KR101995111B1 - PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법, IoT 통신 시스템 및 IoT 디바이스 - Google Patents

PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법, IoT 통신 시스템 및 IoT 디바이스 Download PDF

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Abstract

PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법은 송신기가 어느 PPUF(Public Physically Unclonable Function)의 지연 특성을 이용하여 제1 챌린지값 및 상기 제1 챌린지값이 입력된 후 기준 시간에 출력되는 리스폰스값을 결정하는 과정을 반복하여 복수의 제1 챌린지값을 포함하는 제1 챌린지 세트 및 복수의 리스폰스를 포함하는 리스폰스 세트를 결정하는 단계, 상기 송신기가 상기 기준 시간 및 상기 리스폰스 세트를 포함하는 정보를 전송하고, 상기 복수의 제1 챌린지값을 이용하여 생성된 비밀키를 이용하여 암호화한 데이터를 전송하는 단계, 수신기가 상기 정보를 수신하고, 상기 리스폰스 세트에 포함되는 모든 리스폰스값 각각에 대해 상기 지연 특성을 갖는 PPUF 회로에서 챌린지값 입력 시점부터 상기 기준 시간에 상기 각 리스폰스값을 출력하는 특정한 제2 챌린지값을 결정하는 과정을 반복하여 복수의 제2 챌린지값을 포함하는 제2 챌린지 세트를 결정하는 단계 및 상기 수신기가 상기 복수의 제2 챌린지값을 이용하여 생성된 비밀키를 이용하여 상기 암호화한 데이터를 복호하는 단계를 포함한다.

Description

PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법, IoT 통신 시스템 및 IoT 디바이스{DATA TRANSFER METHOD USING PRIVATE KEY BASED ON PUBLIC PHYSICALLY UNCLONABLE FUNCTION, IoT COMMUNICATION SYSTEM AND IoT DEVICE}
이하 설명하는 기술은 적응적 길이의 비밀키를 사용한 데이터 전송 기법에 관한 것이다.
통신 분야에서 보안은 매우 중요한 이슈이다. 다양한 접근이 있지만, 기본적으로 데이터를 암호화하여 전송하는 기법이 있다. 공격자가 암호화한 데이터를 복호하거나 변조하기 어렵게 만드는 것이 주된 목적이다.
최근 주목받는 IoT 분야에서도 보안 기술이 주목받고 있다. 특히 한정된 에너지를 갖는 IoT 디바이스에서 유효한 보안 기술 개발이 필요한 상황이다.
한국공개특허 제10-2017-0047965호
이하 설명하는 기술은 PPUF(Public Physically Unclonable Function)을 이용한 데이터 전송 기법을 제공하고자 한다. 이하 설명하는 기술은 장치의 가용 에너지를 고려하여 가변 길이를 갖는 비밀키를 이용한 전송 기법을 제공하고자 한다.
PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법은 송신기가 어느 PPUF(Public Physically Unclonable Function)의 지연 특성을 이용하여 제1 챌린지값 및 상기 제1 챌린지값이 입력된 후 기준 시간에 출력되는 리스폰스값을 결정하는 과정을 반복하여 복수의 제1 챌린지값을 포함하는 제1 챌린지 세트 및 복수의 리스폰스를 포함하는 리스폰스 세트를 결정하는 단계, 상기 송신기가 상기 기준 시간 및 상기 리스폰스 세트를 포함하는 정보를 전송하고, 상기 복수의 제1 챌린지값을 이용하여 생성된 비밀키를 이용하여 암호화한 데이터를 전송하는 단계, 수신기가 상기 정보를 수신하고, 상기 리스폰스 세트에 포함되는 모든 리스폰스값 각각에 대해 상기 지연 특성을 갖는 PPUF 회로에서 챌린지값 입력 시점부터 상기 기준 시간에 상기 각 리스폰스값을 출력하는 특정한 제2 챌린지값을 결정하는 과정을 반복하여 복수의 제2 챌린지값을 포함하는 제2 챌린지 세트를 결정하는 단계 및 상기 수신기가 상기 복수의 제2 챌린지값을 이용하여 생성된 비밀키를 이용하여 상기 암호화한 데이터를 복호하는 단계를 포함한다.
PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 IoT 통신 시스템은 어느 PPUF(Public Physically Unclonable Function)의 지연 특성을 이용하여 초기 챌린지값, 복수의 제1 챌린지값 및 상기 제1 챌린지값 각각이 입력된 후 기준 시간에 출력되는 복수의 리스폰스값을 결정하고, 상기 초기 챌린지값, 상기 기준 시간, 상기 복수의 리스폰스값 및 상기 복수의 제1 챌린지값을 이용하여 생성된 비밀키를 이용하여 암호화한 데이터를 전송하는 송신기 및 상기 초기 챌린지값, 상기 기준 시간, 상기 복수의 리스폰스값 및 상기 데이터를 수신하고, 상기 복수의 리스폰스값 각각에 대해 상기 지연 특성을 갖는 PPUF 회로에서 챌린지값 입력 시점부터 상기 기준 시간에 각 리스폰스값을 출력하는 특정한 제2 챌린지값을 결정하고, 복수의 제2 챌린지값을 이용하여 생성한 비밀키를 이용하여 수신한 상기 암호화한 데이터를 복호하는 IoT 디바이스를 포함한다.
IoT 디바이스는 송신 노드로부터 초기 챌린지값, 기준 시간, 복수의 리스폰스값 및 암호화된 데이터를 수신하는 통신 회로, 복수의 XOR 게이트로 구성되는 PPUF 회로 및 상기 복수의 리스폰스값 각각에 대하여 상기 초기 챌린지값을 상기 PPUF 회로에 입력한 후 특정 시간이 경과한 상태에서 가능한 모든 챌린지값 중에서 특정한 값을 선택하여 상기 PPUF 회로에 입력하는 과정을 반복하면서 선택한 챌린지값이 입력된 시점부터 상기 기준 시간에 현재 선택한 리스폰스값을 출력하는 제2 챌린지값을 결정하는 제어 회로를 포함한다.
이하 설명하는 기술은 제한된 자원과 에너지를 갖는 IoT 디바이스에 효율적으로 적용 가능한 데이터 전송 기법 내지 인증 기법을 제공한다.
도 1은 아비터(arbiter) PUF의 동작에 대한 예이다.
도 2는 퍼블릭(Public) PUF의 구조 및 지연 정보에 대한 예이다.
도 3은 PPUF에 기반한 데이터 전송 시스템에 대한 블록도의 예이다.
도 4는 PPUF에 기반한 데이터 전송 과정에 대한 절차 흐름도의 예이다.
도 5는 PUF에 기반한 데이터 전송 시스템에 대한 블록도의 다른 예이다.
도 6은 PPUF에 기반한 데이터 전송 과정에 대한 절차 흐름도의 다른 예이다.
도 7은 PPUF에 기반한 데이터 전송 시스템에 대한 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 PUF 기술에 기반하여 IoT 시스템에서 인증을 수행하는 기법에 관한 것이다. 이하 설명하는 기술은 PUF 기술에 기반하여 생성한 키를 이용하여 IoT 디바이스에서 메시지 인증을 수행하는 기법에 관한 것이다. 이하 설명하는 기술은 장치의 처리 능력을 고려하여 적응적인 길이를 갖는 키를 이용하여 IoT 디바이스에서 메시지 인증을 수행하는 기법에 관한 것이다.
먼저 PUF 기술에 대해 설명하고자 한다. 반도체 회로는 제조 과정에서 Oxide 두께 차이, 문턱 전압 차이, 전전 용량 차이 등이 발생할 수 있다. PUF 회로는 반도체 공정의 미세한 프로세스 변이로 인해 회도의 동작에 미세한 차이를 보이는 물리적인 고유한 특징을 기반으로 복제여부를 판단할 수 있는 회로이다. 도 1은 아비터(arbiter) PUF의 동작에 대한 예이다. 도 1의 아비터 PUF는 위쪽의 신호와 아래쪽 신호의 미세한 동작 지연 시간의 차이를 이용한다. 물론 아비터 PUF는 도 1과는 다른 회로 구성을 가질 수도 있다.
챌린지(Challenge)는 PUF 회로의 구성에 입력되는 값이고, 리스폰스(Response)는 적용된 챌린지에 대한 PUF 회로의 출력값이다. 동일한 챌린지가 복수의 PUF 회로에 입력된다고 해도, 복수의 PUF 회로는 각 PUF 회로의 고유한 지연 특성으로 인하여 서로 다른 출력값(Response)을 출력한다. 이와 같이 각 PUF 회로가 갖는 하드웨어적인 특성을 이용하여 각 기기를 식별하거나 인증할 수 있다.
도 2는 퍼블릭(Public) PUF의 구조 및 지연 정보에 대한 예이다. 퍼블릭 PUF(이하 PPUF)는 도 1의 아비터 PUF를 변형한 형태라고 할 수 있다.
도 2(a)는 PPUF를 구성하는 회로에 대한 예이다. 물론 PPUF는 도 2(a)와 다른 구성을 가질 수도 있다. 도 2(a)는 6개의 XOR 게이트로 구성된 PPUF를 도시한다. 도 2(a)를 살펴보면, 3개의 XOR 게이트가 2열로 구성되어 있다. 도 2(a)의 PPUF는 높이(h)가 3이고, 너비(w)가 2인 예이다. XOR 게이트 A 및 B는 각각 입력값 2개(입력 1 및 입력 2)를 입력받는다. 도 2(a)에서 XOR 게이트의 좌측에 입력되는 값을 입력 1이라고 하고, 우측에 입력되는 값을 입력 2라고 가정한다. XOR 게이트 C 및 D는 XOR 게이트 A 및 B의 출력값을 각각 2개의 입력값으로 입력받는다. XOR 게이트 E 및 F는 XOR 게이트 C 및 D의 출력값을 각각 2개의 입력값으로 입력받는다. XOR 게이트는 새로운 입력값이 입력되면 일정한 상태 전이(transition)를 갖는다. XOR 게이트의 출력값 자체는 입력값에 따라 변경될 수도 있고, 그대로 유지될 수도 있다. PPUF를 구성하는 XOR 게이트의 높이에 따라 연속된 XOR 게이트에서 상태 전이는 기하 급수적으로 증가한다. 하나의 최초 입력값에 따라서 너비 w가 2이고, h 개의 높이를 갖는 PPUF에서 최초 입력값이 변경되면 2 × 2h번의 상태 전이가 발생할 수 있다.
XOR 게이트에서 입력된 신호가 출력되는 시간을 지연 시간이라고 명명한다. 서로 다른 XOR 게이트는 각각 고유한 지연 시간을 가질 수 있다. 즉 각 XOR 게이트는 고유한 지연 특성을 갖는다. 도 2(b)는 도 2(a)의 PPUF에 대한 지연 특성을 도시한 테이블이다. 각 XOR 게이트에 대한 지연 특성은 ps 단위 시간을 사용하였다. 예컨대, XOR 게이트 A는 입력 1에 대해서는 7.7 지연 시간을 갖고, 입력 2에 대해서는 9.5 지연시간을 갖는다. XOR 게이트 B는 입력 1에 대해서는 8.3 지연 시간을 갖고, 입력 2에 대해서는 10.5 지연시간을 갖는다. XOR 게이트 C는 입력 1에 대해서는 12.4 지연 시간을 갖고, 입력 2에 대해서는 8.3 지연시간을 갖는다.
도 2(a)에 도시된 PPUF는 XOR 게이트 A 및 B에 챌린지가 입력된다. 예컨대, x0 = "10"(입력1: 1, 입력 2: 0)이라는 챌린지가 A 및 B에 입력되고, 일정한 시간이 경과하면 E 및 F의 출력인 리스폰스 값 y0 = "00"이 출력된다고 가정한다. 리스폰스 값 y0 = "00"이 출력되는 상태를 안정화 상태(steady-state)라고 가정한다. 물론 안정화 상태에서 출력되는 리스폰스 값은 "00"이 아닌 특정 값일 수도 있다. 안정화 상태는 앞으로 출력되는 값이 변경되는 것을 확인할 수 있는 특정 초기 값이라고 할 수 있다.
안정화 상태에서 특정 시점 t = 0 일 때 챌린지가 x1 = "01"(입력1: 0, 입력 2: 1)으로 변경되면, t = 7.7 (ps) 시점에서 XOR 게이트 A는 출력값이 '1'에서 '0'으로 변경된다(이 시점에서는 입력 1만이 반영되어 마치 입력값이 "00"과 같은 상태임). 그리고 t = 9.5 시점에서 XOR 게이트 A는 '1'의 값을 출력한다(이 시점에서는 새로 입력된 입력값이 모두 반영되기 때문임). 즉, XOR 게이트 A는 t = 7.7 및 t = 9.5 시점에 상태 전이가 발생한다. 이와 같은 방식으로 XOR 게이트 B는 t = 8.3과 t = 10.5에서 상태 전이가 발생한다. 이와 같은 방식을 일련의 연속된 XOR 게이트를 거치면 시간에 따라 입력값이 변화되는 정보가 결정될 수 있다.
이후 상위 열(row)에 위치한 XOR 게이트는 보다 많은 시간에 상태 전이를 갖게된다. 예컨대, XOR 게이트 C는 XOR 게이트 A의 출력값을 입력 1로 입력받고, XOR 게이트 B의 출력값을 입력 2로 입력받는다. 전술한 바와 같이 XOR 게이트 A 및 XOR 게이트 B는 t = 0인 시점에 입력된 x1 = "01"에 대해 시간의 흐름에 따라 2번의 상태 전이(2개의 출력값)를 갖는다. 결국 XOR 게이트 C는 시간의 흐름에 따라 2개의 입력 1을 입력받고, 2개의 입력 2를 입력받을 수 있다. 이 경우 XOR 게이트 C는 시간의 흐름에 따라 4개의 서로 다른 출력값을 출력할 수 있다. 구체적으로 XOR 게이트 C는 t = 16.6, 18.8, 20.1 및 21.9인 시점에서 상태 전이를 갖는다. 이는 XOR 게이트 A 및 XOR 게이트 B의 출력값이 변경되는 시간을 조합한 결과이다. 즉 입력 1의 경우 XOR 게이트 C는 입력 1의 기본 지연 시간 12.4 + XOR 게이트 A의 출력값 변동 시점(7.7 및 9.5)에 출력값이 변경된다(즉, t = 20.1 및 21.9). 입력 2의 경우 XOR 게이트 C는 입력 2 기본 지연 시간 8.3 + XOR 게이트 B의 출력값 변동 시점(8.3 및 10.5)에 출력값이 변경된다(즉, t = 16.6 및 18.8). 이와 같이 상위 열에 위치한 XOR 게이트는 높이에 따라 기하 급수적으로 많은 상태 전이를 겪게 된다.
전술한 바와 같이 고유한 PPUF는 서로 다른 지연 특성을 갖는다. 개별적인 PPUF에 특이적인 지연 특성을 이용하여 통신을 위한 인증에 이용할 수 있다. 통신은 결국 특정 메시지를 전달하는 기법이다. 설명의 편의를 위해 이하 특정 메시지를 전송하는 장치를 송신기라고 하고, 송신기가 전송하는 메시지를 수신하는 장치를 수신기라고 한다. 수신기는 수신한 메시지가 실제 송신기가 전송한 메시지인지 여부를 인증한다. 통신 시스템은 공개키(public key)와 비밀키(private key)를 사용하여 인증을 수행하는 예를 가정한다. 공개키는 전술한 PPUF 특이적인 지연 정보이다. 예컨대, 도 2(b)에 기재한 지연 테이블을 공개키로 사용할 수 있다.
PPUF에 기반한 기본 인증 프로토콜
메시지 전송 프로토콜을 간략하게 먼저 설명한다. 송신기는 x0, x1 및 t1를 결정한다. 전술한 바와 같이 x0는 일정한 시간 후에 PPUF가 안정화 상태에 도달하게 하는 입력값이다. x1는 안정화 상태에서 상태 전이를 가져오는 입력값이다. x1이 입력된 시점을 t = 0이라고 하면, t1는 입력 후에 PPUF가 y1이라는 출력값을 출력하는 시간을 말한다. 송신기는 출력값 y1을 확인하고, 출력값 y1을 결정할 수 있는 x0, y1 및 t1를 송신할 수 있다. 수신기는 x0, y1 및 t1를 입력받아 특정 입력값 x1을 결정할 수 있다. 즉, x1은 메시지 인증을 위한 비밀키에 해당한다. 이를 위해서는 송신기와 수신기가 특정 PPUF의 지연 정보를 공유해야 한다. 따라서 특정 PPUF의 지연 정보를 공개키로 사용한다.
하나의 장치(예컨대, 수신기)는 물리적인 PUF를 갖고, 나머지 하나의 장치(예컨대, 송신기)는 물리적인 PPUF를 소프트웨어적으로 구현한 모듈(PPUF 모듈)을 사용한다고 가정한다.
도 3은 PPUF에 기반한 데이터 전송 시스템(100)에 대한 블록도의 예이다. 시스템(100)은 송신기(110)와 수신기(150)을 포함한다. 도 3에서는 설명의 편의를 위해 각각 대응되는 송신기(110)와 수신기(150) 한쌍을 도시하였다. 전술한 바와 같이 송신기(110)와 수신기(150)는 동일한 동작을 수행하는 PPUF를 공유한다. 도 3에서 송신기(110)는 소프트웨어적인 PPUF 모듈을 사용하고, 수신기(150)가 물리적인 PPUF 회로를 사용한 예를 도시한다.
송신기(110)는 소프트웨어적인 PPUF 모듈을 사용한다. 이를 PPUF 시뮬레이션 모듈이라고 명명한다. PPUF 시뮬레이션 모듈은 수신기(150)에 있는 물리적인 PPUF 회로의 지연 정보를 사용하여 일정한 챌린지가 입력되면 특정 시간에 출력되는 리스폰스를 출력한다.
송신기(110)는 제어회로(111), 저장장치(112) 및 통신 회로(113)를 포함한다. 제어 회로(111)는 송신기(110)의 동작을 제어하는 장치이다. 제어 회로(110)는 CPU와 같은 중앙 처리 장치 및 제어 명령을 저장하는 메모리로 구성될 수 있다. 저장장치(112)는 PPUF 시뮬레이션을 위한 소프트웨어를 저장한다. 제어 회로(110)는 저장장치(112)에 저장된 소프트웨어를 구동하여 전술한 초기 입력값 x0, 챌린지 x1, 일정 시간 t1 및 챌린지 입력 후 시간 t1에 출력되는 리스폰스 y1을 결정한다. 전술한 바와 같이 챌린지 x1이 비밀키에 해당한다. 제어 회로(110)는 챌린지 x1를 이용하여 특정한 데이터를 암호화한다. 특정한 데이터는 사전에 마련된다고 가정한다. 데이터 암호화 방법은 비밀키를 이용한 다양한 알고리즘이 사용될 수 있다. 송신기(110)는 통신회로(113)를 통해 (x0, y1, t1) 및 암호화한 데이터 D를 전송한다. 통신 회로(113)는 안테나, 통신 모듈 등으로 구성될 수 있다.
수신기(150)는 물리적인 PPUF 회로를 이용하여 비밀키인 챌린지 x1을 결정한다. 수신기(150)는 수신한 정보 (x0, y1, t1)를 이용하여 챌린지 x1을 결정한다.
수신기(150)는 제어회로(151), PPUF 회로(152), 저장장치(153) 및 통신 회로(154)를 포함한다. 제어회로(151)는 수신기(150)의 동작을 제어하는 회로이다. PPUF 회로(152)는 전술한 바와 같이 물리적인 특정 PPUF를 의미한다. 저장장치(153)는 PPUF 회로(152)를 이용하여 비밀키를 복호하기 위한 소프트웨어를 저장한다. 또한 저장장치(153)는 수신한 정보 및 복호한 데이터를 저장할 수 있다. 통신 회로(154)는 송신기(110)로부터 일정한 정보를 수신한다.
수신기(150)는 (x0, y1, t1)를 이용하여 챌린지 x1을 결정한다. 수신기(150)는 모든 가능한 챌린지 후보 중에서 시간 t1후에 리스폰스 y1을 출력하게 하는 챌린지 x1를 결정한다. 이때 챌리지 후보는 기본 입력값 x0를 제외한 나머지 가능한 모든 챌린지들을 포함할 수 있다. 챌린지 후보는 PPUF의 너비에 따라 결정된다. 예컨대, PPUF의 너비가 2라면 챌린지 후보는 모두 4개(22)이다. 기존 입력값을 제외한다면 챌린지 후보는 3개의 챌린지이다.
수신기(150)는 챌린지 세트 중에서 임의의 챌린지를 선택하고, 안정화 상태에서 선택한 챌린지를 PPUF 회로(152) 입력하고, 선택한 챌린지가 입력된 후 시간 t1 후에 출력되는 리스폰스를 확인한다. 수신기(150)는 선택한 특정 챌린지가 입력된 후 시간 t1 후에 출력되는 리스폰스가 y1인 경우 현재 선택한 챌린지를 비밀키 x1으로 결정한다.
한편 수신기(150)에 있는 PPUF 회로(152)를 이용하지 못하는 공격자는 PPUF의 지연 정보를 알고 있다고 해도, 비밀키를 알아내고 데이터를 복호하는 시간이 수신기(150)보다 훨씬 오래 걸린다. 따라서 수신기(150)가 비밀키를 결정하고 데이터를 복호하기 위해 필요한 최장 시간을 제한 시간으로 이용할 수 있다. 예컨대, 수신기(150)는 메시지가 도착한 시간부터 제한 시간 내에 복호한 데이터만을 정상적인 데이터로 인식하고 처리한다. 제한 시간은 송신기(110)가 메시지를 송신한 시간을 기준으로 설정될 수도 있다.
전술한 바와 같이 PPUF회로는 높이 및 너비가 다를 수 있다. 예컨대, PPUF회로의 너비가 w이라면, 기본적으로 입력되는 입력값 x는 w 자리수를 갖고, 출력값 y도 w 자리수를 갖게된다. 결국 w은 비밀키의 길이에 해당한다.
도 3은 송신기(110)가 소프트웨어적인 PPUF 시뮬레이션 모듈을 사용하고, 수신기(150)가 물리적인 PPUF 회로를 사용하는 시스템을 도시하였다. 경우에 따라서는 송신기(110)가 물리적인 PPUF 회로를 사용하고, 수신기(150)가 소프트웨어적인 PPUF 시뮬레이션 모듈을 사용할 수도 있다.
도 4는 PPUF에 기반한 데이터 전송 과정(200)에 대한 절차 흐름도의 예이다. 송신기(110)는 먼저 데이터 암호화를 비밀키를 생성한다(201). 송신기(110)는 초기 입력값 x0및 특정 시간 t1을 선택한다(①). 송신기(110)는 초기 입력값 x0을 PPUF(소프트웨어 모듈 또는 하드웨어 회로)에 입력하여 일정 시간 경과(안정화 상태 진입)를 기다린다. 송신기(110)는 가능한 챌린지 중에서 특정한 챌린지 x1를 선택한다(②). 송신기(110)는 안정화 상태에서 챌린지 x1를 PPUF에 입력하여 시간 t1 후에 출력되는 리스폰스 y1를 결정한다(③).
송신기(110)는 챌린지 x1을 비밀키로 사용하여 전송 대상인 데이터(data)를 암호화한다(202). 비밀키를 사용한 암호화 방법을 다양한 알고리즘 중 하나가 이용될 수 있다. 다만 송신기(110)에서 사용하는 암호화 방법과 수신기(150)에서 사용하는 복호화 방법은 대응되어야 한다.
송신기(110)는 자신이 결정한 정보 중 (x0, y1, t1)을 전송한다(211). 송신기(110)는 자신이 암호화한 데이터 D를 전송한다(211). 송신기(110)는 (x0, y1, t1)와 D를 동시에 전송할 수 있다.
수신기(150)는 자신이 수신한 정보를 이용하여 먼저 비밀키를 결정한다(221). 수신기(150)는 수신한 초기 입력값 x1을 PPUF 입력하고 일정한 시간 경과를 기다린다(①). 초기 입력값 x1 입력 후에 안정화 상태에 이르는 시간은 사전에 공유된 시간이라고 가정한다. 또는 송신기(110)가 안정화 상태에 이르는 시간도 수신기(150)에 전송할 수도 있다. 수신기(150)는 가능한 모든 챌린지 중 특정 챌린지를 선택하고, 선택한 챌린지를 입력한 후 시간 t1에 리스폰스를 확인한다. 수신기(150)는 챌린지를 입력한 후 시간 t1에 리스폰스 y1가 출력되면 현재 선택한 챌린지를 비밀키로 결정한다(②).
이후 수신기(150)는 결정한 비밀키 x1를 이용하여 암호화된 데이터 D를 복호한다(222).
전술한 바와 같이 통신 시스템은 적법한 데이터 처리를 위한 제한 시간을 설정할 수 있다. 예컨대, 수신기(150)는 메시지를 수신한 시점부터 일정한 제한 시간 내에 데이터를 복호한 경우에만 복호한 데이터를 적법한 데이터로 처리할 수 있다. 또는 수신기(150)는 송신기(110)가 메시지를 전송한 시점부터 일정한 제한 시간 내에 데이터를 복호한 경우에만 복호한 데이터를 적법한 데이터로 처리할 수 있다.
한편 수신기(150)는 복호한 데이터를 송신기(110)에 전달할 수 있다. 송신기(110)가 제한 시간 내에 수신기(150)로부터 복호한 데이터를 수신하면, 해당 수신기(150)를 적법한 수신기로 인증할 수 있다. 이후 송신기(110)는 수신기(150)에 동일한 방법으로 암호화한 데이터를 추가로 전달할 수 있다. 제한 시간은 시스템의 성능, 비밀키의 길이 등으로 고려하여 적절하게 설정될 수 있다.
복수의 챌린지 값으로 구성되는 키를 이용한 인증 프로토콜
도 5는 PUF에 기반한 데이터 전송 시스템(300)에 대한 블록도의 다른 예이다. 도 5의 데이터 전송 시스템(300)은 도 3의 시스템(100)과 달리 복수의 챌린지 값을 비밀키로 사용한다. 도 5에서는 설명의 편의를 위해 각각 대응되는 송신기(510)와 수신기(550) 한쌍을 도시하였다. 전술한 바와 같이 송신기(510)와 수신기(550)는 동일한 동작을 수행하는 PPUF를 공유한다. 도 5에서 송신기(510)는 소프트웨어적인 PPUF 모듈을 사용하고, 수신기(550)가 물리적인 PPUF 회로를 사용한 예를 도시한다.
데이터 전송 시스템(300)에서 비밀키를 복수의 챌린지 값으로 구성될 수 있다. 송신기(310)가 비밀키로 사용될 챌린지를 결정하는 과정을 m번 반복하여 복수의 챌린지를 결정할 수 있다. 송신기(310)는 복수의 챌린지 x = {x1, x2, ..., xm}을 결정한다. x는 챌린지 세트를 의미한다. 송신기(310)는 안정화 상태에서 각 챌린지 입력된 후 특정 시간 t에 출력되는 리스폰스를 결정한다. 송신기(310)는 리스폰스 y = {y1, y2, ... ym}을 결정한다. y는 챌린지 집합 x에 포함된 각 챌린지에 따른 리스폰스의 세트를 의미한다.
송신기(310)는 결정한 챌린지를 결합(concatenation)하여 비밀키 X를 생성할 수 있다. 송신기(310)는 x1,x2,...,xm을 순서대로 결합하여 X를 생성할 수 있다. 이 경우 X는 챌린지(특정 이진수열)를 연결한 하나의 이진수 스트링이 된다. 나아가 송신기(310)는 x에서 임의의 순서 또는 특정한 순서로 챌린지를 선택하여 X를 생성할 수도 있다. 한편 송신기(310)가 X를 생성하는 기준은 수신기(350)와 공유되어야 한다.
전술한 바와 같이 PPUF회로는 높이 및 너비가 다를 수 있다. 예컨대, PPUF회로의 너비가 w이라면, 기본적으로 입력되는 챌린지는 w 자리수를 갖고, 리스폰스도 w 자리수를 갖게된다. 따라서 하나의 챌린지가 w의 자리수를 갖고, 비밀키 X가 모든 챌린지 세트를 사용한다면 비밀키의 길이는 w × m이 된다.
송신기(110)는 결합된 비밀키 X를 이용하여 데이터를 암호화한다. 송신기(310)는 입력 초기값 x0, y = {y1, y2, ... ym}, 특정 시간 t을 전송한다. 송신기(310)는 X로 암호화한 데이터도 전송한다. 또한 경우에 따라서는 송신기(310)는 챌린지 세트로 비밀키 X를 생성하는 규칙에 대한 정보를 더 전송할 수도 있다.
송신기(510)는 PPUF 시뮬레이션 모듈을 사용한다. PPUF 시뮬레이션 모듈은 수신기(550)에 있는 물리적인 PPUF 회로의 지연 정보를 사용하여 일정한 챌린지가 입력되면 특정 시간에 출력되는 리스폰스를 출력한다. 따라서 PPUF 시뮬레이션 모듈은 물리적인 PPUF 회로의 특성에 대한 정보를 기반으로 사전에 마련되어야 한다.
송신기(510)는 제어회로(511), 저장장치(512) 및 통신 회로(513)를 포함한다. 제어 회로(511)는 송신기(510)의 동작을 제어하는 장치이다. 제어 회로(510)는 CPU와 같은 중앙 처리 장치 및 제어 명령을 저장하는 메모리로 구성될 수 있다. 저장장치(512)는 PPUF 시뮬레이션을 위한 소프트웨어를 저장한다. 제어 회로(510)는 저장장치(512)에 저장된 소프트웨어를 구동하여 전술한 초기 입력값 x0, 챌린지 세트 x, 일정 시간 t 및 챌린지 입력 후 시간 t에 출력되는 리스폰스 세트 y를 결정한다. 제어 회로(110)는 챌린지 세트 x를 이용하여 생성한 비밀키 X를 이용하여 특정한 데이터를 암호화한다. 특정한 데이터는 사전에 마련된다고 가정한다. 데이터 암호화 방법은 비밀키를 이용한 다양한 알고리즘이 사용될 수 있다. 송신기(110)는 통신회로(113)를 통해 (x0, y, t) 및 암호화한 데이터 D를 전송한다. 통신 회로(113)는 안테나, 통신 모듈 등으로 구성될 수 있다.
수신기(350)는 먼저 수신한 정보를 이용하여 비밀키를 구성하는 복수의 챌린지를 결정한다. 수신기(350)는 리스폰스 세트 y에 포함된 각각의 리스폰스를 출력하는 챌린지 세트 x'를 결정한다. 수신기(350)는 리스폰스 세트 y에 포함된 각 리스폰스에 대해 챌리지를 결정하는 과정을 반복하여 챌린지 세트 x'를 결정한다. 챌린 세트 x'는 데이터 D를 복호하기 위한 비밀키를 구성하는 값이다. 수신기(350)는 챌린 세트 x'를 이용하여 비밀키 X를 결정하고, 비밀키 X를 이용하여 데이터 D를 복호한다.
비밀키를 구성하는 규칙은 챌린지 세트 x'에 포함된 챌린지의 순서(x'i)와 각 챌리지가 비밀키에서의 배치 순서(Xi)로 정의될 수 있다. 비밀키를 구성하는 규칙은 x'i 와 Xi를 매칭한 테이블일 수 있다. 또는 비밀키를 구성하는 규칙은 입력값 x'i을 입력 받아 출력값 Xi을 출력하는 함수일 수도 있다. 송신기(310)와 수신기(350)는 이와 같은 규칙을 공유해야 한다. 송신기(310)와 수신기(350)가 각각 규칙에 해당하는 데이터를 사전에 저장하고 있을 수 있다. 또는 송신기(310)가 암호화된 데이터 D를 전달하는 과정에서 해당 규칙을 수신기(350)에 전달할 수도 있다.
수신기(350)는 물리적인 PPUF 회로를 이용하여 비밀키 X를 구성하는 챌린지 세트 x를 결정한다. 수신기(150)는 수신한 정보 (x0, y, t)를 이용하여 챌린지 세트 x를 결정한다.
수신기(350)는 제어회로(351), PPUF 회로(352), 저장장치(353) 및 통신 회로(354)를 포함한다. 제어회로(351)는 수신기(350)의 동작을 제어하는 회로이다. PPUF 회로(352)는 전술한 바와 같이 물리적인 특정 PPUF를 의미한다. 저장장치(353)는 PPUF 회로(352)를 이용하여 비밀키를 복호하기 위한 소프트웨어를 저장한다. 또한 저장장치(353)는 수신한 정보 및 복호한 데이터를 저장할 수 있다. 통신 회로(354)는 송신기(310)로부터 일정한 정보를 수신한다.
제어회로(351)는 (x0, y, t)를 이용하여 챌린지 세트 x'를 결정한다. 제어회로(351)는 PPUF 회로(352)에 초기 입력값 x0을 입력하여 안정화 상태를 만든다. PPUF 회로(352)는 초기 입력값 x0을 입력받은 후 일정한 시간이 경과하면 안정화 상태에 이른다. 제어회로(351)는 리스폰스 세트 y에 포함된 각 리스폰스에 대해 챌리지를 결정한다.
하나의 리스폰스(y1라고 가정)에 대해 챌리지를 결정하는 과정을 설명한다. 제어회로(351)는 PPUF 회로(352)에 입력 가능한 모든 경우의 챌린지 후보에 대해 시간 t후에 리스폰스 y1을 출력하게 하는 챌린지 x1를 결정한다. 이때 챌린지 후보는 기본 입력값 x0을 제외한 가능한 모든 챌린지들을 포함할 수 있다. 수신기(150)는 챌린지 후보 중에서 임의의 챌린지를 선택하고, 안정화 상태에서 선택한 챌린지를 PPUF 회로(152)에 입력한 시점부터 시간 t가 경과한 시점에 출력되는 리스폰스를 확인한다. 이때 수신기(150)는 선택한 특정 챌린지가 입력된 후 시간 t가 경과한 시점에 출력되는 리스폰스가 y1인 경우 현재 선택한 챌린지를 비밀키를 구성하는 챌린지 x'1으로 결정한다.
제어회로(351)가 리스폰스 세트에 포함된 각 리스폰스에 대하여 챌린지를 결정하는 과정을 반복하여 챌린지 세트 x' = {x'1, x'2, ..., x'm}를 마련한다. 제어회로(351)는 챌린지 세트 x'를 이용하여 비밀키 X'를 생성한다. 제어회로(351)는 생성한 비밀키 X'로 데이터 D를 복호한다.
PPUF 회로(351)의 고유한 특성에 따라 제어회로(351)가 생성한 챌린지 세트 x'는 송신기(310)가 생성한 챌린지 세트 x와 동일하다. 또한 동일한 규칙을 생성된 비밀키 X'는 송신기(310)가 생성한 비밀키와 동일하다. 따라서 제어회로(351)가 송신기(310)의 암호화에 대응하는 복호과정을 수행하면 암호화 데이터 D를 정확하게 복호할 수 있다.
한편 수신기(150)에 있는 PPUF 회로(152)를 이용하지 못하는 공격자는 PPUF의 지연 정보를 알고 있다고 해도, 비밀키를 알아내고 데이터를 복호하는 시간이 수신기(150)보다 훨씬 오래 걸린다. 따라서 수신기(150)가 비밀키를 결정하고 데이터를 복호하기 위해 필요한 최장 시간을 제한 시간으로 이용할 수 있다. 예컨대, 수신기(150)는 메시지가 도착한 시간부터 제한 시간 내에 복호한 데이터만을 정상적인 데이터로 인식하고 처리한다. 제한 시간은 송신기(110)가 메시지를 송신한 시간을 기준으로 설정될 수도 있다. 제한 시간은 비밀키를 구성하는 챌린지의 개수 및 하나의 챌린지를 결정하는데 소요되는 시간에 따라 결정될 수 있다.
도 5는 송신기(110)가 소프트웨어적인 PPUF 시뮬레이션 모듈을 사용하고, 수신기(350)가 물리적인 PPUF 회로를 사용하는 시스템을 도시하였다. 경우에 따라서는 송신기(310)가 물리적인 PPUF 회로를 사용하고, 수신기(350)가 소프트웨어적인 PPUF 시뮬레이션 모듈을 사용할 수도 있다.
적응적 비밀키 생성
송신기(310)는 시스템의 성능, 시스템의 자원 상황, 통신 상태, 잔여 에너지, 사용자의 요구 등에 따라 특정한 길이를 갖는 비밀키를 사용할 수 있다. 비밀키의 길이는 비밀키를 구성하는 챌리지의 개수에 따라 결정된다. 즉, 챌린지 세트 x = {x1, x2, ..., xm}에서 m의 값에 따라 비밀키의 길이가 달라진다. 송신기(310)는 적절한 m을 선택하여 비밀키를 생성할 수 있다.
비밀키의 길이에 따라 송신기(310) 및 수신기(350)가 데이터를 전송하는데 필요한 에너지 및 시간이 달라진다. 예컨대, 송신기(310) 또는 수신기(350)가 IoT 디바이스와 같이 한정된 에너지를 갖는 장치인 경우 적절한 길이의 비밀키가 바람직하다.
수신기(350)는 특정 태스크(task)를 수행한다고 가정한다. 수신기(350)가 태스크를 수행한다면 일정한 시간에 시스템 자원을 사용해야 한다. 만약 송신기(310)가 비교적 긴 길이(높은 보안 레벨)의 비밀키를 생성하여 데이터를 암호화한다면, 수신기(350)는 암호화된 데이터를 복호하는 과정에도 비교적 많은 자원과 에너지를 사용해야 한다. 이 경우 수신기(350)는 종래 태스크를 적절하게 처리하지 못할 수도 있다. 따라서 사전에 송신기(310)가 수신기(350)의 자원 상황 및 에너지 등을 고려하여 비밀키의 길이를 조절하는 것이 바람직하다. 여기서 비밀키의 길이는 비밀키 X를 구성하는 챌린지의 개수 m을 의미한다.
수신기(350)가 일정한 기간 동안 사용 가능한 최대 에너지를 Emax라고 한다. 수신기(350)가 전술한 태스크를 수행하는데 필요한 에너지를 Eload라고 한다. 이 경우 수신기(350)가 태스크를 수행하고 남은 잔여 에너지는 Erem = Emax-Eload이다. 따라서 잔여 에너지 Erem를 기준으로 최대한의 보안 레벨을 설정하는 것이 바람직하다.
송신기(310)는 비밀키 길이에 따라 비밀키 생성 및 암호화에 소비되는 에너지를 추정할 수 있는 실험적인 모델을 이용할 수 있다. 실험적인 모델은 반복적인 실험과정을 통해 마련될 수 있다. 나아가 비밀키 생성 및 암호화에 소비되는 에너지를 추정하기 위한 다양한 논리 모델을 마련할 수도 있다. 비밀키 생성 및 암호화에 소비되는 에너지를 추정하기 위한 모델은 사전에 마련된 것으로 전제한다. 이 경우 송신기(310)는 PPUF 시뮬레이션 모델을 구동하고, 예상되는 에너지 소비를 추정할 수 있다.
송신기(310)는 일정한 길이의 비밀키를 생성하고, 시뮬레이션을 통해 소비되는 에너지를 추정할 수 있다. 여기서 비밀키 생성 및 암호화에 소비되는 에너지는 수신기(350)에서 비밀키 생성 및 복호화에 소비되는 에너지에 대응된다고 가정한다. 송신기(310)는 수신기(350)의 잔여 에너지 Erem에 대한 정보를 알고 있다고 가정한다. 이 경우 송신기(310)는 특정 수신기(350)의 잔여 에너지를 고려하여 최대한 높은 보안 레벨을 갖는 비밀키의 길이를 결정할 수 있다. 즉 송신기(310)는 비밀키의 길이를 변경해가면서 수신기(350)의 잔여 에너지 Erem에 적합한 비밀키를 선택할 수 있다.
또는 송신기(310)는 다양한 비밀키 길이에 대한 비밀키 생성 및 암호화에 소비되는 에너지에 대한 정보를 사전에 보유할 수 있다. 아래 표 1은 비밀키 생성에 소비되는 에너지 및 해당 비밀키로 20Kbyte의 데이터를 암호화하는데 소비되는 에너지의 예를 도시한다. 이 경우 송신기(310)는 수신기(350)의 잔여 에너지 Erem를 알고 있다면 곧바로 비밀키의 길이를 결정할 수 있다. 송신기(310)는 해당하는 비밀키의 길이를 갖도록 챌린지 세트 x를 마련한다.
Figure 112017054044997-pat00001
송신기(310)가 소비되는 에너지를 추정한다고 설명하였다. 이는 수신기(350) 단의 에너지가 보다 제한적인 경우를 고려한 것이다. 예컨대, 송신기(310)는 서버 또는 게이트웨이 장치이고, 수신기(350)는 IoT 디바이스일 수 있다.
앞에서는 비밀키 생성 및 암호화에 소비되는 에너지는 수신기(350)에서 비밀키 생성 및 복호화에 소비되는 에너지에 대응된다고 가정한다. 나아가 송신기(310)가 수신기(350) 단에서 비밀키 생성 및 복호화에 소비되는 에너지를 추정하는 모델을 이용할 수도 있다.
비밀키 업데이트
송신기(310)가 동일한 수신기(350)에게 계속 동일한 비밀키를 사용하여 암호화한 데이터를 전송할 수 있다. 나아가 송신기(310)는 주기적으로 또는 비주기적으로 비밀키를 변경하면서 데이터를 전송할 수도 있다. 비밀키를 변경하면 송신기(310)는 새로운 (x0, y, t)를 D와 함께 전송해야 한다. 나아가 송신기(310)는 현재의 보안 레벨(비밀키의 길이)을 고려하여 비밀키를 변경하는 주기 등을 변경할 수 있다. 예컨대, 보안 레벨이 낮다면 송신기(310)는 비밀키를 자주 변경할 수 있다. 송신기(310)는 동일한 수신기(350)에 대하여 비밀키를 변경하는 주기를 변경하여 보안성을 더욱 높일 수 있다.
도 6은 PPUF에 기반한 데이터 전송 과정(400)에 대한 절차 흐름도의 다른 예이다. 도 6은 송신기(310)가 비밀키의 길이를 제어하는 예이다. 송신기(310)는 사전에 수신기(350)의 가용 에너지 상황에 대한 정보를 수집한다(401). 경우에 따라서 송신기(310)는 제어 센터로부터 수신기(350)의 가용 에너지 정보를 수신할 수도 있다.
송신기(310)는 데이터 암호화를 비밀키를 생성한다(411). 송신기(310)는 수신기(350)의 가용 에너지를 고려하여 적절한 비밀키의 길이 m을 결정한다. 송신기(310)는 가용한 에너지 범위에서 가장 보안 레벨이 높은 비밀키의 길이를 결정할 수 있다(①). 송신기(310)는 초기 입력값 x0및 특정 시간 t를 선택한다(②). 송신기(310)는 초기 입력값 x0을 PPUF(소프트웨어 모듈 또는 하드웨어 회로)에 입력하여 일정 시간 경과(안정화 상태 진입)를 기다린다. 송신기(310)는 비밀키 길이를 고려하여 안정화 상태에서 특정한 챌린지를 선택하는 과정을 반복하여 복수의 챌린지를 선택한다. 이를 통해 송신기(310)는 챌린지 세트 x = {x1, x2, ..., xm}를 선택한다(③). 송신기(310)는 챌린지 세트 x를 이용하여 길이 m을 갖는 비밀키 X를 생성한다(④). 한편 송신기(110)는 안정화 상태에서 챌린지 세트에 포함된 각 챌린지를 입력한 시점에서 시간 t가 경과한 시점에 출력되는 리스폰스를 결정한다. 챌린지 세트에 포함되는 모든 챌린지에 대해 리스폰스를 결정하여 리스폰스 세트 y = {y1, y2, ..., ym}를 생성한다(⑤).
송신기(310)는 비밀키 X를 사용하여 전송 대상인 데이터(data)를 암호화한다(412). 비밀키를 사용한 암호화 방법을 다양한 알고리즘 중 하나가 이용될 수 있다. 다만 송신기(310)에서 사용하는 암호화 방법과 수신기(350)에서 사용하는 복호화 방법은 대응되어야 한다.
송신기(310)는 자신이 결정한 정보 중 (x0, y, t)을 전송한다(421). 송신기(310)는 자신이 암호화한 데이터 D를 전송한다(421). 송신기(110)는 (x0, y, t)와 D를 동시에 전송할 수 있다.
수신기(350)는 자신이 수신한 정보를 이용하여 먼저 비밀키를 결정한다(431). 수신기(350)는 리스폰스 세트 y에 포함된 각 리스폰스에 대해 동일한 과정을 반복하여 전체 리스폰스에 대한 챌린지 세트 x'를 결정한다(①). 수신기(350)는 수신한 초기 입력값 x1을 PPUF 입력하고 일정한 시간 경과를 기다린다. 초기 입력값 x1 입력 후에 안정화 상태에 이르는 시간은 사전에 공유된 시간이라고 가정한다. 또는 송신기(310)가 안정화 상태에 이르는 시간도 수신기(350)에 전송할 수도 있다. 수신기(350)는 리스폰스 세트의 각 리스폰스에 대해 가능한 챌린지 후보 중 특정 챌린지를 선택하고, 선택한 챌린지를 입력한 후 시간 t에 리스폰스를 확인한다. 수신기(350)는 선택한 챌린지를 PUFF 회로에 입력한 후 시간 t에 현재 선택된 리스폰스가 출력되면 현재 선택한 챌린지를 현재 선택된 리스폰스에 대한 챌린지로 결정한다. 이를 통해 수신기(350)는 리스폰스 세트 y에 대한 챌린지 세트 x'를 마련할 수 있다. 이후 수신기(150)는 챌린지 세트 x'를 이용하여 비밀키 X를 생성한다(②).
이제 수신기(350)는 결정한 비밀키 X를 이용하여 암호화된 데이터 D를 복호한다(432).
전술한 바와 같이 통신 시스템은 적법한 데이터 처리를 위한 제한 시간을 설정할 수 있다. 예컨대, 수신기(350)는 메시지를 수신한 시점부터 일정한 제한 시간 내에 데이터를 복호한 경우에만 복호한 데이터를 적법한 데이터로 처리할 수 있다. 또는 수신기(350)는 송신기(310)가 메시지를 전송한 시점부터 일정한 제한 시간 내에 데이터를 복호한 경우에만 복호한 데이터를 적법한 데이터로 처리할 수 있다.
한편 수신기(350)는 복호한 데이터를 송신기(310)에 전달할 수 있다. 송신기(310)가 제한 시간 내에 수신기(350)로부터 복호한 데이터를 수신하면, 해당 수신기(350)를 적법한 수신기로 인증할 수 있다. 이후 송신기(310)는 수신기(350)에 동일한 방법으로 암호화한 데이터를 추가로 전달할 수 있다. 제한 시간은 시스템의 성능, 비밀키의 길이 등으로 고려하여 적절하게 결정될 수 있다.
도 7은 PPUF에 기반한 데이터 전송 시스템(500)에 대한 예이다.
시스템(500)은 송신기(510) 및 수신기(550A 및 550B)를 포함한다. 송신기(510)는 도 5에서 설명한 바와 같이 PPUF 시뮬레이션 모듈을 갖는다. 다만 시스템(500)은 두 개의 수신기(550A 및 550B) 포함한다. 따라서 송신기(510)는 두 개의 수신기(550A 및 550B)에 있는 PPUF 회로의 지연 특성을 갖는 두 개의 PPUF 시뮬레이션 모듈을 갖는다. PPUF 시뮬레이션 모듈 A는 수신기(550A)에 포함된 PPUF 회로 A의 지연 특성에 기반한 모듈이다. PPUF 시뮬레이션 모듈 B는 수신기(550B)에 포함된 PPUF 회로 B의 지연 특성에 기반한 모듈이다.
송신기(510)는 수신기(550A)와 수신기(550B)에 서로 다른 정보를 전송한다. 도 7은 송신기(510)가 수신기(550A)에 입력 초기값 xa, 리스폰스 세트 yb, 시간 tb를 전송하고, 수신기(550B)에 입력 초기값 xa, 리스폰스 세트 yc, 시간 tc를 전송하는 예를 도시한다. 입력 초기값도 수신기마다 서로 다른 값을 사용할 수 있다. 도시하지 않았지만 송신기(510)가 데이터를 암호화하는데 사용한 비밀키는 두 개의 수신기(550A 및 550B)마다 다르다. 나아가 송신기(510)는 수신기(550A 및 550B)의 가용 에너지를 고려하여 비밀키의 길이를 결정한다. 따라서 송신기(510)가 각 수신기(550A 또는 550B)에 전달하는 비밀키의 길이가 서로 다를 수 있다. 결국 전달하고자 하는 실제 데이터가 동일하여도, 송신기(510)가 두 개의 수신기(550A 및 550B)에 전송하는 암호화 데이터(DA 및 DB)는 서로 상이하다.
PPUF에 기반한 데이터 전송 시스템(500)에서 실제 송신기(510)와 수신기(550)는 다양한 장치일 수 있다. 예컨대, 송신기(510)는 서버, 휴대 단말, PC, IoT 디바이스 등과 같은 다양한 장치일 수 있다. 수신기(550A, 550B)도 서버, 휴대 단말, PC, IoT 디바이스 등과 같은 다양한 장치일 수 있다.
송신기(510) 또는 수신기(550A, 550B) 중 어느 하나가 에너지 및 자원이 부족한 장치일 수 있다. 예컨대, 수신기(550B)가 가용한 에너지가 한정적인 IoT 디바이스라고 가정한다. 수신기(550B)는 특정 정보를 수집하는 센서 장치일 수 있다. 이 경우 수신기(550B)는 도 7에 도시한 바와 같이 물리적인 PPUF 회로를 포함하는 것이 바람직하다. 수신기(550B)는 수신한 정보를 이용하여 반복적으로 비밀키로 사용되는 챌린지값을 결정해야 하는데, 물리적인 PPUF 회로를 이용하는 것이 효율적일 수 있다. 또한 송신기(510)가 에너지가 한정적인 IoT 디바이스의 상황을 고려하여 적절한 비밀키의 길이를 사용하므로, 수신기(550A, 550B)는 고유의 동작을 수행하는데 지장이 없다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100 :PPUF에 기반한 데이터 전송 시스템
110 : 송신기
111 : 제어회로
112 : 저장장치
113 : 통신회로
150 : 수신기
151 : 제어회로
152 : PPUF 회로
153 : 저장장치
154 : 통신회로
300 :PPUF에 기반한 데이터 전송 시스템
310 : 송신기
311 : 제어회로
312 : 저장장치
313 : 통신회로
350 : 수신기
351 : 제어회로
352 : PPUF 회로
353 : 저장장치
354 : 통신회로
500 :PPUF에 기반한 데이터 전송 시스템
510 : 송신기
550A, 550B : 수신기

Claims (13)

  1. 송신기가 어느 PPUF(Public Physically Unclonable Function)의 지연 특성을 이용하여 제1 챌린지값 및 상기 제1 챌린지값이 입력된 후 기준 시간에 출력되는 리스폰스값을 결정하는 과정을 반복하여 복수의 제1 챌린지값을 포함하는 제1 챌린지 세트 및 복수의 리스폰스값을 포함하는 리스폰스 세트를 결정하는 단계;
    상기 송신기가 초기 챌린지값, 상기 기준 시간 및 상기 리스폰스 세트를 포함하는 정보를 전송하고, 상기 제1 챌린지 세트를 기준으로 생성된 비밀키를 이용하여 암호화한 데이터를 전송하는 단계;
    수신기가 상기 정보를 수신하고, 상기 리스폰스 세트에 포함되는 모든 리스폰스값 각각에 대해 상기 지연 특성을 갖는 PPUF 회로에서 챌린지값 입력 시점부터 상기 기준 시간에 상기 각 리스폰스값을 출력하는 특정한 제2 챌린지값을 결정하는 과정을 반복하여 복수의 제2 챌린지값을 포함하는 제2 챌린지 세트를 결정하는 단계; 및
    상기 수신기가 상기 제2 챌린지 세트를 기준으로 생성된 비밀키를 이용하여 상기 암호화한 데이터를 복호하는 단계를 포함하되,
    상기 수신기는 상기 초기 챌린지값을 상기 PPUF 회로에 입력하고 특정 시간이 경과한 후에 가능한 모든 챌린지값 후보 중에서 선택하지 않은 특정한 후보 챌린지값을 상기 PPUF 회로에 입력하면서 상기 후보 챌린지값이 입력된 시점부터 상기 기준 시간에 상기 리스폰스 세트에 포함된 복수의 리스폰스값을 순차적으로 출력하는 상기 복수의 제2 챌린지값을 결정하고,
    상기 수신기가 생성하는 비밀키는 상기 제2 챌린지 세트에 포함된 챌린지값의 개수 따라 크기가 달라지는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 수신기의 PPUF 회로의 지연 특성을 기준으로 상기 PPUF 회로의 동작을 시뮬레이션하는 소프트웨어를 이용하여 상기 제1 챌린지값, 상기 기준 시간 및 상기 리스폰스값을 결정하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 수신기의 가용 에너지 정보를 기준으로 상기 제1 챌린지 세트에 포함되는 챌린지값의 개수를 결정하는 단계를 더 포함하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수신기가 제한 시간 내에 상기 암호화한 데이터를 복호한 경우에만 복호한 데이터를 적법한 것으로 처리하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법.
  7. 어느 PPUF(Public Physically Unclonable Function)의 지연 특성을 이용하여 초기 챌린지값, 복수의 제1 챌린지값 및 상기 제1 챌린지값 각각이 입력된 후 기준 시간에 출력되는 복수의 리스폰스값을 결정하고, 상기 초기 챌린지값, 상기 기준 시간, 상기 복수의 리스폰스값 및 상기 복수의 제1 챌린지값을 기준으로 생성된 비밀키를 이용하여 암호화한 데이터를 전송하는 송신기; 및
    상기 초기 챌린지값, 상기 기준 시간, 상기 복수의 리스폰스값 및 상기 데이터를 수신하고, 상기 복수의 리스폰스값 각각에 대해 상기 지연 특성을 갖는 PPUF 회로에서 챌린지값 입력 시점부터 상기 기준 시간에 각 리스폰스값을 출력하는 특정한 제2 챌린지값을 결정하고, 복수의 상기 제2 챌린지값을 기준으로 생성한 비밀키를 이용하여 수신한 상기 암호화한 데이터를 복호하는 IoT 디바이스를 포함하되,
    상기 IoT 디바이스는 상기 초기 챌린지값을 상기 PPUF 회로에 입력한 후 특정 시간이 경과한 후에 가능한 모든 챌린지값 후보 중에서 선택하지 않은 특정한 후보 챌린지값을 상기 PPUF 회로에 입력하면서 상기 후보 챌린지값이 입력된 시점부터 상기 기준 시간에 상기 리스폰스값을 출력하는 상기 제2 챌린지값을 결정하고,
    상기 IoT 디바이스가 생성하는 비밀키는 상기 제2 챌린지값의 개수에 따라 크기가 달라지는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 IoT 통신 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 IoT 디바이스의 PPUF 회로의 지연 특성을 기준으로 상기 PPUF 회로의 동작을 시뮬레이션하는 소프트웨어를 이용하여,
    상기 복수의 제1 챌린지값 중 어느 하나의 제1 챌린지값에 대하여 상기 초기 챌린지값이 상기 PPUF 회로에 입력된 후 특정 시간이 경과한 상태에서 상기 PPUF 회로에 상기 어느 하나의 제1 챌린지값이 입력된 시점으로부터 상기 기준 시간이 경과한 시점에 출력되는 리스폰스값을 결정하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 IoT 통신 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상시 송신기는 상기 IoT 디바이스의 가용 에너지 정보를 기준으로 상기 복수의 제1 챌린지값을 구성하는 제1 챌린지의 개수를 결정하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 IoT 통신 시스템.
  10. 삭제
  11. 송신 노드로부터 초기 챌린지값, 기준 시간, 복수의 리스폰스값 및 암호화된 데이터를 수신하는 통신 회로;
    복수의 XOR 게이트로 구성되는 PPUF 회로; 및
    상기 복수의 리스폰스값 각각에 대하여 상기 초기 챌린지값을 상기 PPUF 회로에 입력한 후 특정 시간이 경과한 상태에서 가능한 모든 챌린지값 후보 중에서 선택하지 않은 특정한 후보 챌린지값을 상기 PPUF 회로에 입력하면서 상기 후보 챌린지값이 입력된 시점부터 상기 기준 시간에 상기 복수의 리스폰스값 중 순차적으로 어느 하나의 리스폰스값을 출력하는 복수의 챌린지값을 결정하는 제어 회로를 포함하는 IoT 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 복수의 챌린지값을 비밀키로 이용하여 상기 데이터를 복호하는 IoT 디바이스.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 리스폰스값의 개수는 상기 송신 노드가 상기 IoT 디바이스의 가용 에너지를 기준으로 결정하는 IoT 디바이스.
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