KR20070012045A - 무선 센서 네트워크에서의 클러스터 헤더 자동 선출 방법및 보안 무선 센서 네트워크의 동적 구성 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에서의 클러스터 헤더 자동 선출 방법및 보안 무선 센서 네트워크의 동적 구성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크를 동적으로 구성할 수 있도록 한 무선 센서 네트워크에서의 클러스터 헤더 자동 선출 방법 및 보안 무선 센서 네트워크의 동적 구성 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 클러스터 헤더 선출 방법은 노말 노드 각각이 자신의 능력특성정보, 자신이 포함되는 클러스터의 식별정보 및 자신의 식별정보를 포함하는 클러스터 헤더 선출 정보를 주변 노드에 브로드캐스트하는 단계와, 상기 노말 노드 각각이 적어도 1개 이상의 주변 노드로부터 수신되는 상기 클러스터 헤더 선출 정보를 이용하여 자신이 클러스터 헤더로 선출될지를 판단하는 단계를 포함한다.
무선 센서 네트워크, 노말 노드, 클러스터 헤더, 싱크 노드, 암호화 통신

Description

무선 센서 네트워크에서의 클러스터 헤더 자동 선출 방법 및 보안 무선 센서 네트워크의 동적 구성 방법 {Method for automatically selecting a cluster header in a wireless sensor network and for dynamically configuring a secure wireless sensor network}
도 1은 본 발명이 적용되는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 무선 센서 네트워크에서 클러스터 헤더를 자동 선출하기 위하여 사용되는 클러스터 헤더 선출 정보(Cluster header Payload Data Unit: CPDU) 데이터 포맷을 나타내는 도면이다. .
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 노말 노드 클러스터에 포함된 노말 노드들 중 클러스터 헤더가 자동적으로 선출되는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 클러스터 헤더가 선출된 후 센서 네트워크가 구축되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 노말 노드와 클러스터 헤더간의 암호화 통신 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 클러스터 헤더간의 암호화 통신 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 클러스터 헤더와 싱크 노드간의 암호화 통신방법을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2,4,6 : 노말 노드 클러스터 8a, 8b, 8c : 클러스터 헤더
10 : 싱크 노드
본 발명은 무선 센서 네트워크를 동적으로 구성하기 위해 클러스터 헤더를 자동 선출하기 위한 방법 및 무선 센서 네트워크에서 노드간에 패킷을 암호화하여 전송함으로써 안전한 통신을 보장하기 위한 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크는 무선 통신 기능이 있는 센서노드를 이용하여 각종 정보를 수집하는데 이용된다. 이와 같은 무선 센서 네트워크는 다양한 분야에 적용되어 응용되고 있으며 그 사용은 폭발적으로 증가할 것이다. 일례로, 유비쿼터스(Ubiquitous) 시대에는 모든 사물에 전자태그를 부착하여 사물과 환경을 인식하고, 센서 네트워크를 통해 실시간 정보를 구축 및 활용하게 된다. 기본적으로, 무선 센서 네트워크는 노드 주변의 물리적인 환경 정보를 수집하는 업무를 수행하는 복 수의 노말(normal) 노드들로 이루어진 적어도 하나 이상의 노말 노드 그룹(클러스터)과, 상기 노말 노드들을 통해 수집된 환경 정보를 응용에서 이해하기 쉽도록 처리하는 업무를 수행하는 싱크(sink) 노드와, 상기 노말 노드들과 싱크 노드간에 직접적인 통신을 담당하는 클러스터 헤더 (노드)로 이루어질 수 있다.
종래에는 네트워크를 설계하는 엔지니어가 수동적으로 클러스터 헤더를 결정하거나, 클러스터링(clustering) 알고리즘을 이용하여 결정하였다. 그러나, 첫번째 방식은 시간 소모 및 비용이 많이 소모되고 유지 보수가 어려운 단점이 있다. 두번째 방식은 주변에 있는 노드들이 메시지를 주고 받으며 클러스터를 형성하는 것으로, 대부분 1-홉(one-hop)으로 클러스터가 구성되기 때문에 RF 특성상 반경이 제한적이고, 네트워크의 연결성 변화가 자주 발생함에 따라 클러스터 헤더의 변경이 자주 발생하는 문제점이 있다.
한편, 무선 센서 네트워크 시스템은 공개된 환경에 배치되며, 제한된 자원을 가지는 노드의 특성에 의하여 보안의 위협이 존재한다. 따라서, 네트워크에 부하를 주지 않으면서 암호화 통신이 가능한 무선 센서 네트워크 시스템이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 클러스터 헤더를 자동으로 선출하기 하고, 무선 센서 네트워크에서 패킷을 암호화하여 전송함으로써 노드간 안정한 통신을 보장하기 위한 무선 센서 네트워크에서의 클러스터 헤더 자동 선출 방법 및 보안 무선 센서 네트워크의 동적 구성 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1측면은 적어도 1개 이상의 노말 노드로 이루어진 노드 클러스터내에서 클러스터 헤더를 선출하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은, 상기 노말 노드 각각이 자신의 능력특성정보, 자신이 포함되는 클러스터의 식별정보 및 자신의 식별정보를 포함하는 클러스터 헤더 선출 정보를 주변 노드에 브로드캐스트하는 단계와, 상기 노말 노드 각각이 적어도 1개 이상의 주변 노드로부터 수신되는 상기 클러스터 헤더 선출 정보를 이용하여 자신이 클러스터 헤더로 선출될 지를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 측면은 (i) 적어도 1개 이상의 노말 노드로 이루어진 노드 클러스터내에서 클러스터 헤더를 선출하는 단계와,(ii) 상기 클러스터 헤더로부터 상기 클러스터 헤더의 능력특성정보를 포함하는 클러스터 헤더 확인요청신호 및 무작위로 추출된 제 1 임의값을 싱크 노드에 전송하는 단계와, (iii) 상기 싱크 노드로부터 상기 클러스터 헤더에 클러스터 헤더 허용신호 및 상기 제 1임의값을 전송하는 단계와, (iv) 상기 클러스터 헤더로부터 상기 노말 노드로 비컨(Beacon) 신호를 전송하는 단계와, (v) 상기 노말 노드로부터 상기 클러스터 헤더에 상기 노말 노드의 식별값을 포함하는 연합(Association)요청 신호 및 무작위로 추출된 제 2임의값을 전송하는 단계와, (vi) 상기 클러스터 헤더로부터 상기 노말 노드로 연합허용신호 및 상기 제 2임의값이 전송되어 무선 센서 네트워크 시스템이 구축되는 단계 를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명이 적용되는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성도를 개념적으로 나타내는 도면이다. 이와 같은 무선 센서 네트워크 시스템은 TCP/IP 네트워크와 같이 이기종망과 접속될 수 있다. 도 1을 참조하면, 무선 센서 네트워크 시스템은 노말 노드 클러스터(Normal node cluster 2, 4, 6) 계층과, 클러스터 헤더(8a, 8b, 8c) 계층(8) 및 싱크 노드(Sink node : 10) 계층으로 이루어진다.
노말 노드 클러스터(2, 4, 6) 각각은 동일 및/또는 유사한 센싱 기능을 갖는 적어도 1개 이상의 노말 노드를 포함한다. 노말 노드는 주변환경(온도, 습도, 움직임, 소리, 빛 또는 물체의 존재 여부 등의 모니터링)을 검출하는 센서 노드, 특정 장치의 구동을 위한 엑츄에이터 노드 및/또는 위치 정보의 제공을 통해 유비쿼터스 서비스를 제공하기 위한 스마트 태그(Smart Tag) 등을 포함할 수 있다.
이와 같은 노말 노드들은 기능에 따라서 복수의 노말 노드 클러스터(그룹)(2, 4, 6) 로 나뉘어 관리된다. 예를 들어, 온도를 체크하는 노말 노드들은 제 1 노말 노드 그룹(2)으로 포함되어 관리되고, 습도를 체크하는 노말 노드들은 제 2 노말노드 그룹(4)으로 포함되어 관리될 수 있다. 그리고, 움직임을 체크하는 노말 노드들은 제 3 노말 노드 그룹(6)으로 포함되어 관리될 수 있다. 즉, 본 발명에서 노말 노드들은 기능에 따라서 그룹화되어 관리된다.
싱크 노드(10) 계층은 데스크톱 컴퓨터(Desktop PC)와 같이 자원이 풍부한 장치에 연결되어 전체 센서 네트워크의 토폴로지 및 보안 요소 등을 관리한다. 그리고, 싱크 노드(10)는 노말 노드 클러스터(2, 4, 6)로부터 각종 센싱 정보를 공급받아 관리한다.
클러스터 헤더(8a-8c)는 하부의 노말 노드 클러스터(2,4,6)를 대표하는 노드로서, 하부의 노말 노드들을 관리하고, 센서 네트워크 통신에 필요한 정보들을 노말 노드들에 제공하며, 싱크 노드(10)와 노말 노드들간의 직간접적인 메시지 통신의 매개체 역할을 한다. 상기 도면에는 1개의 클러스터에 1개의 클러스터 헤더가 대응되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명에서는 필요에 따라서 1개의 클러스터로부터 1개 이상의 클러스터 헤더가 선출될 수 있다.
본 발명에 따르면, 클러스터 헤더는 각각의 노말 노드 클러스터(2, 4, 6)에 포함된 노말 노드들로부터 적어도 하나 이상 자동적으로 선출 된다. 예를 들어, 제 1 노말 노드 클러스터(2)의 클러스터 헤더에 에너지가 고갈되거나 고장이 발생하는 경우 제 1 노말 노드 클러스터(2)에 포함된 노말 노드들로부터 클러스터 헤더가 자동적으로 재선출된다. 즉, 본 발명에서는 인위적인 개입 없이 무선 센서 네트워크에서 클러스터 헤더를 자동적으로 선출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 무선 센서 네트워크에서 클러스터 헤더를 자동 선출하기 위하여 사용되는 클러스터 헤더 선출 정보(Cluster header Payload Data Unit: CPDU) 데이터 포맷을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 클러스터 헤더를 선출하기 위한 CPDU는 CID(Cluster header Identifier), SA-GID(Sensor Attribute-Group Identifier), SA-ID(Sensor Attribute-Identifier), Payload(또는 데이터) 및 CRC(또는 에러코드) 저장영역으로 이루어진다.
CID는 클러스터 헤더를 선출하는데 판단 기준이 되는 노말 노드의 능력치 정보로서, 센서 네트워크에 배치되기 이전에 관리자가 정한 기준에 의해 임의 값으로 결정된다. 실제로, CID는 에너지의 잔량(예, 베터리 잔량), 하드웨어 능력 및/또는 에너지 소모량 등을 기준으로 관리자에 의해 임의의 값으로 부여되며, 클러스터 헤더의 역할을 수행할 수 있는 노드에만 부여된다. 예를 들어, 관리자는 에너지 잔량이 많은 노말 노드에 낮은 CID값을 부여하고, 에너지 잔량이 적은 노말 노드에는 높은 CID값을 부여할 수 있다. 또한, 관리자는 하드웨어의 능력이 높은 노말 노드에 낮은 CID값을 부여하고, 하드웨어의 능력이 낮은 노말 노드에 높은 CID값을 부여할 수 있다. 또한, 관리자는 에너지의 잔량, 하드웨어 능력 및 에너지 소모량 등을 모두 참조하여 CID값을 부여할 수 있다. 이후, 설명의 편의성을 위하여 CID값이 에너지를 기준으로 부여되었다고 가정하기로 한다.
SA-GID는 노말 노드를 센서 속성에 따라 그룹화하기 위한 그룹(클러스터) ID 정보로서, 노말 노드 클러스터(2, 4, 6)중 어느 하나에 포함될 수 있도록 노드의 센싱 속성에 따라 부여된다. 예를 들어, 특정 노드가 온도를 체크하는 제 1 노말 노드 클러스터(2), 습도를 체크하는 제 2 노말 노드 클러스터(4) 및 움직임을 체크하는 제 3 노말 노드 클러스터(6) 중 어느 하나에 포함될 수 있도록 SA-GID가 부여 된다. 따라서, , 동일한 클러스터에 포함되는 노말 노드들에는 동일한 SA-GID가 부여된다.
SA-ID는 노말 노드 클러스터(2, 4, 6)에 포함된 노말 노드들 각각의 개별 식별정보를 나타낸다. 따라서, 동일 그룹에 포함된 노말 노드들의 SA-ID는 서로 다르게 설정된다. Payload는 소정의 데이터가 저장되는 부분이다. 그리고, CRC는 전송데이터의 에러 유무를 파악하기 위한 에러 코드를 포함하는 부분이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 노말 노드 클러스터에 포함된 노말 노드들 중 클러스터 헤더가 자동적으로 선출되는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 특정한 이유로 클러스터 헤더가 삭제되는 경우 싱크 노드(10)는 클러스터 헤더가 자동적으로 선출될 수 있도록 노말 노드들로 헤더 선출신호를 공급한다. 헤더 선출신호를 공급받은 노말 노드들 각각은 자신의 주변 노말 노드들로 CPDU를 브로드캐스트(Broadcast) 한다. 이후, 노말 노드들 각각은 자신에게 수신되는 CPDU를 이용하여 클러스터 헤더를 선출하게 된다.
이를 상세히 설명하면, 먼저 특정 노말 노드는 다른 노말 노드들로부터 CPDU 데이터가 수신되는지를 체크한다.(S20) S20 단계에서 CPDU 데이터가 수신된다면 제 1타이머를 초기화한다.(S22) 여기서, 제 1타이머는 노말 노드들 각각에 포함되어 CPDU 데이터가 입력되는 시간을 체크하는데 사용된다.
S22 단계에서 제 1타이머가 초기화된 후 특정 노말 노드는 자신에게 입력된 CPDU 데이터로부터 CID값을 추출한다.(S24) CID값을 추출한 특정 노말 노드는 자 신의 CID값과 S24단계에서 추출된 CID값을 비교한다.(S26,S28) S28 단계에서 수신된 CID값이 자신의 CID값보다 작다고 판단되면 특정 노말 노드는 수신된 CPDU 데이터로부터 SA-GID값을 추출한다.(S30) 그리고, 특정 노말 노드는 S30단계에서 추출된 SA-GID값과 자신의 SA-GID값이 동일한지를 판단한다.(S32)
S32 단계에서 특정 노말 노드의 SA-GID값과 추출된 SA-GID값이 동일하다고 판단되면 특정 노드는 제 2타이머를 초기화한다.(S34) 그리고, 특정 노말 노드는 자신이 전송하고 있는 CPDU 데이터의 브로드캐스트를 중지한다.(S36) S36 단계에서 CPDU 데이터의 브로드캐스트가 중지되면 특정 노말 노드는 클러스터 헤더의 선출과정에서 탈락된다.
다시 말하여, S28 단계에서 다른 노말 노드로부터 수신된 CID값이 자신의 CID값보다 작다고 판단되는 경우 자신보다 높은 에너지를 가지는 다른 노말 노드가 존재함을 의미한다. 그리고, S32 단계에서 수신된 SA-GID와 자신의 SA-GID가 동일하다고 판단되면 특정 노말 노드보다 높은 에너지를 가지는 다른 노말 노드가 동일한 노말 노드 그룹에 포함됨을 의미한다. 따라서, 동일 노말 노드 그룹에 포함된 다른 노말 노드보다 낮은 에너지 잔량을 가지는 특정 노말 노드는 클러스터 헤더 선출과정에서 탈락된다. 한편, 위의 설명에서는 CID값이 에너지 잔량에 의하여 부여되는 경우를 가정한 경우고, 그 이외에 하드웨어 능력 등으로 CID값이 부여되는 경우에도 동일한 과정을 반복하게 된다.
한편, S32 단계에서 특정 노말 노드의 SA-GID값이 S30단계에서 추출된 SA-GID값과 동일하지 않다고 판단되면 특정 노말 노드는 제 2타이머를 이용하여 소정 시간을 체크한다.(S38) 그리고, 특정 노말 노드는 제 2타이머에서 소정시간이 체크되는 동안 CPDU 데이터가 수신되는지를 체크한다.(S40) S40 단계에서 CPDU 데이터가 수신되면 제 2타이머가 초기화된다.(S41) 그리고, 특정 노말 노드는 S22 단계부터 소정의 흐름을 반복한다. 한편, 제 2타이머에서 체크되는 소정시간이 흐로도록 CPDU 데이터가 수신되지 않는다면 특정 노말 노드는 클러스터 헤더로 선출된다.(S42,S44)
다시 말하여, S32 단계에서 수신된 SA-GID와 자신의 SA-GID가 상이하다고 판단되는 것은 CPDU 데이터를 공급하는 다른 노말 노드와 CPDU 데이터를 수신하는 특정 노말 노드가 서로 다른 노말 노드 그룹에 포함됨을 의미한다. 그리고, 제 2타이머에서 체크되는 소정시간 동안 CPDU 데이터가 수신되지 않으면 특정 노말 노드는 자신이 포함되는 노말 노드 그룹에서 유일한 노드로 간주되어 클러스터 헤더로 선출된다.
한편, 특정 노말 노드는 S28 단계에서 추출된 CID값이 자신의 CID값보다 크다고 판단되면 수신된 CPDU 데이터가 다른 노드로 브로드캐스트 되지 못하도록 수신된 CPDU 데이터를 폐기한다.(S46) 즉, S28 단계에서 CPDU 데이터를 공급한 다른 노말 노드의 에너지 잔량이 특정 노말 노드의 에너지 잔량보다 적은 것으로 판단되기 때문에 특정 노말 노드는 CPDU 데이터를 폐기함과 아울러 특정 노말 노드는 S20 단계로 복귀한다.
그리고, 특정 노드는 S20 단계에서 CPDU 데이터가 수신되지 않으면 제 1타이머를 이용하여 소정 시간을 체크한다.(S48) S48 단계에서 소정시간 동안 CPDU 데 이터가 수신되지 않으면 특정 노말 노드는 클러스터 헤더로 선정된다.(S50, S44)
상술한 바와 같이 본 발명에서는 각각의 노드에 포함된 CID값이 작을수록 클러스터 헤더로 선출된 가능성이 커진다. 실제로, 본 발명에서는 CID값이 작을수록 클러스터 헤더에 대한 높은 우선순위가 부여되며 동일한 노말 그룹에서는 적어도 하나의 클러스터 헤더가 선출된다. 그리고, 본 발명에서는 특정 노말 그룹에 하나의 노말 노드가 포함되는 경우 그 노말 노드를 클러스터 헤더로 선출한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 클러스터 헤더가 선출된 후 무선 센서 네트워크가 구축되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 먼저 도 3의 과정을 거쳐 선출된 클러스터 헤더는 싱크 노드로 클러스터 헤더 선출에 대한 확인요청신호(cluster header confirm request) 및 임의값(nounce, Nc)을 전송한다.(S60) 여기서, 확인요청신호에는 CPDU 값이 포함되고, 임의값(Nc)은 싱크 노드의 메시지를 인증하기 위해 예측 불가능한 무작위 값으로 설정된다. 그리고, 클러스터 헤더는 운영자에 의하여 사전 공유된 마스터 키로 암호화하여 확인요청신호 및 임의값(Nc)을 전송한다.
확인요청신호 및 임의값(Nc)을 전송받은 싱크 노드는 클러스터 헤더의 허용을 뜻하는 허용신호(ACKs) 및 임의값(Nc)을 마스터키로 암호화하여 클러스터 헤더로 전송한다.(S62) 그리고, 싱크 노드는 클러스터 헤더의 정보(CPDU, 임의값(Nc))를 저장하여 관리한다. S62 단계 이후 싱크 노드는 모든 클러스터 헤더들에게 앞서 선출된 클러스터 헤더의 CID값 및 임의값(Nc)을 유니캐스트(Unicast)한다.(S64) 따라서, 클러스터 헤더들 각각은 다른 클러스터 헤더의 CID값 및 임의값(Nc)을 자신의 로컬 저장소에 저장한다.
싱크 노드로부터 허용신호(ACKs)를 공급받은 클러스터 헤더는 비컨(Beacon)신호를 이용하여 네트워크 정보를 노말 노드들로 제공한다.(S66) 비컨(Beacon) 신호를 수신한 노말 노드들은 연합(Association)요청 신호 및 임의값(Nn)을 클러스터 헤더로 전송한다.(S68)(마스터키로 암호화하여 전송) 여기서, 연합 요청신호에 포함된 각 노말 노드의 SA-ID 및 임의값(Nn)은 클러스터 헤더에 저장되어 관리된다. 이후, 클러스터 헤더는 각 노말 노드들로 허용신호(ACKc) 및 임의값(Nn)을 마스터기로 암호화하여 전송한다.(S70) 그러면, 클러스터 헤더를 중심으로 노말 노드들과의 센서 네트워크가 형성된다.
한편, 싱크노드는 일정시간(T) 후에 클러스터 헤더로 킵 얼라이브(Keep alive) 신호를 전송한다.(S72) 그러면, 클러스터 헤더는 일정시간(T) 내에 응답신호(ACK)를 싱크노드로 전송한다.(S74) 실제로, 싱크노드 및 클러스터 헤더는 킵 얼라이브 신호 및 응답신호를 소정시간마다 반복하면서 센서 네트워크의 이상 유무를 체크한다. 만약, 정해진 시간(T)안에 클러스터 헤더로부터 응답신호(ACK)가 공급되지 않는 경우 싱크 노드는 헤더 선출신호를 노말 노드들로 브로드 캐스트하여 노말 노드들에서 도 3과 같은 과정을 거쳐 클러스터 헤더가 선출되도록 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 노말 노드와 클러스터 헤더간의 암호화 통신 방법을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 노말 노드와 클러스터 헤더간 의 통신에는 암호화키 및 맥(MAC : Message Authentication Code)키 등이 사용된다. 암호화키는 전체 무선 네트워크에서 사전에 공유된 마스터 키와 노말 노드 식별자(SA-ID)값에 대한 해쉬(HASH) 함수의 결과값으로 도출된다.(KE=HASH(Kmaster , SA-ID)) 여기서, 암호화키는 데이터를 암호화하기 위하여 사용된다. 이 경우, 암호화키를 생성하기 위하여 SA-ID가 사용되기 때문에 각각의 노말 노드마다 서로 다른 암호화키가 생성된다. 그리고, 맥(MAC)키는 전술한 연합(Association)요청 과정에서 노말 노드가 공개한 임의값(Nn)이 사용된다.(MAC(KNn, C)) 여기서, 맥(MAC)키는 클러스터 헤더에서 노말 노드를 인증하기 위하여 사용된다.
한편, 암호화키 및 맥(MAC)키는 원웨이(one-way) 특성을 가지는 함수를 이용하여 도출된다. 이와 같이 원웨이(one-way) 특성을 가지는 함수를 이용하여 암호화키 및 맥(MAC)키가 도출되면 노말 노드와 클러스터 노드간의 안전한 통신이 가능하다. 암호화키 및 맥(MAC)키가 생성된 후 DES, RC5와 같은 대칭키 암호화 알고리즘을 이용하여 데이터가 암호화되어 노말노드로부터 클러스터 헤더로 송신된다.(C=P<KE>, MAC(KNn, C))
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 클러스터 헤더간의 암호화 통신 방법을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 클러스터 헤더간의 통신에는 암호화키 및 맥(MAC)키 등이 사용된다. 암호화키는 사전에 공유된 마스터키와 CID키에 대한 해쉬(HASH) 함수의 결과값으로 도출된다.(KE=HASH(Kmaster, CID)) 여기서, 도 4의 S64단계에서 설명한 바와 같이 클러스터 헤더는 다른 클러스터 헤더들의 CID를 저장하고 있다. 암호화키는 데이터의 암호화를 위하여 사용된다.
맥(MAC)키는 클러스터 선출과정에서 싱크 노드로 전송되는 임의값(Nc)이 사용된다. 도 4의 S64 단계에서 설명한 바와 같이 클러스터 헤더는 다른 클러스터 헤더들의 임의값(Nc)을 저장하고 있다. 맥(MAC)키는 클러스터 헤더를 인증하기 위하여 사용된다. 한편, 암호화키 및 맥(MAC)키는 원웨이(one-way) 특성을 가지는 함수를 이용하여 도출된다. 이와 같이 원웨이(one-way) 특성을 가지는 함수를 이용하여 암호화키 및 맥(MAC)키가 도출되면 노말 노드와 클러스터 노드간의 안전한 통신이 가능하다. 암호화키 및 맥(MAC)키가 생성된 후 DES, RC5와 같은 대칭키 암호화 알고리즘을 이용하여 데이터가 암호화되어 제 1클러스터 헤더로부터 제 2클러스터 헤더로 송신된다.(C=P<KE>, MAC(KNc1, C))
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 클러스터 헤더와 싱크 노드간의 암호화 통신방법을 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 클러스터 헤더와 싱크 노드간의 통신에는 암호화키 및 맥(MAC)키가 사용된다. 암호화키는 사전에 공유된 마스터키와 클러스터 헤더의 CID 및 SA-GID에 대한 해쉬(HASH) 함수의 결과값으로 도출된다.(KE=HASH(Kmaster, SA-GID, CID)) 싱크 노드는 클러스터 헤더에서 공급되는 암호화키를 해독하기 위하여 S60 단계에서 공급되는 모든 클러스터의 CID 및 SA-ID값을 저장하고 있다. 암호화키는 데이터의 암호화를 위하여 사용된다.
맥(MAC)키는 클러스터 선출과정에서 싱크 노드로 전송되는 임의값(Nc)이 사용된다.(MAC(KNC, C)) 싱크 노드는 클러스터 헤더에서 공급되는 맥(MAC)키를 인증하기 위하여 S60단계에서 전송되는 클러스터들의 임의값(Nc)을 저장하고 있다. 한편, 암호화키 및 맥(MAC)키는 원웨이(one-way) 특성을 가지는 함수를 이용하여 도출된다. 이와 같이 원웨이(one-way) 특성을 가지는 함수를 이용하여 암화화키 및 맥(MAC)키가 도출되면 노말 노드와 클러스터 노드 간의 안전한 통신이 가능하다. 암호화키 및 맥(MAC)키가 생성된 후 DES, RC5와 같은 대칭키 암호화 알고리즘을 이용하여 데이터가 암호화되어 클러스터 헤더로부터 싱크노드로 송신된다.(C = P<KE>, MAC(KNC, C))
상기 발명의 상세한 설명과 도면은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 따라서, 이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템 및 이의 구성방법에 의하면 클러스터 헤더가 삭제되는 경우(에너지의 고갈 또는 물리적인 환경 등)에 노말 노드들로부터 자동적으로 클러스터 헤더가 생성되기 때문에 자동적으로 무선 센서 네트워크를 재구성하는 것이 가능하다. 특히, 본 발명에서는 에너지 잔량 또는 하드웨에 능력 등을 고려하여 클러스터 헤더를 자동적으로 선출하기 때문에 안정적으로 구동될 수 있다. 그리고, 본 발명에서는 무선 센서 네트워크의 각 노드들 간의 암호화된 통신을 제공함으로써 신뢰성을 확보할 수 있다.

Claims (14)

  1. 적어도 1개 이상의 노말 노드로 이루어진 노드 클러스터내에서 클러스터 헤더를 선출하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
    상기 노말 노드 각각이 자신의 능력특성정보, 자신이 포함되는 클러스터의 식별정보 및 자신의 식별정보를 포함하는 클러스터 헤더 선출 정보를 주변 노드에 브로드캐스트하는 단계와,
    상기 노말 노드 각각이 적어도 1개 이상의 주변 노드로부터 수신되는 상기 클러스터 헤더 선출 정보를 이용하여 자신이 클러스터 헤더로 선출될 지를 판단하는 단계
    를 포함하는 클러스터 헤더 선출 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 능력특성정보는, 에너지 잔량, 하드웨어 능력 및 에너지 소모량중 적어도 어느 하나에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 클러스터 헤더 선출 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 노말 노드 각각이 자신이 클러스터 헤더로 선출될지를 판단하는 단계는, 상기 노말 노드 각각이,
    상기 주변 노드로부터 클러스터 헤더 선출 정보의 수신여부를 감지하는 제 1단계와,
    상기 클러스터 헤더 선출 정보가 수신된 후 제 1타이머를 초기화하는 제 2단계와,
    상기 수신된 클러스터 헤더 선출 정보에 포함된 주변 노드의 능력특성 정보값과 자신의 능력특성 정보값을 비교하는 제 3단계와,
    상기 제 3단계에서 자신의 능력특성 정보값이 더 높다고 판단될 때 상기 제 1단계로 복귀하는 제 4단계와,
    상기 제 1타이머에서 체크되는 소정시간 동안 주변 노드로부터 상기 클러스터 헤더 선출 정보가 수신되지 않는 경우에 자신을 클러스터 헤더로 판단하는 제 5단계
    를 포함하는 클러스터 헤더 선출 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 3단계에서 자신의 능력특성 정보값이 더 낮다고 판단될 때,
    상기 수신된 클러스터 헤더 선출 정보에 포함된 클러스터 식별정보값을 추출하는 제 6단계와,
    상기 추출된 클러스터 식별정보값이 자신의 클러스터 식별정보값과 동일하다고 판단될 때 제 2타이머를 초기화하는 제 7단계와,
    자신의 클러스터 헤더 선출 정보의 브로드캐스트를 중지하는 제 8단계
    를 포함하는 클러스터 헤더 선출 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 7단계에서 상기 추출된 클러스터 식별정보값이 자신의 클러스터 식별정보값과 상이하다고 판단될 때 제 2타이머를 이용하여 소정시간을 체크하는 제 9단계와,
    상기 제 2타이머에서 체크되는 상기 소정시간 동안 주변 노드로부터 상기 클러스터 헤더 선출 정보가 수신되지 않으면 자신을 클러스터 헤더로 판단하는 제 10단계
    를 포함하는 클러스터 헤더 선출 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 타이머에서 체크되는 상기 소정시간 동안 주변 노드로부터 상기 클러스터 헤더 선출 정보가 수신될 때 상기 제 2타이머를 초기화한 후 상기 제 2단계로 피드백하는 단계를 더 포함하는 클러스터 헤더 선출 방법.
  7. (i) 적어도 1개 이상의 노말 노드로 이루어진 노드 클러스터내에서 클러스터 헤더를 선출하는 단계와,
    (ii) 상기 클러스터 헤더로부터 상기 클라스터 헤더의 능력특성정보를 포함하는 클러스터 헤더 확인요청신호 및 무작위로 추출된 제 1 임의값을 싱크 노드에 전송하는 단계와,
    (iii) 상기 싱크 노드로부터 상기 클러스터 헤더에 클러스터 헤더 허용신호 및 상기 제 1임의값을 전송하는 단계와,
    (iv) 상기 클러스터 헤더로부터 상기 노말 노드로 비컨(Beacon) 신호를 전송하는 단계와,
    (v) 상기 노말 노드로부터 상기 클러스터 헤더에 상기 노말 노드의 식별값을 포함하는 연합(Association)요청 신호 및 무작위로 추출된 제 2 임의값을 전송하는 단계와,
    (vi) 상기 클러스터 헤더로부터 상기 노말 노드로 연합허용신호 및 상기 제 2 임의값이 전송되어 무선 센서 네트워크 시스템이 구축되는 단계
    를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 싱크 노드와 접속된 노드 클러스터가 복수개인 경우에, 상기 복수의 노드 클러스터 각각에 대하여 상기 (i) 내지 (vi) 단계를 수행하고, 상기 복수의 노드 클러스터 각각으로부터 선출된 각각의 클러스터 헤더에 다른 클러스터 헤더의 클러스터 헤더 선출 정보 및 제 1 임의값 정보를 전송하는 단계를 더 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성방법.
  9. 제 7에 있어서,
    상기 싱크 노드로부터 상기 클러스터 헤더로 킵 얼라이브(Keep alive) 신호가 주기적으로 공급되는 단계와,
    상기 클러스터 헤더로부터 응답신호가 상기 싱크노드로 전송되는 단계
    를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 클러스터 헤더로부터 상기 킵 얼라이브 신호에 대한 응답신호가 소정시간 내에 전송되지 않을 때 상기 싱크 노드는 상기 노말 노드에 클러스터 헤더 선출신호를 공급하는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크 시스템이 구축된 후 상기 노말노드, 상기 클러스터 헤더 및 상기 싱크 노드간에 암호화 통신이 이루어지는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 노말 노드와 상기 클러스터 헤더간의 암호화 통신은
    상기 노말 노드의 식별값과 미리 공유된 마스터키로부터 암호화키를 도출하는 단계와,
    상기 노말 노드의 상기 제 2 임의값을 이용하여 메시지 인증에 이용되는 맥(MAC : Message Authentication Code) 키를 도출하는 단계
    를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 클러스터 헤더들간의 암호화 통신은
    상기 클러스터 헤더들 각각의 상기 능력특성정보 및 미리 공유된 마스터키로부터 암호화키를 도출하는 단계와,
    상기 클러스터 헤더들 각각의 상기 제 1 임의값을 이용하여 메시지 인증에 이용되는 맥(MAC : Message Authentication Code) 키를 도출하는 단계
    를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 클러스터 헤더와 상기 싱크 노드의 암호화 통신은
    상기 클러스터 헤더의 상기 능력특성정보, 상기 클러스터 헤더의 식별 정보값 및 미리 공유된 마스터키로부터 암호화키를 도출하는 단계와,
    상기 클러스터 헤더의 상기 제 1임의값을 이용하여 메시지 인증에 이용되는 맥(MAC : Message Authentication Code) 키를 도출하는 단계
    를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 구성방법.
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