초록

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최근 센서 네트워크에 대한 연구가 활발한 가운데 센서 네트워크에서의 보안에 관한 중요성 또한 대두되고 있어, 센서 노드 및 센서 네트워크 상의 정보를 안전하게 관리하기 위한 암호 알고리즘의 구현이 필수적이다. 센서 노드 상에서 이용될 수 있는 암호로는 TinyECC 등의 공개키 암호와 AES와 같은 표준 블록 암호가 있으나, 속도 면에서 좀더 효율적일 것으로 기대되는 스트림 암호는 아직 표준화된 바가 없으며, 현재 eSTREAM 프로젝트에서 표준화가 진행 중에 있다. 이에 본 논문에서는 센서 노드에 가장 적합한 스트림 암호를 찾기 위해서 eSTREAM의 2단계에 제출 되어있는 스트림 암호들 중 소프트웨어용 암호 7개를 구현하고 성능을 비교한다. 또한 참조 구현으로서 하드웨어용 스트림 암호 및 AES-CTR에 대한 실험 결과도 제시한다. 본 논문의 실험 결과에 따르면 위 스트림 암호 중 Dragon이 속도 측면에서 가장 효율적인 것으로 나타났으며, 초당 약 12.5KB의 암호화 성능을 보여 센서 노드에서 사용하기에 적합한 것으로 판단된다.

최근 센서 네트워크에 대한 연구가 활발한 가운데 센서 네트워크에서의 보안에 관한 중요성 또한 대두되고 있어, 센서 노드 및 센서 네트워크 상의 정보를 안전하게 관리하기 위한 암호 알고리즘의 구현이 필수적이다. 센서 노드 상에서 이용될 수 있는 암호로는 TinyECC 등의 공개키 암호와 AES와 같은 표준 블록 암호가 있으나, 속도 면에서 좀더 효율적일 것으로 기대되는 스트림 암호는 아직 표준화된 바가 없으며, 현재 eSTREAM 프로젝트에서 표준화가 진행 중에 있다. 이에 본 논문에서는 센서 노드에 가장 적합한 스트림 암호를 찾기 위해서 eSTREAM의 2단계에 제출 되어있는 스트림 암호들 중 소프트웨어용 암호 7개를 구현하고 성능을 비교한다. 또한 참조 구현으로서 하드웨어용 스트림 암호 및 AES-CTR에 대한 실험 결과도 제시한다. 본 논문의 실험 결과에 따르면 위 스트림 암호 중 Dragon이 속도 측면에서 가장 효율적인 것으로 나타났으며, 초당 약 12.5KB의 암호화 성능을 보여 센서 노드에서 사용하기에 적합한 것으로 판단된다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 논문에서는 센서 노드에서 사용할 수 있는 스트림 암호를 선택하기 위해서 최근 관심을 받고 있는 eSTREAM 프로젝트에 제출된 암호 후보들을 살펴보았다. Dragon, SOSEMANUK, Salsa20f Phelix의 경우에는 별다른 변형 없이 참조 코드의 포팅이 가능했고 LEX의 경우는 AES의 최적호卜, Py의 경우에는 최적화를 줄이는 방향으로 구현이 가능했으며 HC-256은 많은 메모리를 사용하기 때문에 구현이 불가능하였다.
• 선택되었다. 본 논문에서는 센서에서 사용할 수 있는 암호로 2단계에 선택된 소프트웨어 스트림 암호를 비교 구현하고자 한다. eSTREAM은 여러 암호 알고리즘에 대해 많은 암호해독과 성능 측정을 통하여 6개월마다 재분류하고 있기 때문에 안정성과 성능을 보장할 수 있다.
• 이 논문에서는 센서 노드에서 가장 적합한 스트림 암호를 찾기 위해서 eSTREAM[4]의 2단계에 제안되어 있는 스트림 암호들 중 'foe니s cipher^ 선택된 7개의 소프트웨어 암호들을 구현하여 비교한다.
• 2004년 11월 처음 후보를 받았고 2008월 1월에 종료될 예정이다. 이 프로젝트는 각각의 단계로 나누어져 있고 소프트웨어용과 하드웨어용에 따라 알맞은 알고리즘을 찾는 것이 목표이다.

제안 방법

• 해쉬 함수의 co니nte「모드를 스트림 암호로 이용한 것이다. Salsa20e 64바이트의 평문 블록에 키와 초기 벡터, 블록 넘버를 해쉬한 결과를 xor 하여 암호화를 한다. 해쉬 함수는 여러 개의 qiiaftenxnjnd로 구성 되어 있는데 q 니 a「tenp 니 nd 를 행에 따라 적용하는 rowround, 열에 따라 적용하는 columnround, 이를 합한 doublso니nd로 구성이 되어 있다.
• TinyOS는 nesC[16]로 구현되어 있고 모듈 방식으로 되어있기 때문에 스트림 암호를 모듈로 구현하여 TinyOS 기본 모듈과 같이 빌드하여 실행하도록 하였다.
• 그 다음으로 암호화 과정에서 최적화를 위한 공간을 제거하도록 하였다. 이 공간은 실제로 사용될 때 내부 상태 공간을 복사하여「이ling array 연산을 수행한 후 다시 내부 상태 공간에 복원시키는 방식으로 하기 때문에 작은 패킷을 암호화 하는 부분에서 비효율적이었다.
• 총 테이블의 크기가 다이기 때문에 SRAM만을 이용해서는 불가능하였다. 그래서 이1아yption ta이e 중 4개의 테이블을 미리 EEPROM에 올리도록 하여 SRAM의 사용량을 줄이도록 하였다. EEPROM의 읽기 기능만을 사용하도록 하였기 때문에 큰 속도 저하 없이 구현이 가능하였다.
• 그러나 티V배열은 고정된 위치의 값만 업데이트하고 사용하기 때문엔 간단한 연산으로 회전 없이 같은 효과를 낼수 있다. 그래서 티V의 크기를 원래 크기대로 하고 낭비되는 공간을 제거하도록 하였다.
• 그리고 각각에 대해서 128바이트 패킷을 암호화 하는 시간으로 키초기화 시간과 초기 벡터 초기화 시간, 128바이트 암호화 시간을 합한 것을 추가하였다. 비교 목적을 위해서 하드웨어용 스트림 암호들도 레퍼런스 소스 코드를 이용하여 모두 소프트웨어로 구현하고 시간을 측정하였다.
• 어셈블리 최적화 된 소스코드가 있었다. 모든 구현을 하나의 형식으로 통일하기 위해서 참조 코드를 이용하여 구현하였다. 내부 상태 공간은 132바이트만을 사용하기 때문에 별다른 최적화 없이 구현이 가능하였다.
• 시간을 합한 것을 추가하였다. 비교 목적을 위해서 하드웨어용 스트림 암호들도 레퍼런스 소스 코드를 이용하여 모두 소프트웨어로 구현하고 시간을 측정하였다. 또한 AES의 CTR 모드의 암호화 시간도 측정을 하였는데 센서 노드에 구현한 알고리즘은 LEX에서 사용한 방법을 그대로 이용하였고 PC에 구현한 알고리즘은 eSTREAM에 벤치마크 프로그램 안에 들어 있는 레퍼런스 소스 코드를 그대로 이용하였다.
• ATMega128L 프로세서에서도 위와 같이 128바이트의 평문을 암호화 하는 시간, 키초기화 시간, 초기벡터 초기화 시간을 측정하였다. 정밀도를 높이기 위해 각각 1000번씩 수행하고 그것을 다시 5번 반복하여 평균값으로 시간을 측정하였다.
• 즉, 내부 상태 공간에 3개의 rolling array® 유지하는데 실제보다 큰 공간을 할당해 사용하도록 하여 내부 상태 공간이 4KB보다 커지게 되었다. 추가적으로 암호화 과정에서 내부상태 공간 크기 수만 배 되는 공간을 더 할당하여 배열의 시작점을 실제 배열의 처음 부분으로 되돌리는 연산을 줄이도록 하였다. 그만큼 메모리를 더 사용하기 때문에 실제로 사용되는 데이터 메모리는 매우 크다.

대상 데이터

• 실험은 ATMega128L 프로세서와 PentiumD 3.4Ghz 프로세서에 대해서 실험을 하였다. 각각의 실제 클럭은 8Mhz, 2400Mhz 이다.

이론/모형

• 비교 목적을 위해서 하드웨어용 스트림 암호들도 레퍼런스 소스 코드를 이용하여 모두 소프트웨어로 구현하고 시간을 측정하였다. 또한 AES의 CTR 모드의 암호화 시간도 측정을 하였는데 센서 노드에 구현한 알고리즘은 LEX에서 사용한 방법을 그대로 이용하였고 PC에 구현한 알고리즘은 eSTREAM에 벤치마크 프로그램 안에 들어 있는 레퍼런스 소스 코드를 그대로 이용하였다.

성능/효과

• 23000HH 정도의 시간 증가가 있었다. ROTATE 연산을 사용하기 때문에 보다 큰 증가를 보였지만 키초기화 시간과 초기벡터 초기화 시간이 매우 작았고 시간 증가도 LEX보다 적었기 때문에 센서 노드에서 세 번째 순위를 차지하였다.
• ROTATE 연산이 없어 실제 클럭 차이보다 큰 시간이 증가가 없었기 때문에 센서 노드에서 제일 빠른 속도를 보여주었다.
• 분석되었다. 결론적으로 센서 노드에서 기타 다른 하드웨어 암호 모듈을 장착하지 않고 순수히 소프트웨어적으로 빠른 암호화를 하기 위해서는 스트림 암호를 사용하는 것이 효율적이며 속도 측면에서 비교했을 때 이러한 스트림 암호 중에서는 Dragon을 선택하는 것이 합리적이라고 판단된다.
• 실험 결과 128바이트 크기의 데이터를 암호화 하는데 Phelix 를 제외하고 모두 AES 보다 나은 성능을 보여주었으며 Dragon의 경우에는 AES보다 3~4배 빠른 속도를 보여 주어 센서 노드에서 가장 빠른 스트림 암호인 것으로 분석되었다. 결론적으로 센서 노드에서 기타 다른 하드웨어 암호 모듈을 장착하지 않고 순수히 소프트웨어적으로 빠른 암호화를 하기 위해서는 스트림 암호를 사용하는 것이 효율적이며 속도 측면에서 비교했을 때 이러한 스트림 암호 중에서는 Dragon을 선택하는 것이 합리적이라고 판단된다.
• 전체적으로 PentiumD오卜 비교하였을 때 실제 클럭 차이인 300배 보다 최소 6배 정도 최대 260배 정도 암호화 하는 시간이 증가 하였다. 이 암호들은 32비트 컴퓨터에 맞게 최적화된 암호들이고 암호에 따라 32비트 데이터나 64비트 데이터를 처리하는 경우가 발생하여 이 경우 더 많은 연산을 사용하기 때문에 8비트 프로세서인 ATMega128L에서는 클럭 차이보다 더 많은 차이가 나는 것은 올바른 결과라고 생각된다.
• Py는 rolling array® 이용하는데 이 때 이용하는 회전 연산은 속도 면에서 비효율적이기 때문에 최적화하여 사용하고 있다. 즉, 내부 상태 공간에 3개의 rolling array® 유지하는데 실제보다 큰 공간을 할당해 사용하도록 하여 내부 상태 공간이 4KB보다 커지게 되었다. 추가적으로 암호화 과정에서 내부상태 공간 크기 수만 배 되는 공간을 더 할당하여 배열의 시작점을 실제 배열의 처음 부분으로 되돌리는 연산을 줄이도록 하였다.

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이 논문을 인용한 문헌

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