KR102287775B1 - 차량용 데이터 통신 방법 및 그를 이용하는 차량용 전자 제어 장치 및 시스템 - Google Patents

차량용 데이터 통신 방법 및 그를 이용하는 차량용 전자 제어 장치 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 데이터 통신 방법 및 그를 이용하는 차량용 전자 제어 장치 및 시스템에 관한 것으로, 그 방법은 복수의 제어부들이 구비된 차량 내에서 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하는 통신 방법에 있어서, 차량용 데이터를 수신하는 단계; 메시지 인증값을 수신하는 단계; 및 상기 수신된 메시지 인증값에 대한 인증을 수행한 후, 송신 측 제어부와 공유하는 카운터(counter) 값을 이용하여 상기 수신된 차량용 데이터를 복호화하는 단계를 포함하고, 상기 카운터 값은 상기 카운터 값에 대응되는 미리 결정된 시간 구간 동안 유효한 차량용 데이터 통신 방법을 제공한다.

Description

차량용 데이터 통신 방법 및 그를 이용하는 차량용 전자 제어 장치 및 시스템{Data communication method for vehicle, Electronic Control Unit and system thereof}
본 발명은 차량 내 전자 제어 장치인 ECU(Electronic Control Unit) 간의 통신 방법에 관한 것이다.
최근의 차량 기술은 차량 본연의 기능 외에도 안전성, 사용자의 편의성, 타 분야의 기기와의 통신을 통한 다양한 서비스의 제공 등에 초점을 맞추어 개발되고 있다.
그에 따라, 차량 내부에 탑재되는 전자 제어 장치인 ECU(Electronic Control Unit)들의 개수가 급격히 증가 되고 있으며, 상기 ECU들 간의 통신은 CAN(Controller Area Networks)을 통해 이루어진다.
최근 차량에서 다양한 서비스를 제공하기 위한 시도가 이뤄짐에 따라, 차량 제어를 위한 데이터는 물론 운전자의 개인정보와 같은 중요한 데이터가 CAN을 통해 송수신 될 수 있다.
또한, 차량 내부에 사용되는 네트워크는 CAN 이외에도 LIN(Local Interconnect Network), FlexRay, MOST(Media Oriented Systems Transport)가 있고, 타 네트워크 간의 통신 프로토콜의 연동을 위해 게이트웨이(gateway)ECU가 사용된다.
이 중에서도 CAN은 그 물리적인 특징 때문에, 외부 전자파나 노이즈에 강한 장점을 갖고 있으며, 이런 특성 때문에 차량 내부 통신 네트워크 중에 가장 큰 비중을 갖고 있다.
그러나, 보안적인 측면에서 CAN은 몇 가지 취약점을 갖고 있으며, 특히 서드파티(Third-Party) 업체에서 OBD-2(On Board Diagnostics)단자를 통해 CAN과 통신하여 차량을 자가 진단하거나 CAN의 데이터를 가공하여 사용자 편의를 제공하는 상품을 제공하고 있어, 해당 서비스 모델에서는 CAN의 특성을 악용한 공격자가 차량을 제어할 수 있는 취약점이 존재할 수 있다.
본 발명은 차량 내 전자 제어 장치인 ECU들 간의 통신에 있어 보안을 강화하는 동시에 통신 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 차량용 데이터 통신 방법 및 그를 이용하는 차량용 전자 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
복수의 제어부들이 구비된 차량 내에서 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하는 통신 방법에 있어서, 차량용 데이터를 수신하는 단계; 메시지 인증값을 수신하는 단계; 및 상기 수신된 메시지 인증값에 대한 인증을 수행한 후, 송신 측 제어부와 공유하는 카운터(counter) 값을 이용하여 상기 수신된 차량용 데이터를 복호화하는 단계를 포함하고, 상기 카운터 값은 상기 카운터 값에 대응되는 미리 결정된 시간 구간 동안 유효하며, 상기 시간 구간은 상기 카운터 값 생성 시점부터 미리 설정된 일정 시간 경과 시점까지의 타임 윈도우(time window)에 대응된다.
본 발명의 일실시예에 따른 차량용 제어 장치는 상기 차량용 데이터 통신 방법을 수행하며, 상기 차량용 데이터 통신 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있다.
복수의 제어부들이 구비된 차량 내에서 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하기 위한 통신 시스템에 있어서, 카운터 값과 암호화키를 이용하여 차량용 데이터를 암호화하고, 상기 암호화된 차량용 데이터와 인증키를 이용하여 메시지 인증값을 생성하여, 상기 암호화된 차량용 데이터와 상기 생성된 메시지 인증값을 브로드캐스팅하는 제1 제어부; 및 차량용 데이터와 메시지 인증값을 수신하고, 상기 인증키를 이용하여 상기 수신된 메시지 인증값에 대한 인증을 수행한 후 상기 카운터 값과 상기 암호화키를 이용하여 상기 수신된 차량용 데이터를 복호화하는 제2 제어부를 포함하고, 상기 카운터 값은 상기 제1 제어부와 상기 제2 제어부간 공유되는 미리 결정된 시간 구간 동안 유효하며, 상기 시간 구간은 상기 카운터 값 생성 시점부터 미리 설정된 일정 시간 경과 시점 또는 일정 시간 전후 시점까지의 하나 이상의 타임 윈도우(time window)에 대응되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, CAN(Controller Area Network) 프로토콜 등을 이용하여 차량용 데이터를 차량 내 제어 장치들 간에 송수신함에 있어 해커와 같은 외부로부터의 악의적인 메시지 발송 등을 방지하기 위한 카운터 값을 적용할 수 있으며, 상기 카운터 값은 상기 카운터 값에 대응되는 미리 결정된 시간 구간 동안 유효하도록 제어함으로써, 차량용 데이터 통신에서 발생하는 외부 침입에 효과적으로 대응하여 안정적인 차량 내 통신이 수행되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 데이터 통신 시스템의 간략한 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 타임 윈도우을 적용하여, 차량 내 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하기 위한 방법에 대한 일 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시간 구간 및 타임 윈도우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 내 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하기 위한 방법에 대한 일 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 데이터 통신 시스템에서 외부 장치로부터 메시지가 수신되는 상황에 대한 일예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 데이터 통신 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 차량용 데이터 통신 방법 및 그를 이용하는 차량용 전자 제어 장치 및 시스템에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 데이터 통신 시스템의 간략한 구성을 블록도로 도시한 것으로, 도시된 시스템은 차량 내에 구비되는 복수의 제어 장치들(100, 200)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1 제어 장치(100)는 차량용 데이터를 전송할 수 있으며, 상기 전송되는 차량용 데이터는 보안을 위해 암호화될 수 있다. 또한, 제1 제어 장치(100)는 차량용 데이터와 함께 상기 차량용 데이터를 인증하기 위한 메시지 인증값을 전송할 수 있다.
한편, 제2 제어 장치(200)는 상기 제1 제어 장치(100)로부터 전송되는 차량용 데이터와 메시지 인증값을 수신하며, 상기 수신된 메시지 인증값에 대한 인증을 수행하여 인증에 성공하는 경우 상기 수신된 차량용 데이터를 복호화하여 획득할 수 있다.
상기와 같이 차량 내에 구비되는 복수의 제어 장치들(100, 200)은 전자제어장치인 ECU(Electronic Control Unit)일 수 있으며, 상기 ECU들은 차량의 내부에서 사용되는 포로토콜을 이용하여 상호간 통신을 수행한다.
차량 내 ECU들 간의 통신을 위해 사용되는 프로토콜으로, CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network), FlexRay, MOST(Media Oriented Systems Transport) 등이 있으며, 본 발명에 있어서 차량용 데이터는 상기한 프로토콜들 중 어느 하나를 이용하여 생성된 메시지를 의미할 수 있다.
상기한 차량 내 통신용 프로토콜들 중 CAN 프로토콜은 한 쌍의 꼬임선으로 구성됨에 따라 물리적인 특징으로 인하여 외부 전자파나 노이즈에 강한 장점을 가지며, 브로드캐스트 통신 방식을 사용하여 차량 환경에 적합한 특징을 갖는다.
다만, CAN 프로토콜을 이용한 통신 방식은 브로드캐스트 통신을 사용하기 때문에, 외부에서 네트워크를 도청하기가 용이하고, 송수신되는 메시지를 인증할 수 있는 체계가 없다.
또한, CAN 프로토콜은 송수신되는 메시지를 암호화하지 않기 때문에, 상기 메시지가 송수신과정에서 위조 또는 변조되는 것을 방지하기 어려우며, 외부 공격자가 도청하여 획득한 메시지를 그대로 ECU로 재전송하는 메시지 재전송 공격 또한 방지하기 어렵다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 송신 측 ECU인 제1 제어 장치(100)가 차량용 데이터를 암호화하여 브로드캐스팅하고, 상기 브로드캐스팅되는 차량용 데이터를 인증하기 위한 메시지 인증값을 전송함으로써, CAN 프로토콜을 이용한 통신시 도청, 위조 또는 변조의 위험성을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 송신측 제1 제어 장치(100)는 수신측 제2 제어 장치(200)로 전송할 상기 차량용 데이터를 암호화함에 있어서, 수신 측 제2 제어 장치(200)와 공유하는 카운터(counter) 값을 이용하여 암호화를 수행할 수 있다.
또한, 각 제1 제어 장치(100)와 제2 제어 장치(200)는 시간 흐름에 따라 상기 카운터 값을 실시간으로 가변할 수 있으며, 상호 공유되는 타임 윈도우(time window)에 대응되도록 설정 및 관리할 수 있다. 타임 윈도우 적용에 따라, 상기 카운터 값으로 암호화된 데이터는, 상기 카운터 값에 대응되는 미리 결정된 시간 구간 동안만 유효하게 복호화될 수 있다.
이에 따라, 수신측 제2 제어 장치(200)는 상기 수신된 메시지 인증값에 대한 인증을 수행한 후, 송신 측 제어부와 타임 윈도우를 기반으로 공유하는 카운터(counter) 값을 이용하여 상기 수신된 차량용 데이터를 복호화할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 타임 윈도우을 적용하여, 차량 내 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하기 위한 방법에 대한 일 예를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시간 구간 및 타임 윈도우를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 도 2는 차량 내 제어부들간 차량용 데이터를 송수신하기 위한 방법을 간략히 도시한 타이밍도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 제어 장치(100)의 송신측 제어부(220)와 제2 제어 장치(200)의 수신측 제어부(230)는 키 교환 모듈을 통해 초기 카운터 키를 공유할 수 있으며, 이후, 각각의 미리 설정된 카운터 키(x, x+1, x+2, ...)를 통신 흐름에 따라 가변하면서 암호화된 차량용 데이터(C)와 메시지 인증 값(MAC)를 송수신할 수 있다. 따라서, 차량용 데이터 또는 메시지 인증값은 카운터 값에 의해 매 송수신마다 가변 암호화될 수 있다.
다만, 도 2에 도시된 바와 같이, x+1로 카운터 값이 적용된 데이터의 송신이 통신 장애나 오류 등으로 실패하는 경우 송신측 제어부(220)와 수신측 제어부(230)간 카운터 값이 정상적으로 공유되지 못하는 문제가 발생하게 된다.
이 경우, 송신측 제어부(220)에서는 송신을 실패하였더라도 다음 카운터 값 x+2를 이용하여 수신측 제어부(230)로 다음 데이터를 송신하게 되나, 수신측 제어부(230)에서는 이전 데이터가 수신되지 않았기 때문에 기존 카운터 값인 x+1로 복호화를 시도하게 되며, 카운터 값이 상이함에 따라 수신측 제어부(230)의 복호화는 실패하게 된다.
이에 따라 카운터 키를 이용한 보안 통신은 가능하게 되나, 장애 등으로 인해 이와 같은 상황이 지속적으로 반복 발생하게 되어 결과적으로 송신측 제어부(220)와 수신측 제어부(230)간 인증에 따른 최초 키 교환이 다시 처음부터 수행되어야 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 타임 윈도우를 적용하여, 이와 같은 도 2의 실시 예의 보안성은 유지하면서 안전성 및 속도를 개선하기 위한 것으로, 차량 내 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하기 위한 방법에 대한 일 예를 개략적으로 나타낸다.
도 3을 참조하면, 제1 제어 장치(100)의 송신측 제어부(220)와 제2 제어 장치(200)의 수신측 제어부(230)는 키 교환 모듈을 통해 초기 카운터 키를 공유할 수 있으며, 이후, 각각의 미리 설정된 카운터 키(x, x+1, x+2, ...)를 타임 윈도우(time window) 기반으로 시간 및 통신 흐름에 따라 가변하면서 암호화된 차량용 데이터(C)와 메시지 인증 값(MAC)를 송수신할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시 예에서 키 교환 모듈은 필수적인 것은 아니어서, 제1 제어 장치(100)와 제2 제어 장치(200)들이 직접 연결되어 핸드 쉐이킹(hand shaking) 방식에 의한 카운터 키 및 타임 윈도우 초기화를 수행할 수도 있다.
따라서, 차량용 데이터 또는 메시지 인증값은 타임 윈도우에 대응되는 카운터 값에 의해 송수신 시점마다 선택적으로 가변 암호화될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 송신측 제어부(220)와 수신측 제어부(230)에서 최초 타임 윈도우와, 이에 대응되는 카운터 키가 공유될 수 있다. 그리고, 수신측 제어부(230)는 타임 윈도우가 동일한 시간 구간에서는, 기존 데이터 복호화에 이용된 카운터 x와 동일한 카운터 x를 이용한 복호화를 처리할 수 있다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, x로 카운터 값이 적용된 데이터의 송신이 통신 장애나 오류 등으로 실패하는 경우라도, 타임 윈도우에 의한 시간 구간 이내인 경우에는 송신측 제어부(220)와 수신측 제어부(230)간 카운터 값이 정상적으로 공유될 수 있게 된다.
이에 따라, 수신측 제어부(230)는 송신측 제어부(220)와 공유되는 타임 윈도우의 변화여부에 따라 카운터 값을 결정하고, 이에 따라 송신측 제어부(220)로부터 수신된 암호화 데이터를 복호화할 수 있으며, 전송 실패나 장애가 발생하더라도, 카운터 값의 동기화는 유지되도록 하여 안정성을 도모할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시간 구간 및 타임 윈도우를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 타임라인은 각각의 카운터 값(x, x+1, x+2, ...)에 대응되도록 시간적으로 분할될 수 있으며, 각 분할된 시간 구간은 복수의 타임 윈도우(time window)중 어느 하나를 형성할 수 있다.
또한, 각 타임 윈도우에 의해 분할된 시간 구간들은 카운터 값의 생성 또는 변경 시점에 대응될 수 있다. 이에 따라, 카운터 값은 타임 윈도우의 변경에 따라, 상기 시간 구간의 가변에 동기화되어 함께 가변될 수 있다.
예를 들어, 각각의 시간 구간은 상기 카운터 값 생성 시점부터 미리 설정된 일정 시간 경과 시점까지의 타임 윈도우(time window)에 대응될 수 있다.
또한, 송신측 제어부(220)와 수신측 제어부(230)는 각각 시간 경과에 따라 타임 윈도우가 변경되어 현재 시점이 제1 시간 구간에서 제2 시간 구간으로 진입한 경우, 상기 카운터 값을 증가시킬 수 있다.
그리고, 수신측 제어부(230)는 현재 타임 윈도우에 대응되는 카운터 키를 이용한 복호화를 처리할 수 있다.
다만, 데이터가 전송되는 시간 동안 시간 경과에 따라 타임 윈도우가 변경됨으로써 카운터 키의 동기화가 실패할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 수신측 제어부(230)는 상기 복호화가 실패하는 경우, 다음 타임 윈도우에 대응하는 시간 구간 또는 이전 타임 윈도우에 대응하는 시간 구간의 카운터 키를 이용하여 복호화를 시도할 수 있다. 따라서, 적어도 미리 설정된 최소 전송시간 구간 내에서는 카운터 키 동기화가 매우 안정적으로 달성될 수 있다.
도 5는 차량 내 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하기 위한 방법에 대한 일예를 타이밍도로 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따르면, 키 교환 모듈이나 핸드 쉐이킹(hand shaking) 방식 이외에도 게이트웨이 제어부(240)가 별도 존재하여 암호화 키를 저장 및 관리하는 시스템에, 타임 윈도우 기반 카운터 키 공유 프로세스가 적용될 수 있다.
예를 들어, 게이트웨이 제어부(240)가 공인된 인증기관으로부터 발급받은 자신의 고유 인증서 및 해당 네트워크에 포함되는 제어부들과 공유하기 위한 대칭키를 저장하고 있으며, 차량 내에 구비되는 제어부들(220, 230)도 게이트웨이 제어부(240)가 저장한 대칭키와 동일한 대칭키를 각각 저장하고 있을 수 있다.
여기서, 상기 게이트웨이 제어부(240)는 차량 내에 구비된 게이트웨이 ECU를 의미하며, 제어부들(220, 230)은 차량 내에 구비된 ECU들을 각각 의미할 수 있다.
또한, 도 2에는 송신 측 제어부(220)와 수신 측 제어부(230)만이 도시되어 있으나, 차량 내에는 도 2에 도시된 제어부들(220, 230) 이외에 더 많은 제어부들이 구비되어 있으며, 게이트웨이 제어부(240) 또는 어느 하나의 제어부로부터 브로드캐스팅되는 메시지는 차량 내에 구비된 모든 제어부들에 의해 수신될 수 있다.
차량 내에 구비되는 제어부들(220, 230)은 차량용 데이터의 암호화 및 복호화에 사용될 카운터 값과 타임 윈도우를 초기화하여 서로 공유할 수 있다(S200 단계).
예를 들어, 각 제어부들(220, 230)은 타임 윈도우에 대한 시간 구간의 분할 정보 및 스타트 정보와 초기 카운터 값을 AES CTR 모드를 이용해 암호화하여 브로드캐스팅할 수 있으며, 상호 수신하여 동기화하여 저장하며, 시간 흐름에 따라 가변되도록 설정할 수 있다.
그리고, 게이트웨이 제어부(240)는 인증키 및 암호화키 생성을 위해 사용될 랜덤값을 생성한다(S201 단계).
그 후, 게이트웨이 제어부(240)는 대칭키를 이용하여 상기 생성된 랜덤값을 암호화하고(S202 단계), 상기 암호화된 랜덤값을 차량 내에 구비된 모든 제어부들(220, 230) 네트워크 내 연결된 모든 제어부들(220, 230)로 전송한다(S203 단계).
대칭키로 암호화된 랜덤값을 수신한 제어부들(220, 230)은 각각 미리 저장하고 있는 대칭키를 이용해 상기 암호화된 랜덤값을 복호화하고(S204 단계), 복호화된 랜덤값을 이용하여 암호화키와 인증키를 생성한다(S205 단계).
그 후, 차량용 데이터를 전송하고자 하는 송신 측 제어부(220)는 다른 제어부들과 타임 윈도우 기반으로 공유하고 있는 카운터 값과 상기 S205 단계에서 생성한 암호화키를 이용하여 차량용 데이터를 암호화하고(S206 단계), 상기 S205 단계에서 생성한 인증키를 이용하여 메시지 인증값을 생성한다(S207 단계).
예를 들어, 송신 측 제어부(220)는 상기 S200 단계에서 초기화한 카운터 값을 암호화키로 암호화한 후 전송하고자 하는 차량용 데이터와 배타적 연산(Xor)을 수행하여 암호화 메시지를 얻을 수 있다.
또한, 송신 측 제어부(220)는 인증키를 이용하여 상기 암호화 메시지를 포함하는 128bit 크기의 메시지 인증값을 생성하여, 이중 상위 64bit를 인증값을 전송할 네트워크 패킷에 삽입할 수 있다.
그 후, 송신 측 제어부(220)는 상기와 암호화된 차량용 데이터와 메시지 인증값을 브로드캐스팅하여 수신 측 제어부(230)로 전송한다(S208 단계).
한편, 송신 측 제어부(220)는 상기와 같이 차량용 데이터의 암호화와 메시지 인증값의 생성이 완료되어 전송되는 것과는 독립적으로, 시간 흐름에 따라 타임 윈도우가 다음 시간 구간으로 변경되는 경우, 자신의 카운터 값을 1 만큼 증가시킬 수 있다.
수신 측 제어부(230)는 상기 송신 측 제어부(220)로부터 전송되는 암호화된 차량용 데이터와 메시지 인증값을 수신하여 먼저 메시지 인증값에 대한 인증을 수행하고(S209 단계), 인증에 성공하는 경우 제어부들(220, 230) 사이에서 타임 윈도우 기반으로 공유된 암호화키와 카운터 값을 이용하여 차량용 데이터를 복호화한다(S210 단계).
예를 들어, 수신 측 제어부(230)는 송신 측 제어부(220)로부터 브로드캐스팅되어 수신된 네트워크 패킷 내에서 ID 필드를 확인한 후, 인증키를 사용하여 상기 네트워크 패킷 내 포함된 메시지 인증값을 인증할 수 있다.
상기 메시지 인증값에 대한 인증이 완료되면, 수신 측 제어부(230)는 타임 윈도우에 따른 현재 시점의 카운터 값을 확인하고, 상기 수신한 네트워크 패킷 내 암호화 메시지를 암호화키와 상기 카운터 값을 이용해 복호화하여 차량용 데이터를 획득할 수 있다.
상기와 같이, 차량용 데이터를 획득한 수신 측 제어부(230)는 타임 윈도우 가변 여부에 따라 카운터 값을 1 만큼 증가시키며, 그에 따라 송신 측 제어부(220)와 수신 측 제어부(230) 사이의 카운터 값이 타임 윈도우 기반 실시간으로 일치되어 유지될 수 있다.
도 5를 참조하여 설명한 차량 내 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하기 위한 방법은 본 발명에 따른 차량용 데이터 통신 방법을 설명하기 위한 일예에 불과하며, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
예를 들어, 게이트웨이 제어부(240)가 랜덤값과 비밀값을 생성하여 차량 내에 구비된 제어부들(220, 230)로 전송하고, 제어부들(220, 230)은 비밀값을 이용하여 제1 세션키와 제2 세션키를 생성할 수 있다.
한편, 제어부들(220, 230)은 상기 생성한 제1 세션키와 제2 세션키를 이용해 암호문 및 제1 메시지 인증코드(Message Authentication Code)를 생성하여 게이트웨이 제어부(240)로 송신하며, 게이트웨이 제어부(240)는 상기 수신된 암호문과 제1 메시지 인증코드로부터 해당 제어부의 제1 세션키와 제2 세션키 생성을 확인할 수 있다.
그 후, 송신 측 제어부(220)가 암호화된 차량용 데이터와 제2 메시지 인증코드를 생성하고, 전송할 네트워크 패킷 내에 상기 암호화된 차량용 데이터와 제2 메시지인증코드를 포함시켜 수신 측 제어부(230)로 전송할 수 있다.
수신 측 제어부(230)는 상기 수신되는 네트워크 패킷 내에 포함된 제2 메시지 인증코드를 인증한 후, 암호화된 차량용 데이터를 복호화하여 차량용 데이터를 획득할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 데이터 통신 시스템에서 외부 장치로부터 메시지가 수신되는 상황이 발생할 수 있다.
예를 들어, 송신 측 제어부(220)가 암호화된 차량용 데이터를 전송한 후, 메시지 인증값을 전송하기 전, 그 사이에 외부 장치(300)로부터 악성 메시지가 CAN 프로토콜 등에 따른 차량용 데이터의 형태로 전송되어 수신 측 제어부(230)에 수신될 수 있다.
이 경우, 수신 측 제어부(230)가 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 메시지 인증값에 대한 인증 후 그 이전에 수신된 차량용 데이터를 복호화함에 있어, 타임 윈도우, 카운터 값 또는 암호화키가 일치하지 않음에 따라 복호화에 실패할 수 있다.
한편, 수신 측 제어부(230)가 암호화된 차량용 데이터에 대한 타임 윈도우가 경과됨에 따라 카운터 값을 1 만큼 증가시킬 수 있지만, 타임 윈도우가 경과되지 않는 경우 카운터 값을 증가시키지 않으며, 그에 따라 송신 측 제어부(220)가 암호화된 차량용 데이터와 메시지 인증값을 전송한 후 1 만큼 증가시킨 카운터 값과 수신 측 제어부(230)가 가지고 있는 카운터 값이 동기화될 수 있다.
이에 따라, 상기와 같이 송신 측 제어부(220)와 수신 측 제어부(230) 사이 공유하는 카운터 값은 타임 윈도우 기반으로 동일 또는 유사하게 유지되어 일정 시간 구간동안 유효한 통신이 가능하게 된다. 이에 따라, 복호화 실패 이후에도 송수신되는 차량용 데이터를 수신 측 제어부(230)가 복호화할 수 있게 된다.
즉, 해커(hacker)가 생성한 다수의 CAN 메시지들이 연속적으로 브로드캐스팅되어 암호화된 차량용 데이터와 메시지 인증값 사이에 수신 측 제어부(230)로 수신되는 경우, 상기한 바와 같은 타임 윈도우 및 카운터 값은 외부 장치(300)와 공유되지 않으므로, 복호화되지 않아 폐기 처리될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 암호화된 차량용 데이터와 메시지 인증값이 동일한 CAN ID로 전송될 때, 상기 암호화된 차량용 데이터의 전송 시점과 비슷한 시점에 해커 등에 의해 외부 장치(300)로부터 전송되는 침입 메시지가 그와 동일한 CAN ID를 가지는 경우, 수신 측 제어부(230)에서 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 메시지를 인증하여 확인하면 복호화 실패로 인해 침입 메시지와 송신 측 제어부(220)로부터 전송된 메시지가 함께 버려지게 된다. 또한, 상기한 바와 같은 카운터 값의 동기화는 유지되므로 정상적인 타임 윈도우 기반 카운터 값을 이용한 통신은 가능하게 된다.
또한, 암호화된 차량용 데이터와 메시지 인증값이 다른 CAN ID로 전송될 때에도, 상기 암호화된 차량용 데이터의 전송 시점과 비슷한 시점에 해커 등에 의한 악의적인 암호화된 메시지와 메시지 인증값이 전송되는 경우에도 카운터 값이 상이함에 의해 보안은 유지될 수 있으며, 수신 측 제어부(230)에서 모든 암호화된 메시지와 메시지 인증값들을 비교하는 등의 추가적인 작업들을 줄일 수 있다.
그리고, 송신 측 제어부(220)에서 전송한 메시지를 수신 측 제어부(230)에서 순간적인 하드웨어 문제 등으로 인해 수신하지 못하는 경우에, 상기한 바와 같은 카운터 값의 불일치가 발생하여 발생되는 문제점들은 타임 윈도우 기반으로 개선할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, CAN(Controller Area Network) 프로토콜 등을 이용하여 차량용 데이터를 차량 내 제어 장치들 간에 송수신함에 있어 해커와 같은 외부로부터의 악의적인 메시지 발송 등으로 인한 차량용 데이터를 카운터 값을 이용하여 보호할 수 있으며, 상기 카운터 값은 각 제어부간 공유되는 타임 윈도우에 의해, 미리 결정된 시간 구간 동안 유효하게 될 수 있다. 이는 해킹과 통신 장애를 구분하게 함으로써, 카운터 값에 의한 보안은 유지하면서도 통신 장애에 의한 정상 통신시 카운터 값의 불일치를 방지할 수 있게 된다.
따라서, 차량용 데이터 통신에서 발생하는 외부 침입에 효과적으로 대응하여 안정적인 차량 내 통신이 수행되며, 통신 장애가 발생하더라도 통신 채널이 효과적으로 유지되도록 할 수 있다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 데이터 통신 방법을 나타내는 흐름도로서, 도 5에서 도시된 통신 방법 중 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 것과 동일한 것에 대한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 7을 참조하면, 송신측 제어부(220)는 전송할 차량용 데이터와 메시지 인증값을 생성한다(S300 단계).
그리고, 송신측 제어부(220)는 현재 시점이 일정 시간 범위(타임 윈도우) 이내인지 판단하고(S310 단계), 판단 결과에 따라(예를 들어, 현재 시간 구간이 다음 타임 윈도우로 변경된 경우) 카운터 값을 증가시킨다(S320 단계).
이후, 송신측 제어부(220)는 카운터 값을 이용하여 상기 차량용 데이터를 암호화하여 전송한다(S330 단계).
한편, 도 8을 참조하면, 수신 측 제어부(230)는 송신 측 제어부(220)로부터 전송되는 차량용 데이터와 메시지 인증값을 수신한다(S400 단계).
그리고, 수신측 제어부(230)는 현재 시점이 일정 시간 범위(타임 윈도우) 이내인지 판단하고(S410 단계), 판단 결과에 따라(예를 들어, 현재 시간 구간이 다음 타임 윈도우로 변경된 경우) 카운터 값을 증가시킨다(S420 단계).
그 후, 수신 측 제어부(230)는 상기 수신된 메시지 인증값에 대한 인증을 수행하여 인증이 성공하는 경우(S430 단계), 송신 측 제어부(220)와 상기 타임 윈도우 기반으로 공유되는 카운터(counter) 값을 이용하여 상기 수신된 차량용 데이터를 복호화한다(S440 단계).
상기한 바와 같이, 차량용 데이터는 CAN 프로토콜을 사용하여 브로드캐스팅되는 메시지일 수 있으며, 그를 위해 제어부들(220, 230)은 게이트웨이 제어부(240)로부터 수신된 랜덤값을 이용하여 상기 차량용 데이터를 암호화/복호화하기 위한 암호화키와 메시지 인증값을 인증하기 위한 인증키를 생성할 수 있다.
또한, 상기 차량용 데이터는 제어부들(220, 230) 사이에서 타임 윈도우 기반으로 공유되는 카운터 값과 암호화키를 이용해 생성된 암호화 메시지일 수 있으며, 상기 암호화 메시지는 인증키를 이용하여 일정 크기의 메시지 인증값으로 생성될 수 있다.
한편, 상기 S400 단계에서 수신되는 차량용 데이터는 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 해커 등에 의해 악의적으로 침입된 메시지일 수도 있으며, 그러한 경우 상기 수신된 차량용 데이터에 대한 복호화가 실패하더라도, 제어부들(220, 230) 사이에서 카운터 값의 동기화는 유지될 수 있다.
상기 암호화된 차량용 데이터에 대한 복호화가 성공하는 경우(S450 단계), 수신 측 제어부(230)는 차량용 데이터를 획득하여 처리한다(S460 단계).
그와 달리, 상기 암호화된 차량용 데이터에 대한 복호화가 실패하는 경우에는(S450 단계), 수신 측 제어부(230)는 상기 차량용 데이터와 메시지 인증 값을 폐기한다(S470 단계).
이 경우, 송신 측 제어부(220)는 이후 암호화 또는 복호화에 사용할 카운터 값을 다시 타임 윈도우 기반으로 재설정하여, 카운터 값 안정적으로 유지되도록 동기화할 수 있다.
도 8을 참조하면, 송신 측 제어부(220)가 주기적으로 암호화된 차량용 데이터를 CAN 메시지로 브로드캐스팅하는 상황에서, 중간에 외부의 해킹 시도로 인해 악의적인 CAN 메시지가 침입되어 수신 측 제어부(230)로 수신되는 경우, 수신 측 제어부(230)는 상기 메시지를 폐기하고, 이후 복호화에 사용할 카운터 값을 타임 윈도우 기반으로 재설정할 수 있다.
상기한 바와 같이 수신 측 제어부(230)가 이후 복호화에 사용할 카운터 값을 재설정함으로써, 카운터 값의 외부에 대한 보안성을 유지하면서, 제어부들(220, 230) 사이에서 카운터 값의 불일치가 발생하지 않도록 할 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 차량용 데이터 통신 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (14)

  1. 복수의 제어부들이 구비된 차량 내에서 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하는 통신 방법에 있어서,
    차량용 데이터를 수신하는 단계;
    메시지 인증값을 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 메시지 인증값에 대한 인증을 수행한 후, 송신 측 제어부와 공유하는 카운터(counter) 값을 이용하여 상기 수신된 차량용 데이터를 복호화하는 단계를 포함하고,
    상기 카운터 값은 상기 카운터 값에 대응되는 미리 결정된 시간 구간 동안 유효하며, 상기 시간 구간은 상기 카운터 값 생성 시점부터 미리 설정된 일정 시간 경과 시점까지의 타임 윈도우(time window)에 대응되는 차량용 데이터 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시간 구간은 상기 카운터 값에 대응되도록 시간적으로 분할된 복수의 타임 윈도우(time window)중 어느 하나인 차량용 데이터 통신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카운터 값은 상기 시간 구간의 가변에 동기화되어 함께 가변되는 것을 특징으로 하는 차량용 데이터 통신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복호화하는 단계는,
    상기 송신 측 제어부로부터 수신된 상기 카운터 값이 수신 시점의 상기 시간 구간에 대응하여 가변되도록 설정된 수신측 카운터 값과 일치하는 경우, 상기 차량용 데이터를 복호화하는 단계를 포함하는
    차량용 데이터 통신 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복호화하는 단계는,
    상기 복호화가 실패하는 경우, 다음 시간 구간 또는 이전 시간 구간의 카운터 키를 이용하여 복호화를 시도하는 단계를 더 포함하는
    차량용 데이터 통신 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 차량용 데이터는
    CAN(Controller Area Network) 프로토콜을 사용하여 브로드캐스팅(broadcasting) 되는 메시지인 차량용 데이터 통신 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    게이트웨이 제어부로부터 수신된 랜덤값을 이용하여, 차량용 데이터를 암호화/복호화하기 위한 암호화키와 메시지 인증값을 인증하기 위한 인증키를 생성하는 단계를 더 포함하는 차량용 데이터 통신 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 차량용 데이터는
    상기 암호화키로 암호화된 카운터 값과 배타적 연산(Xor) 수행하여 생성된 것인 차량용 데이터 통신 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 메시지 인증값은
    상기 인증키를 이용해 일정 크기의 코드로 생성되는 차량용 데이터 통신 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 차량용 데이터는
    상기 차량 내에 구비된 복수의 제어부들 이외의 외부 장치로부터 브로드캐스팅된 것인 차량용 데이터 통신 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    시간 경과에 따라 현재 시점이 제1 시간 구간에서 제2 시간 구간으로 진입한 경우, 상기 카운터 값을 증가시키는 단계를 더 포함하는 차량용 데이터 통신 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는, AES CTR 모드를 이용해 암호화되어 브로드캐스팅되는 초기 카운터 값과, 타임 윈도우 동기화를 위한 정보를 수신하는 단계를 더 포함하는 차량용 데이터 통신 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 비 일시적 기록 매체.
  14. 복수의 제어부들이 구비된 차량 내에서 제어부들 간의 차량용 데이터를 송수신하기 위한 통신 시스템에 있어서,
    카운터 값과 암호화키를 이용하여 차량용 데이터를 암호화하고, 상기 암호화된 차량용 데이터와 인증키를 이용하여 메시지 인증값을 생성하여, 상기 암호화된 차량용 데이터와 상기 생성된 메시지 인증값을 브로드캐스팅하는 제1 제어부; 및
    차량용 데이터와 메시지 인증값을 수신하고, 상기 인증키를 이용하여 상기 수신된 메시지 인증값에 대한 인증을 수행한 후 상기 카운터 값과 상기 암호화키를 이용하여 상기 수신된 차량용 데이터를 복호화하는 제2 제어부를 포함하고,
    상기 카운터 값은 상기 제1 제어부와 상기 제2 제어부간 공유되는 미리 결정된 시간 구간 동안 유효하며, 상기 시간 구간은 상기 카운터 값 생성 시점부터 미리 설정된 일정 시간 경과 시점 또는 일정 시간 전후 시점까지의 하나 이상의 타임 윈도우(time window)에 대응되는 것을 특징으로 하는
    차량용 통신 시스템.
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