[논문]인증 및 경량화 암호알고리즘 기반 IoT 보안 서비스

김선집

doi:10.20465/kiots.2021.7.1.001

인증 및 경량화 암호알고리즘 기반 IoT 보안 서비스
A IoT Security Service based on Authentication and Lightweight Cryptography Algorithm 원문보기

한국사물인터넷학회 논문지 = Journal of the Korea Internet of Things Society, v.7 no.1, 2021년, pp.1 - 7

초록
AI-Helper

IoT 시장은 지속적으로 확대 성장하고 있지만, IoT 기기에 대한 보안 위협 또한 증가하고 있다. 그러나 자원 한정의 문제점을 가지고 있는 IoT 기기에 기존 시스템에 적용되었던 보안기술을 적용하는 것은 어렵다. 이에 본 논문에서는 IoT 기기의 자원 한정이라는 특성 하에서 보안 기능 적용에 따른 오버헤드를 줄일 수 있는 인증 및 경량 암호알고리즘 적용하여 IoT 기기의 보안성을 향상시킬 수 있는 서비스를 제시하여 IoT 기기가 제공되는 홈네트워크 등에 보안성을 제공하고자 한다. 이에 본 논문에서 제시하고 있는 인증 및 경량 암호알고리즘 적용 서비스는 기존 연구에서 증명되었던 IoT 환경에서 적용 가능한 LEA 암호화 알고리즘의 이용과 더불어 비밀키 생성에 있어 이용자, IoT 기기와 서버가 참여하여 3자의 상호인증기반 비밀키 생성을 통해 서비스의 안전성을 확보하였으며 실험에서 랜덤하게 비밀키를 생성하는 방식과 속도의 차이가 없으나, 부가적으로 비밀키 공유를 위한 로직을 IoT 기기에 적용하지 않음으로써 IoT 기기의 자원 한정의 문제점을 해결할 수 있음을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The IoT market continues to expand and grow, but the security threat to IoT devices is also increasing. However, it is difficult to apply the security technology applied to the existing system to IoT devices that have a problem of resource limitation. Therefore, in this paper, we present a service that can improve the security of IoT devices by presenting authentication and lightweight cryptographic algorithms that can reduce the overhead of applying security features, taking into account the nature of resource limitations of IoT devices. We want to apply these service to home network IoT equipment to provide security. The authentication and lightweight cryptographic algorithm application protocols presented in this paper have secured the safety of the service through the use of LEA encryption algorithms and secret key generation by users, IoT devices and server in the IoT environment. Although there is no difference in speed from randomly generating secret keys in experiments, we verify that the problem of resource limitation of IoT devices can be solved by additionally not applying logic for secret key sharing to IoT devices.

주제어

표/그림 (7)

표 Feature comparison between Lite, Basic and Standard Level(Lite, Basic, Standard feature comparison)
그림 [Fig. 1] A structure of IoT service
그림 [Fig. 2] A Process of IoT service
그림 [Fig. 3] A structure of Encyption, Decryption relationship with Secret key
표 A definition of Actions or Messages
그림 [Fig. 4] Compare of Average times for AES & LEA encryption, decryption and key generation(ms)
표 ESP 8266 SPEC

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 KISA 시험인증기준을 고려하여 IoT 환경에 맞는 경량 암호알고리즘 기반의 IoT 보안 서비스를 제안 및 구현하고 시험을 통해 그 성능을 평가하였다. 본 논문의 2장에서는 관련 연구를, 3장에서는 본 논문에서 제안 및 구현한 보안 서비스를 설명하였다.

제안 방법

CoAPe 서버와 클라이언트 구조로 되어 있으며, 기본적으로 일대일 ‘요청·보고’ 인터렉티브 모델을 제공하며, IPv6 환경에서는 멀티캐스트를 지원할 수 있도록 설계되었다. HTTP 및 RESTful웹과 상호 운용이 가능하도록 설계되어 있어 기존의 인터넷에 적합하다.
이러한 LEA는 IoT, 클라우드 등 경량 환경에서 기밀성을 제공하기 위한 블록 암호 알고리즘으로 활용되고 있다. 경량, 저전력의 특성이 있는 IoT 기기들을 고려하여 계산 자원을 효율적으로 사용하면서 충분한 성능과 보안성을 제공하는데 적합하게 설계되었다[8, 9].
또한, 통신 구간에서의 지연 시간을 측정하였다. 다만, 관리 서버 측에서 메시지의 암호화 및 복호화는 서버의 성능에 따라 그 속도가 좌우되게 됨에 따라, IoT 기기에서만 그 값을 측정하였다.
본 논문에서 제안하는 보안 기능이 적용되는 IoT 서비스는 이용자와 IoT 기기의 인증 및 전송 데이터의 암호화에 중점을 두고 설계하였다. 이는 IoT 기기의 제안된 자원의 현황에서, 최근 IoT 보안의 이슈를 고려함과 더불어 한국인터넷진흥원의 IoT 보안 시험 인증기준에서 중요시되고 있는 인증 및 전송 데이터 보호에 암호 알고리즘을 적용하여 인증기준에 준하는 보안 성능을 제공하기 위함이다.
본 논문에서 제안한 비밀키는 LEA 128bit 암호화 방식에 맞추어 설계되었으며, 암호화 강도를 강화하기 위해 192, 256비트 비밀키도 생성할 수 있다.
본 논문에서는 대표적인 대칭키 알고리즘인 AES 기반 랜덤 키 생성방식을 사용하여 짧은 평문을 128 비트의 크기로 변환하는 방식과 LEA기반 본 논문에서 제안하는 키 생성 스킴을 반영한 방식에 대해 키 생성시간, 암호화 시간, 복호화 시간 및 총 암호화에 걸린 시간을 측정하여 비교 분석하였다.
본 연구에서는 자원의 제안사항을 가지고 있는 IoT 기기에 한국인터넷진흥원의 IoT 보안 시험인증기준을 충족하기 위하여 암호화 알고리즘에 LEA을 활용하였으며, 비밀키 생성에 있어 이용자, IoT 기기 및 서비스 제공 서버 간의 신뢰를 기반으로 비밀키 생성 방식을 제안 적용하였으며 그 성능을 평가하였다.
이러한 요구사항에 본 논문에서 제안하는 서비스는 경량 암호알고리즘인 LEA를 적용하고 인증과 암호화를 위한 비밀키 생성에 있어 이용자(Client), IoT 기기(IoT Device) 및 서비스 관리 서버(MS)간 상호 신뢰성 기반 프로세스를 구성 반영하였다.
이에 기본적으로 이용자, IoT 기기 및 관리 서버간 신뢰 기반의 인증을 활용하여 비밀키를 생성하는 방법을 제안하였으며, 서로 상호 간 데이터 전송과 더불어 데이터의 암호화 저장에 경량 암호화 알고리즘인 LEA를 적용하였다.
3]과 같이 암호화와 복호화에 적용하여 사용한다. 이에 새로운 서비스별 new-session key 를 이용함으로써 서로 다른 이용자를 구분하고 이용자, IoT 기기와 관리 서버간 상호 인증기반으로 비밀키가 생성될 수 있도록 구현하였다[14].
제안하는 서비스의 경우 중앙에서 IoT 기기에 대한 서비스를 관리하는 관리 서버가 존재하여 일반 이용자가 모바일 디바이스를 통해 IoT 기기가 부착되어 있는 장비를 쉽고 안전하게 사용할 수 있는 환경을 제공하도록 하였다.

대상 데이터

⑨ 12∼13단계 : IoT 기기에서 현재 IoT 기기 상태에 따라 서비스 가용 여부를 이용자에게 응답한다.

이론/모형

ECC는 Victor Miller와 Neil Koblitz에 의해 제안된 공개키 암호방식으로 타원곡선 상의 임의의 두 점 P와 Q 를 알더라도 비밀키로 사용된 임의 정수 k를 알아내기 어렵다는 타원곡선 군(group)의 이산대수 문제에 안전성을 기반으로 설계되었다. 이는 다른 암호화 알고리즘과 비교 시 짧은 키의 길이도 대등한 안전도를 제공하는 장점이 있다.
본 서비스에서의 중요정보의 저장 및 데이터 전송 시의 암호화 알고리즘은 IoT의 특성을 고려하여 LEA를 사용한다. 다만 IoT 기기의 특성상 암호화 알고리즘을 최소화하기 위해 LEA를 사용한 만큼 비밀키를 지속적으로변경해 주기 위해 사용하는 알고리즘은 두 가지로 구분한다.

성능/효과

[Fig. 4]와 같이 기존의 방식이 본 논문에서 제시하는 방식에 비해, 암호화 시 2.4배 정도의 시간이 더 소요되었으며, 복호화 시 2.8배가 더 소요되었고, 비밀키 생성에서는 본 성능평가가 하나의 IoT 기기만을 한정하여 측정함에 따라 기존 랜덤 방식과 본 연구에서 제시한 방식과의 차이점은 거의 없었으나 5% 정도의 감소 효과를 확인하였으며, 전체 소요시간은 본 연구에서 제안한 방식이 AES와 랜덤 비밀키 생성 방식에 비해 40%정도의 시간을 줄일 수 있었음을 확인하였다. 또한 비밀키 생성을 위한 암호화 알고리즘을 IoT 기기에 적용하지 않아 IoT 기기의 자원 한정의 문제점도 해결할 수 있었다.
8배가 더 소요되었고, 비밀키 생성에서는 본 성능평가가 하나의 IoT 기기만을 한정하여 측정함에 따라 기존 랜덤 방식과 본 연구에서 제시한 방식과의 차이점은 거의 없었으나 5% 정도의 감소 효과를 확인하였으며, 전체 소요시간은 본 연구에서 제안한 방식이 AES와 랜덤 비밀키 생성 방식에 비해 40%정도의 시간을 줄일 수 있었음을 확인하였다. 또한 비밀키 생성을 위한 암호화 알고리즘을 IoT 기기에 적용하지 않아 IoT 기기의 자원 한정의 문제점도 해결할 수 있었다.
또한, 본 연구에서 제시한 비밀키 생성 방식은 기존의 방법과 비교하여 특정 환경에 적합한 비밀키 생성 패턴을 제시함으로써 인증과 비밀키 생성의 두 가지 목표를 달성할 수 있었다. 이는 비밀키 생성의 편리성과 키 관리의 효율성 그리고 악의적인 의도를 가지고 접근하는 공격자에 대한 보안성을 확보할 수 있을 것으로 생각된다.
실험 결과, 특정 IoT 기기에서 기존 방식보다 40% 이상 속도가 빨라짐을 확인하였다. 이는 제한된 자원을 가진 IoT 기기에서 인증과 데이터의 암호화 등의 기밀성을 확보할 수 있음을 의미한다.

후속연구

이는 비밀키 생성의 편리성과 키 관리의 효율성 그리고 악의적인 의도를 가지고 접근하는 공격자에 대한 보안성을 확보할 수 있을 것으로 생각된다. 최근 저가격 고성능의 다양한 IoT 기기들이 개발되고 있는 상황에서 기존 유 무선 네트워크에서 지원되었던 강도의 보안성을 IoT 기기에 확보하기 어려운 IoT 기기 기반 객실관리 시스템 및 사물함 관리 시스템 등에 본 논문의 연구결과를 적용한다면 다양한 IoT 시스템에도 한국인터넷진흥원의 IoT 보안 시험인증기준에서 요구하는 보안 성능을 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (15)

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ISO/IEC, "Information technology - Message Queuing Telemetry Transport(MQTT) V3.1.1. "ISO/IEC 20922:2016, 2016.
H.Y.Kim and J.N.Kim, "A Study of End-to-End Message Security Protocol Based on Lighweight Ciphers for Smart IoT Devices", Journal of The Korea Institute of Information Security & Cryptology, Vol.28, No.6, 2018.
Zach Shelby, Klaus Hartke, and Carsten Bormann, "The Constrained Application Protocol(CoAP)", IETF RFC 7252, 2014.
J. Daemen and V. Rjjmen, "The design of Rijndel:AES-the advanced encryption standard", Springer, 2013.
D. Hong, J. Lee, D. Kim, D. Kwon, K. Ryu. and D. Lee, "LEA: A 128-Bit Block Cipher for Fast Encryption on Common Processors", ISA. LNCS Vol.8267, pp.3-27, Springer, 2013.
J.M.Jeong, P.H.Kim, KY.Jung, E.J.Yoon and K.Y.Yoo, "Key Management Method for LEA Lightweight Block Cipher", Proceedings of Symposium of the Korean Institute of communications and Information Sciences, pp.959-960, 2017.
R. Rivest, A. Shamir, and L. Adleman, "A method for obtaining Digital Signatures and Public-Key Crypto-systems", Communications of the ACM, Vol.21, No.2, pp.120-126, 1978.

상세보기
N. Koblitz, "Elliptic curve cryptosystems", Mathematics of Computation, Vol.48, No.177, pp.203-209, 1987.

상세보기
K.H.Lee, "A Scheme on Anomaly Prevention for Systems in IoT Environment", Journal of The Korea Internet of Things Society, Vol.5, No.2, pp.8195-101, 2019.
KISIS [Internet] https://www.kisis.or.kr/kisis/subIndex/307.do
Namuwiki [Internet] https://namu.wiki/w/LEA
Wikipedia [Internet] https://en.wikipedia.org/wiki/ESP8266

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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