KR100931193B1 - 수동형 ｒｆｉｄ 태그의 암호화 연산 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치에 관한 것으로, 대칭키 암호 알고리즘을 GEN2 표준 수동형 RFID 태그 상에 구현하기 위한 인터페이스 로직 및 암호화 모듈에 관한 것이다.

본 발명에 따른 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치는 초기 키 값을 저장하는 초기 키 레지스터, 상기 저장된 초기 키 값을 수신하고, 상기 초기 키 값에 기초하여 각 라운드에 상응하는 동작 라운드 키 값을 저장하는 키 레지스터, 디지털 처리부로부터 랜덤 비트열 데이터를 수신하여 저장하는 데이터 레지스터, 및 상기 랜덤 비트열 데이터 및 상기 동작 라운키 값에 따라서 각 라운드별로 대칭키 암호화 연산을 수행하여 암호화 데이터를 생성하고, 상기 생성된 암호화 데이터를 상기 데이터 레지스터로 전송하는 암호 연산 블록을 포함한다.

암호화 데이터, 초기 키 값, 동작 라운드 키 값, 동작 라운드 수

Description

수동형 ＲＦＩＤ 태그의 암호화 연산 장치{ENCRYPTION DEVICE FOR PASSIVE RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION TAG}

본 발명은 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치에 관한 것으로, 대칭키 암호 알고리즘을 GEN2 표준 수동형 RFID 태그 상에 구현하기 위한 인터페이스 로직 및 암호화 모듈에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 저전력으로 구현된 암호화 연산 장치를 수동형 RFID 태그에 적용하기 위한 인터페이스 모듈과 이를 활용한 암호화 기법을 제안한다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호: 2005-S-088-03, 연구과제명: 안전한 RFID/USN을 위한 정보보호 기술 개발(Development of Security Technology for Secure RFID/USN Service), 연구기간: 2007.03.01~2008.02.28]

일반적으로 RFID(Radio Frequency Identification)는 무선 주파수를 사용하여 고유한 식별 정보를 가지고 있는 태그로부터 비접촉식으로 정보를 판독하거나, 기록함으로써 상기 태그가 부착된 물건이나 동물, 사람 등을 인식, 추적 및 관리할 수 있는 기술이다. 일례로, 유통 및 물류 시스템에 RFID가 도입되면서 제조업체에 서 상품 출하 시, 상품에 부착된 RFID의 정보를 이용해 어느 배송 차에 배차를 해야하는지 등을 작업자에게 지시할 수 있고, 상품이 해당 매장으로 배송된 경우, RFID가 부착된 상품을 인식하여 해당 매장의 재고 수량 및 품목을 즉시 파악할 수 있어 효과적인 상품 발주가 가능하게 된다. 또한, 구매 상품이 고객에게 전달된 경우, 사용 중 고장 진단 및 고장 시점을 찾아내어 사전에 제품 교체를 알려주는 등의 맞춤 서비스를 적시에 제공할 수 있다. 또한, 고객은 구매 상품의 진품여부를 확인할 수 있고, 제조업체는 물품의 유통 과정을 확인할 수 있어 서비스의 질을 크게 향상시킬 수 있다.

RFID 태그는 제조, 물류, 유통뿐만 아니라, 물품이 판매된 이후에 지속적으로 서비스를 제공하고, RFID 자체를 물품이 아닌 사용자의 신분확인용으로 사용하는 경우에 있어서도 그 적용 분야가 확대되고 있다.

RFID 태그의 하나로서 수동형 RFID 태그는 리더로부터 전원을 공급받아야 하는 자원 제약이 매우 심한 장치이다. 이러한, 자원 제약으로 말미암아, 현재까지는 바코드를 대처하는 수준의 간단한 하드웨어 로직을 수동형 RFID에 구현하여 사용하고 있다. 그러나, RFID 시스템의 응용이 확대됨에 따라 보다 복잡한 RFID 시스템 개발이 요구되고 있으며, 이러한 RFID 시스템에서의 사용자 프라이버시 보호 및 데이터 보안의 필요성이 동시에 요구되고 있는 실정이다.

종래의 암호 알고리즘은 그 연산의 복잡성으로 인하여 하드웨어 구현도 복잡하여 RFID 시스템에 적용되지 못하였다. 그러나, 최근 들어, 저전력 구현이 가능한 암호 알고리즘의 등장과 이러한 암호 알고리즘의 효율적인 구현이 가능해짐에 따라, 점차 수동형 RFID 태그에 암호 알고리즘을 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 하지만, 암호 알고리즘을 저전력 구현의 관점으로만 접근하여 실제 GEN2와 같은 표준이 적용된 수동형 RFID 태그의 적용에는 어려움이 있었다.

본 발명은 저전력으로 구현된 암호화 연산 장치를 수동형 RFID 태그에 적용하기 인터페이스 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 암호 처리 과정 및 제어를 간소화하여 태그의 효율적인 동작이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 암호와 동작을 위한 라운드 조절 기능을 이용하여 시스템 요구 사항에 맞는 암호 연산 성능을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 처음 입력된 초기 키 값을 이용하여 암호화 연산 수행 시에 필요한 라운드 키 값을 반복적으로 생성함으로써, 암호화에 필요한 키 값의 입력 과정을 간소화하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치는 초기 키 값을 저장하는 초기 키 레지스터, 상기 저장된 초기 키 값을 수신하고, 상기 초기 키 값에 기초하여 각 라운드에 상응하는 동작 라운드 키 값을 저장하는 키 레지스터, 디지털 처리부로부터 랜덤 비트열 데이터를 수신하여 저장하는 데이터 레지스터, 및 상기 랜덤 비트열 데이터 및 상기 동작 라운키 값에 따라서 각 라운드별로 대칭키 암호화 연산을 수행하여 암호화 데이터를 생성하고, 상기 생성된 암호와 데이터를 상기 데이터 레지스터로 전송하는 암호 연산 블록을 포함한다.

본 발명에 따르면, 암호 처리를 위한 제어가 단순해져 태그의 효율적인 동작이 가능해 진다.

또한, 별도의 초기 암호화 데이터 동기화 동작이 필요하지 않으므로, 암호 처리를 위한 입력 데이터의 양이 줄어든다.

또한, 암호와 동작을 위한 라운드 조절 기능을 이용하여 시스템 요구 사항에 맞는 암호 연산 성능을 얻을 수 있다.

또한, 수신된 랜덤 비트열 데이터를 확장하여 암호화 연산의 초기 값으로 사용할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 암호화 연산 장치를 내장한 수동형 RFID 태그의 전체 구성을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 수동형 RFID 태그(100)는 아날로그 처리부(101), EEPROM 메모리(102), 암호 처리부(103)(또는 암호화 연산 장치), 및 디지털 처리부(104)를 포함한다.

아날로그 처리부(101)는 안테나로부터 입력된 아날로그 신호를 처리하여 전원을 생성한다. EEPROM 메모리(102)는 암호화와 연관된 중요 데이터 및 키를 저장한다.

암호 처리부(103)는 암호 연산을 수행하여 암호 스트림을 생성한다. 일례 로, 초기 키 값, 라운드 정보, 및 16비트 랜덤 값을 디지털 처리부(104)로부터 입력 받고, Enable 신호가 인가된 경우 암호 연산을 수행한다. 암호 처리부(103)는 암호화 데이터를 출력 데이터 레지스터에 저장하고, Done 신호를 출력한다.

디지털 처리부(104)는 Done 신호를 확인 후 출력 데이터 레지스터로부터 암호화 데이터를 1 비트 단위로 읽어 들여 암호화할 데이터와 XOR 연산하여 암호화 한다.

도 2는 본 발명의 일례에 따른, 수동형 RFID 시스템을 위한 암호화 연산 장치의 보다 상세한 구성을 도시한 도면이다. 도 2에서는 본 발명에 따른 암호화 연산 장치(202)와 디지털 처리부(201) 사이에 있어서, 상호 인터페이스 구조와 각 구성 요소간의 동작을 정의하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 암호화 연산 장치(202)는 초기 키 레지스터(221), 키 레지스터(222), 라운드 레지스터(223), 데이터 확장 블록(224), 데이터 레지스터(225), 출력 데이터 레지스터(226), 암호 연산 블록(227), 및 제어기(228)를 포함한다. 이하, 도 2를 참고로 하여, 각 구성 요소별로 그 기능을 상술하기로 한다.

초기 키 레지스터(221)는 암호화 연산 장치(202)로 입력되는 초기 키 값을 저장한다. 초기 키 값은 각 라운드 연산에 필요한 동작 라운드 키 값 생성에 사용된다. 종래 암호화 연산 장치의 키 레지스터는 라운드 키를 생성할 때마다 매번 갱신되므로, 새로운 암호화 동작을 위해서는 EEPROM 메모리와 같은 저장 장치로부터 초기 키 값을 매번 반복적으로 입력 받아야 한다. 따라서, 디지털 처리부(201) 가 항상 암호화 연산 장치(202)의 동작을 확인 및 제어하여야 하고, 또한, 암호화 연산 장치(202)가 EEPROM 메모리(미도시)를 매번 직접 제어하여야 하는 문제점이 발생할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 암호화 연산 장치(202)는 처음 입력된 초기 키 값을 초기 키 레지스터(221)에 저장함으로써, 암호화 연산 수행 시, 별도의 장치로부터 초기 키 값을 반복적으로 입력 받지 않고도, 암호화 연산에 필요한 동작 라운드 키 값을 생성할 수 있다.

키 레지스터(222)는 초기 키 값을 초기 키 레지스터(221)로부터 수신하고, 암호 연산 블록(227)이 상기 초기 값에 기초하여 각 라운드에 상응하여 생성한 동작 라운드 키 값을 저장한다.

라운드 레지스터(223)는 동작 라운드 수를 입력받아 저장함으로써, 암호 연산 블록(227)의 암호 연산의 라운드 수를 조절하게 된다. 즉, 암호 연산 블록(227)은 암호화 연산을 수행할 때마다 동작 라운드 카운터를 1씩 증가시키고, 이렇게 증가된 동작 라운드 카운터 값을 라운드 레지스터(223)에 저장된 동작 라운드 수와 비교함으로써 암호화 연산의 다음 동작 라운드 수행 여부가 정해질 수 있다. 동작 라운드 수가 줄어들면 그만큼 안전성은 떨어지지만, 암호화 연산 시간을 향상시켜 GEN2(Generation 2) 수동형 RFID 태그에서 요구하는 응답 시간을 만족시킬 수 있는 이점이 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 라운드 레지스터(223)를 통하여 라운드 연산 조절 기능을 구비함으로써, 암호화 연산에 소요되는 빠른 응답 시간을 구현할 수 있게 된다.

데이터 확장 블록(224)은 디지털 처리부(201)로부터 랜덤 비트열 데이터를 수신한다. 본 발명에 따르면, 데이터 확장 블록(224)은 랜덤(Random) 비트열 데이터를 반복적으로 사용하거나 또는 데이터 패딩(Data Padding)을 통하여 랜덤 비트열 데이터의 비트 수를 확장한다. 상기 확장된 랜덤 비트열 데이터는 암호화 연산의 초기 값으로 사용될 수 있다.

일반적으로, 대칭 키 암호 연산은 56 비트 이상 또는 128 비트 정도의 범위에서 수행된다. 따라서, 16 비트 랜덤 값을 암호 연산에 필요한 비트의 범위까지 데이터 확장할 수 있다. 이와 같은 데이터 확장은 암호 연산 장치(202)의 초기 입력 데이터를 줄이면서, 태그와 리더가 서로 알고 있는 데이터를 암호화 초기값으로 사용하게 되어 별다른 데이터 동기가 필요없다는 이점이 있다.

데이터 레지스터(225)는 디지털 처리부(201)로부터 데이터 확장 블록(224)을 통하여 확장된 랜덤 비트열 데이터를 수신한다. 또한, 데이터 레지스터(225)는 암호 연산 블록(227)으로부터 각 라운드 연산 결과로서 생성된 암호화 데이터를 전송 받아 저장한다.

출력 데이터 레지스터(226)는 출력 버퍼로 사용되는 레지스터로서, 디지털 처리부(201)가 필요시 암호화 데이터를 바로 읽어 갈 수 있도록 항상 이전 암호화 데이터를 저장하여 출력한다. 이를 위하여, 출력 데이터 레지스터(226)는 데이터 레지스터(225)에 저장된 암호화 데이터를 수신하여, 디지털 처리부(201)의 요청에 상응하여 비트 단위로 디지털 처리부(201)로 전송(출력)한다. 일례로서, 출력 데이터 레지스터(226)는 N 비트의 쉬프트 레지스터로 구현될 수 있으며, 디지털 처리부(201)로부터 입력된 리드(Read) 신호에 따라, 상기 저장된 암호화 데이터를 1 비 트 단위로 출력(전송)할 수 있다. 또달리, 출력 데이터 레지스터(226)를 쉬프트 레지스터로 구현할 경우, 소비 전력이 높아져 저전력 구현에 적합하지 아니할 수 있으므로, 별도의 쉬프트 레지스터(Shift Register)를 출력 버퍼로 사용하여 소비 전력을 낮출 수도 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 데이터 레지스터(225)와 출력 데이터 레지스터(226)를 별개로 구비함으로써, 암호 연산 블록(227)의 연산 결과로서 생성되는 암호화 데이터는 즉시 출력 데이터 레지스터(226)를 통하여 디지털 처리부(201)로 전송하고, 데이터 레지스터(225)에서는 암호화 데이터를 임시로 저장하여 다음 라운드에 바로 적용시킬 수 있도록 한다. 즉, 2개의 데이터 레지스터(225)를 통하여 암호화 데이터의 생성 과정과 디지털 처리부(201)로의 전송 과정을 실시간으로 동시에 구현될 수 있도록 한다.

암호 연산 블록(227)은 키 레지스터(222)에 저장된 동작 라운드 키 값 및 데이터 레지스터(225)에 저장된 랜덤 비트열 데이터를 입력받고서 라운드 함수를 이용하여 라운드 연산을 반복적으로 수행함으로써, 그 결과로서 암호화 데이터를 생성한다. 이를 위하여, 암호 연산 블록(227)은 초기 키 레지스터(221)로부터 수신된 초기 키 값을 이용하여 각 라운드마다 동작 라운키 값을 생성하여, 이를 키 레지스터(222)에 저장하게 된다.

본 발명에 따른 수동형 RFID 태그에 따르면, 디지털 처리부(201)는 암호 연산 블록(227)에서 생성된 암호화 데이터를 출력 데이터 레지스터(226)로부터 1 비트씩 전송 받아, 암호화할 데이터와 XOR 연산함으로서 암호화를 완성하게 된다.

제어기(228)는 본 발명에 따른 암호화 연산 장치(202) 내의 각 블록의 동작을 제어하기 위한 것으로, 디지털 처리부(201)로부터 Enable 신호가 인가되면, 라운드 레지스터(223)에 저장된 동작 라운드 수를 확인하여 미리 설정된 라운드 연산을 수행하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일례에 따른 저전력 AES 모듈의 구성도를 도시한 것이다.

도 3의 AES(Advanced Encryption Standard) 모듈은 실제 AES 연산 모듈 구조가 명시되어 있는 것을 제외하면 도 2의 각 구성 요소에 상응하는 구조를 가지고 있다. 도 3에서는 도 2의 데이터 확장 블록이 데이터 레지스터(301)에 포함되어 있다. 도 3에 도시된 AES 모듈의 구성은 도 1 및 도 2에서 설명한 구성과 서로 상응되므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 4는 저전력 AES 모듈에 적용된 출력 데이터 레지스터(226)의 보다 상세한 구성을 도시한다. 도 4에 따르면, 즉, 8 비트 단위로 저장된 암호화 데이터를 쉬프트 레지스터로 구현된 출력 버퍼를 통해 1 비트 단위로 출력한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있 는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 암호화 연산 장치를 내장한 수동형 RFID 태그의 전체 구성을 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일례에 따른, 수동형 RFID 시스템을 위한 암호화 연산 장치의 보다 상세한 구성을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일례에 따른 저전력 AES 모듈의 구성도를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 일례에 따른 저전력 AES 모듈에 적용된 출력 데이터 레지스터의 보다 상세한 구성을 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

221: 초기 키 레지스터

222: 키 레지스터

223: 라운드 레지스터

224: 데이터 확장 블록

225: 데이터 레지스터

226: 출력 데이터 레지스터

227: 암호 연산 블록

228: 제어기

Claims (5)

1. 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치에 있어서,

   초기 키 값을 저장하는 초기 키 레지스터;

   상기 저장된 초기 키 값을 수신하고, 상기 초기 키 값에 기초하여 각 라운드에 상응하는 동작 라운드 키 값을 저장하는 키 레지스터;

   디지털 처리부로부터 랜덤 비트열 데이터를 수신하여 저장하는 데이터 레지스터; 및

   상기 랜덤 비트열 데이터 및 상기 동작 라운키 값에 따라서 각 라운드별로 대칭키 암호화 연산을 수행하여 암호화 데이터를 생성하고, 상기 생성된 암호화 데이터를 상기 데이터 레지스터로 전송하는 암호 연산 블록

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치.
2. 제1항에 있어서,

   동작 라운드 수를 저장하는 라운드 레지스터

   를 더 포함하고,

   상기 암호 연산 블록은 상기 저장된 동작 라운드 수에 따라서 상기 암호화 연산의 다음 동작 라운드 수행 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치.
3. 제1항에 있어서,

   출력 데이터 레지스터

   를 더 포함하고,

   상기 출력 데이터 레지스터는 상기 데이터 레지스터로부터 상기 암호화 데이터를 수신하여, 상기 디지털 처리부의 요청에 상응하여 비트 단위로 상기 디지털 처리부로 전송하는 쉬프트 레지스터인 것을 특징으로 하는 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 랜덤 비트열 데이터를 반복적으로 사용하거나 또는 데이터 패딩을 통하여 상기 랜덤 비트열 데이터의 비트 수를 확장하는 데이터 확장 블록

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치.
5. 제3항에 있어서,

   상기 암호화 데이터는 상기 디지털 처리부로 1비트 단위로 전송되고, 상기 전송된 암호화 데이터는 상기 디지털 처리부에서 암호화할 데이터와 XOR 연산되는 것을 특징으로 하는 수동형 RFID 태그의 암호화 연산 장치.

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