KR100736338B1 - 육각 클러스터링 구조를 기반으로 한 센서 네트워크에서의키 설정 방법 - Google Patents

육각 클러스터링 구조를 기반으로 한 센서 네트워크에서의키 설정 방법 Download PDF

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도인실
김미희
채기준
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이화여자대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 육각 클러스터링 구조를 기반으로 한 센서 네트워크에서의 키 설정 방법에 관한 것으로, 센서 네트워크 내 노드 간 통신을 위한 보안 기술로서 쌍대(pairwise)키를 설정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 센서 네트워크를 사전에 육각형으로 클러스터링하고 클러스터 별로 중심에 클러스터 헤드를 배치한다. 이러한 육각 클러스터링 구조에 기반하여 기본적인 정보는 사전에 예측된 배치 정보를 이용하여 모든 노드에게 배분한다. 노드가 배치된 후에는 실제적으로 이웃 노드를 파악하여 정보가 필요한 노드들만이 해당 클러스터 내의 클러스터 헤드에게 필요한 정보를 요청하여 모든 노드 간에 쌍대(pairwise)키를 설정한다.
따라서, 클러스터 헤드가 좀 더 많은 정보를 사전에 분배받는 대신에 노드의메모리 부담을 최소화하여 불필요한 정보를 분배하지 않으므로 노드 포획 시에도 이에 대한 저항성을 높여 보안성을 한층 강화할 수 있고 모든 이웃 노드 간 직접 키 설정을 보장하여 효율적인 키 설정 및 통신을 가능하게 할 수 있다.
센서 네트워크, 보안, 키 설정, 클러스터, 배치 정보, 키 사전 분배

Description

육각 클러스터링 구조를 기반으로 한 센서 네트워크에서의 키 설정 방법{Method for establishing pairwise key based on hexagonal clustering sensor network architecture}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 클러스터 간 통신에 필요한 키 정보를 배분하는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 쌍대(pairwise)키를 설정하는 과정을 보인 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 노드 간 키 정보를 전달하는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 노드 간 설정된 쌍대(pairwise)키를 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 노드 간 설정된 쌍대(pairwise)키 설정의 효율성을 측정한 결과를 보인 도면이다.
본 발명은 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서의 키 설정 방법에 관한 것으로서, 보다 세부적으로 센서 네트워크에서 보안을 제공하기 위해 이웃 노드 간 쌍대(pairwise)키를 설정하는 방법에 관한 것이다.
사용자가 네트워크나 컴퓨터를 의식하지 않고 장소에 상관없이 자유롭게 네트워크에 접속하기 위한 통신 환경을 제공하는 유비쿼터스 컴퓨팅의 기반 기술로서, 센서 네트워킹의 중요성이 강조되고 있다.
센서 네트워크는 보통 다수의 소형 센서 노드를 필드에 배치하고 이들을 통한 다양한 형태의 자료를 수집하고 분석하는 목적을 가지며 환경 감시, 대상 추적, 환자의 모니터링, 또는 군사적 목적 등에서 매우 다양하게 사용될 수 있다. 그러나 이는 무선 통신의 기본적인 취약점뿐만 아니라 센서 노드 자체의 제약, 즉, 에너지가 제한되어 있고 크기가 작아서 메모리나 처리 능력이 떨어지는 등 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 특히, 노드가 오동작하거나 잘못된 데이터가 주입되는 경우 그 결과는 크게 달라져 정보의 신뢰성이 떨어진다. 단순한 오동작으로 인한 오류가 아니라 의도적인 공격자에 의한 침입이 발생하는 경우, 그 피해는 더욱 커지게 되므로 네트워크의 안전성을 높이고 정보의 신뢰성, 프라이버시 보호 등을 위한 보안 메커니즘이 필요하다. 하지만, 앞서 나열한 여러 가지 센서 네트워크의 특성들로 인해 기존의 보안 메커니즘을 그대로 적용할 수는 없으므로, 센서 네트워크 특성을 고려한 별도의 보안 메커니즘의 연구가 필요하다.
센서 네트워크 보안에 있어 가장 핵심적인 요소 중의 하나는 키 관리 기법이라 할 수 있다. 센서 노드 간 키가 적절하게 설정되면 이를 통해 인증이나 암호화 등 다양한 보안 기술을 적용할 수 있기 때문이다.
안전한 센서 네트워크 통신을 위한 여러 가지 키 관리 기술들이 제안되어 있는데, 그 중 대표적인 것을 살펴보면 다음과 같다.
Eschenauer와 Gligor는 랜덤 키 선 분배 방식에서 각 센서 노드가 필드에 배치되기 전에 공통되는 키 풀에서 키를 일정 수만큼 분배받고 필드에 배치한 후 이웃 노드와의 공통키를 찾아 이를 쌍대(pairwise)키로 사용하는 기술을 제안하였다. 또한, Chan 등은 이 방식을 좀 더 발전시켜 쌍대(pairwise)키를 설정해야하는 두 노드가 최소 q(q>1)개 이상의 키를 공유해야하고 q개 키의 연산을 통해 새로운 키를 만들어 사용하는 방법을 제안하였다. Du 등은 Eschenauer와 Gligor에 의해 제안된 기본 방식에 Blom의 키 관리 기술을 조합한 키 분배 방식을 제안하였고, Liu와 Ning은 Blundo가 제안한 다항식 기반 키 분배 프로토콜을 적용한 키분배 방식을 제안하였다. 또한, Du 등은 센서 노드의 배치 정보를 이용한 키 선 분배 메커니즘을 최초로 제안하였는데 이는 센서 필드를 t * n 개의 그룹으로 나눈 다음 키 풀을 오버랩되는 요소 a와 b에 따라 서브키 풀로 나누고 센서 노드가 배치될 위치에 따라 오버랩 요소의 비율을 고려하여 키를 사전 분배하는 방식이다. 또한, Yu 등은 Blom의 키 분배 기술을 기반으로 센서 필드를 육각 모양의 그리드로 그룹화한 후 각 그룹에 포함될 센서의 배치 정보를 이용한 키의 사전 분배 방안을 제안하였다. 그밖 에 H. Chan과 A. Perrig는 PIKE라는 메커니즘에서 각 센서 노드가 가지는 대칭 키의 수를 줄이기 위한 방법으로 n개의 센서 노드를 √n*√n 개의 좌표로 나누고 두 노드가 pairwise 키를 설정하기 위해 공통되는 x, 혹은 y 좌표에 위치한 노드를 이용하는 방법을 제안하였고, M. Chorzempa 등은 센서 네트워크를 다중의 계층을 가진 구조로 정의하고 키 풀을 여러 개의 서브키 세트로 나누고 다시 이 세트의 원소 중 서로 다른 조합의 키를 적절히 할당하는 방법을 제안하였다.
이 중, Yu 등이 제안한 쌍대(pairwise)키 설정 메커니즘은 센서 네트워크 필드를 육각의 그룹으로 나누고 각 그룹에 유일한 행렬을 배분하여 규칙적으로 반복되는 위치에 있는 특정 그룹을 공용 행렬을 사전에 할당받는 기본 그룹(basic group)으로 별도로 지정한다. 그리고 이 그룹의 주변에 위치한 일반 그룹의 노드가 기본 그룹 노드에 할당된 공용의 행렬(B)를 공유하도록 한다.
이는 기존의 방식들에 비해 네트워크의 연결 확률을 더 높이고 노드 포획에 대한 저항성을 높일 수는 있지만, 공용의 행렬이 노출될 가능성을 줄이기 위해서 공유 개수를 지정하는 파라미터 값(w)을 낮게 조절함으로써 노드 간에 직접키를 생성할 가능성이 현저하게 줄어들어 효율적인 통신이 이루어질 수 없다. 그뿐만 아니라 사전에 예상되었던 위치를 많이 벗어나 다른 클러스터에 배치되는 노드는 키 설정이 불가능하여 노드를 포기할 수밖에 없다.
또한, 각 노드가 실제 배치된 위치에 따라서는 전혀 사용할 필요가 없는 정보를 사전에 분배받음으로 인해 기억 장소의 낭비를 초래할 뿐 아니라 이 정보로 인해 보안이 깨질 위험이 높다.
또한, 일정 수준의 네트워크 연결 가능성 및 보안성을 보장하기 위해서는 이 행렬을 공유하는 노드가 많아져야 하므로 보안의 위협에 노출될 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 센서 네트워크의 보안성을 높이고 효율적인 통신을 위한 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서의 쌍대(pairwise)키를 설정하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술한 바와 같은 과제를 이루기 위하여 본 발명의 특징에 따른 방법은,
육각 형태로 클러스터링된 센서 네트워크에서 쌍대(pairwise)키를 설정하는 방법으로서, (a) 상기 센서 네트워크의 육각 클러스터 별로 배치될 노드 및 상기 각 클러스터의 중심에 배치된 클러스터 헤드에게 키 관련 정보를 사전에 배분하는 단계; (b) 상기 클러스터 헤드를 중심으로 밀접하게 배치된 노드 간에 이웃 노드를파악하는 단계; (c) 상기 (a)단계에서 배분된 키 관련 정보를 이용하여 상기 (b)단계에서 파악한 클러스터 헤드 간 및 노드 간에 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계; 및 (d) 상기 (b)단계에서 파악한 이웃 노드 중에서 타(他) 클러스터에 포함되는 노드와의 쌍대(pairwise)키 설정을 위한 관련 정보를 클러스터 헤드에게 요청하여 제 공받아 이를 이용하여 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 육각 형태의 클러스터는, 상기 클러스터 별로 생성된 고유 행렬(A) 및 클러스터 간의 통신을 위한 공유 행렬(B)을 가질 수 있다.
또한, 상기 공유 행렬(B)은, 이웃하는 두 개의 클러스터 간에 하나씩 공유될 수 있다.
이때, 상기 (a)단계는, (ⅰ) 상기 각 클러스터에 배치될 노드에게 해당 클러스터에 할당된 고유 행렬(A)로부터의 하나의 행 및 공개 행렬(G)로부터의 하나의 열을 배분하는 단계; 및 (ⅱ) 해당 클러스터 헤드에게 추후 상기 노드의 요청에 의해 전달해 줄 공유 행렬(B)로부터의 추가 행 및 공개 행렬(G)로부터의 열들 및 클러스터 헤드 간 쌍대(pairwise)키 설정을 위한 공통 행렬(C)을 배분하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (a)단계는, 상기 모든 클러스터 헤드에게 베이스 스테이션(BS)과의 유일한 대칭키를 부여하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (b)단계는, 상기 센서 네트워크의 배치된 모든 노드 간에 'Hello' 메시지를 교환함으로써 이웃 노드의 파악이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 (c)단계는, 동일한 클러스터 내의 이웃 노드 간에는 상호 공개 행렬(G)의 열 값을 교환하여 쌍대(pairwise)키를 설정할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계는, 클러스터 헤드 간에는 상기 공통 행렬(C)로부터의 하나의 행 및 상기 공개 행렬(G)로부터의 한 열을 계산하여 쌍대(pairwise)키를 설정할 수 있다.
또한, 상기 (d)단계는, (ⅰ) 상기 (b)단계를 통해 타(他) 클러스터에 포함되는 이웃 노드를 파악한 경우, 상기 이웃 노드와의 통신을 위한 키 관련 정보를 해당 클러스터 내에 배치된 클러스터 헤드에게 요청하는 단계; 및 (ⅱ) 상기 클러스터 헤드로부터 전송받은 키 관련 정보를 이용하여 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (d)단계는, (ⅰ) 상기 (b)단계를 통해 예상 위치를 벗어나 배치된 이웃 노드를 파악한 경우, 상기 예상 위치에 따른 클러스터 내의 제1 클러스터 헤드가 상기 노드가 배치된 클러스터 내의 제2 클러스터 헤드에게 노드 추가 요청 및 키 관련 정보를 요청하는 단계; 및 (ⅱ) 상기 제1 클러스터 헤드가 상기 제2 클러스터 헤드에게 전달한 정보를 이용하여 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (ⅰ)단계는, (ⅰ-1) 상기 이웃 노드 중에서 상기 제2 클러스터에 속하는 노드의 비율이 소정의 임계값 이상인 경우, 상기 제1 클러스터 헤드가 상기 제2 클러스터 헤드에게 상기 노드 추가 요청 및 키 관련 정보를 요청하는 단계; (ⅰ-2) 상기 제1 클러스터 헤드가 제2 클러스터 헤드로부터 고유 행렬(Y)로부터의 하나의 열 및 공개 행렬(G)로부터의 하나의 행을 전달받는 단계; 및 (ⅰ-3) 상기 제1 클러스터 헤드가 상기 (ⅰ-2)단계에서 전달받은 정보를 해당 노드에게 전송하여 상기 제2 클러스터 내에서 동작하기 위한 키 정보를 확보하는 단계를 포함할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명 이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제, 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크 에서의 키 설정 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크의 구성도이다.
도 1에 따르면, 센서 네트워크(100)는 노드(124) 배치 전에 육각형으로 클러스터링 되고 각 클러스터(120)의 중심에는 클러스터 헤드(122)가 배치된 구조로 이루어진다. 이때, 클러스터 헤드(122)는 키 설정 및 인증 시 주요 역할을 한다. 즉 클러스터(120) 별로 서로 다른 키를 설정하기 위해 분배된 키 정보를 사전에 분배받을 뿐만 아니라 자신의 클러스터(120) 내에 속하되 이웃 클러스터(120)의 노드(124)와 이웃하여 쌍대(pairwise)키를 설정해야 하는 노드(124)들의 요청에 따라 추후 배분해야 하는 추가적인 정보를 별도로 분배받는다.
이러한 육각 형태의 클러스터링 구조는 이웃하는 클러스터(120)의 수를 최소화하면서 동시에 이웃 노드(124)와의 인접 정도가 균일하게 될 수 있도록 한다. 이를 삼각 형태 또는 사각 형태의 클러스터링 구조와 비교해보면, 이들 구조의 경우 육각 형태의 클러스터링 구조보다 이웃 클러스터(120)의 수가 각각 12, 8로 더 많고 이웃 노드(124)와 인접하는 노드(124)의 비율이 위치마다 달라서 복잡해질 뿐만 아니라 안전성도 낮아진다. 하지만, 육각 형태로 클러스터링하게 되면 이러한 문제점을 최소화할 수 있다.
또한, 각 클러스터(120)의 중심에 배치된 클러스터 헤드(122)는 노드(124)의 배치 후 각 노드(124)의 요청에 의해서만 클러스터(120) 간 통신에 필요한 정보를 배분한다. 즉 각 노드(124)의 위치 별로 다른 클러스터(120) 내의 노드(124)와의 쌍대(pairwise)키 설정이 필요한 경우에만 클러스터 헤드(122)가 정보를 분배한다. 따라서, 불필요한 정보의 노출 가능성을 줄이고 이웃한 모든 노드(124)와의 쌍대(pairwise)키 설정이 가능하도록 하므로 센서 네트워크(100) 통신의 효율성을 높일 수 있다. 그리고 노드(124)가 사전에 계획되었던 위치와 멀리 떨어져 배치되는 경우에도 클러스터 헤드(122) 간의 통신을 통해 새로운 위치에서의 기능을 수행할 수 있도록 하여 노드(124)의 손실을 막을 수 있다.
또한, 이러한 중심에 클러스터 헤드(122)를 배치한 클러스터링 구조는 또한, 클러스터(120) 경계 면에 위치하는 노드(124)들을 위한 행렬을 공유하는 클러스터(120)를 두 개로 제한하고 그 클러스터(120)에서도 경계에 가까운 노드(124)만이 이를 할당받음으로써 보안의 위협을 훨씬 줄일 수 있다. 그리고 일반적인 센서 네 트워크(100) 통신에 필요한 자료의 수집과 정제를 수행하여 베이스 스테이션(200)에 전달되는 네트워크 내 처리(in-network processing)가 가능하도록 하므로 효율적인 인증 및 라우팅의 기본 프레임워크를 제공할 수 있다.
상술한 클러스터링 구조를 위해서, 노드(124)는 이동성이 없다고 보며 클러스터 헤드(122)는 노드(124)보다 저장, 계산 능력이 더 뛰어나고 에너지 수명도 길며, 노드(124)가 배치된 후 위치는 가능한 한 배치 중심에 가까이, 최소한 클러스터(120)의 영역 내에 존재한다고 가정한다. 또한, 클러스터 헤드(122)는 노드(124)에 비해 좀 더 높은 정도의 보안이 적용된다.
이러한 클러스터링 구조로 이루어진 센서 네트워크(100)는 클러스터(120) 내에서 평면상의 노드(124)의 위치를 2차원 가우시안 분포로 모델링 되는데, 이는 다음 수학식으로 정의할 수 있다.
Figure 112006051134598-pat00001
여기서, (x, y)는 각 노드(124)의 좌표이고 배치 중심(xi, yi)을 기준으로 가우시안 분포(정규 분포)를 따라 배치된다고 가정한다. 'σ'는 표준 편차 값이고 클러스터 헤드(122)의 위치는 배치 중심(xi, yi) 가까이에 위치한다.
즉, 각 클러스터(120)는 배치 중심에 가장 많은 노드(124)가 모여 있고 배치 중심에서 멀어질수록 노드(124)의 출현 횟수가 적어진다. 이때, 중앙 쪽에 위치한 노드(124)는 자신이 위치한 클러스터(120) 내의 이웃 노드(124)와의 쌍대(pairwise)키를 설정하는 것만으로 다른 노드(124)와의 안전한 통신이 가능하다. 그리고 바깥쪽에 위치한 노드(124)만이 클러스터 헤드(122)에게 필요한 정보를 요청하여 전달된 정보를 바탕으로 이웃 노드(124)와의 쌍대(pairwise) 키를 설정한다.
키 설정 및 인증 메커니즘의 구조적 설명을 위해 다음 표와 같이 정의된 기호를 사용한다.
표기법(기호) 설명
Figure 112006051134598-pat00002
 클러스터 X에 배치된 노드 i
Figure 112006051134598-pat00003
 클러스터 Y에 배치된 클러스터 헤드
Figure 112006051134598-pat00004
 클러스터 X에 할당된 고유의 행렬
클러스터 X와 클러스터 Y의 인접 지역에서 사용될 공유 행렬
Figure 112006051134598-pat00006
 클러스터 헤드 간의 쌍대(pairwise)키를 생성하기 위한 고유의 행렬
Figure 112006051134598-pat00007
 공개 행렬
Figure 112006051134598-pat00008
 노드
Figure 112006051134598-pat00009
와
Figure 112006051134598-pat00010
간의 쌍대(pairwise)키
Figure 112006051134598-pat00011
 클러스터 헤드
Figure 112006051134598-pat00012
와
Figure 112006051134598-pat00013
간의 쌍대(pairwise)키
Figure 112006051134598-pat00014
 베이스 스테이션과 클러스터 헤드
Figure 112006051134598-pat00015
간의 쌍대(pairwise)키
Figure 112006051134598-pat00016
 노드 i와 j간의 쌍대(pairwise)키
Figure 112006051134598-pat00017
 노드의 수
Figure 112006051134598-pat00018
 클러스터 수
Figure 112006051134598-pat00019
 클러스터링 후 첫번째 줄의 클러스터 개수
Figure 112006051134598-pat00020
 한 클러스터 내에서 클러스터 간의 통신이 필요한 노드의 평균 수
Figure 112006051134598-pat00021
 노드의 전송 반경
Figure 112006051134598-pat00022
 메모리 크기
α 추가적으로 클러스터에 포함되는 노드의 수
또한, 이웃 노드(124) 간, 또는 이웃 클러스터 헤드(122) 간에 사용되는 키와 키의 설정을 위해 다음과 같은 행렬을 사용한다.
(1) 동일 클러스터 내의 노드 간 : 하나의 클러스터(120)에 포함될 노드(124)에는 유일한 비밀 행렬(
Figure 112006051134598-pat00023
)가 할당되어 이웃 노드(124)와 서로의 공개 행렬(G)의 열 값만 교환함으로써 쌍대(pairwise)키를 계산할 수 있다. 특히, 모든 노드(124)는 자신이 속한 클러스터(120)의 클러스터 헤드(122)와 이웃하지 않은 경우라도 동일한 행렬로부터의 정보를 갖고 배치되므로 자신의 클러스터 헤드(122)와 쌍대(pairwise)키를 설정할 수 있다.
(2) 서로 다른 클러스터에 포함되는 이웃 노드 간 : 서로 다른 클러스터(120)에 포함되므로 사전에 분배받은 정보를 사용할 수 없으며 공용으로 사용되는 행렬(Bij)의 한 행과 공개 행렬(G)로부터의 한 열을 클러스터 헤드(122)에게 요청하여 쌍대(pairwise)키를 계산한다.
(3) 클러스터 헤드 간 : 클러스터 헤드(122) 간의 쌍대(pairwise)키를 설정하기 위한 공통 행렬(C)의 한 행과 공개 행렬(G)의 한 열을 사전에 할당받아 필요시 계산하여 이웃한 클러스터 헤드(122) 뿐만 아니라 이웃하지 않은 클러스터 헤드(122)와의 쌍대(pairwise)키도 생성할 수 있다.
(4) 베이스 스테이션과 각 클러스터 헤드 간 : 센서 네트워크(100) 필드에 배치되기 전, 모든 클러스터 헤드(122)는 베이스 스테이션과의 유일한 대칭키를 부여받는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 Blom의 대칭키 설정 방식을 사용하는데, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
즉 (λ+1)*N의 공개 행렬(public matrix)(G)와 (λ+1)*(λ+1)의 개인 행렬(private matrix)(D)를 기본으로 하며
Figure 112006051134598-pat00024
를 비밀 행렬(A)이라 한다. 이 때, D는 대칭 행렬, 즉
Figure 112006051134598-pat00025
이며 AㆍG는 AㆍG=
Figure 112006051134598-pat00026
즉 전치 행렬의 성격을 가진다. 각 노드(124) i 는 행렬(A)의 i 번째 행과 행렬(G)의 i번째 열을 저장하고 있다가 노드(124) 배치 후 노드(124) i와 노드(124) j가 상호 간의 쌍대(pairwise)키를 설정하고자 할 때 서로가 갖고 있는 행렬(G)의 열을 교환하여 자신이 갖고 있는 행과 dot 연산을 수행함으로써 상호 동일한 키 kij = kji를 생성하여 통신에 사용한다. 이 방식은 λ-security의 특성을 가지는데, 즉 개인 행렬에서 노출되는 행의 수가 λ 이하 개이면 행렬(D)은 안전하므로 다른 노드(124) 간에 설정한 키는 노출되지 않으나 λ +1 개 이상의 행이 노출되면 행렬 자체를 복원시킬 수 있어 이 행렬을 기반으로 키를 설정한 모든 노드(124)의 키가 노출된다. 따라서, λ의 값을 기억 공간이나 계산 오버헤드를 고려하여 적절하게 유지하는 것과 행렬(G)를 만드는 과정이 보안에 있어서 가장 핵심이 된다.
이제, 상술한 내용에 기초하여 키 설정을 수행하는 과정에 대해 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 클러스터 간 통신에 필요한 키 정보를 배분하는 구성도로서, 육각 클러스터 별로 할당된 고유 행렬(A) 및 인접 클러스터 간의 키 설정을 위한 공유 행렬(B)를 배분하는 구성도이다.
도 2에 따르면, 각 클러스터에는 클러스터 내에서만 사용이 가능한 고유한 비밀 행렬(A)이 할당되어 모든 노드에게 이 행렬(A)로부터 하나의 행 정보와 이와 대응하는 공개 행렬(G)로부터의 열 정보가 배분된다. 그리고 클러스터 간 통신에 필요한 공통 키 계산을 위해 두 클러스터의 인접 위치에 사용될 공용의 비밀 행렬(B)이 별도로 지정되어 이 정보가 위치에 따라 각 클러스터 헤드에게 사전에 분배된다.
각 클러스터 헤드는 위치에 따라 2개에서 최대 6개까지의 공용의 비밀 행렬(B) 값을 추가로 가지고 클러스터 헤드 간의 쌍대(pairwise)키를 위해 또 다른 비밀 행렬(B)의 값 또한 할당된다. 이때, 가장 자리에 위치한 클러스터의 경우 배치 방법에 따라 2개에서 4개까지의 공용의 비밀 행렬(B) 값을 가진다.
다음, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 쌍대(pairwise)키를 설정하는 과정을 보인 순서도이다.
도 3에 따르면, 쌍대(pairwise)키를 설정하는 과정은 키 관련 정보를 배분하는 단계(S100), 클러스터 헤드를 중심으로 노드 배치 및 이웃 노드를 파악하는 단계(S200), 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계(S300), 클러스터 헤드에게 관련 정보를 요청하는 단계(S400) 및 추가적인 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계(S500)를 포함한다. 각 단계별로 구체적인 설정 과정을 살펴보면 다음과 같다.
키 관련 정보를 배분하는 단계(S100)에서는, 노드를 배치하기 전 각 클러스터에 배치될 것으로 예상되는 노드에게 해당 클러스터에 할당된 행렬(
Figure 112006051134598-pat00027
)의 한 행과 공개 행렬(G)의 한 열을 배분한다. 클러스터 헤드에게는 추가로 행렬(C)의 한 행과 인접 클러스터와 공유하는 6개의 공용 비밀 행렬(B)의 원소들을 분배받으며 추가될 수 있는 노드를 위한 여분의 행들을 행렬(
Figure 112006051134598-pat00028
)로부터 분배받는다.
클러스터 헤드를 중심으로 노드 배치 및 이웃 노드를 파악하는 단계(S200)에서는, 배치 중심에 클러스터 헤드가 가까이 위치할 수 있도록 노드를 배치한 후 모든 노드들은 메시지('Hello')를 교환하여 이웃 노드를 파악한다.
쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계(S300)에서는, 클러스터 헤드 간 그리고 이웃 노드 간에 사전에 분배받은 정보를 이용하여 계산이 가능한 쌍대(pairwise)키를 설정한다.
클러스터 헤드에게 관련 정보를 요청하는 단계(S400)에서는, 각 노드는 자신의 이웃에 다른 클러스터에 포함된 노드가 있는 경우 필요한 정보를 자신의 클러스터 헤드에게 요청하고 클러스터 헤드는 이 정보를 안전하게 각 노드에게 전달한다.
추가적인 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계(S500)는, 클러스터 헤드로부터 분배받은 키 정보를 이용하여 쌍대(pairwise)키를 설정한다.
이와 같은 단계(S100, S200, S300, S400, S500)의 키 설정 과정을 거쳐 클러스터와 상관없이 모든 이웃 노드간의 쌍대(pairwise)키 설정이 가능하다.
다음, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 노드 간 키 정보를 전달하는 구성도로서, 특히 도 3에서 단계(S400)를 보다 구체적으로 설명한다.
도 4에 따르면, 노드(
Figure 112006051134598-pat00029
)와 노드(
Figure 112006051134598-pat00030
)는 서로 다른 클러스터에 속하나 전송 영역 내에 존재하여 쌍대(pairwise)키를 설정해야 하므로 필요한 키 정보를 각 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00031
Figure 112006051134598-pat00032
)에게 요청하고 클러스터 헤드는 요청한 노드와의 쌍대(pairwise)키로 암호화하여 전송한다.
또한, 클러스터(Z)의 경우를 보면, 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00033
)가 멤버 노드의 이웃에 위치한 노드의 정보의 비율을 살펴본 결과 노드(
Figure 112006051134598-pat00034
)와 같이 원래의 클러스터(Z)의 영역을 완전히 벗어났다고 판단된 경우, 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00035
)는 노드(
Figure 112006051134598-pat00036
)가 위치한 새로운 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00037
)에게 새로운 멤버를 받아들일 것과 관련 키 정보를 요청한다. 그리고 요청한 정보를 노드(
Figure 112006051134598-pat00038
)에게 전달하여 해당 클러스터 내에서 작동할 수 있도록 한다. 이때 요청한 정보는 키를 바로 계산할 수 있는 값이므로 기밀성을 유지하기 위해 쌍대(pairwise)키를 이용하여 암호화된 형태로 전달이 이루어진다. 이는 과정(①, ②, ③, ④)을 통해 이루어지는데, 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 과정 ①에서는, 노드(
Figure 112006051134598-pat00039
)가 원래의 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00040
)에게 자신의 이웃 노드 정보(
Figure 112006051134598-pat00041
)를 암호화하여 전송한다.
Figure 112006051134598-pat00042
Figure 112006051134598-pat00043
(자신의 id, 이웃 노드의 id 리스트)
다음, 과정 ②에서는, 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00044
)가 자신의 멤버 노드(
Figure 112006051134598-pat00045
)의 이웃 노드 중 다른 클러스터 멤버의 비율이 임계값 이상인 경우 그 클러스터에 노드가 배치된 것으로 판단하고 해당 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00046
)에게 필요한 정보를 요청한다.
Figure 112006051134598-pat00047
Figure 112006051134598-pat00048
다음, 과정 ③에서는, 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00049
)는 행렬(
Figure 112006051134598-pat00050
)의 한 행과 행렬(G)의 한 열을 자신과 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00051
)의 쌍대(pairwise)키로 암호화하여 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00052
)에게 전송한다.
Figure 112006051134598-pat00053
다음, 과정 ④에서는, 클러스터 헤드(
Figure 112006051134598-pat00054
)는 전달된 정보를 자신과 노드(
Figure 112006051134598-pat00055
)와의 쌍대(pairwise)키로 암호화하여 노드(
Figure 112006051134598-pat00056
)에게 전송한다. 그리고 노드(
Figure 112006051134598-pat00057
)는 이를 복호화 함으로써 새로운 클러스터(Y)의 멤버로 동작하는데 필요한 키 정보를 확보한다.
Figure 112006051134598-pat00058
다음, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 노드 간 설정된 쌍대(pairwise)키를 나타내는 구성도이다.
도 5에 따르면, 상기 도 3 및 도 4에서 설명한 과정이 종료된 후 이웃 노드 간에는 설정된 쌍대(pairwise)키 정보를 나타낸다. 그리고, 이러한 키 계산에 필요한 행렬의 종류 및 할당 정보는 다음 표 2와 같다.
클러스터 중심 영역의 노드 클러스터 경계의 노드 클러스터 헤드 필요한 총 행렬 개수
행렬 A 1개의 행 1개의 행 1개의 행+α(추가되는 멤버를 위한 정보) n개
행렬 B - 1~2개의 행(클러스터 헤드로부터 전달받음) 6개 행렬로부터 총 m개의 행 약 3*n-4*n'+1개
행렬 C - - 1개의 행 1
배치 후 전체 메모리 크기 λ+1 (λ+1)*i i=2,3 (λ+1)*(m+α+2) -
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 육각 클러스터링 구조를 가진 센서 네트워크에서 노드 간 설정된 쌍대(pairwise)키 설정의 효율성을 측정한 결과를 보인 도면으로서, 특히 종래 기술들과 네트워크 연결 가능성(
Figure 112006051134598-pat00059
)을 비교한 도면이다.
도 6에 따르면, 메모리 크기를 100을 기준으로 했을 때 Du의 배치 정보 스킴(P400)이 Eschenauer의 기본 스킴(P200, P300)이나 Chan의 q-composit 스킴(P100)에 비해 더 성능이 높으며 Yu의 그룹 기반 스킴(P500, P600)의 경우 파라미터 값에 따라 차이를 보이지만 6개의 이웃 클러스터 중 4개의 이웃 클러스터 내 노드와의 쌍대(pairwise)키 설정을 의미하는 w=4 이상인 경우 가능성을 1까지 높일 수 있음을 알 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 스킴(P700)은 이러한 제약 조건 없이도
Figure 112006051134598-pat00060
=1, 즉 존재하는 모든 이웃 노드와의 쌍대(pairwise)키 설정이 가능함을 알 수 있다.
즉 종래 기술들의 스킴이 사용할 키를 대량으로 만들어 저장해놓은 키 풀에 크기에 직접적으로 영향을 받을 뿐 아니라 키 풀의 크기가 큰 경우에도 네트워크 연결 가능성이 100%에 미치지 못하는 반면 본 발명의 실시예에 따른 스킴의 경우 키 풀의 크기를 작게 가져가면서도 모든 이웃 노드 간에 쌍대(pairwise)키를 설정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
그리고 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 중심에 클러스터 헤드를 배치한 육각 형태로 사전에 클러스터링하여 키 정보 전달 및 실제적인 배치 정보를 바탕으로 한 쌍대(pairwise)키를 설정할 수 있어 기존에 제안된 모든 노드들이 배치 후에 사 용하지도 않을 키 정보를 가지고 배치되는 경우와 비교할 때 저장 오버 헤드뿐 아니라 보안 수준에서도 더 효율적이다. 또한, 계산 능력이나 저장 공간 면에서 노드에 비해 우수한 클러스터 헤드가 좀 더 많은 정보를 사전에 보유하고 전달함으로써 노드의 키 정보 보유량을 더욱 줄일 수 있고, 이로 인해 노드 포획에 대항하는 저항성을 더욱 높여 직접 키 설정 확률을 획기적으로 개선할 수 있다.
따라서, 다양한 환경 하의 센서 네트워크에 다양하게 적용이 가능하고 특히 보안이 취약한 지역의 센서 네트워크에서 더욱 큰 효과를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 육각 형태로 클러스터링된 센서 네트워크에서 쌍대(pairwise)키를 설정하는 방법으로서,
    (a) 상기 센서 네트워크의 육각 클러스터 별로 배치될 노드 및 상기 각 클러스터의 중심에 배치된 클러스터 헤드에게 키 관련 정보를 사전에 배분하는 단계;
    (b) 상기 클러스터 헤드를 중심으로 밀접하게 배치된 노드 간에 이웃 노드를파악하는 단계;
    (c) 상기 (a)단계에서 배분된 키 관련 정보를 이용하여 상기 (b)단계에서 파악한 클러스터 헤드 간 및 노드 간에 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계; 및
    (d) 상기 (b)단계에서 파악한 이웃 노드 중에서 타(他) 클러스터에 포함되는 노드와의 쌍대(pairwise)키 설정을 위한 관련 정보를 클러스터 헤드에게 요청하여 제공받아 이를 이용하여 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 육각 형태의 클러스터는,
    상기 클러스터 별로 생성된 고유 행렬(A) 및 클러스터 간의 통신을 위한 공유 행렬(B)을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공유 행렬(B)은,
    이웃하는 두 개의 클러스터 간에 하나씩 공유되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    (ⅰ) 상기 각 클러스터에 배치될 노드에게 해당 클러스터에 할당된 고유 행
    렬(A)로부터의 하나의 행 및 공개 행렬(G)로부터의 하나의 열을 배분하는 단계; 및
    (ⅱ) 해당 클러스터 헤드에게 추후 상기 노드의 요청에 의해 전달해 줄 공유 행렬(B)로부터의 추가 행 및 공개 행렬(G)로부터의 열들 및 클러스터 헤드 간 쌍대(pairwise)키 설정을 위한 공통 행렬(C)을 배분하는 단계
    를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상기 모든 클러스터 헤드에게 베이스 스테이션(BS)과의 유일한 대칭키를 부여하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 센서 네트워크의 배치된 모든 노드 간에 'Hello' 메시지를 교환함으로써 이웃 노드의 파악이 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    동일한 클러스터 내의 이웃 노드 간에는 상호 공개 행렬(G)의 열 값을 교환하여 쌍대(pairwise)키를 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    클러스터 헤드 간에는 상기 공통 행렬(C)로부터의 하나의 행 및 상기 공개 행렬(G)로부터의 한 열을 계산하여 쌍대(pairwise)키를 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    (ⅰ) 상기 (b)단계를 통해 타(他) 클러스터에 포함되는 이웃 노드를 파악한 경우, 상기 이웃 노드와의 통신을 위한 키 관련 정보를 해당 클러스터 내에 배치된 클러스터 헤드에게 요청하는 단계; 및
    (ⅱ) 상기 클러스터 헤드로부터 전송받은 키 관련 정보를 이용하여 쌍대 (pairwise)키를 설정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    (ⅰ) 상기 (b)단계를 통해 예상 위치를 벗어나 배치된 이웃 노드를 파악한 경우, 상기 예상 위치에 따른 클러스터 내의 제1 클러스터 헤드가 상기 노드가 배치된 클러스터 내의 제2 클러스터 헤드에게 노드 추가 요청 및 키 관련 정보를 요청하는 단계; 및
    (ⅱ) 상기 제1 클러스터 헤드가 상기 제2 클러스터 헤드에게 전달한 정보를 이용하여 쌍대(pairwise)키를 설정하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (ⅰ)단계는,
    (ⅰ-1) 상기 이웃 노드 중에서 상기 제2 클러스터에 속하는 노드의 비율이 소정의 임계값 이상인 경우, 상기 제1 클러스터 헤드가 상기 제2 클러스터 헤드에게 상기 노드 추가 요청 및 키 관련 정보를 요청하는 단계;
    (ⅰ-2) 상기 제1 클러스터 헤드가 제2 클러스터 헤드로부터 고유 행렬(Y)로부터의 하나의 열 및 공개 행렬(G)로부터의 하나의 행을 전달받는 단계; 및
    (ⅰ-3) 상기 제1 클러스터 헤드가 상기 (ⅰ-2)단계에서 전달받은 정보를 해당 노드에게 전송하여 상기 제2 클러스터 내에서 동작하기 위한 키 정보를 확보하는 단계
    를 포함하는 방법.
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