KR102087498B1 - Method for encrypting high-speed video data of LTE-based swarm UAS - Google Patents
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Abstract
본 발명은 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 영상데이터 고속 암호화 방법에 관한 것으로, 영상데이터 고속 암호화 방법은 지상관제장치 및 다수의 무인항공기 각 노드에서 개인키를 선택하고 공개키를 생성하는 단계; 상기 지상관제장치 및 상기 다수의 무인항공기 각각에서 자신의 공개키에 대해 해시값을 산출하고 전자서명을 수행하는 단계; 상기 지상관제장치에서 상기 다수의 무인항공기로, 및 상기 다수의 무인항공기 각각에서 상기 지상관제장치로 상기 산출된 해시값, 상기 전자서명 및 상기 생성된 공개키를 송신하는 단계; 상기 지상관제장치 및 상기 다수의 무인항공기 각각에서 상기 수신된 공개키를 검증하는 단계; 및 상기 지상관제장치 및 상기 다수의 무인항공기 각각에서 ECDH를 이용하여 검증된 상기 검증된 공개키를 통해 세션키로 사용할 LEA 알고리즘의 비밀키를 생성하는 단계;를 포함한다.The present invention relates to a video data fast encryption method of an LTE-based clustered unmanned aerial vehicle, the video data fast encryption method comprising the steps of selecting a private key in each node of the ground control device and a plurality of unmanned aerial vehicles and generating a public key; Calculating a hash value for its public key and performing an electronic signature in each of the ground control device and the plurality of unmanned aerial vehicles; Transmitting the calculated hash value, the digital signature, and the generated public key from the ground control device to the plurality of unmanned aerial vehicles and from each of the plurality of unmanned aerial vehicles to the ground control device; Verifying the received public key in each of the ground control device and the plurality of unmanned aerial vehicles; And generating a secret key of a LEA algorithm to be used as a session key through the verified public key verified using ECDH in each of the ground control device and the plurality of unmanned aerial vehicles.
Description
본 발명은 영상데이터 고속 암호화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 군집 무인항공시스템의 무인항공기에서 실시간으로 영상 데이터를 암호화하여 지상관제장치에 송신하고 지상관제장치에서 영상을 복호화하여 안전하게 영상데이터를 획득할 수 있으며, 처리 효율을 향상시킬 수 있는 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 영상데이터 고속 암호화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high speed encryption method for image data, and more particularly, to encrypt image data in real time in an unmanned aerial vehicle of a group unmanned aerial vehicle and transmit the image data to a ground control device and to decode the image in a ground control device to securely obtain the image data. The present invention relates to a high-speed encryption method for video data of an LTE-based clustered unmanned aerial vehicle system capable of obtaining and improving processing efficiency.
일반적으로, 무인항공기는 조종사가 직접 탑승하지 않고 지상에서 제어함으로써 동작하는 항공기를 말한다.In general, an unmanned aerial vehicle refers to an aircraft that operates by controlling from the ground instead of directly boarding the pilot.
이러한 무인항공기는, 전투상황 등에서의 적진에 대한 정찰 활동, 목표물에 대한 미사일 등을 이용한 공격 등과 같이 인명손실의 가능성이 크고 위험한 작전수행에서 유인항공기보다 매우 효율적이고 안정적이며 저비용으로 작전 등을 수행할 수 있다.These unmanned aerial vehicles are more efficient, more reliable, and more cost effective than manned aircraft in conducting dangerous and potentially dangerous lives, such as reconnaissance activities against enemy lines in combat situations and missiles against targets. Can be.
근래에는 상기 무인항공기에 대한 활용도가 증가함에 따라 상기 무인항공기에 탑재되는 임무장비 등도 다양화되고 있으며, 상기 무인항공기에 대한 조종 및 상기 임무 장비에 대한 동작 제어 등을 위한 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.In recent years, as the utilization of the unmanned aerial vehicle increases, mission equipment mounted on the unmanned aerial vehicle is diversified, and researches on systems for manipulating the unmanned aerial vehicle and controlling the operation of the mission equipment have been actively conducted. ought.
그리고, 무인항공기의 일종인 드론은 현재 ICT(정보통신기술)와의 결합으로 더욱 다용도화, 다기능화, 대중화되고 있다. In addition, drones, which are a type of unmanned aerial vehicle, are becoming more versatile, multifunctional, and popularized by combining with ICT (Information and Communication Technology).
그러나, 드론의 확산으로 GPS 스푸핑, 신호 재밍, 데이터와 영상 해킹, 기체 탈취, 바이러스 감염 등의 사이버 보안 문제가 발생되고 있다. However, the proliferation of drones has created cyber security problems such as GPS spoofing, signal jamming, data and video hacking, gas deodorization, and virus infection.
눈의 역할을 하는 카메라를 부착하고 임무를 수행하는 군사용이나 특수 목적용 드론은 영상 보안 기능이 꼭 필요하다는 것을 시사한다. Military or special-purpose drones that attach cameras that act as eyes and perform missions suggest that video security is essential.
그리고, 드론과 같은 실시간 시스템에서는 많은 양의 영상 데이터 암호화 처리에 따른 오버헤드로 인한 통신 지연이 발생될 수 있다. In a real-time system such as a drone, a communication delay may occur due to an overhead caused by a large amount of image data encryption processing.
한국 등록특허공보 제10-0954500호(특허문헌 1)에는 무선송수신기와 CDMA 모뎀이 탑재된 무인항공기; 및 상기 무인항공기와 무선통신을 수행하는 통합 지상통제장비를 포함하는 무인항공기 통제 시스템에 있어서, 상기 통합 지상통제장비는, 상기 무인항공기와 가시선이 확보된 공간에서 무선통신을 수행하는 무선통신장비와; 상기 무인항공기와 상기 가시선이 미확보된 공간에서 CDMA 통신망을 이용하여 무선통신을 수행하는 CDMA 모뎀과; 상기 무인항공기의 임무계획, 비행통제, 영상조종 기능이 통합된 임무통제소프트웨어가 탑재된 비행통제 컴퓨터와; 상기 무인항공기 및 그 임무장비의 동작을 제어하는 제어장치와; 상기 비행통제 컴퓨터와 제어장치의 신호를 전송받아 인코딩하여 상기 무선통신장비 및 CDMA 모뎀으로 전송하고, 상기 무선통신장비 또는 CDMA 모뎀을 통해 전송받은 신호를 디코딩하여 상기 비행통제 컴퓨터로 전송하는 실시간처리컴퓨터; 및 상기 비행통제 컴퓨터를 통해 상기 무인항공기로부터 전송받은 신호를 표시하는 모니터를 구비한 임무통제장비;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 통제 시스템이 개시되어 있다.Korean Patent Publication No. 10-0954500 (Patent Document 1) includes an unmanned aerial vehicle equipped with a wireless transceiver and a CDMA modem; And an integrated ground control system for performing wireless communication with the unmanned aerial vehicle, wherein the integrated ground control apparatus includes: wireless communication equipment for performing wireless communication in a space where the unmanned aerial vehicle and the line of sight are secured; ; A CDMA modem for performing wireless communication using a CDMA communication network in a space where the unmanned aerial vehicle and the visible line are not secured; A flight control computer equipped with mission control software incorporating mission planning, flight control, and image control functions of the unmanned aerial vehicle; A control device for controlling the operation of the unmanned aerial vehicle and its mission equipment; Real-time processing computer that receives the signals from the flight control computer and the control device, encodes them, transmits them to the wireless communication device and the CDMA modem, decodes the signals received through the wireless communication device or the CDMA modem, and transmits them to the flight control computer. ; And a mission control device having a monitor for displaying a signal received from the unmanned aerial vehicle through the flight control computer.
특허문헌 1은 무인항공기 및 그 임무장비를 1대의 통합된 임무통제장비로 조종/통제할 수 있는 장점이 있으나, 무인항공기에서 촬영한 영상에 대한 암호화에 대한 기술이 존재하지 않아 보안상 문제가 있고 많은 영상 데이터의 처리시 오버헤드의 문제가 발생될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 군집 무인항공시스템의 무인항공기에서 실시간으로 영상 데이터를 암호화하여 지상관제장치에 송신하고 지상관제장치에서 영상을 복호화하여 안전하게 영상데이터를 획득할 수 있으며, 처리 효율을 향상시킬 수 있는 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 영상데이터 고속 암호화 방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been made in view of the above, and its object is to encrypt image data in real time in unmanned aerial vehicle of a group unmanned aerial vehicle and transmit the image data to the ground control device and to decode the image in the ground control device to securely obtain the image data. The present invention provides a high-speed encryption method for image data of an LTE-based clustered unmanned aerial vehicle system which can obtain and improve processing efficiency.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 영상데이터 고속 암호화 방법은, a) 지상관제장치 및 다수의 무인항공기 각 노드에서 개인키를 선택하고 공개키를 생성하는 단계;In order to achieve the above object, the video data high-speed encryption method of the LTE-based clustered unmanned aerial vehicle system according to an embodiment of the present invention, a) the ground control device and a plurality of unmanned aerial vehicle each node selected and published Generating a key;
b) 상기 지상관제장치 및 상기 다수의 무인항공기 각각에서 자신의 공개키에 대해 해시값을 산출하고 전자서명을 수행하는 단계;
c) 상기 지상관제장치가 상기 다수의 무인항공기로 산출된 해시값, 전자서명 및 생성된 공개키를 송신하고, 다수의 각 무인 항공기가 상기 지상관제장치로 산출된 해시값, 전자서명 및 생성된 공개키를 송신하는 단계;
d) 상기 지상관제장치 및 상기 다수의 각 무인 항공기가 상기 c)단계에서 각각 전송된 상대의 공개키를 검증하는 단계; 및b) calculating a hash value and performing an electronic signature on its public key in each of the ground control device and the plurality of unmanned aerial vehicles;
c) the ground control device transmits the hash value, the electronic signature, and the generated public key calculated by the plurality of unmanned aerial vehicles, and each of the plurality of unmanned aerial vehicles generates the hash value, the electronic signature, and generated by the ground control device. Transmitting a public key;
d) verifying, by the ground control device and each of the plurality of unmanned aerial vehicles, the public key of the other party transmitted in step c); And
e) 상기 지상관제장치 및 상기 다수의 무인 항공기 각각에서 ECDH를 이용하여 검증된 상기 검증된 공개키를 통해 세션키로 사용할 LEA 알고리즘의 비밀키를 생성하고, 각 무인 항공기에서 공통적으로 사용할 대칭키인 그룹 세션키를 상기 지상관제장치에서 생성하여 LEA로 앞서 생성된 각 무인항공기의 대칭키로 암호화하여 각 무인항공기에 배포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.e) Generate a secret key of the LEA algorithm to be used as a session key through the verified public key verified using ECDH in each of the ground control device and the plurality of unmanned aerial vehicles, and a group that is a symmetric key commonly used in each unmanned aerial vehicle. Generating a session key in the ground control device and encrypting the session key with a symmetric key of each unmanned aerial vehicle previously generated by the LEA, and distributing the session key to each unmanned aerial vehicle.
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본 발명은 상기 e)단계 후에, The present invention after the step e),
상기 다수의 무인항공기 각각에서 상기 생성된 LEA 알고리즘의 비밀키를 세션키로 하여 비디오 영상 데이터를 대칭키 알고리즘인 LEA로 암호화하여 상기 지상관제장치로 전송하는 것을 특징으로 한다.In each of the plurality of unmanned aerial vehicles, video image data is encrypted using LEA, which is a symmetric key algorithm, using the generated LEA key as a session key and transmitted to the ground control device.
여기서, 상기 다수의 무인항공기는 적어도 2대 이상의 드론인 것을 특징으로 한다.Here, the plurality of unmanned aerial vehicle is characterized in that at least two or more drones.
또한, 상기 공개키는 prime256v1 커브를 사용하여 생성하는 것을 특징으로 한다.The public key may be generated using a prime256v1 curve.
본 발명에 의하면, 군집 무인항공시스템에서 ECC와 LEA 알고리즘으로 무인항공기에서 실시간으로 영상 데이터를 암호화하여 지상관제장치에 송신하고 지상관제장치에서 영상을 복호화하여 안전하게 영상데이터를 획득할 수 있으며, 처리 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, by using the ECC and LEA algorithm in the clustered unmanned aerial system, the unmanned aerial vehicle encrypts the image data in real time and transmits the image data to the ground control apparatus, and decodes the image in the ground control apparatus to securely obtain the image data, and the processing efficiency. There is an advantage to improve.
또한, 본 발명의 영상데이터 고속 암호화 방법은 현존하는 표준 RSA, AES 암호화 방식보다도 오버헤드를 약 20% 이하로 감소시킬 수 있다. In addition, the video data fast encryption method of the present invention can reduce the overhead to about 20% or less than existing standard RSA and AES encryption methods.
아울러, 본 발명의 영상데이터 고속 암호화 방법은 확장성을 가지기 때문에 비행 코드(Flight Code)인 Ardupilot 또는 PX4를 사용할 경우 최대 255개 Swarm 무인항공기에서도 용이하게 적용이 가능한 이점이 있다. In addition, the high-speed video data encryption method of the present invention has the advantage that it can be easily applied to up to 255 Swarm unmanned aerial vehicle when Ardupilot or PX4, which is a flight code, is used.
도 1은 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템에서 암호화하지 않을 때의 영상,
도 3은 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템에서 암호화할 때의 영상,
도 4는 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 암호화 프로토콜의 도면,
도 5는 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 비디오 영상 데이터의 암호화를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템에서 지상관제장치와 무인항공기의 신호 흐름도이다.1 is a block diagram of an LTE-based swarm unmanned aerial vehicle system according to the present invention,
2 is an image when not encrypted in an LTE-based clustered unmanned aerial system according to the present invention,
3 is an image when encrypting in an LTE-based clustered unmanned aerial system according to the present invention,
4 is a diagram of an encryption protocol of an LTE-based clustered unmanned aerial vehicle system according to the present invention;
FIG. 5 is a diagram illustrating encryption of video image data of an LTE-based clustered unmanned aerial vehicle system according to the present invention; FIG.
6 is a signal flow diagram of the ground control device and the unmanned aerial vehicle in the LTE-based clustered unmanned aerial vehicle according to the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings to describe the specific content for the practice of the present invention.
실시예를 설명하기 전에 부연해 두면, 본 발명의 청구범위의 구성을 구현하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있는바, 하기 실시예는 청구범위에 있는 구성을 구현하는 하나의 예를 보여주기 위한 것임을 밝힌다. 따라서 본 발명의 범위는 하기 실시예에 의해 제한되지 아니한다.Before explaining the embodiments, there may be a number of methods for implementing the configuration of the claims of the present invention, the following embodiments are intended to illustrate one example of implementing the configuration of the claims Say. Therefore, the scope of the present invention is not limited by the following examples.
도 1은 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of an LTE-based swarm unmanned aerial vehicle system according to the present invention.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템은 LTE 환경에서 운용되는 군집된 무인항공기(71,72,73,74)를 제어하는 시스템으로, 일명 UAS(Unmanned Aerial System)라 지칭한다.Referring to FIG. 1, the LTE-based clustered unmanned aerial vehicle system according to the present invention is a system for controlling the grouped unmanned
즉, 1대의 지상관제장치(Ground Control Station, GCS)에서 다수의 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)(71,72,73,74)를 관제할 수 있는 환경으로 구현되며, 지상관제장치(50)와 군집 무인항공기(71,72,73,74)간은 서버(10)를 사용하여 통신하고, 이 서버(10)에서는 통신 최적화 및 영상과 비행데이터를 관리한다. That is, the ground control station (GCS) is implemented in an environment that can control a large number of unmanned aerial vehicles (UAVs) 71, 72, 73, 74, and ground control device (50). ) And the group drones 71, 72, 73, and 74 communicate using the
LTE(Long-Term Evolution) 환경에서 인공위성을 통한 MAV 링크 통신 프로토콜이 적용되어 지상관제장치(50)에서 무인항공기(71,72,73,74)로의 제어 명령어 전송과 무인항공기(71,72,73,74)에서 지상관제장치(50)로의 일시적인 정보가 MAV 링크 통신 프로토콜에 의해 전송된다. In the LTE (Long-Term Evolution) environment, the MAV link communication protocol is applied through satellites to transmit control commands from the
필요에 따라 하나의 무인항공기 또는 여러 무인항공기(71,72,73,74)에서 촬영한 카메라 영상 데이터 또한 LTE 상에서 전송된다. If necessary, camera image data captured by one unmanned aerial vehicle or several unmanned
여기서, 서버(10)은 무인항공기(71,72,73,74)에서 전송된 영상 데이터를 저장시키고, 영상 데이터를 분석할 수 있는 서버일 수 있다.Here, the
그리고, 본 발명에서는 상호 암호 통신을 위해서 도 1에 도시된 바와 같이 모든 참여 노드(지상관제장치(50) 및 다수의 무인항공기(71,72,73,74))에 ECC(Elliptic Curve Cryptography) 공개키와 개인키가 한 쌍씩(Q, d) 생성되어야 한다. In the present invention, for mutual cryptographic communication, ECC (Elliptic Curve Cryptography) is disclosed to all participating nodes (
이를 위해, 본 발명에서는 LTE 무선 통신 환경에서 지상관제장치가 원격으로 군집 무인항공기로부터 촬영 영상 데이터를 실시간으로 수신하고 무인항공기를 제어하며 통신할 때, 안전한 보안 서비스(키 교환, 키의 인증, 영상 암호화)를 제공하기 위해서, 하이브리드 암호시스템을 구성하여 고속으로 암호화하는 방법이 적용된다. To this end, in the present invention, in the LTE wireless communication environment, when the ground control device remotely receives captured image data from a crowded unmanned aerial vehicle in real time and controls and communicates with the unmanned aerial vehicle, a secure security service (key exchange, key authentication, video) In order to provide encryption, a method of constructing a hybrid cryptosystem and encrypting at high speed is applied.
이러한 하이브리드 암호시스템은 동일한 보안성을 가지면서도 RSA(Rivest Shamir Adleman)보다 빠른 공개키 암호 방식인 ECC와 미국 표준 대칭키 암호 방식인 AES보다 빠른, 국내의 LEA(Light-weight Encryption Algorithm) 대칭키 암호알고리즘을 결합한 고속의 하이브리드 암호시스템(Hybrid Crypto-system)으로 구성한다. This hybrid cryptosystem has the same security but is faster than domestic Light-weight Encryption Algorithm (LEA) symmetric key cryptography, which has the same security but is faster than ECC, a public key cryptography that is faster than RSA (Rivest Shamir Adleman), and AES, the US standard symmetric key cryptography. It consists of a fast hybrid crypto-system combining algorithms.
한편, 군집된 무인항공기와 지상관제장치간의 실시간 영상과 데이터 통신시스템에서는 보안성을 유지함과 동시에 처리 오버헤드의 최소화가 실용적 활용 측면에서 중요한 요건이 된다. On the other hand, in real time video and data communication systems between crowded unmanned aerial vehicles and ground control devices, minimizing processing overhead is an important requirement in terms of practical use.
따라서, 본 발명의 LTE 기반의 군집 무인항공시스템은 고속의 하이브리드 암호시스템을 구현하여 군집된 드론과 같은 무인항공기가 실시간 시스템에서 많은 양의 영상 데이터 암호화 처리에 따른 오버헤드로 인한 통신 지연의 발생을 방지하고 고속 통신할 수 있다. Therefore, the LTE-based clustered unmanned aerial vehicle system of the present invention implements a high speed hybrid encryption system to prevent the occurrence of communication delay due to the overhead caused by a large amount of video data encryption processing in a real-time system such as a group drone. Can prevent and communicate at high speed.
그리고, 본 발명은 군집 무인항공기 수의 확장 시에도 ECC 암호시스템을 적용하게 되면 키 관리와 암호화가 용이하게 된다. In addition, the present invention facilitates key management and encryption when the ECC encryption system is applied even when the number of crowded drones is expanded.
도 2는 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템에서 암호화하지 않을 때의 영상이고, 도 3은 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템에서 암호화할 때의 영상이다.2 is an image when not encrypted in the LTE-based clustered unmanned aerial system according to the present invention, Figure 3 is an image when encrypted in an LTE-based clustered unmanned aerial system according to the present invention.
도 2를 참고하면, 지상관제장치에서 상단에 보이는 10대의 무인항공기 중 1번 무인항공기를 선택하여 지상에서 실시간으로 관제하는 영상으로, 암호화하지 않을 때의 영상이다.Referring to FIG. 2, the ground control device selects one unmanned aerial vehicle from the top ten unmanned aerial vehicles and controls the real time from the ground.
도 3을 참고하면, 무인항공기에서 실시간으로 송출되는 영상이 ECC와 LEA로 암호화된 영상이다. Referring to FIG. 3, an image transmitted in real time from an unmanned aerial vehicle is an image encrypted by ECC and LEA.
도 4는 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 암호화 프로토콜의 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 비디오 영상 데이터의 암호화를 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating an encryption protocol of an LTE-based clustered unmanned aerial system according to the present invention, and FIG. 5 is a diagram illustrating encryption of video image data of an LTE-based clustered unmanned aerial system according to the present invention.
본 발명은 불특정 다수가 사용하는 패킷 통신 기반의 LTE 네트워크에서 영상 데이터가 전달되기 때문에 2가지 요소를 고려하여 설계하였다. The present invention has been designed in consideration of two factors since video data is transmitted in a packet communication-based LTE network used by an unspecified majority.
첫째는 영상 소스인 무인항공기에서 암호화되어 최종적으로 지상관제장치에 전달될 때까지 복호화가 되지 않는 종단 간 암호화(end-to-end encryption)이고, 둘째로 군집 무인항공기 환경에서 지상관제장치와 무인항공기 간의 통신이 실시간으로 이루어지기 때문에 고속 암호화 또한 매우 중요한 요소이다. The first is end-to-end encryption, which is not decrypted by the video source unmanned aerial vehicle until it is finally delivered to the ground control device. Second, the ground control device and the unmanned aerial vehicle in a group drone environment. High-speed encryption is also a very important factor because communication between them is in real time.
그러므로, 본 발명에서는 카메라 영상 데이터를 안전하고 빠르게 처리할 수 있도록 영상데이터 고속 암호화 방법(프로토콜)을 도 4와 같이 설계하였다. Therefore, in the present invention, a high speed image data encryption method (protocol) is designed as shown in FIG. 4 so that camera image data can be safely and quickly processed.
본 발명의 영상데이터 고속 암호화 방법은 먼저, 지상관제장치 및 다수의 무인항공기 각 노드에서 개인키를 임의로 선택하고 공개키를 생성한다.(도 4의 ①)In the high-speed video data encryption method of the present invention, first, a private key is arbitrarily selected at each node of a ground control apparatus and a plurality of unmanned aerial vehicles, and a public key is generated.
여기서, 다수의 무인항공기는 적어도 2대 이상의 드론일 수 있다.Here, the plurality of unmanned aerial vehicles may be at least two drones.
그다음, 지상관제장치 및 다수의 무인항공기 각각에서 자신의 공개키에 대해 해시(해시함수 SHA256)값을 산출하고 전자서명(ECDSA)을 수행한다. 그후, 지상관제장치 및 다수의 무인항공기 각각에서 서로 산출된 해시값, 전자서명(ECDSA) 및 공개키를 송신한 후, 지상관제장치 및 다수의 무인항공기 각각은 수신된 상대의 공개키를 검증한다.(도 4의 ②)Then, each ground control device and a plurality of unmanned aerial vehicles calculate a hash value (hash function SHA256) for their public key and perform an electronic signature (ECDSA). Thereafter, after transmitting the hash value, the electronic signature (ECDSA) and the public key calculated from each other in the ground control device and the plurality of unmanned aerial vehicles, the ground control device and the plurality of unmanned aerial vehicles each verify the received public key of the opponent. (2 in Fig. 4)
이어서, 지상관제장치 및 다수의 무인항공기 각각에서 ECDH를 이용하여 검증된 상대의 공개키를 통해 세션키로 사용할 LEA 알고리즘의 비밀키(SK)를 생성한다.(도 4의 ③) Subsequently, the ground control device and each of the plurality of unmanned aerial vehicles generate a secret key (SK) of the LEA algorithm to be used as the session key through the public key of the opponent verified using the ECDH (3 in FIG. 4).
연이어, 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 무인항공기 각각에서 생성된 LEA 알고리즘의 비밀키(SK)를 세션키로 하여 비디오 영상 데이터를 대칭키 알고리즘인 LEA로 암호화하여 지상관제장치로 전송한다.Subsequently, as shown in FIG. 5, video image data is encrypted with LEA, which is a symmetric key algorithm, and transmitted to a ground control device using a secret key (SK) of a LEA algorithm generated in each of a plurality of unmanned aerial vehicles as a session key.
도 6은 본 발명에 따른 LTE 기반의 군집 무인항공시스템에서 지상관제장치와 무인항공기의 신호 흐름도이다.6 is a signal flow diagram of the ground control device and the unmanned aerial vehicle in the LTE-based clustered unmanned aerial vehicle according to the present invention.
본 발명에서 설계한 하이브리드 암호 시스템을 소켓(Socket) 기반(C, C++ 언어)으로 구현하였고, 상술된 본 발명의 암호화 방법은 다중스레드 프로그램으로 구현한 것이다. The hybrid cryptographic system designed in the present invention is implemented on a socket basis (C, C ++ language), and the above-described encryption method of the present invention is implemented by a multithreaded program.
첫 번째로, 각 참여 노드(지상관제장치 및 다수의 무인항공기)에서 ECC 공개키, 개인키 한 쌍씩을 생성하는데 이때 prime256v1 커브를 사용한다. 두 번째로, 지상관제장치와 각 무인항공기 간에 공개키를 교환하고 ECDSA를 통하여 전자서명과 검증을 거친다. 세 번째로, 지상관제장치와 각 무인항공기는 상호 간에 사용할 세션키(K1~Kn)을 추출한다. 네 번째로, 군집 무인항공기에서 공통적으로 사용할 대칭키인 그룹 세션키(SK)는 지상관제장치에서 별도로 임의(PRNG 함수)로 생성하여 LEA로 앞서 추출된 각 무인항공기의 대칭키로 암호화하여 각 무인항공기에 배포한다. First, a pair of ECC public and private keys are generated at each participating node (ground control device and multiple unmanned aerial vehicles), using prime256v1 curve. Second, the public key is exchanged between the ground control system and each unmanned aerial vehicle, and then digitally signed and verified through the ECDSA. Third, the ground control device and each unmanned aerial vehicle extract the session keys K 1 to K n to be used for each other. Fourthly, the group session key (SK), which is a symmetric key commonly used in group drones, is generated as a random (PRNG function) separately from the ground control system and encrypted with the symmetric key of each unmanned aerial vehicle previously extracted by the LEA. Deploy to
이러한 SK의 배포는 지상관제장치에서 다중스레드를 통해서 분리, 할당 방식으로 동시에 처리된다. The distribution of SK is handled simultaneously in a separate and allocated manner through multiple threads in the ground control system.
도 6에 도시된 바와 같이, 무인항공기 캠으로부터 입력되는 영상 데이터를 LEA(128비트 SK 키 사용) OFB 모드로 암호화하여 지상관제장치로 송신하게 된다. 이 과정은 LEA가 추가된 OpenSSL과 영상 처리를 위한 OpenCV의 라이브러리(MPEG, JPEG codec)를 사용하여 리눅스 소켓(Socket) 프로그래밍으로 구현하였다. As shown in FIG. 6, the video data input from the unmanned aerial vehicle cam is encrypted in a LEA (using a 128-bit SK key) OFB mode and transmitted to the ground control apparatus. This process was implemented using Linux socket programming using OpenSSL with LEA and OpenCV's libraries (MPEG, JPEG codec) for image processing.
여기에서 클라이언트는 캠을 연결한 무인항공기이며, 지상관제장치는 서버로 구현된다. Here, the client is an unmanned aerial vehicle connected with a cam, and the ground control device is implemented as a server.
그리고, 무인항공기 캠은 컬러 프레임(921,600pixel)으로 실시간 스트리밍이 가능하며, 빠른 처리를 위해서 압축 후 암호화(after-compression) 방식으로 처리된다. The unmanned aerial vehicle cam can be streamed in real time using a color frame (921,600 pixels), and is processed in an after-compression manner for fast processing.
한편, 무인항공기인 드론은 현재 근거리 주파수 통신 방식으로 비행제어 거리가 수 킬로미터로 제한되고 있고, 여러 대를 동시 운용할 때 주파수 대역의 혼선과 영상 유출 등의 문제가 발생하고 있다. On the other hand, the drone, which is an unmanned aerial vehicle, is currently limited to a few kilometers by a short-range frequency communication method, and problems such as crosstalk and image leakage of frequency bands occur when several units are operated simultaneously.
LTE 통신망으로 본 발명의 암호화 방법으로 드론 운용 환경을 개선하면 기존 산업과 드론을 융합할 수 있으며, 기존 드론의 단점을 극복하고 운용 범위를 넓힐 수 있고, 대용량 데이터를 빠르게 주고받아야 하는 드론 자율 비행이나 고해상도 영상 실시간 스트리밍에도 효과적이다. By improving the drone operation environment with the encryption method of the present invention with LTE communication network, it is possible to converge the drone with the existing industry, to overcome the shortcomings of the existing drone and to expand the scope of operation, and to drone autonomous flight or the large-capacity data exchange quickly It is also effective for high resolution video live streaming.
현재 드론을 활용하여 촬영하거나 정보를 수집하게 되면 드론을 수거하여 수집한 정보를 따로 빼내는 추가 작업이 필요하다. 이러한 이유로 빠른 처리가 어려울 수 있고, 비행 중 드론이 유실된다면 수집한 정보를 잃게 된다. 이를 보완하기 위해 드론 내의 SD카드에 본 발명의 방법으로 암호화하여 저장하거나, 실시간으로 송수신하는 비행데이터와 영상데이터를 서버에 저장한 후 처리할 수도 있다. If you are currently shooting with drones or collecting information, you will need additional work to collect the drones and extract the collected information. For this reason, quick processing can be difficult, and if the drone is lost in flight, the collected information will be lost. To compensate for this, the SD card in the drone may be encrypted and stored by the method of the present invention, or may be processed after storing flight data and image data transmitted and received in real time on a server.
따라서, 본 발명에서는 LTE 통신 환경 기반의 군집비행시스템에서 ECC와 LEA 알고리즘으로 무인항공기에서 실시간으로 영상 데이터를 암호화하여 지상관제장치에 송신하고 지상관제장치에서 영상을 복호화하여 안전하게 영상데이터를 획득할 수 있는 방식을 구현함으로써, 처리 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.Therefore, in the present invention, in an LTE communication environment based cluster flight system, video data can be encrypted in real time by an unmanned aerial vehicle using ECC and LEA algorithms and transmitted to a ground control device, and video data can be securely obtained by decoding the image from the ground control device. By implementing such a method, there is an advantage to improve processing efficiency.
또한, 본 발명의 영상데이터 고속 암호화 방법은 현존하는 표준 RSA, AES 암호화 방식보다도 오버헤드를 약 20% 이하로 감소시킬 수 있다. In addition, the video data fast encryption method of the present invention can reduce the overhead to about 20% or less than existing standard RSA and AES encryption methods.
아울러, 본 발명의 영상데이터 고속 암호화 방법은 확장성을 가지기 때문에 비행 코드(Flight Code)인 Ardupilot 또는 PX4를 사용할 경우 최대 255개 Swarm 무인항공기에서도 용이하게 적용이 가능하다. In addition, the video data high-speed encryption method of the present invention is scalable, so that it can be easily applied to up to 255 Swarm unmanned aerial vehicles when Ardupilot or PX4, which is a flight code, is used.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.While the present invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments, the invention is not limited to the embodiments described above, and the general knowledge in the art to which the invention pertains without departing from the spirit of the invention. Various changes and modifications will be possible by those who have the same.
10: 서버 50: 지상관제장치
71,72,73,74: 무인항공기 90: 위성10: server 50: ground control device
71,72,73,74: unmanned aerial vehicle 90: satellite
Claims (3)
b) 상기 지상관제장치 및 상기 다수의 무인항공기 각각에서 자신의 공개키에 대해 해시값을 산출하고 전자서명을 수행하는 단계;
c) 상기 지상관제장치가 상기 다수의 무인항공기로 산출된 해시값, 전자서명 및 생성된 공개키를 송신하고, 다수의 각 무인 항공기가 상기 지상관제장치로 산출된 해시값, 전자서명 및 생성된 공개키를 송신하는 단계;
d) 상기 지상관제장치 및 상기 다수의 각 무인 항공기가 상기 c)단계에서 각각 전송된 상대의 공개키를 검증하는 단계; 및
e) 상기 지상관제장치 및 상기 다수의 무인 항공기 각각에서 ECDH를 이용하여 검증된 상기 검증된 공개키를 통해 세션키로 사용할 LEA 알고리즘의 비밀키를 생성하고, 각 무인 항공기에서 공통적으로 사용할 대칭키인 그룹 세션키를 상기 지상관제장치에서 생성하여 LEA로 앞서 생성된 각 무인항공기의 대칭키로 암호화하여 각 무인항공기에 배포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 영상데이터 고속 암호화 방법.a) selecting a private key and generating a public key at each node of the ground control apparatus and the plurality of unmanned aerial vehicles;
b) calculating a hash value and performing an electronic signature on its public key in each of the ground control device and the plurality of unmanned aerial vehicles;
c) the ground control device transmits the hash value, the electronic signature, and the generated public key calculated by the plurality of unmanned aerial vehicles, and each of the plurality of unmanned aerial vehicles generates the hash value, the electronic signature, and generated by the ground control device. Transmitting a public key;
d) verifying, by the ground control device and each of the plurality of unmanned aerial vehicles, the public key of the other party transmitted in step c); And
e) Generate a secret key of the LEA algorithm to be used as a session key through the verified public key verified using ECDH in each of the ground control device and the plurality of unmanned aerial vehicles, and a group that is a symmetric key commonly used in each unmanned aerial vehicle. High-speed encryption of image data of the LTE-based clustered unmanned aerial system, comprising: generating a session key in the ground control device and encrypting the symmetric key of each unmanned aerial vehicle previously generated by the LEA to each unmanned aerial vehicle; Way.
상기 e)단계 후에,
상기 다수의 무인항공기 각각에서 상기 생성된 LEA 알고리즘의 비밀키를 세션키로 하여 비디오 영상 데이터를 대칭키 알고리즘인 LEA로 암호화하여 상기 지상관제장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 영상데이터 고속 암호화 방법.The method of claim 1,
After step e),
In each of the plurality of unmanned aerial vehicles using the secret key of the generated LEA algorithm as a session key, video image data is encrypted using a symmetric key algorithm LEA and transmitted to the ground control device of the LTE based clustered unmanned aerial system High speed encryption of video data.
상기 다수의 무인항공기는 적어도 2대 이상의 드론인 것을 특징으로 하는 LTE 기반의 군집 무인항공시스템의 영상데이터 고속 암호화 방법.
The method according to claim 1 or 2,
And said plurality of unmanned aerial vehicles are at least two drones.
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