센서 네트워크에서의 자가 위치 추정을 이용한 키 분배 메커니즘

Abstract

센서 네트워크는 유비쿼터스(Ubiquitous) 컴퓨팅 구현을 위한 기반 네트워크로 초경량, 저전력의 많은 센서들로 구성된 무선 네트워크이다. 센서 네트워크는 센서를 통한 정보 감지 및 감지된 정보를 처리하는 기능을 수행함으로써 우리의 삶을 자동화시키고 편리함을 제공하지만 일상 생활의 센서 네트워크 시스템에의 의존도가 높아질수록 이로 인한 위험성 또한 높아질 수 밖에 없다. 특히 센서 네트워크가 안전성이 낮은 환경에 구축될 경우 보안의 필요성은 극대화 되고, 다양한 악의적인 공격에 노출될 수 있다. 그러므로 센서 네트워크를 통해 제공되는 정보를 신뢰하고 동시에 개인의 프라이버시를 보장 받을 수 있도록 하기 위한 보안 연구가 반드시 병행되어야 한다. 즉, 보다 현실적이고 안전한 유비쿼터스 컴퓨팅 환경을 구현하기 위해서 센서 네트워크의 활용 방안 및 센서 기술 개발과 함께 감지된 정보를 안전하게 처리하고 관리할 수 있는 센서 네트워크상에서의 보안 기술이 반드시 함께 연구, 개발 및 적용되어야 한다. 센서 네트워크에서의 보안 서비스를 제공하기 위해서는 암호화된 통신과 인증 서비스가 필요하다. 본 논문에서는 이들 보안 서비스에서 필수적인 비밀키의 설정 방법 중 대칭키(이하 공통키) 설정 방법을 제안한다. 먼저 기존의 센서 네트워크에서의 키 관리 기법은 랜덤 키 사전 분배 방법을 따르는 경우가 많은데, 두 가지 문제점을 발견할 수 있다. 첫째, 센서 노드의 임의적 배치 특성과 전송 범위의 제약으로 인하여 통신이 필요한 노드들 간의 공통키 설정 확률을 높이는 것이 제한적이다. 이러한 문제는 센서 네트워크의 구축 전에 센서 노드들의 최종 배치 위치를 알 수 없기 때문에 통신하게 될 노드들을 미리 알 수 없고, 이에 따라 사전 분배된 키가 공통키 설정에 효율적으로 사용되지 못하기 때문이다. 둘째, 공통키 설정을 위한 키를 효율적으로 분배하지 못하기 때문에 불필요한 키를 저장하게 되어 메모리 효율성을 저하시킨다. 랜덤 키 사전 분배 방법에서 공통키 설정 확률을 높이기 위해서는 각 센서 노드가 많은 수의 키를 가지고 있어야 하지만, 센서 노드는 제한적인 메모리를 가진다. 제안하는 자가 위치 추정을 이용한 키 분배 메커니즘에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 두 가지 대안을 제시한다. 첫째, 센서 노드들을 그룹 기반으로 배치하고, 각 센서 노드가 전송 범위 내의 이웃 노드들의 그룹 기반 배치 정보를 이용하여 자신의 위치를 추정할 수 있도록 하여 공통키 설정에 필요한 키만을 집중적으로 분배할 수 있도록 한다. 둘째, 공통키 설정을 위한 키로 키 스트링을 사용하여 적은 수의 키 스트링으로 공통키 설정 확률을 높이고, 키 스트링의 집합인 키 스트링 풀을 사전에 분배하여 메모리 소모량을 줄인다. 제안하는 키 분배 메커니즘을 구현하기 위하여 센서 노드들의 그룹 기반 배치 형태에 적합한 환형의 키 스트링 풀을 운용하고, 각 센서 노드는 배치 그룹에 할당된 서브 키 스트링 풀을 키 스트링 추출을 위한 키 정보로 저장하도록 한다. 제안하는 키 분배 방법의 장점은 센서 네트워크 구축 후에 센서 노드가 자신의 위치를 추정하여 공통키 설정에 필요한 키 스트링을 집중적으로 분배하여 높은 확률로 공통키를 설정할 수 있다는 점이다. 또한 서브 키 스트링 풀의 저장으로 인한 메모리 소모량이 기존의 키 사전 분배 방법에서의 센서 노드가 저장해야 할 키로 인한 메모리 소모량에 비하여 월등히 낮아 메모리 효율성을 높일 수 있다. 즉, 공통키 설정 확률은 높게 유지하면서 센서 노드의 메모리 효율성을 높임으로써 보다 센서 네트워크에 적합한 키 분배 방법이 될 수 있다.;Recent advances in electronic and computer technologies have paved the way for the proliferation of wireless sensor networks (WSN). Sensor networks usually consist of a large number of ultra-small autonomous devices. Each device, called a sensor node, is battery powered and equipped with integrated sensors, data processing capabilities, and short-range radio communications. In typical application scenarios, sensor nodes are spread randomly over the deployment region under scrutiny and collect sensor data. When sensor networks are deployed in a hostile environment, security becomes extremely important, as they are prone to different types of malicious attacks. To achieve security in wireless sensor networks, it is important to be able to encrypt messages sent among sensor nodes. Keys for encryption purposes must be agreed upon by communicating nodes. Due to resource constraints, achieving such key agreement in wireless sensor networks is non-trivial. Many key agreement schemes used in general networks, such as Diffie-Hellman and public-key based schemes, are not suitable for wireless sensor networks. Pre-distribution of secret keys for all pairs of nodes is not viable due to the large amount of memory used when the network size is large. Recently, a random key pre-distribution scheme and its improvements have been proposed. In this paper, we propose a novel key distribution scheme that exploits deployment knowledge and avoids unnecessary key assignments. We use the deployment knowledge to know the position of the sensor nodes, select the useful key-strings from the sub key-string pool using the position of the sensor nodes, and establish common keys with neighbor nodes efficiently. We show that the performance (including connectivity, memory usage, and network resilience against node capture) of sensor networks can be substantially improved with the use of our proposed scheme.