UAV 군집 환경에서 제로트러스트 기반 PUF 경량 상호인증 프로토콜

PDP는 접근 요청에 대한 허용 또는 차단을 판단하는 중앙 결정 기능을 수행하는 정책 결정 지점이다. 사용자 신원, 기기 상태, 환경 컨텍스트 등 다양한 속성을 종합하여 정책을 평가한다.

PEP는 PDP의 판단 결과를 실제 네트워크에서 집행하는 정책 이행 지점이다. PEP에서는 접근 허용, 제한, 차단 등의 조치를 수행한다. 또한 제로트러스트는 접근 통제 시 단일 인증 결과에만 의존하지 않고, 신뢰 점수(Trust Score) 기반의 동적 위험 평가를 수행하여, 인증된 주체라 하더라도 세션 유지 중 컨텍스트가 변화하면 접근 권한을 실시간으로 재조정할 수 있다. 이는 기존의 이분법적(허용/차단) 접근 통제와 근본적으로 차별화된다.

미 국방부는 제로트러스트 참조 아키텍처 v2.0[8]을 발표하고 국내에서는 과학기술정보통신부가 2024년 제로트러스트 가이드라인 2.0[9]를 발표하여 군사 시스템을 포함한 고신뢰 환경에의 적용 기준을 제시하였다. 또한 오충만 등이 사이버전자전 환경에서 무선 통신 위협에 대한 제로트러스트 기반 대응 방안[10]을 제시하였으며, 강대영 등은 제로트러스트 2.0 가이드라인을 기반으로 한국군 C4I체계에 속성기반접근통제(ABAC)를 적용한 계층형 보안정책 구조를 설계[11]하였다. 그러나 UAV 군집과 같이 자원 제약이 심한 무인체계 환경에 대한 제로트러스트 적용 연구는 아직 초기 단계에 있다. 특히 제로트러스트의 PDP-PEP 구조와 신뢰 점수 기반 동적 위험 평가를 UAV 군집에 적용하기 위해서는 경량화된 인증 수단이 반드시 수반되어야 한다.

통신에 참여하는 양측이 서로의 신원을 검증하는 절차이다. UAV 군집 환경에서는 UAV와 지상기지국 간, 그리고 UAV 상호 간에 정당한 노드임을 확인하는 과정이 선행되어야 안전한 데이터 교환이 가능하다.

공격자가 정상 UAV 또는 GCS의 신원을 위조하여 네트워크에 접근하는 공격이다. 특히 UAV가 물리적으로 포획된 후 추출된 자격증명으로 정상 노드를 위장하는 포획 기반 위장 공격(Post-Capture Impersonation)은 초기 인증만으로는 탐지가 불가능하다.

공격자가 정상적으로 송수신된 인증 메시지를 가로채어 저장한 후, 이를 나중에 재전송함으로써 인증 절차를 우회하는 공격이다. 타임스탬프나 난수(nonce)를 검증하지 않는 경우 발생할 수 있다.

악성 노드가 정상적인 통신을 하는 두 노드 사이에 위치하면서, 송수신되는 메시지와 패킷을 가로채거나 변조하는 공격이다.

공격자가 비행 중이거나 착륙한 UAV를 물리적으로 탈취하여, 내부에 저장된 암호 키, 인증 정보 등을 추출하는 공격이다. PUF는 하드웨어의 물리적 특성에 기반하여 키를 생성하므로, 칩을 분해하더라도 동일한 값을 복제할 수 없어 이에 대한 저항성을 제공한다.

초기 인증이 완료된 이후 유지되는 세션을 공격자가 가로채거나, 인가된 내부 노드가 악의적으로 행동하는 경우이다. 기존의 경계 기반 보안 모델에서는 초기 인증 이후 노드를 신뢰하므로 이러한 위협에 대응하기 어렵다. 제로트러스트의 지속적 검증 원칙은 세션 유지 중에도 주기적으로 노드의 신원을 재확인함으로써 이에 대응할 수 있는 구조적 기반을 제공한다.

각 노드가 고유한 신원을 가지며, 이를 물리적으로 복제할 수 없음이 보장되어야 한다. PUF는 제조 공정의 물리적 변동성에 기반하여 각 칩마다 고유한 응답을 생성하므로, 하드웨어 수준에서 기기 복제 불가성을 보장한다.

제로트러스트 아키텍처의 정책결정지점(PDP) 역할을 수행한다. 모든 UAV의 PUF CRP 데이터베이스를 보유하며, 초기 등록 및 인증뿐 아니라 세션 유지 중 발생하는 재인증 요청에 대한 정책 판단을 담당한다.

군집 내에서 GCS와 직접 통신하는 대표 UAV로, 정책집행지점(PEP) 역할을 수행한다. GCS의 정책 판단 결과를 수신하여 멤버 UAV에 대한 접근 통제를 실행하며, 주기적 PUF 재인증 요청을 중계한다.

PUF 칩을 탑재하고 있으며, 초기 군집 합류 시 CH를 통해 GCS에 등록·인증된다. 이후에도 CH로부터 주기적인 PUF 챌린지를 수신하고 리스폰스를 반환하여 신원을 재검증받는다.

위협 모델 측면에서는 적대적 UAV 노드의 존재를 가정한다. 공격자는 정상 UAV를 물리적으로 탈취하거나 악성 노드로 교체할 수 있으며, 군집에 합류하여 내부 통신을 교란하거나 허위 데이터를 주입하려 시도할 수 있다. 지상기지국은 물리적으로 보호된 환경에서 운용되므로 신뢰할 수 있는 노드로 가정한다[1]. 특히 본 논문에서는 2-3절에서 정의한 위장 공격 중에서도, 비행 중 정상 UAV가 물리적으로 포획된 후 공격자가 추출한 자격증명을 이용해 정상 노드로 위장하는 포획 기반 위장 공격(Post-Capture Impersonation) 시나리오를 명시적으로 위협 모델에 포함한다.

Step C1 (CH). CH는 주기 τ마다 위임받은 CRP 집합에서 다음 챌린지 $$ {\mathrm{C}}_{\mathrm{i}}^{\text{new}}$$를 선택하고, 재인증 요청 메시지 M_R = {$$ {\mathrm{C}}_{\mathrm{i}}^{\text{new}}$$, N_R, T_R}을 U_i에게 전송한다.

Step C2 (U_i). U_i는 $$ {\text{R}}_{\mathrm{i}}^{\text{new}}$$ = PUF_i($$ {\mathrm{C}}_{\mathrm{i}}^{\text{new}}$$)를 계산하고, 응답 생성 시간 T_U를 포함하여 V_R = h($$ {\text{R}}_{\mathrm{i}}^{\text{new}}$$ ‖ N_R ‖ T_R ‖ T_U)을 생성하여 CH에 반환한다: $$ {\mathrm{M}}_{\mathrm{R}}^{\prime }$$ = {V_R, T_U}

Step C3 (CH). CH는 응답 수신 시간 $$ {\mathrm{T}}_{\mathrm{R}}^{\prime }$$를 기록하고, 위임받은 예상 응답 $$ {\text{R}}_{\mathrm{i}}^{\text{new}}$$을 이용하여 $$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{R}}^{\prime }$$ = h($$ {\text{R}}_{\mathrm{i}}^{\text{new}}$$ ‖ N_R ‖ T_R ‖ T_U)을 계산하여 수신한 V_R과 비교한다. 다음 세 가지 컨텍스트 조건을 평가하여 신뢰 점수 산출에 활용한다.

• • 조건 1 (PUF 응답 무결성): V_R = $$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{R}}^{\prime }$$ 여부
• • 조건 2 (응답 적시성): $$ {\mathrm{T}}_{\mathrm{R}}^{\prime }$$ - T_R ≤ Δ_max 여부
• • 조건 3 (행위 일관성): 해당 UAV의 이전 통신 패턴 대비 이상 여부

CH는 Step C3에서 평가한 세 가지 조건을 종합하여 해당 U_i의 신뢰 점수 TS(U_i)를 산출한다.

여기서 S_puf, S_time, S_beh는 각각 무결성, 적시성, 행위 일관성에 대한 점수(0~1)이며, 가중치 w₁ = 0.5, w₂ = 0.3, w₃ = 0.2로 설정한다. PUF 응답 무결성(w₁)에 최대 가중치를 부여하는 근거는 PUF 응답 불일치가 하드웨어 수준의 신원 위조를 의미하는 가장 직접적인 증거이기 때문이다. 응답 적시성(w₂)은 재전송 공격 방어의 핵심 지표이며, 행위 일관성(w₃)은 네트워크 교란 등에 의한 오탐을 줄이기 위해 보조 지표로서 가장 낮은 가중치를 부여한다.

단, PUF 응답 무결성(S_puf)이 0인 경우, 다른 조건과 무관하게 TS(U_i) = 0으로 설정한다. 이는 PUF 불일치가 포획 후 위장 공격의 직접적 증거이므로, 즉시 격리가 필요하기 때문이다. 가중치의 정밀 최적화는 운용 환경과 위협 수준에 따라 조정 가능하며, 시뮬레이션 기반 최적값 도출은 향후 연구 과제로 남긴다.

군집 내 헤더 드론(CH)은 산출된 신뢰 점수에 따라 표 2와 같이 차등적 정책 대응을 수행한다. 이는 제로트러스트의 최소 권한 원칙을 구현하는 것으로, 획일적인 허용/차단이 아닌 위험 수준에 따른 동적 접근 통제를 가능하게 한다.

Table 2.

Action based on trust score

• 정상 상태 (TS ≥ 0.7)

PUF 응답 무결성, 응답 적시성, 행위 일관성이 모두 양호한 경우이다. CH는 해당 U_i의 군집 내 통상 통신을 유지하고, 기본 재인증 주기 τ를 그대로 적용한다. 해당 UAV는 정찰 데이터 송수신, 군집 대형 유지를 위한 좌표 교환, GCS로부터의 임무 명령 수신 등 모든 군집 기능에 제한 없이 참여할 수 있다.

• 주의 상태 (0.4 ≤ TS < 0.7)

PUF 응답은 일치하나 응답 지연이 임계값에 근접하거나, 행위 일관성 점수가 저하된 경우이다. 이는 네트워크 교란, 일시적 통신 장애, 또는 공격의 초기 징후일 수 있으므로, CH는 다음과 같은 제한적 조치를 수행한다. 첫째, 재인증 주기를 τ/2로 단축하여 해당 노드에 대한 검증 빈도를 높인다. 둘째, 정밀 타격 명령, 군집 대형 변경 등 고위험 명령의 수신 및 실행을 제한한다. 셋째, GCS에 해당 UAV의 주의 상태 전환 이벤트를 보고하여, 군집 전체의 상황 인식을 지원한다. 주의 상태의 UAV가 이후 재인증에서 신뢰 점수가 회복되면 정상 상태로 복귀하며, 지속적으로 점수가 하락하면 격리 상태로 전환된다.

• 격리 상태 (TS < 0.4)

PUF 응답이 불일치하거나, 복수의 조건에서 동시에 이상이 탐지된 경우이다. 특히 PUF 무결성(S_puf)이 0인 경우, 다른 조건과 무관하게 TS = 0으로 자동 설정되어 즉시 격리가 적용된다. 이는 포획 후 위장 공격의 직접적 증거이기 때문이다. CH는 즉시 다음 절차를 수행한다. 첫째, 해당 U_i를 군집 통신에서 격리하여 모든 데이터 송수신을 차단한다. 둘째, 해당 노드와의 세션 키를 무효화하여 이후 통신을 완전히 차단한다. 셋째, GCS에 이상 이벤트를 보고(log: ID_i, 실패 유형, TS 값, 시각)한다. 해당 UAV의 군집 재합류 여부는 GCS의 정책 판단에 따라 결정된다. 신뢰 점수 계산은 이미 수행되는 PUF 응답 검증과 타임스탬프 비교 결과를 재활용하는 산술 연산으로 구성되므로, 전체 인증 오버헤드에 미치는 영향은 무시 가능한 수준이다.

제안 기법은 초기 상호인증 단계에서 GCS와 U_i가 PUF 응답 기반 검증값 V₁, V₂를 교환하여 양방향 인증을 달성한다. 일반 위장 공격의 경우, 공격자는 PUF_i(·) 함수에 접근할 수 없으므로 V₁ 검증 단계에서 탐지된다. 포획 기반 위장 공격(Post-Capture Impersonation)의 경우, 공격자가 자격증명을 추출하더라도 PUF 칩 자체는 물리적으로 복제가 불가능하므로 올바른 응답을 생성할 수 없다. 또한 지속적 재인증을 통해 세션 유지 중에도 주기적으로 새로운 챌린지를 전송하므로, 포획된 자격증명으로 위장한 공격자는 최초 재인증 주기 τ 이내에 탐지되어 격리된다. 반면 SUKA[5] 및 PUF Only[6]는 초기 인증 시점에만 PUF 검증을 수행하므로, 초기 인증 이후 발생하는 포획 기반 위장 공격에는 대응할 수 없다.

제안 기법은 매 인증 및 재인증 메시지에 난수와 타임스탬프를 포함하며, 사용된 CRP는 데이터베이스에서 제거되므로 재전송 및 재사용이 불가능하다. 또한 GCS가 PUF 응답을 마스킹($$ {\mathrm{C}}_{\mathrm{i}}^{*}$$ = C_i ⊕ h(R_i ‖ N₁))하여 전송하므로, 공격자가 메시지를 가로채더라도 R_i를 모른 상태에서는 원본 챌린지를 복원할 수 없다. 세션 키 SK = h(R_i ‖ N₁ ‖ N₂) 역시 PUF 응답 기반으로 생성되어 복호화·무결성 우회가 불가능하다.

본 항목은 제안 기법이 기존 기법 대비 가장 차별화되는 보안 특성이다. 기존 기법들은 초기 인증 완료 후 세션 동안 노드를 신뢰하므로, 세션 키 탈취나 내부자의 악의적 행동에 대응할 수 없다. 제안 기법은 제로트러스트의 “무엇도 신뢰하지 말고, 모든 것을 매번 확인하라” 원칙에 따라 재인증 주기 τ마다 PUF 기반 신원 재검증을 수행한다. 그리고 신뢰 점수 기반 정책 판단을 통해 PUF 무결성, 응답 적시성, 행위 일관성을 종합적으로 평가한다. 세션 키가 탈취되었더라도 원본 PUF 칩 없이는 재인증 단계에서 즉시 탐지된다. CH 자체도 GCS로부터 주기적으로 재인증을 받는 대상이므로, CH 탈취에도 구조적으로 대응한다. 또한 신뢰 점수에 따른 “정상(Normal)”, “주의(Warning)”, “격리(Isolation)” 3단계 차등 대응은 제로트러스트의 최소 권한 원칙과 동적 위험 평가를 구현한 것으로, 기존의 이분법적 접근 통제와 근본적으로 차별화된다.

이상의 분석을 종합한 보안 기능 비교는 표 3과 같다.

Table 3.

Security feature comparison

제안 기법은 기존 기법이 충족하는 7개 기본 보안 요구사항을 모두 충족함과 동시에, 제로트러스트 원칙에 기반한 5개 항목을 추가로 충족한다.

공정한 비교를 위해 초기 인증단계에서 PUF 인증방식을 1회 사용하는 Alladi 등의 PUF Only[6]와 동일한 실험 환경을 채택하였다. 프로세서는 Raspberry Pi 3B(C 언어)이며, 해시 함수는 SHA-256을 모든 비교 기법에 일괄 적용하였다. 단위 연산 비용은 표 4와 같다.

Table 4.

Unit operation cost (Raspberry Pi 3B, C language)

세 기법의 초기 상호인증(UAV 1대당 1회)에 소요되는 연산량은 표 5와 같다.

Table 5.

Computation cost comparison for initial authentication

제안 기법의 초기 인증 소요시간은 66.46 μs로 PUF Only[6] 대비 약 78% 증가한다. 이는 GCS-CH-UAV의 3계층 구조에서 세션 키 확립뿐 아니라, 이후 재인증에 사용될 CRP 위임 정보를 생성·검증하기 위한 추가 해시 연산이 포함되기 때문이다. 따라서 제안 기법의 초기 인증 비용은 단순한 1:1 초기 인증 비용이 아니라, 지속적 재인증을 가능하게 하기 위한 초기 설정 비용으로 해석하는 것이 타당하다.

다만 초기 인증 1회 비용 단독 비교는 기능적으로 등가가 아니다. PUF Only[6]가 동일하게 K회의 신원 검증을 수행하려면 초기 인증을 K회 반복해야 하므로, K=3 기준 누적 비용은 37.34×3 = 112.02 μs인 반면 제안 기법은 66.46 + 14.83×3 = 110.95 μs이다. 즉 분할상환비용(amortized cost) 관점에서 환산한 평균 인증 비용은 제안 기법이 27.74 μs로 PUF Only(37.34 μs) 대비 약 26% 감소하며, 이는 78% 증가분이 K회 재인증을 위한 1회성 setup 비용임을 정량적으로 뒷받침한다.

반면, 세션 유지 중 반복적으로 수행되는 재인증 비용은 14.83 μs로 초기 인증 비용의 약 22% 수준에 불과하다. 즉, 제안 기법은 초기 단계에서 제한적인 추가 비용을 부담하는 대신, 이후 세션 유지 단계에서는 낮은 비용으로 지속적 검증을 수행하는 구조이다.

이러한 구조는 초기 인증 이후 노드를 계속 신뢰하는 기존 기법과 달리, 세션 탈취, 포획 후 위장 공격, 내부자 위협 등 세션 유지 중 발생 가능한 위협을 탐지할 수 있다는 점에서 보안 기능 향상과 연산 비용 증가 간의 합리적인 trade-off를 제공한다.

제안 기법만이 갖는 재인증 1회당 연산은 Hash 2회, PUF 1회, RNG 1회, Concat 2회로, 총 14.83 μs이다. 이는 초기 인증의 약 22% 수준의 경량 연산으로, 제로트러스트의 지속적 검증을 자원 제약 환경에서 실현 가능하게 한 핵심 설계이다. 본 논문에서의 경량성은 기존 1:1 초기 인증 기법보다 모든 연산 항목이 감소한다는 의미가 아니라, UAV의 제한된 연산 자원과 실시간 통신 주기 내에서 지속적 재인증을 반복 수행할 수 있을 정도로 인증 비용이 낮다는 의미이다. 따라서 제안 기법의 성능은 초기 인증 1회 비용뿐 아니라, 세션 유지 중 반복 수행되는 재인증 비용과 추가로 충족되는 보안 요구사항을 함께 고려하여 평가되어야 한다. 이러한 관점에서 제안 기법은 초기 단계에서 CRP 위임을 위한 추가 비용을 부담하지만, 이후 세션 유지 단계에서는 14.83 μs의 낮은 비용으로 지속적 검증을 수행할 수 있다.

재인증 횟수 K가 증가함에 따라 총 소요시간이 선형적으로 증가하지만, K=3 기준 약 110.95 μs는 UAV C2 링크 성능 평가에서 활용되는 단방향 지연 기준 50 ms[13]의 약 0.22% 수준으로 매우 작은 값이다. K값에 따른 총 소요시간은 표 6과 그림 2에 나타내었다.

Table 6.

Total cost by re-authentication count K

Fig. 2.

Total cost comparison by re-authentication (K=1,3,5)

UAV 군집 규모 N에 따른 전체 인증 소요시간은 표 7과 같다(재인증 횟수 K=3 기준).

Table 7.

Total cost by swarm size N(K=3)

N=100 기준 제안 기법의 총 소요시간은 약 11.1 ms로, UAV C2 링크 성능 평가에서 활용되는 단방향 지연 기준 50 ms[13]의 약 22% 수준이다. PUF Only[6] 대비 약 2.97배이나, PUF Only가 동일하게 K=3회의 신원 검증을 수행하려면 매회 초기 인증을 반복해야 하므로 3,734×3 = 11,202 μs가 소요되어, 제안 기법(11,095 μs)과 거의 동등한 수준이다. 즉, 제안 기법은 PUF Only와 사실상 동등한 연산 비용으로 세션 탈취 및 내부자 위협 탐지 기능을 추가로 제공한다. 모든 기법이 선형적 증가만을 보이며, 실제 운용에서는 UAV별 재인증이 병렬 수행되므로 체감 지연은 이보다 작다. 군집 규모에 따른 소요시간 비교는 그림 3에 나타내었다.

Fig. 3.

Total cost comparison by swarm size N

다만 이 결과는 연산 비용 중심의 이론적 분석이며, 실제 무선 채널에서 발생하는 RTT, 패킷 손실, 멀티홉 라우팅 지연은 포함하지 않는다. 실시간 UAV 군집 협조 운용에서 통신 지연이 핵심 제약 요인으로 작용함[14]을 고려할 때, 본 결과는 제안 기법이 CH의 연산 자원 측면에서 군집 규모 증가를 수용할 수 있음을 보이기 위한 것이며, 실제 UAV 군집 환경에서의 최적 재인증 주기 τ는 네트워크 지연을 함께 고려하여 설정되어야 한다. 특히 N대의 UAV를 순차적으로 재인증하는 경우 τ는 최소한 N대의 재인증 연산시간과 각 노드 간 통신 지연을 모두 포함할 수 있도록 설정되어야 하며, 이에 대한 정밀 평가는 NS-3 기반 네트워크 시뮬레이션을 통해 후속 연구에서 수행할 필요가 있다.

해시 다이제스트 256 bit, PUF 응답 256 bit, 난수 128 bit, 식별자 64 bit 기준 UAV 1대당 통신 비용은 표 8과 같다.

Table 8.

Communication cost per UAV(K=3)

제안 기법은 PUF Only 대비 약 60% 통신량 증가를 보이나, 이는 3회의 재인증 메시지를 포함한 값이다. 재인증 1회당 추가 통신량은 약 256 bit(32 Bytes)로, UAV 표준 통신 프로토콜인 MAVLink v1.0의 최대 패킷 길이인 263 Bytes[12]의 약 12.2% 수준에 해당한다. 따라서 제안 기법의 재인증 메시지는 일반적인 UAV 제어·텔레메트리 트래픽 대비 제한적인 추가 통신 오버헤드로 해석할 수 있다.