무선 센서 네트워크의 사물 인터넷 환경을 위한 향상된 보안 3요소 기반 상호 인증 프로토콜에 대한 연구 = A Study of Improved Secure Three-Factor-Based Mutual Authentication Scheme for Wireless Sensor Networks in Internet of Things Environments

국문 초록 (Abstract)

무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)는 사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 환경에서 실시간 데이터 수집 및 전송에 핵심적인 역할을 수행한다. WSN은 다양한 환경에 배치된 무선 상호 연결된 센서 노드들로 구성되며, 자율적으로 네트워크를 형성하여 데이터를 수집하고 전송한다. 그러나 무선 통신의 특성상 공격자는 중간자 공격(Man-in-the-Middle, MITM)과 같은 공격을 통해 데이터를 도청하거나 위조할 수 있다. 따라서 WSN 환경에서 사용자 인증 및 키 합의 방식은 중요한 연구 과제이다. 본 연구에서는 Chen 등이 제안한 프로토콜을 분석하고, 해당 프로토콜이 가진 보안 취약점을 확인하였고 이는 오프라인 아이디, 비밀번호 추측 공격, 폐기 절차 부재, 세션 키 검증 절차 미흡, 순방향 보안성 부재, 센서 노드 우회 공격에 취약하다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 3요소(Three-Factor) 인증을 기반으로 향상된 인증 방식을 제안한다. 이 방식은 2요소(Two-Factor) 방식과 비교했을 때, 아이디, 패스워드 추측 공격 및 스마트카드 도난 공격에 대한 저항성을 제공한다. 제안하는 프로토콜은 사용자 익명성을 강조하여 설계되었으며, 식별자가 노출되는 것을 방지한다. 또한, 폐기 단계를 추가하였고, 세션마다 난수를 사용하여 세션 키를 동적으로 생성함으로써 완전 순방향 보안성을 보장한다. 비형식적 분석과 형식적 분석을 통해 상호 인증 및 세션 키 기밀성 등 안전성이 입증되었다. 성능 분석을 통해 계산 비용 및 통신 비용 측면에서 Chen 등의 방식과 비교하여 계산 비용에서 11%, 통신 비용에서 24% 개선되었다. 또한, NS-3 네트워크 시뮬레이터를 활용한 실험을 통해 통신 횟수 증가에 따른 데이터 전송량과 총 소요 시간을 분석하였으며, 그 결과 제안 프로토콜이 실제 네트워크 환경에서도 보안성과 효율성의 균형을 유지하며 안정적으로 동작함을 확인하였다. 따라서 제안된 프로토콜은 경량 프로토콜 구조를 가지고 효율성이 뛰어나고 실제 IoT 환경에서의 적용 가능성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wireless Sensor Networks (WSNs) play a pivotal role in the real-time collection and transmission of data within Internet of Things (IoT) environments. A WSN is composed of wirelessly interconnected sensor nodes deployed in various settings, which autonomously form a network to gather and forward data. However, due to the inherent nature of wireless communication, adversaries can eavesdrop on or forge data through attacks such as the Man-in-the-Middle (MITM) attack. Consequently, robust user authentication and key agreement schemes are critical research topics for WSN environments. In this study, we analyze the scheme proposed by Chen et al. and identify security weaknesses in the protocol. It is vulnerable to offline ID and password guessing attacks, no provision of revocation, has an inadequate session key verification procedure, no perfect forward secrecy, and is susceptible to sensor node bypass attacks. To address these issues, we propose an enhanced authentication scheme based on Three-Factor (3F) authentication. This scheme provides stronger resistance against ID/password guessing attacks and stolen smart card attacks compared to Two-Factor (2F) schemes. The proposed protocol is designed with an emphasis on user anonymity, preventing the exposure of identifiers. Furthermore, it incorporates a revocation phase and guarantees perfect forward secrecy (PFS) by dynamically generating session keys using fresh nonces for every session. The security of the scheme, including mutual authentication and session key confidentiality, is proven through non-formal and formal analyses. Through performance analysis, the proposed scheme demonstrates significant improvements: a 11% reduction in computational cost and a 24% reduction in communication cost compared to the scheme of Chen et al. Furthermore, experiments using the NS-3 network simulator analyzed data transmission volume and total time consumption as the number of communications increased. The results confirmed that the proposed protocol operates stably in real-world network environments while maintaining a balance between security and efficiency. Thus, the proposed protocol, which features a lightweight protocol structure, proves to be highly efficient and its practical applicability in real-world IoT environments has been verified.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 배경 및 필요성 = 1
• 2. 연구의 목적 및 방법 = 3
• Ⅱ. 관련 연구 = 6
• 1. 기존 인증 프로토콜 = 6
• 2. 전체 구조 = 8
• 3. 위협 모델 및 보안 목표 = 10
• 1) 위협 모델 = 10
• 2) 공격 정의 = 12
• 3) 보안 목표 = 14
• 4. 해시 함수 = 16
• 5. 생체 해시 함수 = 17
• Ⅲ. 기존 인증 프로토콜 분석 = 19
• 1. Chen 등의 프로토콜 분석 = 19
• 1) 사용자 등록 단계 = 19
• 2) 센서 노드 등록 단계 = 20
• 3) 로그인, 인증 및 키 합의 단계 = 21
• 4) 패스워드 변경 단계 = 23
• Ⅳ. 기존 인증 프로토콜 보안 취약점 분석 = 24
• 1. 오프라인 ID/PW 추측 공격 (Offline ID/PW Guessing Attack) = 24
• 2. 세션 키 검증 절차 미흡 (Inadequate Session Key Verification Procedure) = 24
• 3. 센서 노드 우회 공격 (Sensor Node Bypass Attack) = 25
• 4. 순방향 보안성 부재 (No Perfect Forward Secrecy) = 25
• 5. 폐기 절차 부재 (No Provision of Revocation) = 26
• Ⅴ. 제안 프로토콜 = 28
• 1. 제안 프로토콜 단계 = 28
• 1) 사용자 등록 단계 = 28
• 2) 센서 노드 등록 단계 = 29
• 3) 로그인, 인증 및 키 합의 단계 = 29
• 4) 패스워드 변경 단계 = 31
• 5) 폐기 단계 = 32
• Ⅵ. 보안 분석 = 33
• 1. 비형식적 보안 분석 = 33
• 1) 비밀번호 보호 (Password Protection) = 34
• 2) 스마트카드 도난 및 추측 공격 저항성 (Stolen Smart Card and Guessing Attack Resistance) = 34
• 3) 가장 공격 저항성 (Masquerade Attack Resistance) = 35
• 4) 내부자 공격 저항성 (Insider Attack Resistance) = 35
• 5) 비밀번호 갱신/변경 및 시간 동기화 회피 (Password Updating/ Changing and Time Synchronization Avoidance) = 36
• 6) 상호 인증 (Mutual Authentication) = 36
• 7) 세션 키 합의 (Session Key Agreement) = 36
• 8) 사용자 익명성 (User Anonymity) = 37
• 9) 중간자 공격 저항성 (MitM Attack Resistance) = 37
• 10) 센서 노드 우회 공격 저항성 (Sensor Node Bypassing Attack Resistance) = 38
• 11) 순방향 보안성 (Perfect Forward Secrecy) = 38
• 12) 센서 디바이스 캡처 공격 저항성 (Sensor Device Capture Attack Resistance) = 39
• 2. 형식적 보안 분석 = 39
• 1) ProVerif = 39
• 2) BAN Logic = 46
• Ⅶ. 성능 분석 = 52
• 1. 계산 비용 = 52
• 2. 통신 비용 = 55
• 3. NS-3 시뮬레이션 = 57
• 1) 데이터 증가 비교 = 58
• 2) 총 소요 시간 비교 = 60
• Ⅷ. 결론 = 62
• 참고문헌 = 63
• ABSTRACT = 69