KR100888047B1 - 센서 네트워크에서 키분배 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

센서 네트워크에서 인증키 분배 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 베이스 스테이션이 하나 이상의 클러스터 헤드로부터 센서 정보들을 수집하여 저장하는 단계; 상기 베이스 스테이션이 상기 저장된 센서 정보들을 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키 분배 제한거리를 산출하고, 상기 산출된 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키 분배의 필요성 여부를 판단하는 단계; 상기 인증키 분배가 필요하다고 결정되면, 상기 베이스 스테이션이 상기 인증키 분배 제한거리를 전송하는 단계; 및 상기 클러스터 헤드가 상기 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키를 분재하는 단계를 포함하는 인증키 분배 방법이 제공된다. 따라서, 본 발명에 의해 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키를 분배하여 보다 효과적으로 네트워크를 필터링할 수 있다.
인증키, 인증키 분배, 제한거리, 필터링

Description

센서 네트워크에서 키분배 방법 및 시스템{Method and system for dissemination of key in sensor network}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 시스템의 구성을 예시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 스테이션의 내부 기능 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인증키의 역할을 설명하기 위해 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 스테이션이 인증키 분배 제한거리를 산출하는 방법을 나타낸 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인증키 분배 제한거리 산출을 위한 입력값 및 해당 입력값에 따라 미리 설정된 가중치 레벨을 예시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미리 정해진 가중치 레벨을 퍼지 규칙을 기반으로 시뮬레이션한 컨트롤 스페이스를 예시한 도면.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러스터 안의 키 수에 따른 인증키 분배 제한 거리에 따른 시뮬레이션 결과를 예시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인증키 분배 메시지를 전송하는 방법을 나타낸 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 베이스 스테이션
120: 클러스터 헤드
130: 센서 노드
본 발명은 네트워크에서 인증을 위한 키 분배에 관한 것으로, 특히 퍼지(fuzzy) 알고리즘을 적용한 키 분배 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 무선통신과 무선통신과 전자공학 기술의 발달로 인하여 저가격, 극소형 센서 간의 네트워크가 가능하게 되었으면, 이러한 센서들로 구성된 네트워크를 무선 센서 네트워크라고 한다. 무선 센서 네트워크는 생태환경 감시, 지능형 환경 모니터링, 위치인지 서비스, 지능형 의료시스템, 지능형 로봇 시스템 등에 활용되고 있으며, 유비쿼터스 컴퓨팅 환경의 중심기술로서 발전하고 있다.
무선 센서 네트워크는 물리공간의 상태인 빛, 소리, 온도, 움직임과 같은 물리적 데이터를 감지, 측정, 플러딩하는 센서 노드들과 해당 센서 노드에서 수집된 정보들을 분석하기 위한 장치로 구성되는 네트워크이다.
통상적으로 센서 노드들은 하나 이상의 센서, 액추에이터(actuator), 마이크로 컨트롤러, 수 십KB 크기의 EEPROM, 수KB의 SRAM, 수백 KB 크기의 플래시 메모 리, ADC(Analog to Digital Converter), 근거리 무선 통신 모듈 및 이러한 구성요소들에 전원을 공급해주기 위한 전원부(에너지원)로 구성된다.
따라서, 무선 센서 네트워크의 수명은 제한적인 자원을 이용하는 센서 노드의 수명에 의존적이며, 센서노드의 에너지원은 수집된 데이터를 중앙 장치로 전송시키기 위한 근거리 무선 통신에서 가장 많이 소비된다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 네트워크 상태를 모니터링하여 인증키를 분배하여 불필요한 정보 전송을 줄임으로써 네트워크 에너지를 절약할 수 있는 센서 네트워크에서 키분배 방법 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키를 분배하여 보다 효과적으로 네트워크를 필터링함으로써 네트워크 보안을 강화할 수 있는 센서 네트워크에서 키분배 방법 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.
이외의 본 발명의 목적들은 하기의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 수집된 센서 정보들을 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키를 분배 제한거리를 산출한 후 해당 인증키 분배 제한거리에 따라 인증키를 분배할 수 있는 방법 및 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 센서 노드에 의해 클러스터를 형성한 클러스터 헤드와 베이스 스테이션을 포함하는 시스템이 인증키를 분배하는 방법에 있어서, 상기 베이스 스테이션이 하나 이상의 클러스터 헤드로부터 센서 정보들을 수집하여 저장하는 단계; 상기 베이스 스테이션이 상기 저장된 센서 정보들을 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키 분배 제한거리를 산출하고, 상기 산출된 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키 분배의 필요성 여부를 판단하는 단계; 상기 인증키 분배가 필요하다고 결정되면, 상기 베이스 스테이션이 상기 인증키 분배 제한거리를 전송하는 단계; 및 상기 클러스터 헤드가 상기 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키를 분재하는 단계를 포함하는 인증키 분배 방법이 제공될 수 있다.
상기 센서 정보는 상기 센서 노드의 에너지 레벨, 상기 센서 노드가 포함된 클러스터내의 인증키 수 또는 상기 디지털 처리 장치와의 거리 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 에너지 레벨은 n개의 가중치 레벨로 구분되며, 상기 클러스터내의 인증키 수는 m개의 가중치 레벨로 구분되고, 상기 디지털 처리 장치와의 거리는 k개의 가중치 레벨로 구분되되, 상기 n, m 및 k는 임의의 자연수이다.
상기 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 이용하여 인증키 분배 제한거리를 산출하는 단계는, 상기 베이스 스테이션이 상기 센서 정보들을 이용하여 상기 각각의 가 중치 레벨의 조합에 의해 미리 설정된 인증키 분배 제한거리의 구간을 도출하고, 상기 도출된 구간에 따라 미리 설정된 가중치를 적용하여 상기 인증키 분배 제한거리를 산출할 수 있다.
상기 산출된 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키 분배의 필요성 여부를 판단하는 단계는, 상기 베이스 스테이션이 이전 시점에 산출되어 저장된 인증키 분배 제한거리와 현재 시점에 산출된 인증키 분배 제한거리의 차이값을 산출하는 단계; 상기 차이값이 미리 설정된 기준값 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 기준값 이상이면 인증키 분배가 필요한 것으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 클러스터 헤드가 상기 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키를 분재하는 단계는, 상기 클러스터 헤드가 하나 이상의 센서들로부터 암호화된 인증키를 수신받는 단계; 상기 인증키 분배 제한거리가 수신되면, 상기 클러스터 헤드는 상기 암호화된 인증키를 이용하여 인증키 분배 메시지를 생성하는 단계; 및 상기 클러스터 헤드가 상기 인증키 분배 제한거리에 따라 상기 인증키 분배 메시지를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 인증키 분배 메시지를 수신받은 센서 노드는 저장된 비밀키를 이용하여 상기 인증키 분배 메시지에 포함된 인증키를 획득할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 고유의 비밀키를 저장하고 있는 센서 노드들; 상기 센서 노드로부터 센서 정보를 수집하여 전송하는 클러스터 헤드; 및 상기 센서 정보를 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키 분배 제한거리를 산출하고, 상기 산출된 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키 분배의 필요성 여부를 판단하여 필요하다고 결정된 경우, 상기 인증키 분배 제한거리를 상기 클러스터 헤드로 전송하는 베이스 스테이션을 포함하되, 상기 베이스 스테이션은 상기 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키를 분배하는 것을 특징으로 하는 시스템이 제공될 수 있다.
상기 센서 정보는 상기 센서 노드의 에너지 레벨, 상기 센서 노드가 포함된 클러스터내의 인증키 수 또는 상기 디지털 처리 장치와의 거리 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 에너지 레벨은 n개의 가중치 레벨로 구분되며, 상기 클러스터내의 인증키 수는 m개의 가중치 레벨로 구분되고, 상기 디지털 처리 장치와의 거리는 k개의 가중치 레벨로 구분되되, 상기 n, m 및 k는 임의의 자연수이다.
상기 베이스 스테이션은 상기 센서 정보들을 이용하여 상기 각각의 가중치 레벨의 조합에 의해 미리 설정된 인증키 분배 제한거리의 구간을 도출하고, 상기 도출된 구간에 따라 미리 설정된 가중치를 적용하여 상기 인증키 분배 제한거리를 산출할 수 있다.
상기 베이스 스테이션은 이전 시점에 산출되어 저장된 인증키 분배 제한거리와 현재 시점에 산출된 인증키 분배 제한거리의 차이값을 산출하고, 상기 차이값이 미리 설정된 기준값 이상인지 여부를 판단하여 상기 기준값 이상이면 인증키 분배가 필요한 것으로 결정하여 상기 인증키 분배 제한거리를 전송할 수 있다.
상기 클러스터 헤드는 상기 센서 노드들로부터 암호화된 인증키를 수집하며, 상기 베이스 스테이션으로부터 상기 인증키 분배 제한거리가 수신되면, 상기 암호 화된 인증키를 이용하여 인증키 분배 메시지를 생성한 후, 상기 인증키 분배 제한거리에 따라 상기 인증키 분배 메시지를 전송하되, 상기 인증키 분배 메시지를 수신받은 센서 노드는 저장된 비밀키를 이용하여 상기 인증키 분배 메시지에 포함된 인증키를 획득할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 시스템의 구성을 예시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 스테이션의 내부 기능 블록도이다.
도 1을 참조하면, 네트워크 시스템은 베이스 스테이션(110), 하나 이상의 클러스터 헤드(120) 및 하나 이상의 센서 노드(130)를 포함하여 구성된다.
베이스 스테이션(110)은 컴퓨터와 같은 연산기능을 갖는 장치로써, 하나 이상의 센서노드(130)로부터 이벤트 정보를 수집하고, 해당 이벤트 정보들을 분석하여 미리 설정된 연산을 수행하여 인증키 분배 제한거리를 산출하여 클러스터 헤드(120)로 전송하는 기능을 수행한다.
베이스 스테이션(110)은 도 2에서 보여지는 바와 같이, 데이터 송수신부(210), 인증키 제한거리 산출부(220), 데이터베이스(230) 및 제어부(240)를 포함한다.
데이터 송수신부(210)는 제어부(240)의 제어에 의해 임의의 클러스터 헤드(120)로부터 센싱 정보 및 센서 노드(130)들을 제어하기 위한 제어 정보들을 수신하여 데이터베이스(230)에 저장하는 기능을 수행한다. 또한, 데이터 송수신부(210)는 제어부(240)의 제어에 의해 인증키 분배 제한거리를 하나 이상의 클러스터 헤드(120)로 전송하는 기능을 수행한다.
인증키 제한거리 산출부(220)는 제어부(240)의 제어에 의해 데이터베이스(230)로부터 센서 정보들을 입력받아 미리 정해진 퍼지 알고리즘(예를 들어, Mamdani model)에 의해 미리 설정된 연산을 수행하여 인증키 분배 제한거리를 산출하는 기능을 수행한다. 여기서, 센서 정보는 에너지 레벨, 클러스터 안의 키 수, 베이스 스테이션과의 거리 등을 포함할 수 있다. 또한, 퍼지 알고리즘은 당업자에게는 자명한 사항이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 인증키 제한거리 산출부(220)는 입력된 센서 정보들을 미리 설정된 퍼지 알고리즘에 따른 퍼지 규칙을 이용하여 인증키 분배 제한거리를 도출하는 기능 요소로써 베이스 스 테이션(110)의 내부 구성 요소인 것을 가정하여 설명하나, 외부의 퍼지 알고리즘이 구현된 장치와 연결되어 해당 센서 정보들을 입력값으로 전송하여 도출된 인증키 분배 제한거리를 수신받을 수도 있음은 자명하다.
또한, 본 명세서에서는 인증키 제한거리 산출부(220)가 베이스 스테이션(110)의 일 구성 요소로써 포함되는 것을 가정하여 이를 중점으로 설명하나 해당 퍼지 알고리즘을 수행하는 별도의 장치일 수도 있음은 당연하다.
데이터베이스(230)는 하나 이상의 센서 노드(130)들로부터 수집된 이벤트 정보들, 제어 정보들을 저장한다.
제어부(240)는 본 발명에 따른 베이스 스테이션(110)의 내부 기능 요소들(예를 들어, 데이터 송수신부(210), 인증키 제한거리 산출부(220), 데이터베이스(230) 등)을 제어하는 기능을 수행한다.
또한, 제어부(240)는 T-1 시점에 산출되어 저장된 인증키 분배 제한거리(이하, "T-1 시점의 인증키 분배 제한거리"라 칭하기로 함)와 T시점에 산출된 인증키 분배 제한거리(이하, "T시점의 인증키 분배 제한거리"라 칭하기로 함)를 비교하여 인증키 분배의 필요 여부를 결정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(240)는 T-1 시점의 인증키 분배 제한거리와 T시점의 인증키 분배 제한거리의 차이값을 산출한후 미리 설정된 기준값 이상인 경우 인증키 분배가 필요한 것으로 결정하여 인증키 분배에 필요한 인증키 분배 제한거리를 통신망을 통해 클러스터 헤드(120)로 전송할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 클러스터 헤드(120)는 하나 이상의 센서 노드(130)들 과 연결되어 해당 센서 노드(130)들로부터 센싱된 이벤트 정보들을 수신하여 베이스 스테이션(110)으로 전송하는 기능을 수행한다. 또한, 클러스터 헤드(120)는 도 1에서 예시된 바와 같이, 하나 이상의 센서 노드(130)들을 포함하는 클러스터(cluster)를 형성할 수 있다. 즉, 베이스 스테이션(110)는 하나 이상의 클러스터 헤드와 연결되나 본 명세서에서는 클러스터 헤드가 각각 동일한 기능을 수행하므로, 각각의 클러스터 헤드를 클러스터 헤드(120)으로 통칭하여 설명하기로 한다.
센서 노드(130)는 빛, 온도, 자외선 등의 정보를 센싱하여 이벤트 정보를 생성하는 기능을 수행한다. 센서 노드(130)는 데이터 수집을 위한 하나 이상의 센서를 구비하며, 각각의 센서를 이용하여 빛, 온도, 자외선 등과 같은 임의의 물리량을 계측하고, 해당 계측된 물리량이 미리 설정된 기준값 이상인 경우, 미리 설정된 이벤트 메시지와 해당 계측된 물리량을 이용하여 이벤트 정보를 생성한다. 그리고, 이벤트가 발생한 경우, 센서 노드(130)는 미리 설정된 형식에 따라 이벤트 리포트 정보를 생성하여 클러스터 헤드(120)로 전송한다. 여기서, 이벤트 리포트 정보는 메시지 인증 코드 필드 및 이벤트 정보 필드를 포함한다. 메시지 인증 코드 필드는 리포트의 허위 유무를 판별하기 위한 인증 코드가 기록되는 필드이며, 이벤트 정보 필드는 각 센서 노드에서 센싱한 이벤트 정보가 기록되는 필드이다.
본 명세서에서 "이벤트"는 센서 노드(130)가 구비한 센서를 이용하여 계측한 물리량이 미리 설정된 기준값 이상인 경우, 해당 센서 노드(130)가 베이스 스테이션(110)으로 전송하기 위해 미리 설정된 정보(또는 메시지)인 것으로 가정하기로 한다.
예를 들어, 만일 센서 노드(130)가 화재 탐지를 위해 임의의 건물에 부착되어 있다고 가정하자. 해당 센서 노드(130)는 온도 변화를 감지할 수 있는 센서를 구비하여 해당 온도 변화를 계측한 후, 해당 계측된 온도가 미리 설정된 기준값(예를 들어, 60℃)이상이면, 미리 설정된 이벤트(예를 들어, 화재 발생)와 해당 계측된 온도(예를 들어, 120℃라고 가정하면")를 이용하여 이벤트 정보(예를 들어, 화재발생, 온도 120℃)를 생성할 수 있다. 그리고, 센서 노드(130)는 해당 이벤트 정보를 베이스 스테이션(110)으로 전송하기 위해 생성된 이벤트 정보와 미리 설정된 인증 코드를 이용하여 이벤트 리포트를 생성하여 전송할 수 있다.
다른 예를 들어, 센서 노드(130)가 침입 탐지를 위해 임의의 건물에 부착되었다고 가정하면, 해당 센서 노드(130)는 빛 또는 자외선 등을 센싱하여, 이상한 객체가 감지되는 경우, 미리 설정된 이벤트(예를 들어, 침입자 감지)를 이용하여 이벤트 리포트를 생성하여 클러스터 헤드(120)로 전송할 수도 있다.
또한, 각 센서 노드(130)는 미리 설정된 비밀키를 이용하여 클러스터 헤드(120)로부터 수신된 인증키 분배 메시지에서 인증키를 획득한다.
예를 들어, 각 센서 노드(130)는 고유의 비밀키 및 인증키가 저장되어 있으며, 미리 설정된 소정의 시간 단위로 해당 비밀키를 이용하여 인증키를 암호화한 후 클러스터 헤드(120)로 전송한다. 이에 클러스터 헤드(120)는 각각의 센서 노드들로부터 암호화된 인증키를 수신받고, 베이스 스테이션(110)으로부터 인증키 분배 제한거리를 수신받는다. 그리고, 클러스터 헤드(120)는 수신된 하나 이상의 암호화된 인증키를 이용하여 인증키 분배 메시지를 생성한 후 해당 인증키 분배 제한거리 에 상응하는 수의 센서 노드로 해당 인증키 분배 메시지를 전송한다. 즉, 인증키 분배 제한거리가 만일 "10"이라고 가정하면, 클러스터 헤드(120)는 10개의 센서 노드들로 해당 인증키 분배 메시지를 전송할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인증키의 역할을 설명하기 위해 예시한 도면이다.
도 3에 예시된 포획된 노드(335)는 공격자에 의해 획득된 노드로써 해당 포획된 노드(335)에 의해 센싱된 정보와는 무관하게 공격자에 의해 임의로 조작된 신호에 의해 허위 이벤트 정보를 생성하며, 해당 허위 이벤트 정보와 해당 센서 노드들(즉, 제1 센서 노드(310) 내지 제5 센서 노드(330))에 미리 설정된 인증 코드를 이용하여 허위 이벤트 리포트를 생성하여 베이스 스테이션(110)으로 전송한다.
이해와 설명의 편의를 도모하기 위해, 포획된 노드(335)에 의해 생성된 허위 이벤트 리포트가 제5 센서 노드(330), 제4 센서 노드(325), … 및 제1 센서 노드(310)를 통해 베이스 스테이션(110)으로 전송되는 것을 가정하기로 한다. 전술한 바와 같이, 각각의 센서 노드(제1 센서 노드(310) 내지 제5 센서 노드(330))는 미리 설정된 인증 코드를 저장하고 있는 것을 가정하기로 한다. 각 센서 노드(제1 센서 노드(310) 내지 제5 센서 노드(330))에 저장된 인증 코드는 도 2에 예시된 바와 같다고 가정하여 설명하기로 한다.
포획된 노드(335)는 생성된 허위 이벤트 리포트를 인접한 제5 센서 노드(330)로 전송한다. 제5 센서 노드(330)는 포획된 노드(335)로부터 수신된 허위 이벤트 리포트의 메시지 인증 코드 필드에 설정된 하나 이상의 인증 코드들을 추출하여 해당 제5 센서 노드(330)에 저장된(기설정된) 인증 코드와 비교한다. 제5 센서 노드(330)는 저장된 인증 코드와 해당 허위 이벤트 리포트의 메시지 인증 코드에서 추출한 인증 코드들이 일치하지 않으므로, 해당 허위 이벤트 리포트를 제4 센서 노드(325)로 전송한다. 제4 센서 노드(325)는 수신된 허위 이벤트 리포트를 해당 제4 센서 노드(325)에 저장된 인증 코드와 비교하여 일치되는 인증 코드가 존재하지 않으므로, 해당 허위 이벤트 리포트를 제3 센서 노드(320)로 전송한다.
제3 센서 노드(320)는 수신된 허위 이벤트 리포트에 설정된 인증 코드들을 추출하여 해당 제3 센서 노드(320)에 저장된 인증 코드와 비교한다. 이때, 해당 제3 센서 노드(320)에 저장된 인증 코드와 허위 이벤트 리포트에 설정된 인증 코드들을 비교한 결과 저장된 인증 코드와 동일한 코드가 존재하므로 해당 허위 이벤트 리포트가 허위 보고임을 인식할 수 있다. 따라서, 제3 센서 노드(320)는 해당 허위 이벤트 리포트를 제2 센서 노드(315)로 전송하지 않고 폐기한다. 이로 인해, 포획된 노드(335)에 의해 전송된 허위 이벤트 리포트는 베이스 스테이션(110)까지 전송되지 않고, 제3 센서 노드(320)에 의해 폐기됨으로써 네트워크의 에너지 소비를 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 스테이션이 인증키 분배 제한거리를 산출하는 방법을 나타낸 순서도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인증키 분배 제한거리 산출을 위한 입력값 및 해당 입력값에 따라 미리 설정된 가중 치 레벨을 예시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미리 정해진 가중치 레벨을 퍼지 규칙을 기반으로 시뮬레이션한 컨트롤 스페이스를 예시한 도면이며, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러스터 안의 키 수에 따른 인증키 분배 제한 거리에 따른 시뮬레이션 결과를 예시한 도면이다.
이하에서 수행되는 각각의 단계는 베이스 스테이션(110)의 내부 구성 요소에서 수행되어지나 이해와 설명의 편의를 위해 베이스 스테이션으로 통칭하여 설명하기로 한다.
단계 410에서 베이스 스테이션(110)은 하나 이상의 센서 노드들로부터 센서 정보를 수신받아 저장하며, 해당 수집된 센서 정보들을 이용하여 네트워크를 모니터링한다. 여기서, 센서 정보는 에너지 레벨, 클러스터 안의 키 수 또는 베이스 스테이션(110)과의 거리 정보 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
단계 415에서 베이스 스테이션(110)은 수집된 센서 정보들을 이용하여 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 적용하여 미리 설정된 인증키 분배 제한거리의 구간을 도출하고, 해당 도출된 구간에 따라 미리 설정된 가중치를 적용하여 인증키 분배 제한거리를 산출한다.
이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 우선, 도 5를 참조하여 센서 정보에 따른 정해진 규칙에 대해 설명하기로 한다. 본 발명에서 베이스 스테이션(110)은 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키 분배 제한거리를 산출한다. 따라서, 베이스 스테이션(110)은 도 5에 예시된 바와 같이, 입력값에 따라 미리 설정된 설정값을 이용하여 인증키 분배 제한거리를 산출한다. 이하, 본 명세서에서는 이해 와 설명의 편의를 위해 에너지 레벨을 세구간으로 정의하며, 클러스터 안의 키 수를 다섯구간으로 정의하고, 베이스 스테이션과의 거리를 세구간으로 정의하며, 인증키 분배 제한거리의 구간을 다섯구간으로 정의한 것을 가정하여 설명하나 구현 방법에 따라 각 입력값에 대한 구간은 시스템에 특성에 따라 상이하게 정의할 수 있음은 당연하다.
예를 들어, 베이스 스테이션(110)은 센서 정보에 포함된 에너지 레벨을 100%로 가정하여 에너지 레벨을 세부분으로 정의하였다. 즉, 에너지 레벨이 충만(enough)하면, 인증키 분배 제한거리가 멀게 산출되도록 하여 센서 노드들에 분배될 인증키의 교환에 따른 변화가 크도록 하였다. 그리고, 에너지 레벨이 낮음(low), 매우 낮음(very low) 레벨이면, 인증키 분배 제한거리가 보다 짧게 산출되도록 하여 센서 노드들간의 인증키 분배보다는 네트워크 에너지를 보존하도록 하였다. 또한, 클러스터 안의 키 수는 키 분배 메시지 수와 길이에 영향을 주며, 인증키 분배 메시지의 길이가 길어질수록 센서 노드들은 긴 인증키 분배 메시지를 송수신하기 위해 보다 많은 에너지가 소모될 것이다. 따라서, 클러스터 안의 키 수에 따라 매우 작음(very small), 작음(small), 중간(medium), 큼(large), 매우 큼(very large)와 같이 다섯 부분으로 정의하였다. 마지막으로 베이스 스테이션(110)과 센서 노드들간의 거리에 따라 인근(near), 주변(around), 멀다(away)와 같이 세부분으로 정의하였다. 베이스 스테이션(110)과 가까운 거리에 있는 센서 노드들은 베이스 스테이션으로 이벤트 리포트를 전달하는 경로가 될 확률이 다른 센서 노드들에 비해 상대적으로 높다. 즉, 베이스 스테이션(110)과 거리가 먼 센서 노드들에 비해 가까운 센서 노드들의 에너지가 빨리 소비될 수 있음은 당연하다. 이와 같은 상황을 고려하여 베이스 스테이션(110) 주위의 센서 노드들의 인증키 분배 제한 거리를 낮춤으로써 에너지를 절약할 수 있도록 하였다. 이에 베이스 스테이션(110)은 인증키 분배 제한거리의 구간을 매우 짧음(very small), 짧음(small), 중간(medium), 길다(large), 매우 길다(very large)와 같이 다섯구간으로 정의한다. 그리고, 베이스 스테이션(1100는 입력된 입력 정보들(예를 들어, 에너지 레벨, 클러스터 안의 키 수 또는 베이스 스테이션(110)과의 거리 정보)을 이용하여 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키 분배 제한거리의 구간을 도출한 후 해당 도출된 구간에 따라 설정된 가중치를 적용하여 인증키 분배 제한거리를 산출할 수 있다.
도 6은 베이스 스테이션(110)이 센서 정보들을 이용하여 미리 설정된 퍼지 규칙들에 기반하여 시뮬레이션한 컨트롤 스페이스를 예시한 그래프로써, 인증키 분배 제한거리는 에너지 레벨이 높을수록, 클러스터 안의 키 수가 작을수록, 베이스 스테이션(110)과의 거리가 멀어질수록 커지게 되는 것을 알 수 있다. 즉, 에너지 레벨이 높을수록 인증키 분배 메시지가 멀리 전달되어 네트워크 전반에 걸쳐 인증키 분배가 이루어질 수 있도록 하였다. 그리고, 클러스터내의 센서 노드들이 많은 수의 인증키를 가지고 있는 경우, 인증키 분배 메시지가 길어져 필요 이상의 에너지 소비가 발생되는 것을 막기 위해 인증키 분배 제한거리를 짧게 두어 에너지 소비를 줄일 수 있도록 하였다. 또한 베이스 스테이션과 멀리 떨어진 노드일수록 인증키 분배 메시지가 멀리 전달될 수 있도록하여 인증키 분배가 원활이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 베이스 스테이션(110)은 에너지 레벨이 충만(enough)이고, 클러스터 안의 키 수가 중간(medium)이며, 베이스 스테이션과의 거리가 인접(near)이면, 인증키 분배 제한거리의 구간이 짧음(small)으로 도출되며, 짧음 구간에 상응하여 미리 설정된 가중치를 적용하여 인증키 분배 제한거리가 산출된다.
또한, 베이스 스테이션(110)은 에너지 레벨이 충만(enough)이고, 클러스터 안의 키 수가 중간(medium)이며, 베이스 스테이션과의 거리가 주변(around)이면, 인증키 분배 제한거리의 구간이 중간(medium)으로 도출되며, 해당 중간 구간에 상응하여 미리 설정된 가중치를 적용하여 인증키 분배 제한거리가 산출된다.
또한, 베이스 스테이션(110)은 에너지 레벨이 충만(enough)이고, 클러스터 안의 키 수가 중간(medium)이며, 베이스 스테이션과의 거리가 멀다(away)이면, 인증키 분배 제한거리가 중간(medium)으로 도출되며, 해당 중간 구간에 상응하여 미리 설정된 가중치를 적용하여 인증키 분배 제한거리가 산출된다.
다시 도 4를 참조하여 단계 420에서 베이스 스테이션(110)은 산출된 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키 분배의 필요 여부를 판단한다.
예를 들어, 베이스 스테이션(110)는 소정의 시간 단위로 수집된 센서 정보들을 이용하여 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키 분배 제한거리를 산출하여 저장한다. 따라서, 베이스 스테이션(110)는 T시간에 산출된 인증키 분배 제한거리와 T-1시점에 산출된 인증키 분배 제한거리를 비교하여 인증키 분배 여부를 결정할 수 있다. 또한, 베이스 스테이션(110)는 미리 설정된 기준차이정보를 이용하여 T시점에 산출된 인증키 분배 제한거리와 T-1 시점에 산출된 인증키 분배 제한거 리간의 차이가 해당 기준차이보다 작은 경우, 베이스 스테이션(110)은 비록 T시점의 인증키 분배 제한거리와 T-1시점의 인증키 분배 제한거리에 차이가 있더라도 네트워크상의 에너지를 절약하기 위해 인증키를 분배하지 않도록 할 수도 있다.
만일 인증키 분배가 필요하다고 결정되는 경우, 단계 425에서 베이스 스테이션(110)는 도출된 인증키 분배 제한거리를 통신망을 통해 클러스터 헤드(120)로 전송한다. 이로 인해, 클러스터 헤드(120)는 베이스 스테이션(110)으로부터 수신된 인증키 분배 제한거리에 상응하는 센서 노드들로 해당 인증키 분배 메시지를 전송한다. 이에 따라 해당 인증키 분배 메시지를 수신받은 센서 노드들은 저장된 비밀키를 이용하여 해당 인증키 분배 메시지에서 인증키를 획득할 수 있다.
그러나 만일 인증키 분배가 필요하지 않다고 결정되는 경우, 단계 410으로 진행한다.
도 7에서 SKDL은 종래의 방법을 적용하여 인증키를 분배한 경우이며, FKDL은 본 발명에 따른 인증키 분배 제한거리를 적용하여 인증키를 분배한 경우에 소비되는 에너지를 시뮬레이션한 것으로, 클러스터 안의 키 수의 변화에 따른 종래의 방법에 비해 본 발명에 따른 인증키 분배 제한거리를 이용한 경우, 인증키 분배에 소모되는 에너지가 적은 것을 알 수 있다.
또한, 도 8은 클러스터 안의 키수의 변화에 따른 종래의 인증키 분배에 따른 허위 이벤트 리포트의 필터링 비율과 본 발명에 따른 인증키 분배 제한 거리에 따른 허위 이벤트 리포트의 필터링 비율을 예시한 그래프이다. 도 7에서 종래의 인증키 분배에 따른 허위 이벤트 리포트의 필터링 비율이 본 발명에 따른 인증키 분배 제한거리에 따른 인증키를 분배한 경우의 필터링 비율보다 더 낮음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키를 분배한 경우, 허위 이벤트 리포터를 보다 효과적으로 필터링함을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인증키 분배 메시지를 전송하는 방법을 나타낸 순서도이다. 이하, 클러스터 헤드(120)가 베이스 스테이션(110)로부터 수신받은 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키 분배 메시지를 각 센서 노드로 전송하는 방법에 대해 설명하기로 한다. 또한, 이하에서는 각각의 센서 노드(130)는 각각 고유한 비밀키와 인증키를 저장하고 있는 것을 가정하여 설명하기로 한다.
단계 910에서 센서 노드(130)는 저장된 비밀키를 이용하여 미리 정해진 방법에 따라 인증키를 암호화하여 클러스터 헤드(120)로 전송한다. 여기서, 센서 노드(130)가 비밀키를 이용하여 인증키를 암호화는 방법은 당업자에게는 자명한 사항이므로 이에 대한 별도의 설명은 생략하기로 한다.
단계 915에서 클러스터 헤드(120)는 각 센서 노드들(130)로부터 수신된 암호화된 인증키를 이용하여 인증키 분배 메시지를 생성한다.
단계 920에서 클러스터 헤드(120)는 생성된 인증키 분배 메시지를 베이스 스테이션(110)로부터 수신된 인증키 분배 제한거리에 상응하여 각 센서 노드로 전송한다.
예를 들어, 인증키 분배 제한거리가 "10"이라고 가정하면, 클러스터 헤드(120)는 10개의 센서 노드들로만 인증키 분배 제한거리를 전송한다. 이로 인해, 10개의 센서 노드만 인증키를 획득할 수 있다.
센서 노드(130)가 인증키를 획득하는 방법에 대해 간략하게 설명하면, 각 센서 노드(130)는 미리 설정된 비밀키가 저장되어 있다. 또한, 인증키 분배 메시지는 각 센서 노드에 의해 수신된 암호화된 인증키들을 포함하고 있다. 따라서, 센서 노드(130)는 설정된 비밀키를 이용하여 인증키 분배 메시지에서 인증키를 획득할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 센서 네트워크에서 키분배 방법 및 시스템을 제공함으로써, 네트워크 상태를 모니터링하여 인증키를 분배하여 불필요한 정보 전송을 줄임으로써 네트워크 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키를 분배하여 보다 효과적으로 네트워크를 필터링하여 네트워크의 보안을 강화할 수 있는 효과도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 하나 이상의 센서 노드에 의해 클러스터를 형성한 클러스터 헤드와 베이스 스테이션을 포함하는 시스템이 인증키를 분배하는 방법에 있어서,
    상기 베이스 스테이션이 하나 이상의 클러스터 헤드로부터 센서 정보들을 수집하여 저장하는 단계;
    상기 베이스 스테이션이 상기 저장된 센서 정보들을 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키 분배 제한거리를 산출하고, 상기 산출된 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키 분배의 필요성 여부를 판단하는 단계;
    상기 인증키 분배가 필요하다고 결정되면, 상기 베이스 스테이션이 상기 인증키 분배 제한거리를 전송하는 단계; 및
    상기 클러스터 헤드가 상기 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키를 분배하는 단계를 포함하는 인증키 분배 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서 정보는 상기 센서 노드의 에너지 레벨, 상기 센서 노드가 포함된 클러스터내의 인증키 수 또는 상기 베이스 스테이션과의 거리 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 인증키 분배 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 에너지 레벨은 n개의 가중치 레벨로 구분되며, 상기 클러스터내의 인증키 수는 m개의 가중치 레벨로 구분되고, 상기 베이스 스테이션과의 거리는 k개의 가중치 레벨로 구분되되,
    상기 n, m 및 k는 임의의 자연수인 것을 특징으로 하는 인증키 분배 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 이용하여 인증키 분배 제한거리를 산출하는 단계는,
    상기 베이스 스테이션이 상기 센서 정보들을 이용하여 각각의 가중치 레벨의 조합에 의해 미리 설정된 인증키 분배 제한거리의 구간을 도출하고, 상기 도출된 구간에 따라 미리 설정된 가중치를 적용하여 상기 인증키 분배 제한거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 인증키 분배 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 산출된 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키 분배의 필요성 여부를 판단하는 단계는,
    상기 베이스 스테이션이 이전 시점에 산출되어 저장된 인증키 분배 제한거리와 현재 시점에 산출된 인증키 분배 제한거리의 차이값을 산출하는 단계;
    상기 차이값이 미리 설정된 기준값 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 기준값 이상이면 인증키 분배가 필요한 것으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인증키 분배 방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드가 상기 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키를 분배하는 단계는,
    상기 클러스터 헤드가 하나 이상의 센서들로부터 암호화된 인증키를 수신받는 단계;
    상기 인증키 분배 제한거리가 수신되면, 상기 클러스터 헤드는 상기 암호화된 인증키를 이용하여 인증키 분배 메시지를 생성하는 단계; 및
    상기 클러스터 헤드가 상기 인증키 분배 제한거리내에 존재하는 하나 이상의 센서 노드들로 상기 인증키 분배 메시지를 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 인증키 분배 메시지를 수신받은 센서 노드는 저장된 비밀키를 이용하여 상기 인증키 분배 메시지에 포함된 인증키를 획득하는 것을 특징으로 하는 인증키 분배 방법.
  7. 고유의 비밀키 및 인증키를 저장하고 있는 센서 노드들;
    상기 센서 노드로부터 센서 정보를 수집하여 전송하는 클러스터 헤드; 및
    상기 센서 정보를 미리 정해진 퍼지 알고리즘을 적용하여 인증키 분배 제한거리를 산출하고, 상기 산출된 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키 분배의 필요성 여부를 판단하여 필요하다고 결정된 경우, 상기 인증키 분배 제한거리를 상기 클러스터 헤드로 전송하는 베이스 스테이션을 포함하되,
    상기 베이스 스테이션은 상기 인증키 분배 제한거리를 이용하여 인증키를 분배하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 센서 정보는 상기 센서 노드의 에너지 레벨, 상기 센서 노드가 포함된 클러스터내의 인증키 수 또는 상기 베이스 스테이션과의 거리 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 에너지 레벨은 n개의 가중치 레벨로 구분되며, 상기 클러스터내의 인증키 수는 m개의 가중치 레벨로 구분되고, 상기 베이스 스테이션과의 거리는 k개의 가중치 레벨로 구분되되,
    상기 n, m 및 k는 임의의 자연수인 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 베이스 스테이션은 상기 센서 정보들을 이용하여 각각의 가중치 레벨의 조합에 의해 미리 설정된 인증키 분배 제한거리의 구간을 도출하고, 상기 도출된 구간에 따라 미리 설정된 가중치를 적용하여 상기 인증키 분배 제한거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 베이스 스테이션은 이전 시점에 산출되어 저장된 인증키 분배 제한거리와 현재 시점에 산출된 인증키 분배 제한거리의 차이값을 산출하고, 상기 차이값이 미리 설정된 기준값 이상인지 여부를 판단하여 상기 기준값 이상이면 인증키 분배가 필요한 것으로 결정하여 상기 인증키 분배 제한거리를 상기 클러스터 헤드로 전송하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드는 상기 센서 노드들로부터 암호화된 인증키를 수집하며, 상기 베이스 스테이션으로부터 상기 인증키 분배 제한거리가 수신되면, 상기 암호화된 인증키를 이용하여 인증키 분배 메시지를 생성한 후, 상기 인증키 분배 제한거리에 따라 상기 인증키 분배 메시지를 전송하되,
    상기 인증키 분배 메시지를 수신받은 센서 노드는 저장된 비밀키를 이용하여 상기 인증키 분배 메시지에 포함된 인증키를 획득하는 것을 특징으로 시스템.
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