WO2018225928A1 - 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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WO2018225928A1
WO2018225928A1 PCT/KR2018/001052 KR2018001052W WO2018225928A1 WO 2018225928 A1 WO2018225928 A1 WO 2018225928A1 KR 2018001052 W KR2018001052 W KR 2018001052W WO 2018225928 A1 WO2018225928 A1 WO 2018225928A1
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WO
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challenge
ppuf
value
secret key
response
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/001052
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English (en)
French (fr)
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이형준
박소연
정다희
양준성
이정진
임선일
Original Assignee
이화여자대학교 산학협력단
성균관대학교 산학협력단
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Filing date
Publication date
Application filed by 이화여자대학교 산학협력단, 성균관대학교 산학협력단 filed Critical 이화여자대학교 산학협력단
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    • H04L9/32—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols including means for verifying the identity or authority of a user of the system or for message authentication, e.g. authorization, entity authentication, data integrity or data verification, non-repudiation, key authentication or verification of credentials
    • H04L9/3271—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols including means for verifying the identity or authority of a user of the system or for message authentication, e.g. authorization, entity authentication, data integrity or data verification, non-repudiation, key authentication or verification of credentials using challenge-response
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    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
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    • H04L9/32—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols including means for verifying the identity or authority of a user of the system or for message authentication, e.g. authorization, entity authentication, data integrity or data verification, non-repudiation, key authentication or verification of credentials

Definitions

  • the technique described below relates to a data transmission scheme using an adaptive length private key.
  • Security is a very important issue in telecommunications.
  • security technology is attracting attention. In particular, there is a need for effective security technology development in IoT devices with limited energy.
  • the technology described below is intended to provide a data transmission technique using a public physically unclonable function (PPUF).
  • PPUF public physically unclonable function
  • the technique described below is to provide a transmission scheme using a secret key having a variable length in consideration of the available energy of the device.
  • a transmitter outputs a response at a reference time after a first challenge value and the first challenge value are input by using a delay characteristic of a public physically unclonable function (PPUF).
  • PPUF public physically unclonable function
  • An IoT communication system using an adaptive secret key based on PPUF uses a delay characteristic of a public physically unclonable function (PPUF) to input an initial challenge value, a plurality of first challenge values, and each of the first challenge values. Determining a plurality of response values output at a time, and transmitting encrypted data using a secret key generated using the initial challenge value, the reference time, the plurality of response values, and the plurality of first challenge values. Each response is received at the reference time from the time of input of a challenge value in a PPUF circuit having a transmitter and the initial challenge value, the reference time, the plurality of response values and the data, and having the delay characteristics for each of the plurality of response values. Determine a specific second challenge value that outputs the value, and use the secret key generated using the plurality of second challenge values. Received and including the encrypted IoT device for decoding the data.
  • PPUF public physically unclonable function
  • the IoT device determines the initial challenge value for each of the plurality of response values, a PPUF circuit composed of a plurality of XOR gates, a communication circuit for receiving an initial challenge value, a reference time, a plurality of response values and encrypted data from a transmitting node. After inputting to the PPUF circuit, a specific value is selected from all possible challenge values after a specific time has elapsed and is input to the PPUF circuit while the selected challenge value is input. And a control circuit for determining a second challenge value for outputting the signal.
  • the technology described below provides a data transmission scheme or an authentication scheme that can be efficiently applied to IoT devices having limited resources and energy.
  • 2 is an example of a structure and delay information of a public PUF.
  • FIG. 3 is an example of a block diagram for a data transmission system based on PPUF.
  • FIG. 4 is an example of a procedure flow diagram for a data transmission process based on PPUF.
  • FIG. 5 is another example of a block diagram for a data transmission system based on PPUF.
  • FIG. 6 is another example of a procedure flow diagram for a data transmission process based on PPUF.
  • first, second, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, but merely for distinguishing one component from other components. Only used as For example, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may be referred to as the first component without departing from the scope of the technology described below.
  • each process constituting the method may occur differently from the stated order unless the context clearly indicates a specific order. That is, each process may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
  • the technology described below relates to a technique for performing authentication in an IoT system based on a PUF technology.
  • the technology described below relates to a technique for performing message authentication in an IoT device using a key generated based on a PUF technology.
  • the technology described below relates to a technique for performing message authentication in an IoT device using a key having an adaptive length in consideration of the processing power of the device.
  • PUF circuit is a circuit that can determine whether to replicate based on the physical inherent characteristics that show a slight difference in the operation of the circuit due to the minute process variation of the semiconductor process.
  • 1 is an example of the operation of an arbiter PUF.
  • the arbiter PUF of FIG. 1 uses the difference between the minute operation delay time of the upper signal and the lower signal.
  • the arbiter PUF may have a circuit configuration different from that of FIG. 1.
  • Challenge is a value input to the configuration of the PUF circuit
  • Response is an output value of the PUF circuit for the applied challenge. Even if the same challenge is input to the plurality of PUF circuits, the plurality of PUF circuits output different output values due to the inherent delay characteristics of each PUF circuit. As such, each device may be identified or authenticated using hardware characteristics of each PUF circuit.
  • the public PUF (hereinafter referred to as PPUF) may be referred to as a modified version of the arbiter PUF of FIG. 1.
  • FIG. 2 (a) is an example of a circuit constituting the PPUF.
  • the PPUF may have a configuration different from that of FIG. 2 (a) shows a PPUF consisting of six XOR gates.
  • FIG. 2A three XOR gates are configured in two columns.
  • PPUF in FIG. 2 (a) is an example in which the height h is three and the width w is two.
  • the XOR gates A and B each receive two input values (input 1 and input 2).
  • FIG. 2A it is assumed that a value input to the left of the XOR gate is input 1 and a value input to the right is input 2.
  • the XOR gates C and D receive the output values of the XOR gates A and B as two input values, respectively.
  • the XOR gates E and F receive the output values of the XOR gates C and D as two input values, respectively.
  • the XOR gate has a constant transition when a new input value is input.
  • the output value of the XOR gate itself may be changed according to the input value, or may remain as it is.
  • the state transition increases exponentially in successive XOR gates with the height of the XOR gate constituting the PPUF. If the width w is 2 according to one initial input value and the initial input value is changed in a PPUF having h heights, 2 ⁇ 2 h transitions may occur.
  • FIG. 2 (b) is a table showing the delay characteristics for the PPUF of FIG. 2 (a).
  • the delay characteristic for each XOR gate is ps unit time. For example, XOR gate A has a 7.7 delay time for input 1 and a 9.5 delay time for input 2. XOR gate B has 8.3 delay for input 1 and 10.5 delay for input 2. XOR gate C has a 12.4 delay time for input 1 and 8.3 delay time for input 2.
  • a challenge is input to the XOR gates A and B.
  • the response value output in the stabilized state may be a specific value other than "00".
  • the stabilization state can be said to be a specific initial value that can be seen that the output value changes in the future.
  • the XOR gate A will have an output value of '1'. Is changed to '0' (at this point, only input 1 is reflected and the input value is equal to "00").
  • the XOR gate located in the upper row, will then have a state transition in more time.
  • the XOR gate C receives the output value of the XOR gate A as input 1 and the output value of the XOR gate B as input 2.
  • the XOR gate C may receive two inputs 1 and two inputs 2 over time.
  • the XOR gate C may output four different output values over time.
  • PPUFs have different delay characteristics. Delay characteristics specific to individual PPUFs can be used for authentication for communication. Communication is, after all, a technique for delivering a specific message.
  • a transmitter an apparatus for transmitting a specific message
  • a receiver an apparatus for receiving a message transmitted by the transmitter.
  • the receiver authenticates whether the received message is actually a message sent by the transmitter.
  • a communication system assumes an example of performing authentication using a public key and a private key.
  • the public key is the aforementioned PPUF specific delay information.
  • the delay table shown in Fig. 2B can be used as a public key.
  • the message transfer protocol is briefly described first.
  • the transmitter determines x 0 , x 1 and t 1 .
  • x 0 is an input value that causes the PPUF to reach a stabilized state after a certain time.
  • x 1 is the input that brings the transition in the stabilized state.
  • the transmitter can determine the output value y 1 and sends a 0 x, y 1 and t 1 for determining an output value y 1.
  • the receiver may for receiving the x 0, y 1, and t 1 to determine the specific input value x 1. That is, x 1 corresponds to a secret key for message authentication. This requires the transmitter and receiver to share the delay information of a particular PPUF. Therefore, the delay information of a specific PPUF is used as a public key.
  • one device eg, a receiver
  • the other device eg, a transmitter
  • PPUF module a module that implements the physical PPUF in software.
  • System 100 includes a transmitter 110 and a receiver 150.
  • a pair of transmitters 110 and receivers 150 are respectively shown for convenience of description.
  • the transmitter 110 and the receiver 150 share a PPUF that performs the same operation.
  • 3 shows an example in which the transmitter 110 uses a software PPUF module and the receiver 150 uses a physical PPUF circuit.
  • the transmitter 110 uses a software PPUF module. This is called the PPUF simulation module.
  • the PPUF simulation module outputs a response that is output at a specific time when a predetermined challenge is input using delay information of the physical PPUF circuit in the receiver 150.
  • the transmitter 110 includes a control circuit 111, a storage device 112, and a communication circuit 113.
  • the control circuit 111 is a device for controlling the operation of the transmitter 110.
  • the control circuit 110 may be composed of a central processing unit such as a CPU and a memory for storing control commands.
  • Storage 112 stores software for PPUF simulation.
  • the control circuit 110 drives software stored in the storage device 112 to determine the initial input value x 0 , the challenge x 1 , the predetermined time t 1, and the response y 1 output at the time t 1 after the challenge input.
  • the challenge x 1 corresponds to the secret key.
  • Control circuit 110 encrypts specific data using challenge x 1 . It is assumed that certain data is prepared in advance.
  • the transmitter 110 transmits (x 0 , y 1 , t 1 ) and the encrypted data D through the communication circuit 113.
  • the communication circuit 113 may be composed of an antenna, a communication module, and the like.
  • the receiver 150 uses the physical PPUF circuit to determine the challenge x 1 , the secret key.
  • the receiver 150 determines the challenge x 1 using the received information (x 0 , y 1 , t 1 ).
  • the receiver 150 includes a control circuit 151, a PPUF circuit 152, a storage device 153, and a communication circuit 154.
  • the control circuit 151 is a circuit for controlling the operation of the receiver 150.
  • PPUF circuit 152 refers to a specific physical PPUF as described above.
  • Storage device 153 stores software for decrypting the secret key using PPUF circuit 152.
  • the storage device 153 may store the received information and the decoded data.
  • the communication circuit 154 receives certain information from the transmitter 110.
  • Receiver 150 determines the challenge x 1 using (x 0 , y 1 , t 1 ). Receiver 150 determines a challenge x 1 that causes the response y 1 to be output after time t 1 out of all possible challenge candidates.
  • the challenge candidate may include all possible challenges except the basic input value x 0 .
  • Challenge candidates are determined by the width of the PPUF. For example, if the PPUF has a width of 2, then there are 4 challenge candidates (2 2 ). If you exclude the existing input, then the challenge candidate is three challenges.
  • the receiver 150 selects a random challenge from among the challenge sets, inputs the selected challenge in the stabilized state, to the PPUF circuit 152, and checks the response output after the time t 1 after the selected challenge is input.
  • the receiver 150 determines the currently selected challenge as the secret key x 1 when the response output after time t 1 after the selected specific challenge is input is y 1 .
  • the receiver 150 may use the longest time required for determining the secret key and decoding the data as a time limit. For example, the receiver 150 recognizes and processes only the data decoded within the time limit from the time when the message arrives as normal data.
  • the time limit may be set based on a time when the transmitter 110 transmits a message.
  • the PPUF circuit may have a different height and width. For example, if the width of the PPUF circuit is w, the input value x inputted basically has w digits, and the output value y also has w digits. After all w is the length of the secret key.
  • the transmitter 110 uses a software PPUF simulation module and the receiver 150 uses a physical PPUF circuit.
  • the transmitter 110 may use a physical PPUF circuit
  • the receiver 150 may use a software PPUF simulation module.
  • the transmitter 110 first generates a secret key for data encryption (201). The transmitter 110 selects an initial input value x 0 and a specific time t 1 (1). The transmitter 110 inputs an initial input value x 0 into the PPUF (software module or hardware circuit) to wait for a predetermined time elapses (enter the stabilization state). The transmitter 110 selects a particular challenge x 1 from possible challenges (2). The transmitter 110 inputs the challenge x 1 into the PPUF in the stabilized state to determine the response y 1 output after the time t 1 (3).
  • the transmitter 110 encrypts the data to be transmitted using the challenge x 1 as a secret key (202).
  • a secret key As an encryption method using a secret key, one of various algorithms may be used. However, the encryption method used in the transmitter 110 and the decryption method used in the receiver 150 must correspond.
  • the transmitter 110 transmits (x 0 , y 1 , t 1 ) of information determined by the transmitter 110 (211).
  • the transmitter 110 transmits the data D encrypted by the transmitter 110 (211).
  • the transmitter 110 may transmit (x 0 , y 1 , t 1 ) and D simultaneously.
  • the receiver 150 first determines a secret key using the information received by the receiver 150 (221).
  • the receiver 150 inputs the received initial input value x 1 to PPUF and waits for a predetermined time (1). It is assumed that the time to reach the stabilization state after the initial input value x 1 input is a previously shared time. Alternatively, the time for reaching the stabilized state of the transmitter 110 may also be transmitted to the receiver 150.
  • the receiver 150 selects a particular challenge among all possible challenges, inputs the selected challenge and confirms the response at time t 1 . After inputting the challenge, if the response y 1 is output at time t 1 , the receiver 150 determines the currently selected challenge as the secret key (2).
  • the receiver 150 decrypts the encrypted data D using the determined secret key x 1 (222).
  • the communication system may set a time limit for legitimate data processing.
  • the receiver 150 may process the decoded data as legitimate data only when the data is decoded within a predetermined time limit from the time when the message is received.
  • the receiver 150 may process the decoded data as legitimate data only when the transmitter 110 decodes the data within a predetermined time limit from the time when the transmitter 110 transmits the message.
  • the receiver 150 may transmit the decoded data to the transmitter 110.
  • the transmitter 110 may authenticate the receiver 150 as a legitimate receiver. Thereafter, the transmitter 110 may further transmit data encrypted in the same manner to the receiver 150.
  • the timeout can be appropriately set in consideration of system performance, length of secret key, and the like.
  • FIG. 5 is another example of a block diagram for a data transmission system 300 based on PPUF. Unlike the system 100 of FIG. 3, the data transmission system 300 of FIG. 5 uses a plurality of challenge values as a secret key.
  • a pair of transmitters 510 and receivers 550 are respectively shown for convenience of description. As described above, the transmitter 510 and the receiver 550 share a PPUF that performs the same operation. 5 shows an example in which the transmitter 510 uses a software PPUF module and the receiver 550 uses a physical PPUF circuit.
  • the secret key may be configured with a plurality of challenge values.
  • the transmitter 310 may repeat the process of determining the challenge to be used as the secret key m times to determine the plurality of challenges.
  • x means challenge set.
  • the transmitter 310 determines the response that is output at a specific time t after each challenge input in the stabilized state.
  • the transmitter 310 may generate a secret key X by concatenating the determined challenge.
  • the transmitter 310 may generate X by combining x 1 , x 2 ,..., X m in order.
  • X is a binary string that concatenates the challenge.
  • the transmitter 310 may generate the X by selecting the challenges in x in any order or in a specific order. Meanwhile, the criterion for generating X by the transmitter 310 should be shared with the receiver 350.
  • the PPUF circuit may have a different height and width.
  • the width of the PPUF circuit is w
  • the challenge input basically has w digits
  • the response also has w digits. Therefore, if one challenge has the number of digits in w and the secret key X uses all the challenge sets, the length of the secret key is w x m.
  • the transmitter 110 encrypts the data using the combined secret key X.
  • the transmitter 310 also transmits data encrypted with X.
  • the transmitter 310 may further transmit information on a rule for generating a secret key X as a challenge set.
  • the transmitter 510 uses a PPUF simulation module.
  • the PPUF simulation module outputs a response that is output at a specific time when a predetermined challenge is input using delay information of the physical PPUF circuit in the receiver 550. Therefore, the PPUF simulation module must be prepared in advance based on information on the characteristics of the physical PPUF circuit.
  • the transmitter 510 includes a control circuit 511, a storage device 512, and a communication circuit 513.
  • the control circuit 511 is a device for controlling the operation of the transmitter 510.
  • the control circuit 510 may be composed of a central processing unit such as a CPU and a memory for storing control commands.
  • Storage 512 stores software for PPUF simulation.
  • the control circuit 510 drives software stored in the storage device 512 to determine the initial input value x 0 , the challenge set x, the predetermined time t, and the response set y output at the time t after the challenge input.
  • the control circuit 110 encrypts specific data using the secret key X generated using the challenge set x. It is assumed that certain data is prepared in advance.
  • the transmitter 110 transmits (x 0 , y, t) and the encrypted data D through the communication circuit 113.
  • the communication circuit 113 may be composed of an antenna, a communication module, and the like.
  • the receiver 350 first determines a plurality of challenges constituting the secret key using the received information. Receiver 350 determines a challenge set x 'that outputs each response included in response set y. The receiver 350 determines the challenge set x 'by repeating the process of determining the challenge for each response included in the response set y. The challenge set x 'is a value constituting a secret key for decoding data D. The receiver 350 determines the secret key X using the challenge set x 'and decodes the data D using the secret key X.
  • the rules that make up the private key is the "the order (x challenge included in the 'i) with each intercepted challenge ridge set x to be defined by the arrangement order (X i) of the private key.
  • the rule for configuring the secret key is x ' i It may be a table matching X i with X i .
  • the rule for configuring a secret key may be a function that receives an input value x ' i and outputs an output value X i .
  • the transmitter 310 and the receiver 350 must share such a rule.
  • the transmitter 310 and the receiver 350 may store data corresponding to a rule in advance. Alternatively, the transmitter 310 may transmit the corresponding rule to the receiver 350 in the process of transmitting the encrypted data D.
  • the receiver 350 determines the challenge set x constituting the secret key X using the physical PPUF circuit.
  • the receiver 150 determines the challenge set x using the received information (x 0 , y, t).
  • the receiver 350 includes a control circuit 351, a PPUF circuit 352, a storage device 353, and a communication circuit 354.
  • the control circuit 351 is a circuit for controlling the operation of the receiver 350.
  • PPUF circuit 352 means a specific physical PPUF as described above.
  • the storage device 353 stores software for decrypting the secret key using the PPUF circuit 352. In addition, the storage device 353 may store the received information and the decoded data.
  • the communication circuit 354 receives certain information from the transmitter 310.
  • the control circuit 351 determines the challenge set x 'using (x 0 , y, t).
  • the control circuit 351 inputs an initial input value x 0 to the PPUF circuit 352 to create a stabilized state.
  • the PPUF circuit 352 reaches a stabilization state after a predetermined time elapses after receiving the initial input value x 0 .
  • the control circuit 351 determines the challenge for each response included in the response set y.
  • the process of determining the challenge for a response (assuming y 1 ) is described.
  • the control circuit 351 determines the challenge x 1 that causes the response y 1 to be output after the time t for the challenge candidates in all cases that can be input to the PPUF circuit 352.
  • the challenge candidate may include all possible challenges except the basic input value x 0 .
  • the receiver 150 selects a random challenge from among the challenge candidates, and checks for a response that is output when a time t elapses from the time when the selected challenge is input to the PPUF circuit 152 in the stabilized state. The receiver 150 determines if the currently selected challenge response that is output to a time point at which the selected time t after the lapse of a specific challenge the input y 1 to the challenge x '1 constituting the secret key.
  • the control circuit 351 generates the secret key X 'using the challenge set x'.
  • the control circuit 351 decodes the data D with the generated secret key X '.
  • the challenge set x 'generated by the control circuit 351 is the same as the challenge set x generated by the transmitter 310.
  • the secret key X 'generated with the same rule is the same as the secret key generated by the transmitter 310. Therefore, when the control circuit 351 performs a decryption process corresponding to the encryption of the transmitter 310, it is possible to correctly decrypt the encrypted data D.
  • the receiver 150 may use the longest time required for determining the secret key and decoding the data as a time limit. For example, the receiver 150 recognizes and processes only the data decoded within the time limit from the time when the message arrives as normal data.
  • the time limit may be set based on a time when the transmitter 110 transmits a message.
  • the timeout may be determined according to the number of challenges constituting the secret key and the time taken to determine one challenge.
  • the transmitter 110 uses a software PPUF simulation module and the receiver 350 uses a physical PPUF circuit.
  • the transmitter 310 may use a physical PPUF circuit
  • the receiver 350 may use a software PPUF simulation module.
  • the transmitter 310 may use a secret key having a specific length according to the performance of the system, the resource situation of the system, the communication status, the remaining energy, the user's request, and the like.
  • the transmitter 310 can generate a secret key by selecting the appropriate m.
  • the energy and time required for the transmitter 310 and the receiver 350 to transmit data vary.
  • the transmitter 310 or receiver 350 is a device with limited energy, such as an IoT device, a secret key of appropriate length is preferred.
  • the receiver 350 performs a specific task. If the receiver 350 performs a task, it must use system resources at a certain time. If the transmitter 310 encrypts the data by generating a secret key of a relatively long length (high security level), the receiver 350 must use a relatively large amount of resources and energy even in the process of decrypting the encrypted data. In this case, the receiver 350 may not properly handle the conventional task. Therefore, it is preferable that the transmitter 310 adjust the length of the secret key in advance in consideration of resource conditions and energy of the receiver 350.
  • the length of the secret key means the number m of challenges constituting the secret key X.
  • the maximum energy that the receiver 350 can use for a certain period of time is called E max .
  • the energy required for the receiver 350 to perform the above-mentioned task is called E load .
  • E load the energy required for the receiver 350 to perform the above-mentioned task.
  • E rem E max -E load . Therefore, it is desirable to set the maximum security level based on the residual energy E rem .
  • the transmitter 310 may use an experimental model that can estimate the energy consumed in secret key generation and encryption according to the secret key length. Experimental models can be prepared through iterative experiments. Furthermore, various logical models can be prepared for estimating the energy consumed for secret key generation and encryption. A model for estimating the energy consumed for secret key generation and encryption is presupposed. In this case, the transmitter 310 may drive the PPUF simulation model and estimate the expected energy consumption.
  • the transmitter 310 may generate a secret key of a certain length and estimate energy consumed through the simulation.
  • energy consumed for secret key generation and encryption corresponds to energy consumed for secret key generation and decryption at the receiver 350.
  • the transmitter 310 knows information about the residual energy E rem of the receiver 350.
  • the transmitter 310 may determine the length of the secret key having the highest security level in consideration of the remaining energy of the specific receiver 350. That is, the transmitter 310 may select a secret key suitable for the remaining energy E rem of the receiver 350 while changing the length of the secret key.
  • the transmitter 310 may previously hold information about energy consumed for secret key generation and encryption for various secret key lengths. Table 1 below shows an example of energy consumed to generate a secret key and energy consumed to encrypt 20 Kbytes of data with the secret key. In this case, if the transmitter 310 knows the residual energy E rem of the receiver 350, the transmitter 310 may immediately determine the length of the secret key. The transmitter 310 prepares a challenge set x to have a length of the corresponding secret key.
  • the transmitter 310 estimates the energy consumed. This takes into account the case where the energy of the stage of the receiver 350 is more limited.
  • the transmitter 310 may be a server or gateway device, and the receiver 350 may be an IoT device.
  • the transmitter 310 may use a model for estimating the energy consumed in generating and decrypting the secret key at the receiver 350.
  • the transmitter 310 may continue to transmit data encrypted using the same secret key to the same receiver 350. Furthermore, the transmitter 310 may transmit data while changing the secret key periodically or aperiodically. When changing the secret key, the transmitter 310 must send a new (x 0 , y, t) with D. Furthermore, the transmitter 310 may change the period of changing the secret key, etc. in consideration of the current security level (the length of the secret key). For example, if the security level is low, the transmitter 310 may change the secret key frequently. The transmitter 310 may further increase security by changing a period of changing the secret key for the same receiver 350.
  • 6 is another example of a procedure flow diagram for a data transmission process 400 based on PPUF. 6 shows an example in which the transmitter 310 controls the length of the secret key.
  • the transmitter 310 collects information on the available energy situation of the receiver 350 in advance (401). In some cases, the transmitter 310 may receive available energy information of the receiver 350 from the control center.
  • the transmitter 310 generates a secret key for data encryption (411).
  • the transmitter 310 determines the appropriate length m of the secret key in consideration of the available energy of the receiver 350.
  • the transmitter 310 may determine the length of the secret key having the highest security level in the available energy range (1).
  • the transmitter 310 selects an initial input value x 0 and a specific time t (2).
  • the transmitter 310 inputs an initial input value x 0 into the PPUF (software module or hardware circuit) to wait for a predetermined time elapses (enter the stabilization state).
  • the transmitter 310 selects a plurality of challenges by repeating a process of selecting a specific challenge in a stabilized state in consideration of a secret key length.
  • the transmitter 310 generates a secret key X having a length m using the challenge set x (4).
  • the transmitter 310 encrypts the data to be transmitted using the secret key X (412).
  • the secret key X 412
  • an encryption method using a secret key one of various algorithms may be used. However, the encryption method used by the transmitter 310 and the decryption method used by the receiver 350 must correspond.
  • the transmitter 310 transmits (x 0 , y, t) of information determined by the transmitter 310 (421).
  • the transmitter 310 transmits the data D encrypted by the transmitter 310 (421).
  • the transmitter 110 may transmit (x 0 , y, t) and D simultaneously.
  • the receiver 350 first determines a secret key by using the received information (431). The receiver 350 repeats the same process for each response included in the response set y to determine the challenge set x 'for the entire response (1).
  • the receiver 350 inputs the received initial input value x 1 to PPUF and waits for a predetermined time. It is assumed that the time to reach the stabilization state after the initial input value x 1 input is a previously shared time. Alternatively, the time for reaching the stabilized state of the transmitter 310 may also be transmitted to the receiver 350.
  • the receiver 350 selects a particular challenge from the possible challenge candidates for each response in the response set, inputs the selected challenge and confirms the response at time t.
  • the receiver 350 After the receiver 350 inputs the selected challenge to the PUFF circuit and the currently selected response is output at time t, the receiver 350 determines the currently selected challenge as the challenge for the currently selected response. Through this, the receiver 350 may prepare a challenge set x 'for the response set y. Thereafter, the receiver 150 generates a secret key X using the challenge set x '(2).
  • Receiver 350 now decrypts the encrypted data D using the determined secret key X (432).
  • the communication system may set a time limit for legitimate data processing.
  • the receiver 350 may process the decoded data as legitimate data only when the data is decoded within a predetermined time limit from the time when the message is received.
  • the receiver 350 may process the decoded data as legitimate data only when the transmitter 310 decodes the data within a predetermined time limit from the time when the transmitter 310 transmits the message.
  • the receiver 350 may transmit the decoded data to the transmitter 310.
  • the transmitter 310 may authenticate the legitimate receiver. Thereafter, the transmitter 310 may further transmit the encrypted data to the receiver 350 in the same manner.
  • the timeout may be appropriately determined in consideration of the performance of the system, the length of the secret key, and the like.
  • FIG. 7 is an example of a data transmission system 500 based on PPUF.
  • System 500 includes a transmitter 510 and receivers 550A and 550B.
  • the transmitter 510 has a PPUF simulation module as described in FIG. 5.
  • system 500 includes two receivers 550A and 550B.
  • the transmitter 510 has two PPUF simulation modules with the delay characteristics of the PPUF circuit in the two receivers 550A and 550B.
  • the PPUF simulation module A is a module based on the delay characteristics of the PPUF circuit A included in the receiver 550A.
  • the PPUF simulation module B is a module based on the delay characteristics of the PPUF circuit B included in the receiver 550B.
  • the transmitter 510 transmits different information to the receiver 550A and the receiver 550B.
  • 7 is input initial values that the transmitter 510 to a receiver (550A) x a, a response set y b, time transmitting a t b, and input to a receiver (550B), the initial value x a, sets a response y c, time t c Shows an example of transmitting.
  • the input initial value may also use different values for different receivers.
  • the secret key used by the transmitter 510 to encrypt the data differs between the two receivers 550A and 550B. Further, the transmitter 510 determines the length of the secret key in consideration of the available energy of the receivers 550A and 550B.
  • the length of the secret key that the transmitter 510 transmits to each receiver 550A or 550B may be different. After all, even though the actual data to be transmitted is the same, the encrypted data D A and D B transmitted by the transmitter 510 to the two receivers 550A and 550B are different from each other.
  • the actual transmitter 510 and the receiver 550 may be various devices.
  • the transmitter 510 may be various devices such as a server, a mobile terminal, a PC, an IoT device, and the like.
  • the receivers 550A and 550B may also be various devices such as servers, portable terminals, PCs, IoT devices, and the like.
  • Either the transmitter 510 or the receiver 550A, 550B may be a device that lacks energy and resources.
  • the energy available to the receiver 550B is a finite IoT device.
  • Receiver 550B may be a sensor device that collects specific information.
  • the receiver 550B preferably includes a physical PPUF circuit as shown in FIG.
  • the receiver 550B must repeatedly determine the challenge value used as the secret key by using the received information. It may be efficient to use a physical PPUF circuit.
  • the transmitter 510 uses an appropriate secret key length in consideration of the situation where the energy is limited in the IoT device, the receivers 550A and 550B have no problem in performing their own operations.

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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
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.
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 PPUF에 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)로 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 PPUF를 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) 한 쌍을 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 w라면, 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 PPUF에 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 w라면, 기본적으로 입력되는 챌린지는 w 자리수를 갖고, 리스폰스도 w 자리수를 갖게 된다. 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. 챌린지 세트 x'는 데이터 D를 복호하기 위한 비밀키를 구성하는 값이다. 수신기(350)는 챌린지 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 PCTKR2018001052-appb-T000001
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)에 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.

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 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 포함하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 PPUF에 입력되는 초기 챌린지값을 상기 정보에 더 포함하여 전송하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법.
  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 이용하여 상기 제1 챌린지 세트에 포함되는 제1 챌린지의 개수를 결정하는 단계를 더 포함하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정보는 초기 챌린지값을 더 포함하고,
    상기 수신기는 상기 리스폰스 세트 중 어느 하나의 리스폰스값에 대해 상기 초기 챌린지값을 상기 PPUF 회로에 입력한 후 특정 시간이 경과한 후에 가능한 모든 챌린지값 중에서 특정한 값을 선택하여 상기 PPUF 회로에 입력하는 과정을 반복하면서 선택한 챌린지값이 입력된 시점부터 상기 기준 시간에 상기 어느 하나의 리스폰스값을 출력하는 제2 챌린지값을 결정하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 데이터 전송 방법.
  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 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 포함하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 IoT 통신 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 수신기의 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 수신기의 가용 에너지 정보를 이용하여 상기 복수의 제1 챌린지값을 구성하는 제1 챌린지의 개수를 결정하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 IoT 통신 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 IoT 디바이스는 상기 PPUF 회로를 포함하고,
    상기 복수의 리스폰스값 중 어느 하나의 리스폰스값에 대해 상기 초기 챌린지값을 상기 PPUF 회로에 입력한 후 특정 시간이 경과한 후에 가능한 모든 챌린지값 중에서 특정한 값을 선택하여 상기 PPUF 회로에 입력하는 과정을 반복하면서 선택한 챌린지값이 입력된 시점부터 상기 기준 시간에 상기 어느 하나의 리스폰스값을 출력하는 제2 챌린지값을 결정하는 PPUF에 기반한 적응적 비밀키를 사용하는 IoT 통신 시스템.
  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 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 포함하는 IoT 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어 회로는 복수의 상기 제2 챌린지값을 비밀키로 이용하여 상기 데이터를 복호하는 IoT 디바이스.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 리스폰스값을 구성하는 각 리스폰스값의 개수는 상기 송신 노드가 상기 IoT 디바이스의 가용 에너지를 기준으로 결정하는 IoT 디바이스.
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