초록

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인터넷 상에서 IP 주소의 부족 문제를 해결하기 위해 IPv6 프로토콜이 제안되었고 현재 실용화 단계에 접어들었다. IPv6에서는 보안기능의 강화를 위해 IPsec 프로토콜을 기본 요구사항으로 채택하였고, 본 논문에서는 이러한 IPsec 프로토콜을 하드웨어로 설계하고 구현하였다. 이를 위해 IPv6에서 보안기능을 담당하는 헤더와 IPsec의 기간 암호화 알고리즘을 설계하여 각각 VHDL로 구현하였고, 전용 FPGA 보드와 IPv6 테스트망에서 그 기능과 성능을 검증하였다. 구현된 IPsec 프로토콜 칩은 TCP／IPv6와 IPsec 프로토콜을 하나의 칩으로 구현함으로써 별도의 프로세서 없이 인터넷 접속 기능과 보안기능을 동시에 제공하며 소프트웨어 모듈보다 뛰어난 성능을 나타낸다.

인터넷 상에서 IP 주소의 부족 문제를 해결하기 위해 IPv6 프로토콜이 제안되었고 현재 실용화 단계에 접어들었다. IPv6에서는 보안기능의 강화를 위해 IPsec 프로토콜을 기본 요구사항으로 채택하였고, 본 논문에서는 이러한 IPsec 프로토콜을 하드웨어로 설계하고 구현하였다. 이를 위해 IPv6에서 보안기능을 담당하는 헤더와 IPsec의 기간 암호화 알고리즘을 설계하여 각각 VHDL로 구현하였고, 전용 FPGA 보드와 IPv6 테스트망에서 그 기능과 성능을 검증하였다. 구현된 IPsec 프로토콜 칩은 TCP／IPv6와 IPsec 프로토콜을 하나의 칩으로 구현함으로써 별도의 프로세서 없이 인터넷 접속 기능과 보안기능을 동시에 제공하며 소프트웨어 모듈보다 뛰어난 성능을 나타낸다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 그러나, 기존의 IPsec 프로토콜은 OS(Operating System) 내에 소프트웨어로 구현되어 있기 때문에 OS가 지원되지 않는 소규모의 기기에는 적용할 수 없으며, 성능 면에서도 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 IPsec 프로토콜을 하드웨어로 설계하고 구현함으로써, TCP/IPv6 프로토콜의 인터넷 접속 및 데이터 전송 기능과 IPsec 프로토콜의 보안 기능을 OS 없이 동시에 제공할 수 있도록 하였다.
• IPv6에서 기본 요구사항으로 정의된 보안 프로토콜인 IPsece OS에 종속적인 소프트웨어로 구현되어 있어 OS가 지원되지 않는 기기에는 적용할 수 없고 성능 면에도 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 OS가 지원되지 않는 장치에 인터넷 접속 기능과 보안 기능을 동시에 제공 할 수 있는 IPv6용 IPsec 프로토콜을 하드웨어로 설계하고 구현하였다. 테스트 결과 하드웨어 IPsec 프로토콜 모듈은 기존 소프트웨어 모듈과 호환되며 소프트웨어 모듈 간의 전송속도보다 나은 성능을 나타내었다.

제안 방법

• MCU는 상대 호스트와 키와 사용 알고리즘을 협상하는 IKE 드라이버 프로그램을 구동시키고, 전체 모듈을 제어하는 마이크로 컨트롤러이다. AH, ESP 헤더를 처리하는 IPsec Core 모듈은 기 구현된 하드웨어 TCP/IPv6 프로토콜 모듈을 기반으로 구현하였다. Ethernet PHY와 연동하기 위해서는 MII 인터페이스를 사용하였으며, IPsec Core에서 사용하는 암호화 알고리즘은 별도의 인터페이스를 정의하여 모듈화하였다.
• 하드웨어 IPsec 프로토콜 모듈은 IPv6에서 보안 기능을 제공하는 AH (Authentication Header), ESP (Encapsulating Security Payload) 확장 헤더 모듈과 암호화 알고리즘 모듈로 나뉜다. AH, ESP 확장 헤더 모듈은 본 연구실에서 기 구현된 TCP/IPv6 프로토콜 모듈을 기반으로 설계 및 구현하였고 별도의 인터페이스를 정의하여 암호화 알고리즘 모듈과의 상호 통신이 가능하도록 하였다. 암호화 알고리즘 모듈은 IPsec에서 사용되는 알고리즘인 3DES, AES, HMAC- MD5, HMAC-SHAT의 네 가지 모듈을 설계 및 구현하였다.
• 하드웨어 IPsec 프로토콜은 각각의 모듈별로 VHDL을 사용하여 구현한 후 통합하였다. 각 모듈들의 동작을 검증하기 위해서는 소프트웨어 시뮬레이션 툴을 사용하였고 전체 모듈의 동작은 별도의 FPGA 보드를 제작하여 테스트하였다. 동작 검증을 위한 테스트 환경은 그림 6과 같다.
• 먼저 IPv6 Host 간의 통신을 통하여 소프트웨어 IPsec 프로토콜의 동작을 테스트하였다 (1)그리고 구현된 IPsec 프로토콜은 IPsec FPGA 전용 보드에 탑재하여 IPv6 Host와의 보안 통신을 수행함으로써 기능을 검증하였다(②).
• AH, ESP 확장 헤더 모듈은 본 연구실에서 기 구현된 TCP/IPv6 프로토콜 모듈을 기반으로 설계 및 구현하였고 별도의 인터페이스를 정의하여 암호화 알고리즘 모듈과의 상호 통신이 가능하도록 하였다. 암호화 알고리즘 모듈은 IPsec에서 사용되는 알고리즘인 3DES, AES, HMAC- MD5, HMAC-SHAT의 네 가지 모듈을 설계 및 구현하였다. .
• 하드웨어 IPsec 프로토콜은 각각의 모듈별로 VHDL을 사용하여 구현한 후 통합하였다. 각 모듈들의 동작을 검증하기 위해서는 소프트웨어 시뮬레이션 툴을 사용하였고 전체 모듈의 동작은 별도의 FPGA 보드를 제작하여 테스트하였다.
• 하드웨어로 구현된 IPsec 프로토콜의 테스트에 있어서는 전용 FPGA 보드를 제작하고 별도의 IPv6 시험망을 구축하였다. 이를 기반으로 IPsec 프로토콜의 동작을 검증하였고, 그 결과 소프트웨어 스택의 IPsec 프로토콜보다 뛰어난 처리 속도를 나타내었다.

이론/모형

• AH, ESP 헤더를 처리하는 IPsec Core 모듈은 기 구현된 하드웨어 TCP/IPv6 프로토콜 모듈을 기반으로 구현하였다. Ethernet PHY와 연동하기 위해서는 MII 인터페이스를 사용하였으며, IPsec Core에서 사용하는 암호화 알고리즘은 별도의 인터페이스를 정의하여 모듈화하였다. IKE 드라이버의 구현에 관한 내용은 별도의 논문으로 제출하였다[8].

성능/효과

• 하드웨어로 구현된 IPsec 프로토콜의 테스트에 있어서는 전용 FPGA 보드를 제작하고 별도의 IPv6 시험망을 구축하였다. 이를 기반으로 IPsec 프로토콜의 동작을 검증하였고, 그 결과 소프트웨어 스택의 IPsec 프로토콜보다 뛰어난 처리 속도를 나타내었다.
• 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 OS가 지원되지 않는 장치에 인터넷 접속 기능과 보안 기능을 동시에 제공 할 수 있는 IPv6용 IPsec 프로토콜을 하드웨어로 설계하고 구현하였다. 테스트 결과 하드웨어 IPsec 프로토콜 모듈은 기존 소프트웨어 모듈과 호환되며 소프트웨어 모듈 간의 전송속도보다 나은 성능을 나타내었다. 향후 과제로는 IPsec Core 모듈과 암호화 알고리즘 모듈을 최적화하여, FPGA에서 사용하는 회로 면적을 줄이고 전송 속도를 향상시키는 연구를 진행할 예정이다.

후속연구

• 테스트 결과 하드웨어 IPsec 프로토콜 모듈은 기존 소프트웨어 모듈과 호환되며 소프트웨어 모듈 간의 전송속도보다 나은 성능을 나타내었다. 향후 과제로는 IPsec Core 모듈과 암호화 알고리즘 모듈을 최적화하여, FPGA에서 사용하는 회로 면적을 줄이고 전송 속도를 향상시키는 연구를 진행할 예정이다.

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이 논문을 인용한 문헌

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