SDR 기반 LTE 브로드캐스트 채널 분석을 통한 악성 기지국 탐지 기법 연구 = A Study on Malicious Base Station Detection Techniques through SDR-based LTE Broadcast Channel Analysis

국문 초록 (Abstract)

국내 재난문자 서비스는 3GPP 표준에 정의된 셀 브로드캐스트 서비스(CBS) 기술을 기반으로 운영되고 있다. CBS는 특정 셀 영역 내 모든 단말에 동일한 메시지를 동시에 전송하는 브로드캐스트 방식으로, 네트워크 혼잡도와 무관하게 신속한 재난 정보 전파가 가능하다. 그러나 최근 SDR(Software Defined Radio) 기술의 발전과 오픈소스 LTE 스택의 보급으로 인해 저비용으로 LTE 기지국을 모사할 수 있는 환경이 조성되면서 새로운 보안 위협이 되고 있다. 특히 재난문자 전송에 사용되는 SIB12(System Information Block Type 12) 채널은 단방향 브로드캐스트 방식으로 동작하며 암호화나 인증 메커니즘이 적용되지 않아, 악성 기지국을 통한 위조 재난문자 공격에 취약하다.
본 연구에서는 srsRAN 4G 오픈소스와 USRP(Universal Software Radio Peripheral) SDR 장비를 활용하여 재난문자 송수신이 가능한 LTE 테스트베드를 구축하였다. USRP X310을 기지국으로, USRP B205mini를 단말로 구성하고 LTE 차폐실 환경에서 통제된 실험을 수행하였다. CBS 기능 구현을 위해 srsRAN 4G의 enb_cfg_parser.cc 파일에 parse_sib12() 함수를 추가하였으며, 한국 재난문자 시스템인 KPAS(Korean Public Alert System)의 특성을 반영한 GSM-7 및 UCS-2 인코딩 방식을 구현하여 다국어 재난문자의 송수신을 검증하였다.
악성 기지국 탐지를 위해 기본적으로 악의적인 재난문자 송신을 위해 발생하는 특징 중 4가지를 기준으로 이상 탐지를 진행하는 탐지 방안을 설계하였다. 해당 특징으로는 Baseline 위반, RSRP 이상, 시간적 이상, 빈도 이상 특징이 해당되며 해당 특징들에 대한 비이상 탐지 후 이들 특징을 가중 합산하여 5단계(NONE, LOW, MEDIUM, HIGH, CRITICAL)의 위협 수준으로 분류한다. srsRAN 4G의 srsUE의 RRC 계층에 실시간 탐지 모듈로 구현하였다.
실험 결과, 제안된 탐지방안은 악성 기지국의 SIB12 방송의 Baseline 위반과 비정상적 RSRP, 빈도 이상 징후를 성공적으로 식별하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. LTE 네트워크 기술 3
• 1. LTE 네트워크 아키텍처 3
• 2. LTE 브로드캐스트 채널 9
• III. LTE 재난문자 시스템 11
• 1. 시스템 정보 블록 (SIB) 구조 11
• 2. SIB12 메시지 구조 분석 12
• IV. 재난문자 임의 전송 위협 14
• 1. 재난문자 기반 보안 위협 모델 14
• 2. SDR 기반 재난 문자 전송 기능 실현 가능성 17
• 3. 하드웨어 실험 환경 19
• 4. CBS 기능 구현 22
• V. 악성 기지국 탐지 방안 32
• 1. 탐지 특징 추출 32
• 2. 탐지 알고리즘 설계 36
• 3. 실험 결과 및 성능 평가 46
• VI. 결론 52