I. 개요

LBS(Location Based Services : 위치기반 서비스) 기술을 이용하여 자동차 운행도중 안전성을 향상시키기 위한 방법이 급속히 확산되면서 VANET(Vehicular Ad-hoc Networks)에 대한 관심이 집중되고 있다. 이는 일상생활에도 광범위하게 응용되고 있으며, 산 ？ 학 ？ 연 특히 자동차 산업 분야에서 많은 투자가 이루어지고 있다. VANET 기술은 자동차의 OBU(On-Board Unit) 장치를 통해 V-2-V(Vehicle-to-Vehicle : 차량 vs 차량) 및 V-2-I(Vehicle-to-Infrastructure : 차량 vs 통신인프라) 통신기능을 제공하면서 획기적인 RSU(Road Side Units)를 형성해가고 있다. 특히 도로 연결지점에서 RSU 기능은 서비스 게이트웨이 역할을 실행하고 있다.

이 기능을 통해 도로를 운행 중인 각 자동차는 로컬 및 원격지 서비스센터에 접근하여 교통안전을 위한 다양한 부가서비스를 제공받는 것이다. 이는 기존의 모바일 ad-hoc 네트워크 및 하이브리드 타입의 V-2-V/V-2-I 통신 인프라에 비해 자동차 운행 중 저비용으로 최적의 안전성 관련 서비스를 제공하기 위한 것이다. 이러한 VANET 기술은 가까운 장래에 운행 중인 자동차의 부가서비스 통신 인프라 플랫폼으로 자리잡을 것으로 예상된다. 아울러 LBS 기술력과 접목되면서 매우 다양한 부가가치 응용서비스를 제공할 수 있을 것이다.

그러나 LBS 기술을 이용한 VANET 서비스는 자동차 운전자(사용자)의 개인정보 보안 및 프라이버시 보호에 있어 취약점을 갖고 있다. LBS 서비스 제공자는 서비스 콘텐츠를 공유하기 위해 서비스 리스트에 기록된 차량 사용자의 인증정보를 기반으로 접근을 허락하게 된다. 따라서 VANET 서비스 시스템에서 LBS 기반 콘텐츠 기밀성을 유지하기 위해서는 효율적인 동적 개인정보보호 키 관리체계(Dynamic Privacy-Preserving Key Management Scheme)가 제공되어야 한다. 아울러 LBS 서비스 기반 차량 운전자의 아이덴티티 프라이버시 및 위치 프라이버시 등 추가적인 보안 서비스가 필요하다.

그간 이를 수용하기 위한 많은 연구가 수행되었다. 그러나 VANET의 네트워크 특성 때문에 설계단계에서 이러한 요구가 충분히 적용되지 못한 것이 사실이다. 특히 RSU의 제한된 기능으로 인해 장시간 동안 운행을 계속하는 자동차의 보호 키 관리 업데이트에 제한적인 요인이 되어 왔다.

이 연구에서는 자동차 운전자의 프라이버시 보호를 효과적으로 수행하기 위한 키 업데이트 효율성 향상방법을 제안한다. 제안방식은 동적 사생활 보호 키 관리체계를 통해 LBS 서비스 기반 최적의 부가서비스를 제공할 수 있을 것이다.

II. 네트워크 모델 및 보안 요구사항

1. 네트워크 모델

다수의 분산된 자동차 운전자 U′={U1,U2...}에게 다양한 주행안전성 서비스를 제공하는 SP(Service Provider)들로 구성된 LBS 서비스 네트워크 구조를 [그림 1]에 나타낸다.

* 출처 : Rongxing Lu et al, "A Dynamic Privacy-Preserving Key Management Scheme for Location Based Services in VANETs", IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS, VOL. XX, NO. XX, JULY 2011, p.2.

[그림 1] 자동차 주행안전성 서비스 제공을 위한 네트워크 구조

로컬 및 원격지 네트워크의 서비스 제공자(SP)는 자동차 운전자의 위치탐색 관련 요구사항을 현재 이동위치를 기반으로 최적의 경로설정 정보를 제공한다. 특히 주행 중인 자동차의 실시간 위치탐색을 위해서는 광대역 유무선 채널을 이용한 링크 접속에 의한 도로 연결지점을 탐색할 수 있어야 한다. 아울러 RSU 서비스에 가입된 운전자에게 게이트웨이의 역할을 할 수 있어야 한다. 즉, RSU는 SP의 브로드캐스팅 서비스를 기반으로 중계 메시지를 이동통신 매체를 이용하여 차량의 인포테인먼트(Infortainment=Information+Entertainment) 장치에 전달한다. 이때 고정된 RSU는 통상 도로의 노면측에 위치하여 차량에 브로드캐스팅 및 중계기능을 수행한다.

브로드캐스팅 기능은 특정 지역을 운행 중인 자동차의 운전자에게 직접 서비스 내용을 방송하는 것이며, 중계기능은 로컬 및 원격지 네트워크에 접속 중인 모든 자동차의 인포테인먼트 장치에 도로교통 상황 등 부가서비스를 음성이나 비디오를 통해 제공하는 것이다. 여기서 서비스 콘텐츠를 직접 운행 중인 자동차에 전달하거나 멀티 홉(multi-hop)을 이용한 중계방식으로 전달하는 방법이 있다. 중계방식은 범용의 도로교통 정보를 불특정 다수에게 실시간 전송함으로써 운전자가 특별히 요청하는 서비스를 수용할 수는 없지만 광범위한 지역을 커버해야 하는 RSU의 부하를 줄여줄 수 있어 비교적 저비용으로 서비스 제공이 가능하다.

2. 보안 요구사항

VANET을 통해 제공되는 서비스 콘텐츠의 보안기능은 매우 중요하다. 특히 자동차의 위치를 기반으로 제공되는 서비스의 경우 다음과 같은 기본적인 보안 요구사항을 수용하여 운전자의 개인정보 보호와 아울러 프라이버시를 보호할 수 있어야 한다.

- 자동차 운전자 인증 : 운행 중인 자동차와 가장 근접한 도로상의 RSU를 통해 서비스 콘텐츠를 SP로 전송할 때 LBS 서비스를 요구하는 자동차 운전자 적절성 인증은 필수적이다.

- 기밀성 : 제공되는 서비스 콘텐츠에 대해 비인가자의 악의적인 도청으로 인한 운전자의 개인정보 보호를 위해 운전자의 콘텐츠 접근권한은 LBS세션 연결기능을 실행하여 서비스 콘텐츠의 암호화가 필요하다. 이러한 암호화 된 비밀 세션 키를 모든 VANET 가입 차량 운전자들이 공유할 수 있도록 하는 것이다.

III. 제안방식의 동작원리 및 성능 평가

1. 동작원리

로컬 및 원격지 네트워크에 분산된 다수의 자동차 운전자에게 서비스 되는 콘텐츠를 적절히 배열하기 위해 배열 계산법(pairing computation)과 측정점 누승법(point exponentiation)을 이용하였다. 이는 분산 네트워크의 오버헤드를 줄임으로써 저비용의 이용효율을 달성하기 위한 것이다. Intel 펜티엄 IV 3.0GHz 시스템에서 구동되는 오버헤드 지수 k=6인 경우를 가정하여 동작시킨 결과 PA와 pe에서 측정된 실행시간은 각각 4.5ms와 0.6ms로 나타났다. 이 측정결과를 특정 자동차 운전자의 요구사항을 적용하여 RSU의 부하상태를 점검하였다. 비콘 신호의 메시지를 검증하기 위해 5pe+3pa를 갖는 PPA(Privacy Preserving Authentication) 인증 메시지를 생성하여 RSU의 부하를 측정한 결과 콘텐츠 서비스 제공자(SP)는 2(n+1)PA가 두 배가 되는 것으로 나타났다. 이 때 실행시간은 11pe+(10+2n)pa=51:6+9nms였으며, n=500으로 한 경우 통신 구간 CI=36:1s보다 적은 4:5516s일 때 자동차 운전자에게 최적의 콘텐츠를 제공할 수 있는 것으로 나타났다.

2. 성능 평가

제안방식의 동작 상태를 Java 기반의 주문형 시뮬레이터를 사용하여 성능을 평가하였다. 시뮬레이터는 네트워크 계층을 구현시키고 가정 대역폭과 버퍼 크기가 항상 V-2-V와 V-2-I 커뮤니케이션에 이용 가능하도록 하위 계층을 고려한다. 평가에 사용된 파라미터는 다음과 같다.

- 새로운 서비스 세션 키가 SP에 의해 생성된 후 그 세션이 성공적으로 가입 차량 운전자에게 수신될 때까지의 평균시간 즉, 평균 키 업데이트 지연(KUD)시간이 비교적 양호하게 나타나 실시간 서비스가 가능한 것으로 확인되었다.

- 새로운 서비스 세션 키를 생성한 자동차 운전자 수를 기반으로 규정한 평균 키 업데이트 비율(KUR)이 비교적 양호하게 나타났다. 이로써 전체 차량 모두 동일한 서비스 시간주기로 서비스할 수 있어 콘텐츠의 균일성이나 기밀성 등을 유지하는 데 문제가 없음을 확인하였다.

Ⅳ. 맺음말

이 연구에서는 VANET에서 LBS 서비스 기반 방식의 정보보안을 위해 키 관리체계에 대한 새로운 방식을 제안하였다. 아울러 동적 프라이버시 보호를 위해 도로상의 RSU에서부터 자동차까지 단일 방향의 통신특성을 기반으로 동적 임계치 방식을 기존의 V-2-V 커뮤니케이션과 통합한 새로운 키 업데이트 방식을 제안하였다.

제안 방식은 운행 중인 자동차 운전자의 개인정보 및 프라이버시 보호키를 업데이트하는 데 시간지연을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 세션 키의 기밀성을 유지함으로써 비인가자의 불법 사용으로 인한 개인정보 및 네트워크 리소스의 유출을 막을 수 있음을 확인하였다.