GIST, 사물인터넷 적합 데이터 압축 기반 물리계층 무선 통신 인증방식 개발

GIST(지스트, 총장 김기선) 기계공학부 황의석 교수 연구팀이 사물인터넷(Internet of Things, IoT)에 적합한 물리계층 무선 통신 인증방식(communication authentication)을 개발하였다.

물리계층은 무선 통신의 내재 된 물리적 특성 및 수단들을 포함하는 통신 계층 중 하나이고, 통신 인증(communication authentication)은 기기의 사용자의 신원 정보를 확인하고 통신 당사자(서버, 장비 등) 간에 신원에 대한 유효성을 확인하는 것을 의미한다.

기존의 암호학 기반 인증방식은 많은 계산량을 요구해 소모되는 에너지량이 크고 통신 지연시간이 길다는 문제로 인해 IoT 기기에 적용하는 데 한계가 있었다.

제한된 하드웨어 리소스(메모리, 통신 대역폭 등)가 있는 IoT 장치에서는 실시간으로 고용량의 데이터를 전송하는 것이 어려울 수 있다. 또한, 실시간 데이터 전송과 인증방식의 높은 계산량은 전력 소모가 크기 때문에 IoT 장치의 배터리 교체 비용 등 추가적인 관리비용을 발생시킬 수 있다.

따라서, 개발된 데이터 압축기반 물리계층 무선 통신 인증방식은 복잡한 수학적 연산과정이 필요없고 압축된 데이터 전송이 가능해 IoT 네트워크망의 부담을 줄여줄 수 있으며 IoT 장치의 유지 관리에도 효과적일 것으로 기대된다.

본 연구를 통해 인증방식의 계산 복잡도를 낮추고 보안성을 향상하였으며, 전력 사물인터넷의 실제 데이터를 활용하여 실효성을 검증하였다.

연구팀은 IoT 환경에서 적합한 인증방식의 개발을 위하여 압축센싱 기반의 데이터 인증방식을 개발하였다.
압축센싱은 신호를 나이키스트 속도(Nyquist rate: 원신호를 복원할 수 있는 최소의 주파수) 이상으로 샘플링하지 않아도 완전하게 신호를 재생할 수 있는 압축 기법이다.

송신단에서 데이터를 압축 후 송신하여 데이터 전송량을 감소시켰으며, 압축에 활용하였던 압축행렬을 수신단 측에 공유하여 수신단에서는 데이터 복원이 가능하다. 동시에 압축행렬을 인증키로 활용함으로써 압축과 인증을 같이 수행할 수 있도록 하였다.

압축률에 따른 통신에서의 에너지 사용량에 대한 분석 결과, 데이터를 80%를 압축할 경우 에너지 사용량의 최대 80%가 감소함을 보였고 제안하는 방식의 보안성을 검증하기 위해 다양한 환경(부반송파 수, 신호대 잡음 전력 비율)에서 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하였다.

부반송파 수가 64, 신호대 잡음비가 8dB인 경우, 평균적으로 100,000회 인증 시도 중에 약 1회 인증 에러가 발생하는 것을 보였다.

황의석 교수는 “이번 연구는 대규모 IoT 환경에서 적용가능한 가벼운 통신 인증방식을 개발했다는데 가장 큰 연구의 의의가 있으며, 향후 다양한 정보를 공유하는 빅데이터 환경에 적합한 보안 솔루션으로 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

지스트 기계공학부 황의석 교수(제2저자)와 디킨대학교 정보기술학부 최진호교수가 주도하고 이용구 연구원(차세대에너지연구소)이 참여한 이번 연구는 정보통신기획평가원(Institute for Information & communication Technology Planning & evaluation, IITP) 과제의 자원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 IEEE Access에 최근 게재되었다.