algorithm and cipher frame are implemented in FPGA, and simulation and hardware verification system confirmed continuous frames encryption.

주제어

표/그림 (20)

그림 그림 1. ARIA의 암호화 복호화 처리과정 Fig. 1. Encryption and decryption of ARIA process.
그림 그림 2. 유형 1 홀수 라운드 치환 계층 Fig. 2. Type 1 odd-round substitution layer.
그림 그림 3. 유형 2 짝수 라운드 치환계층 Fig. 3. Type 2 even-round substitution layer.
그림 그림 4. 확산계층의 이진행렬 A Fig. 4. Binary matrix A of diffusion layer.
그림 그림 5. 키 초기화 과정 Fig. 5. Process of KEY initialization.
그림 그림 6. ARIA-256 암호 로직 구조 Fig. 6. Structure of ARIA-256 encryption logic.
그림 그림 7. CTR 모드 암호화 과정 Fig. 7. Process of CTR mode encryption.
그림 그림 8. 원격측정시스템 프레임 구조 Fig. 8. Structure of telemetry system frame.
그림 그림 9. 프레임 암호 로직 구조 Fig. 9. Structure of frame encryption logic.
표 표 1. CCSDS에서 권장하는 리드솔로몬 옵션 Table 1. Recommended Reed-solomon option by CCSDS.
그림 그림 10. 원격측정 프레임 암호 과정 Fig. 10. Process of telemetry frame encryption.
그림 그림 11. 키 초기화의 시그널 탭 결과 Fig. 11. Signal tap result of key initialization.
그림 그림 12. ARIA-256 암호화의 시그널 탭 결과 Fig. 12. Signal tap result of ARIA-256 encryption.
그림 그림 13. ARIA-256 복호화의 시그널 탭 결과 Fig. 13. Signal tap result of ARIA-256 decryption.
표 표 2. 리드솔로몬 옵션에 따른 프레임 구조 정보 Table 2. Frame structure according to RS option.
그림 그림 14. 프레임 블록 암호화 시그널 탭 결과 Fig. 14. Signal tap result of frame block encryption.
그림 그림 16. 프레임 암호화 시험 구성도 Fig. 16. Test configuration of frame encryption.
그림 그림 15. 프레임 블록 복호화 시그널 탭 결과 Fig. 15. Signal tap result of frame block decryption.
표 표 3. FPGA 합성 결과 Table 3. Results of FPGA synthesis.
그림 그림 17. 원격측정 프레임의 실시간 암호화/복호화 모니터링 결과 Fig. 17. Result of telemetry frame real-time encryption/decryption monitoring.

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

국내에서는 비행체 명령신호의 기밀성을 위해 비행종단시스템과 명령 처리기의 암호화에 대한 연구는 진행되었지만[2], 원격측정 시스템의 데이터 암호화에 대한 구체적인 연구는 진행이 필요하다. 따라서 본 논문은 원격측정 시스템의 암호화 적용 방법을 제안하고 구현하였다.
본 논문은 원격측정 시스템을 암호화하기 위해 보안성이 가장 높은 256 비트 암호 키를 사용하여 16 라운드로 암호화를 진행하는 ARIA-256을 설계하였다. 설계된 ARIA-256 암호 로직의 구조는 그림 6과 같으며, 암호화와 복호화의 구조가 같은 involution 구조의 장점을 활용하여 하나의 로직이 라운드 키 생성 모드에 따라 암호화와 복호화가 모두 가능하도록 설계 하였다.
본 논문은 원격측정 시스템의 암호화 적용을 위해 ARIA 알고리즘의 구조와 ARIA-256의 설계, 암호화를 위한 프레임 구조의 설계에 대해 기술한다.
원격측정 시스템의 운용 과정에서 발생할 수 있는 보안 위협에 대응하기 위해 본 논문은 국가 표준 암호 알고리즘인 ARIA-256의 적용 방법을 연구하여 FPGA에 로직으로 구현하였다. 프레임 암호 로직의 합성 결과 12,394개의 LE(logic elements)와 78,080 메모리 비트로 구현이 되었고, 복호 로직은 동일한 메모리 비트를 사용하여 12,345개의 LE로 구현되었다.

제안 방법

본 논문의 구성은 제 Ⅱ장에서 ARIA 알고리즘에 대한 설명과 ARIA-256 설계 그리고 본 논문에서 제시하는 원격측정 시스템의 암호화 방법에 대해 기술한다. 제 Ⅲ장에서는 제안된 원격측정 시스템의 암호화 방법을 FPGA에 로직으로 구현하여 하드웨어 동작을 검증하고, 제 Ⅳ장에서는 결론을 맺는다.
원격측정 시스템의 ARIA-256 적용을 위해 본 논문에서 설계한 ARIA-256 알고리즘과 원격측정 프레임의 암호화 방법을 VHDL 로직으로 구현하고, 시뮬레이션과 하드웨어 시스템을 구축하여 검증을 진행하였다.
따라서 원격측정 프레임의 ARIA-256 적용을 위해서는 오류 확산이 최소화 되는 운용 모드를 선정해야 하고, 동일한 SNR에서 낮은 BER(bit error ratio) 성능을 위해 오류 정정이 가능한 프레임 구조가 필요하다. 이를 위해 본 논문은 CTR 암호 모드를 응용하고, CCSDS에서 권장하는 오류 정정 방식 중 하나인 리드솔로몬 코드가 적용 가능한 프레임 구조를 제안하고 설계하였다. CTR 모드는 그림 7과 같이 1씩 증가하는 난수를 암호화하여 키 스트림을 만들고 평문과 XOR 비트 연산하여 암호화와 복호화를 진행한다.

데이터처리

FPGA에 구현된 ARIA-256 알고리즘의 검증은 Intel FPGA 개발 소프트웨어인 QuartusⅡ의 시그널 탭 로직 분석 툴을 활용하여 키 초기화, 암호화, 복호화 순서로 진행하였고, 검증 방법은 표준서의 테스트 벡터와 결과를 비교하여 검증하였다. 키 초기화 결과는 그림 11과 같으며 256 비트 암호 키는 KL, KR로분리되고, 3 라운드의 feistel 연산을 통해 테스트 벡터와 동일한 W0, W1, W2, W3의 생성결과를 확인하였다.
프레임 암호 로직의 합성 결과 12,394개의 LE(logic elements)와 78,080 메모리 비트로 구현이 되었고, 복호 로직은 동일한 메모리 비트를 사용하여 12,345개의 LE로 구현되었다. 구현된 원격 측정 프레임 암호 로직은 시뮬레이션을 통해 1차 검증을 하고, 하드웨어 시스템을 통해 연속성 있는 원격측정 프레임의 실시간 암호화와 복호화를 최종 검증하였다. 암호 프레임은 사용자의 대역폭 여유에 따라 CCSDS에서 권장하는 2가지 리드솔 로몬 코드를 적용할 수 있으며, 원격측정 시스템 classⅠ최대 규격인 10 Mbps에서 86%의 동작 여유를 가진다.

후속연구

암호 프레임은 사용자의 대역폭 여유에 따라 CCSDS에서 권장하는 2가지 리드솔 로몬 코드를 적용할 수 있으며, 원격측정 시스템 classⅠ최대 규격인 10 Mbps에서 86%의 동작 여유를 가진다. 원격측정 시스템의 암호화 설계와 구현을 통해 기밀성 있는 보안 기술이 확보되었고, 암호화 선택의 폭을 넓히기 위해 다양한 암호 알고리즘의 적용 방안과 암호 키 관리 및 운용 방법에 대한 연구를 계속 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비행 데이터 전송과정에서 일어날 수 있는 보안 위협 대응에 필요한 것은?	원격측정 시스템은 무인기, 위성 발사체 등의 비행체 개발과정에서 비행 데이터 수집과 모니터링을 위해 비행체 내 다양한 신호를 계측하여 지상으로 전송하는 통신시스템이다. 최근 무선통신 기술의 발전으로 비행 데이터의 전송 과정에서 일어날 수 있는 보안 위협에 대응하기 위해 원격측정 시스템의 암호화 기술 적용은 중요해지고 있다. 따라서 본 논문에서는 원격측정 시스템의 암호화 적용을 위해 국가 표준 암호 알고리즘인 ARIA-256의 적용 방법을 제안하고 구현하였다.
	원격측정 시스템의 실시간 처리를 위해 사용한 방식은?	원격측정 시스템은 정해진 시간에 데이터를 처리하는 실시간 처리가 요구되기 때문에 암호화 과정에서 병목현상이 없어야 하며 이를 위해 처리 속도가 빠른 하드웨어 환경에서 구현이 가능해야 한다. 이에 적절한 방식은 대칭키 암호 방식이며, 미국 표준 블록 알고리즘인 AES (advanced encryption standard), 국가 표준(KS; Korean industrial standards)블록 알고리즘인 ARIA (academy, research institute, agency), 경량 블록 알고리즘인 LEA(lightweight encryption algorithm)가 대표적이다. ARIA 알고리즘은 AES 알고리즘과 비교하여 하드웨어 환경에서 동등한 수행 속도를 보이며, 16×16 이진 행렬을 이용하여 기존 블록 암호 알고리즘과 차별성이 있으며 국가 표준으로 제정되어 여러분야에 사용되고 있다[4].
	원격측정 시스템은 무엇인가?	원격측정 시스템은 무인기, 위성 발사체 등의 비행체 개발과정에서 비행 데이터 수집과 모니터링을 위해 비행체 내 다양한 신호를 계측하여 지상으로 전송하는 통신시스템이다. 최근 무선통신 기술의 발전으로 비행 데이터의 전송 과정에서 일어날 수 있는 보안 위협에 대응하기 위해 원격측정 시스템의 암호화 기술 적용은 중요해지고 있다.

참고문헌 (7)

G. H. Kim, M. H. Jin and B. K. Kim, “Design of a simple PCM encoder architecture based on programmable ROM,” Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 23, No. 2, pp. 186-193, Apr. 2019.
J. P. Kim and C. h. Koo, “Telecommand decryption verification for engineering qualification model of command telemetry unit in communications satellite,” Journal of The Korean Society Aeronautical and Space Sciences, Vol. 33, No. 7, pp. 98-105, Jul. 2005 .
K. B. Kim and K. W. Shin, “A unified ARIA-AES cryptographic processor supporting four modes of operation and 128/256-bit key lengths,” Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 21, No. 4, pp. 795-803, Apr. 2017.
D. S. Kwon, J. S. Kim, S. W. Park, S. H. Sung, Y. K. Sohn, J. H. Song, Y. J. Yeom, E. J. Yoon, S. J. Lee, J. W. Lee, S. T. Chee, D. W. Han and J. Hong, "New block cipher: ARIA," International Conference on Information Security and Cryptology(ICISC), Seoul: Korea, pp. 432-445, Nov. 2003.
Chairman of Korea Industrial Standards Commission, 128bit block encryption algorithm ARIA - part1: general, Ministry of Science and ICT(MSIT), Korea, KS X 1213-1, Dec. 2014.
CCSDS, TM synchronization and channel coding, Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS), Washington DC: USA, Technical Report CCSDS 131.0-B-3, Sep. 2017.
Telemetry Group, Range Commanders Council (RCC). IRIG Standard document 106-19 chapter 4. pulse code modulation standards [Internet]. Available: https://www.irig106.org/wiki/irig_106-19.

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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