KR20210054720A - 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템 및 방법 - Google Patents

안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20210054720A
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이임영
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Abstract

본 발명은 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템 및 방법을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템은, 가정 내에 설치되어 스마트 미터링 서비스에 가입된 가전기기의 전력 소모 데이터를 수집하는 다수 개의 스마트 디바이스를 포함하고, 상기 스마트 디바이스를 미리 설정된 조건에 따라 하나의 그룹으로 형성하여 관리하고, 수집된 전력 소모 데이터를 전송하는 홈 에너지 관리 장치(HEMS); 상기 홈 에너지 관리 장치(HEMS)로부터 수집된 스마트 디바이스의 전력 소모 데이터를 수신하고, 상기 스마트 디바이스의 그룹 인증을 수행하고 관리하는 스마트 미터; 및 상기 전력 소모 데이터를 수신하고 그룹별로 스마트 디바이스의 전력 소모 데이터를 관리하는 미터 데이터 관리 서버(MDMS);를 포함한다.

Description

안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템 및 방법{Smart metering system and method for secure communication}
본 발명은 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그룹 기반 환경에서 효율적으로 인증을 수행하여 안전한 통신 환경을 제공할 수 있는 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
IoT(Internet of Things)는 기존의 WSN(Wireless Sensor Network) 환경에서 발전된 것으로, 모든 사물들이 인터넷에 연결되어 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 기반으로 사람들에게 다양한 서비스를 제공할 수 있다.
최근의 IoT 서비스들은 통신 네트워크의 규모가 커짐에 따라 서비스를 구성하는 센서 디바이스들이 그룹 기반 통신을 수행하게 된다. 일반적인 그룹 기반 환경에서는 다양한 센서 디바이스들이 그룹 형태를 이루어 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 게이트웨이 역할을 수행하는 그룹 리더 디바이스로 전송한다. 예컨대, 가정 내의 전력량을 센서를 통해 수집하는 스마트 미터링 환경에서는 가정 내의 스마트 디바이스 및 가전기기들이 하나의 가정 즉, 홈 에너지 관리 장치(Home Energy Management System : 이하 HEMS) 그룹을 형성하고, 그룹 리더인 스마트 미터와 통신하여 전력 소모 데이터를 수집한다. 이때, 스마트 디바이스는 IoT 디바이스일 수 있다. 만약, 스마트 미터가 각 가정들의 스마트 디바이스와 통신하고자 할 때, 그룹을 형성하지 않고 일대일 통신으로 전력 소모 데이터를 수집하는 경우, 디바이스의 수가 적을 경우에는 문제가 없지만, 디바이스의 수가 많아지게 되면 문제가 발생할 수 있다. 즉, 그룹 리더는 많은 수의 디바이스들에 대해 일일이 인증을 수행한 후 키 교환 과정을 거쳐야만 안전한 통신을 수행할 수 있다. 일반적인 그룹 기반 통신을 수행할 때 하나의 그룹에 참여하고 있는 디바이스의 수가 많아지거나 여러 디바이스가 동시에 통신을 수행하야 한다면, 안전한 통신을 위해서는 각 디바이스간 세션의 수만큼 개별적으로 인증을 수행한 후, 키 교환 과정을 거쳐 통신해야 한다. 도 1은 스마트 미터에 연결된 스마트 디바이스들이 30분에 한번씩 데이터를 수집하는 일예이다. 그룹 1(Group 1)에서 스마트 미터 1은 30분마다 연결된 스마트 디바이스에 대해 개별적으로 인증을 수행해야 하는데 이로 인해 스마트 미터는 매우 큰 오버헤드가 발생할 수 있다.
한국공개특허 제2013-0029887호(2013.03.26 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 그룹 기반 환경에서 비밀 분산을 활용하여 동적으로 그룹의 인증 및 키 교환을 수행하여 효율적인 인증을 수행함으로써 안전한 통신 환경을 제공할 수 있는 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템은, 가정 내에 설치되어 스마트 미터링 서비스에 가입된 가전기기의 전력 소모 데이터를 수집하는 다수 개의 스마트 디바이스를 포함하고, 상기 스마트 디바이스를 미리 설정된 조건에 따라 하나의 그룹으로 형성하여 관리하고, 수집된 전력 소모 데이터를 전송하는 홈 에너지 관리 장치(HEMS); 상기 홈 에너지 관리 장치(HEMS)로부터 수집된 스마트 디바이스의 전력 소모 데이터를 수신하고, 상기 스마트 디바이스의 그룹 인증을 수행하고 관리하는 스마트 미터; 및 상기 전력 소모 데이터를 수신하고 그룹별로 스마트 디바이스의 전력 소모 데이터를 관리하는 미터 데이터 관리 서버(MDMS);를 포함한다.
상기 스마트 미터는 임계 비밀 분산(threshold secret sharing) 기법을 이용하여 그룹 인증을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 미터 데이터 관리 서버(MDMS)는 가입자 인증 서버를 포함하고, 상기 가입자 인증 서버는, 스마트 미터링 서비스에 가입된 스마트 미터를 그룹의 속성별로 관리하는 것을 특징으로 한다.
상기 스마트 미터와 상기 미터 데이터 관리 서버(MDMS) 간에 전송되는 전력 소모 데이터는, 상기 가입자 인증 서버에 의해 스마트 미터와 미터 데이터 관리 서버(MDMS) 간의 상호 인증이 수행된 이후 대칭키를 이용해 생성된 세션키를 이용하여 송수신되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템에서의 안전한 통신의 수행을 위한 방법은, 스마트 미터가, 다수 개의 스마트 디바이스를 포함하여 하나의 그룹으로 형성된 홈 에너지 관리 장치(HEMS)의 내부 그룹을 인증하는 단계; 및 가입자 인증 서버가, 스마트 미터와 미터 데이터 관리 서버(MDMS) 간의 상호 인증을 수행하는 단계;를 포함한다.
상기 내부 그룹을 인증하는 단계는, 스마트 디바이스 등록 단계; 스마트 디바이스와 스마트 미터간 그룹을 인증 단계; 및 상기 인증이 완료된 그룹의 스마트 디바이스에게 그룹 세션키를 분배하는 단계;를 포함한다.
상기 스마트 디바이스 등록 단계는, 그룹에 신규 등록을 위한 스마트 디바이스를 스마트 리더에 등록하는 단계를 포함하고, 상기 그룹에 신규 등록을 위한 스마트 디바이스를 스마트 리더에 등록하는 단계는, 스마트 미터가, 그룹의 마스터키를 최초 1회 생성하고, 상기 마스터키를 이용하여 그룹 참여 스마트 디바이스들의 비밀키를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 스마트 디바이스와 스마트 미터간 그룹을 인증 단계는, 임계 비밀 분산(threshold secret sharing) 기법을 이용하여 그룹 인증을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스마트 미터링 환경에 포함된 복수 개의 스마트 디바이스의 인증을 그룹 단위로 수행하여 시스템의 오버헤드를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 인증을 수행함에 있어서 비밀 분산을 활용하여 동적으로 그룹의 인증 및 키 교환을 수행함으로 정보의 오용이 발생하는 것을 방지하여 안전한 통신을 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용들과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 스마트 미터가 스마트 디바이스로부터 주기적으로 데이터를 수집하는 일 예,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템의 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 미터링 시스템에서의 통신 경로를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인증 및 키 교환 시나리오를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 미터링 시스템에서의 안전한 통신의 수행을 위한 방법의 개략적인 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템은, 홈 에너지 관리 장치(Home Energy Management System : HEMS)(100), 스마트 미터(200) 및 미터 데이터 관리 서버(Meter Data Management Server : MDMS)(300)를 포함한다.
홈 에너지 관리 장치(HEMS)(100)는 가정 내에 설치되어 스마트 미터링 서비스에 가입된 가전기기의 전력 소모 데이터를 수집하는 다수 개의 스마트 디바이스(110)를 포함하고, 스마트 디바이스(110)를 미리 설정된 조건에 따라 하나의 그룹으로 형성하고 관리하고, 수집된 전력 소모 데이터를 후술하는 스마트 미터(200)로 전송한다.
스마트 미터(200)는 홈 에너지 관리 장치(HEMS)(100)로부터 수집된 스마트 디바이스(110)의 전력 소모 데이터를 수신하고, 스마트 디바이스(110)의 그룹 인증을 수행하고 관리한다. 스마트 미터(200)는 홈 에너지 관리 장치에 포함되는 스마트 디바이스(110)들의 리더 역할을 할 수 있으며, 게이트웨이 역할을 할 수도 있다. 하지만, 이에 한하지 않으며, 게이트웨이는 별도의 장치로 스마트 미터(200)와 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)의 사이에 위치하여 전력 소모 데이터의 송수신을 중계할 수도 있다.
미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)는 전력 소모 데이터를 수신하고 그룹별로 스마트 디바이스(110)의 전력 소모 데이터를 관리한다.
한편, 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)는 가입자 인증 서버(미도시)를 포함할 수 있다.
가입자 인증 서버는 스마트 미터(200)와 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300) 간의 상호 인증을 수행한다. 가입자 인증 서버는 스마트 미터링 서비스에 가입된 스마트 미터(200)를 관리할 수 있다. 스마트 미터(200)는 그룹으로 형성되는 경우, 각각 다른 속성을 갖도록 형성되므로, 가입자 관리 서버는 스마트 미터링 서비스에 가입된 스마트 미터(200)를 그룹의 속성별로 관리할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 미터링 시스템에서의 통신 경로를 도시한 도면이다.
스마트 미터링은 가정에서 발생하는 전력 소모 데이터를 전력회사에서 원격으로 검칠할 수 있도록 하는 IoT 서비스이다.
도 3에는, 각 객체에 대한 통신 루트가 도시되어 있다. 이와 같은 스마트 미터링 시스템 환경에서 스마트 미터(200)가 그룹 리더가 되어 가정의 스마트 디바이스(110)들에 대한 전력 소모 데이터를 수집할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같은 스마트 미터링 시스템 환경에서는 A, B, C와 같은 통신 루트가 존재할 수 있다.
경로 A는 스마트 미터(200)에서 전력회사로 전송되는 경로이며, 스마트 미터(200)가 전력회사의 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)에게 전력 소모 데이터를 전송하거나 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)가 전력 소모 데이터를 이용해 각 스마트 미터(200)를 이용하여 스마트 미터(200)에 연결된 스마트 디바이스(110)의 전원 공급을 중단 및/또는 재개할 수 있다.
경로 B는 홈 에너지 관리 장치(HEMS)(100)와 스마트 미터(200)가 통신하는 경로이다. 가정에서 수집된 데이터를 홈 에너지 관리 장치(HEMS)(100)가 스마트 미터(200)에게 필요시 전송하거나, 사용자가 스마트 미터(200)의 데이터에 접근하여 전력 소모 데이터를 확인하고자 할 때 사용되는 경로이다.
경로 C는 에너지 서비스 회사 등과 같은 제 3 자(Third Party)가 스마트 미터(200)의 정보를 이용하는 경로이다.
스마트 미터링 서비스 환경에서 전력 소모량을 검침하기 위해 스마트 미터(200)가 경로 B를 이용해 홈 에너지 관리 장치(HEMS)(100)의 전력 소모 데이터를 읽어오고자 할 때, 기존의 방식을 이용하는 경우 많은 수의 디바이스가 동시에 인증을 수행한다고 하면 스마트 미터(200)는 일대일 인증을 디바이스의 수만큼 수행해야 하므로 스마트 미터(200)는 큰 오버헤드가 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에 따르면, 홈 에너지 관리 장치(HEMS)(100)는 일반 가정 또는 스마트홈이라는 하나의 그룹을 형성하고, 이때, 스마트 미터(200)는 형성된 그룹 단위로 인증을 수행하기 때문에 오버헤드를 감소시킬 수 있으며, 효율적인 검침을 수행할 수 있다.
또한, 경로 B를 통해 수집된 전력 소모 데이터를 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)까지 안전하게 전송하기 위해서도 스마트 미터(200)와 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)가 상호 인증을 수행한 후 생성된 세션키로 데이터를 송수신해야 한다. 스마트 미터(200) 또한 그룹을 형성할 수는 있겠지만, 각 스마트 미터(200)는 서로 다른 그룹들의 데이터들을 관리하며 그룹의 속성들도 다르기 때문에, 인증 서버를 이용한 일대일 인증 과정을 통해 스마트 미터(200)와 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)의 상호 인증을 수행하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인증 및 키 교환 시나리오를 도시한 도면이다.
본 발명은 스마트 미터링 시스템에 참여하고 있는 스마트 디바이스(110), 스마트 미터(200) 그리고 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300) 간의 안전한 통신을 위한 인증 및 키 교환 방법에 관한 것으로, 스마트 미터(200) 내부 그룹 인증과 스마트 미터(200)-미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300) 간 그룹 인증으로 나뉘어질 수 있다.
내부 그룹 인증 단계에서는 각 스마트 디바이스(110)들이 그룹 리더인 스마트 미터(200)에 최초 1회 등록 과정을 수행한다. 등록 시, 스마트 미터(200)는 임계(threshold) 기반의 비밀 분산을 통해 생성된 해당 스마트 미터(200)가 관리하는 스마트 디바이스(110)들의 키를 생성하여 나누어주고, 이후 그룹 인증 단계에서 제대로 비밀을 복원하게 되면 그룹에 대한 인증이 완료된다. 한편, 전체 스마트 디바이스(110)가 참여하지 않고 문제가 생긴 스마트 디바이스(110)에 대해서는 추적 기능을 제공하여 고장 등의 문제에 대하여 빠르게 조취를 취할 수 있도록 할 수 있다. 그룹 인증이 수행되면, 스마트 미터(200)는 인증에 참여한 스마트 디바이스(110)들에게 세션키를 분배해주어 전력소모 등의 데이터를 안전하게 전송할 수 있도록 할 수 있다.
내부 그룹 인증 단계는, 스마트 디바이스(110) 등록 단계, 스마트 디바이스(110)-스마트 미터(200) 간 그룹 인증 단계 및 그룹 세션키 분배 단계를 포함할 수 있다.
스마트 디바이스(110) 등록 단계는 스마트 미터(200)의 마스터키를 생성하고 스마트 디바이스(110)들의 분산 비밀값을 계산하여 안전하게 분배하는 단계이다.
스마트 디바이스(110)-스마트 미터(200) 간 그룹 인증 단계는 스마트 미터(200)가 스마트 디바이스(110)들에게 데이터를 수신하기 위해 그룹 인증을 요청하고, 참여 여부를 확인하여 인증하는 단계이다.
그룹 세션키 분배 단계는 스마트 미터(200)가 생성한 세션키를 그룹 인증에 참여한 스마트 디바이스(110)의 비밀키로 암호화하여 분배하는 단계이다.
상술한 내부 그룹 인증 단계 이후 수행되는 스마트 미터(200)-미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300) 간 그룹 인증 단계에서는 순차적으로 일어나는 한 단계로 구성되어 있다. 이 단계에서는 스마트 미터링 서비스에 가입된 스마트 미터(200)를 관리하기 위해 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)에서 관리하는 가입자 인증 서버가 존재한다. 가입자 인증 서버를 통해 동적으로 선택된 스마트 미터(200)와 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)가 소규모 그룹을 생성하게 되고, 인증 및 키 교환을 수행할 수 있다.
한편, 상술한 내부 그룹 인증 단계를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
등록 단계에서는 그룹에 신규 등록을 위해 스마트 디바이스(110)들을 그룹 리더인 스마트 미터(200)에게 등록하는 단계이다. 스마트 미터(200)는 그룹의 마스터키를 최초에 1번 생성하고, 이 마스터키로 그룹 참여 스마트 디바이스(110)들의 비밀키를 생성하며, 이후에 세션키를 분배할 때 사용한다. 또한, 임계 비밀 분산 기법을 사용하여 비밀값과 분산 비밀값을 생성하고 스마트 디바이스(110)들에게 안전하게 분배하는 과정을 포함한다.
이하, 등록 단계의 세부 과정에 대해 설명하면 아래와 같다.
한편, 후술하는 수학식에서 사용되는 파라미터들에 대해 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00001
: 비밀
Figure pat00002
를 생성하기 위한
Figure pat00003
차 다항식
Figure pat00004
: 가입자 인증 서버가 생성한 다항식
Figure pat00005
: 스마트 디바이스
Figure pat00006
와 게이트웨이
Figure pat00007
의 식별자
Figure pat00008
: 각 스마트 디바이스
Figure pat00009
의 분산 비밀값
Figure pat00010
: 임의의 일방향 해쉬 함수
Figure pat00011
: 사상 해쉬 함수
Figure pat00012
Figure pat00013
: 사상 해쉬 함수
Figure pat00014
Figure pat00015
: 다항식
Figure pat00016
에서 생성한 비밀값
Figure pat00017
Figure pat00018
: 세션 식별자
Figure pat00019
: 큰 소수
Figure pat00020
: 임의로 선택된 위수
Figure pat00021
를 가지는 타원곡선상의 생성점
Figure pat00022
: 가입자 인증 서버/스마트 미터(200)에서 임의로 선택한 타원곡선상의 점
Figure pat00023
: 스마트 미터(200)의 마스터키
Figure pat00024
: 스마트 미터(200)로부터 생성된 각 스마트 디바이스들의 비밀키
Figure pat00025
Figure pat00026
: MDMS와 가입자 인증 서버가 공유한 대칭키
Figure pat00027
: 가입자 인증 서버와 게이트웨이가 공유한 비밀값
Figure pat00028
: 스마트 디바이스와 스마트 미터(200) 사이의 그룹 세션키
Figure pat00029
: 게이트웨이와 MDMS의 세션키
Step 1. 스마트 미터(200)는 마스터키 x를 생성한다.
Step 2. 그룹 참여 스마트 디바이스(110)들은 스마트 미터(200)에게 그룹 가입을 요청한다.
Step 3. 스마트 미터(200)는 아래의 수학식 1과 같이 t-1차 다항식 f(x)를 생성하고, 비밀값 s를 계산한다.
Figure pat00030
Figure pat00031
Step 4. 스마트 미터(200)는 각 스마트 디바이스(110)의 비밀키
Figure pat00032
와 분산 비밀값 s를 계산한다.
Step 5. 비밀값 s의 검증값
Figure pat00033
를 계산하여 공개한다.
Step 6. 안전한 채널을 통해 각 스마트 디바이스(110) i에게
Figure pat00034
를 전송하고, 스마트 디바이스(110)들은 수신한 값을 저장한다.
그룹 인증 단계는 스마트 미터(200)가 참여 스마트 디바이스(110)들에게 데이터를 수신하기 위하여 그룹 인증 단계를 요청하면서, 동시에 참여 여부를 확인하고 인증하는 단계이다. 이 단계에서 스마트 디바이스(110)들은 스마트 미터(200)를 확인하는 과정을 거쳐 악의적인 스마트 디바이스(110)인지 여부를 확인해야 하며, 스마트 디바이스(110)들은 등록 단계에서 수신한 분산 비밀값을 이용해 인증 토큰을 생성한다. 이 인증 토큰은 효율성을 위해 재사용 되는 것이 바람직하다. 참여 스마트 디바이스(110)들은 인증 토큰을 생성한 후 스마트 미터(200)에게 전송하여, 스마트 미터(200)는 이 과정을 통해 참여 스마트 디바이스(110) 그룹을 확인한다. 인증 토큰을 전송할 때에는 재전송 공격에 대해 고려되어야 하며, 인증 토큰을 수집하여도 비밀값이나 비밀 생성 다항식을 복구할 수 없어야 한다. 인증 토큰을 수신한 스마트 미터(200)는 인증 코튼들을 통해 그룹 인증을 수행한다.
이하, 그룹 인증 단계의 세부 과정에 대해 설명하면 아래와 같다.
Step 1. 스마트 미터(200)는 참여 스마트 디바이스(110)들에게 그룹 인증 수행 요청 메시지를 브로드캐스트한다.
Step 2. 참여 스마트 디바이스(110)들은 요청 메시지를 확인하고, 그룹 인증에 참여할 m개의 스마트 디바이스(110) 집합
Figure pat00035
의 응답 메시지를 스마트 미터(200)에게 전송한다.
Step 3. 스마트 미터(200)는 타원곡선 상의 임의의 점 P와 참여 스마트 디바이스(110)의 수 m, 임의로 선택한 해쉬함수
Figure pat00036
를 전송하여 각 스마트 디바이스(110)들의 인증 토큰을 요청한다.
Step 4. 각 스마트 디바이스(110)들은 자신의 분산 비밀값을 이용하여 아래의 수학식 2와 같이 ci를 계산한다.
Figure pat00037
Step 5. 스마트 디바이스(110)들은 계산한 ci를 이용하여 자신들의 인증 토큰 Ti를 아래의 수학식 3과 같이 계산한다. 이후, 검증값 vi도 생성한다.
Figure pat00038
Figure pat00039
Step 6. 인증 참여 스마트 디바이스(110)들
Figure pat00040
은 자신의
Figure pat00041
를 스마트 미터(200)에게 전송한다.
Step 7. 스마트 미터(200)는 각 스마트 디바이스(110)들의 검증값 vi를 새로 계산하여 검증한 후, 수학식 4와 같이 계산한다.
Figure pat00042
Step 8. 스마트 미터(200)는 비밀값 s를 이용하여
Figure pat00043
의 일치 여부를 확인해 m명의 참여 스마트 디바이스(110)를 인증한다. 만약, 위 검증식이 일치하지 않는다면, 그룹 인증에 실패한다.
한편, 스마트 미터(200) 내부 그룹 인증이 완료되면, 스마트 미터(200)-미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300) 간 그룹 인증이 수행된다. 본 발명에서는 트리 형태의 계층형 구조를 가지며, 작은 그룹은 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)와 통신하는 게이트웨이와 스마트 미터(200) 그룹으로 구성될 수 있다. 이때, 게이트웨이는 별도로 구성될 수 있지만, 본 실시예에서는 스마트 미터(200)가 게이트웨이 역할을 수행하는 것으로 설명하므로, 이하, 게이트웨이는 스마트 미터(200)를 지칭하는 것으로 이해하여도 무방하다. 이 단계에서는 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)에서 통신하고자 하는 게이트웨이를 선택하여 하나의 소규모 그룹을 생성할 수 있다. 이를 위해, 특정 게이트웨이에게 인증을 요청하고, 인증 정보를 수집하여 가입자 인증 서버에게 세션 정보를 전송한다. 가입자 인증 서버는 게이트웨이와 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)에 대한 정보가 등록되어 있으며, 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)는 인증 서버와 비밀키 k를 공유한다. 가입자 인증 서버에서는 각 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)와 게이트웨이들에게 세션 인증 정보를 전송해주고, 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)와 게이트웨이는 인증을 수행하여 키를 교환하게 된다.
이하, 스마트 미터(200)-미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300) 간 그룹 인증 수행 단계를 보다 상세히 설명하면 아래와 같다.
Step 1. 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)는 게이트웨이에게 세션 식별자 SID와 자신의 식별자 IDMDMS를 전송하고, 원하는 데이터를 요청한다. 요청을 수신한 게이트웨이는 SID와 IDMDMS를 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)가 원하는 전력 소비 데이터를 가진 스마트 미터(200)로 전달한다.
Step 2. 요청을 수신한 스마트 미터(200)는 Pr을 포함하여 아래의 수학식 5를 생성해 게이트웨이에게 전송한다. 여기서, t는 스마트 미터(200)가 생성할 소규모 세션 그룹의 참가자 수이며, IDs는 스마트 미터(200)들의 식별자이다.
Figure pat00044
Step 3. 게이트웨이는 스마트 미터(200)의 각 Pr을 집계하고, 아래의 수학식 6을 생성하여 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)로 전송하고, 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)는 이를 가입자 인증 서버에 전송한다.
Figure pat00045
Step 4. 가입자 인증 서버는 임의의 숫자 R을 선택하고
Figure pat00046
을 이용해 다항식
Figure pat00047
를 생성한다. 그리고 가입자 인증 서버는
Figure pat00048
위의 임의의 점 Ps를 선택한다.
Step 5. 가입자 인증 서버는 세션 인증값을 생성하여 게이트웨이에게
Figure pat00049
를, 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)에게
Figure pat00050
를 전송한다.
Step 6. 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)는 세션 인증값
Figure pat00051
으로부터 SID와 Ps를 복호화하고,
Figure pat00052
를 이용해 다항식
Figure pat00053
를 생성한다. 이후, 인증값
Figure pat00054
를 생성한다.
Step 7. 게이트웨이는 세션 인증값
Figure pat00055
를 수신하고,
Figure pat00056
를 이용해 다항식
Figure pat00057
를 생성한다. 그리고,
Figure pat00058
를 생성한다.
Step 8. 게이트웨이는
Figure pat00059
를 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)에게 전송하고, 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)는
Figure pat00060
를 비교하여 인증을 수행한다. 인증이 정상적으로 진행되었다면, 게이트웨이와 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300)는 세션키
Figure pat00061
를 생성하여 이후 안전하게 데이터를 송수신할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 미터링 시스템에서의 안전한 통신의 수행을 위한 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스마트 미터(200)는 다수 개의 스마트 디바이스(110)를 포함하여 하나의 그룹으로 형성된 홈 에너지 관리 장치(HEMS)(100)의 내부 그룹을 인증한다(S510). 한편, 내부 그룹을 인증하는 단계는, 스마트 디바이스(110) 등록 단계; 스마트 디바이스(110)와 스마트 미터(200)간 그룹을 인증 단계; 및 인증이 완료된 그룹의 스마트 디바이스(110)에게 그룹 세션키를 분배하는 단계;를 포함할 수 있다. 이때, 스마트 디바이스(110) 등록 단계는, 그룹에 신규 등록을 위한 스마트 디바이스(110)를 스마트 리더에 등록하는 단계를 포함할 수 있으며, 그룹에 신규 등록을 위한 스마트 디바이스(110)를 스마트 리더에 등록하는 단계는, 스마트 미터(200)가, 그룹의 마스터키를 최초 1회 생성하고, 마스터키를 이용하여 그룹 참여 스마트 디바이스(110)들의 비밀키를 생성할 수 있다. 스마트 디바이스(110)와 스마트 미터(200)간 그룹을 인증 단계는, 임계 비밀 분산(threshold secret sharing) 기법을 이용하여 그룹 인증을 수행할 수 있다.
다음으로, 가입자 인증 서버는, 스마트 미터(200)와 미터 데이터 관리 서버(MDMS)(300) 간의 상호 인증을 수행한다(S520).
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 스마트 디바이스와 스마트 미터 간의 인증을 그룹 인증 방식을 채택함으로써, 스마트 디바이스 간 세션의 수만큼 인증을 수행해야하는 일대일 통신 환경에서 벗어나 스마트 미터와 같은 그룹 리더의 연산 측면에 있어서 스마트 리더의 오버헤드를 효율적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 인증을 수행함에 있어서 비밀 분산을 활용하여 동적으로 그룹의 인증 및 키 교환을 수행함으로 정보의 오용이 발생하는 것을 방지하여 안전한 통신을 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법들은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는, 본 발명을 위한 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서의 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다.
도면에서 동작들이 특정한 순서로 설명되었으나, 그러한 동작들이 도시된 바와 같은 특정한 순서로 수행되는 것으로 또는 일련의 연속된 순서, 또는 원하는 결과를 얻기 위해 모든 설명된 동작이 수행되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정 환경에서 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 아울러, 상술한 실시예에서 다양한 시스템 구성요소의 구분은 모든 실시예에서 그러한 구분을 요구하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 상술한 앱 구성요소 및 시스템은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품 또는 멀티플 소프트웨어 제품에 패키지로 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
100 : 홈 에너지 관리 장치(HEMS)
110 : 스마트 디바이스
200 : 스마트 미터
300 : 미터 데이터 관리 서버(MDMS)

Claims (8)

  1. 가정 내에 설치되어 스마트 미터링 서비스에 가입된 가전기기의 전력 소모 데이터를 수집하는 다수 개의 스마트 디바이스를 포함하고, 상기 스마트 디바이스를 미리 설정된 조건에 따라 하나의 그룹으로 형성하여 관리하고, 수집된 전력 소모 데이터를 전송하는 홈 에너지 관리 장치(HEMS);
    상기 홈 에너지 관리 장치(HEMS)로부터 수집된 스마트 디바이스의 전력 소모 데이터를 수신하고, 상기 스마트 디바이스의 그룹 인증을 수행하고 관리하는 스마트 미터; 및
    상기 전력 소모 데이터를 수신하고 그룹별로 스마트 디바이스의 전력 소모 데이터를 관리하는 미터 데이터 관리 서버(MDMS);를 포함하는 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스마트 미터는 임계 비밀 분산(threshold secret sharing) 기법을 이용하여 그룹 인증을 수행하는 것을 특징으로 하는 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미터 데이터 관리 서버(MDMS)는 가입자 인증 서버를 포함하고,
    상기 가입자 인증 서버는, 스마트 미터링 서비스에 가입된 스마트 미터를 그룹의 속성별로 관리하는 것을 특징으로 하는 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스마트 미터와 상기 미터 데이터 관리 서버(MDMS) 간에 전송되는 전력 소모 데이터는, 상기 가입자 인증 서버에 의해 스마트 미터와 미터 데이터 관리 서버(MDMS) 간의 상호 인증이 수행된 이후 대칭키를 이용해 생성된 세션키를 이용하여 송수신되는 것을 특징으로 하는 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템.
  5. 안전한 통신의 수행을 위한 스마트 미터링 시스템에서의 안전한 통신의 수행을 위한 방법에 있어서,
    스마트 미터가, 다수 개의 스마트 디바이스를 포함하여 하나의 그룹으로 형성된 홈 에너지 관리 장치(HEMS)의 내부 그룹을 인증하는 단계; 및
    가입자 인증 서버가, 스마트 미터와 미터 데이터 관리 서버(MDMS) 간의 상호 인증을 수행하는 단계;를 포함하는 안전한 통신의 수행을 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 내부 그룹을 인증하는 단계는,
    스마트 디바이스 등록 단계;
    스마트 디바이스와 스마트 미터간 그룹을 인증 단계; 및
    상기 인증이 완료된 그룹의 스마트 디바이스에게 그룹 세션키를 분배하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안전한 통신의 수행을 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스마트 디바이스 등록 단계는,
    그룹에 신규 등록을 위한 스마트 디바이스를 스마트 리더에 등록하는 단계를 포함하고,
    상기 그룹에 신규 등록을 위한 스마트 디바이스를 스마트 리더에 등록하는 단계는,
    스마트 미터가, 그룹의 마스터키를 최초 1회 생성하고, 상기 마스터키를 이용하여 그룹 참여 스마트 디바이스들의 비밀키를 생성하는 것을 특징으로 하는 안전한 통신의 수행을 위한 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 스마트 디바이스와 스마트 미터간 그룹을 인증 단계는,
    임계 비밀 분산(threshold secret sharing) 기법을 이용하여 그룹 인증을 수행하는 것을 특징으로 하는 안전한 통신의 수행을 위한 방법.
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