사물인터넷을 위한 저전력 보안 아키텍처

Abstract

사물인터넷은 통신 네트워크 기술과 센서를 활용하여 시공간의 제약 없이 사람과 사물을 유기적으로 연결하고, 실시간으로 데이터를 송수신하여 수집, 저장, 분석할 수 있는 기술이다. 전 산업 분야에서 활용되고 있는 사물인터넷은 개체 수가 증가하고 이용 범위가 증가하면서 네트워크 연결 범위가 확장되었으며, 그에 따라 보안 솔루션에 대한 고려는 필수 요소가 되었다. 그러나 디바이스의 크기, 메모리 용량, 데이터 전송 성능 제약 때문에 고성능 보안 모듈을 적용하기 어렵다. 종래 연구에서는 주로 암호화 알고리즘을 경량화하여 전력 소모량을 감소시켰으나 보안 성능도 함께 열화되는 문제 때문에 대규모 정보 시스템 및 네트워크를 대상으로 고도화, 지능화된 공격을 방어하기 어렵다. 본 연구에서는 사물인터넷 환경에서 고성능의 보안 알고리즘을 활용할 수 있는 저전력 보안 아키텍처인 Wake-Up Security (WUS)를 제안하였다. WUS는 사물인터넷 플랫폼 내 이상 탐지를 수행하는 작은 로직을 추가하여 이상 탐지 결과에 따라 필요한 경우에만 보안 모듈을 실행시켜 이상 탐지가 발생하지 않는 경우에는 적은 전력만 소모할 수 있다. 따라서 주기적으로 고성능 보안 모듈이 실행되는 종래 방식 대비 저전력 환경에서 상대적으로 복잡도가 높은 보안 모듈을 활용하면서도 보안성과 전력 효율성을 제공할 수 있다. 제안하는 WUS의 평가를 위해 UNSW-NB15 (University of New South Wales Network Based 2015) 데이터셋 기반의 Python 시뮬레이터를 구현하여 성능을 비교하였다. 고성능 보안 모듈을 사용하는 종래 방식 및 경량 보안 모듈을 사용하는 종래 방식을 전력 소모량, 지연시간, 보안 성능 측면에서 비교 및 평가했다. 평가 결과에 따르면 제안 모델의 전력 소모량은 종래의 고성능 보안 모듈 대비 약 51.8%, 경량 보안 모듈 (2) 대비 약 27.2% 낮은 누적 전력량을 소모하였으며, 약 74.8%, 65.9% 낮은 누적 지연시간을 보였다. 반면, 공격 빈도가 높은 경우, 일부 구간에서 제안 모델이 더 높은 전력소모량과 지연시간을 보였다. 마지막으로, 보안 성능 측면에서 제안 모델은 평균적으로 약 96.5% 이상의 높은 탐지 정확도를 보였으며, 종래 모델 대비 약 33.5% 더 개선된 탐지 효율 성능을 입증하였다.|In this study, we proposed Wake-Up Security (WUS), a low-power security architecture that can utilize high-performance security algorithms on the Internet of Things environment. WUS adds a small logic that performs anomaly detection in IoT platform and executes the security module only when necessary according to the anomaly detection result. Therefore, it is possible to improve security and power efficiency while using a relatively high-complexity security module in a low-power environment compared to the conventional method of periodically executing a high-performance security module. In this paper, we implemented a Python simulator based on the UNSW-NB15 dataset to evaluate the power consumption, latency, and security performance of the proposed methods. According to the evaluation results, the power consumption of the proposed WUS mechanism is about 51.8% lower than that of the conventional high-performance security module and about 27.2% lower than that of the lightweight security module, and the latency is about 74.8% and 65.9% lower. Furthermore, the WUS mechanism showed a high detection accuracy of about 96.5% or more and proved the detection efficiency performance improved by about 33.5% compared to the conventional model.