ARM Cortex-M3를 사용한 Gateless-LSTM 기반 차량용 침입 탐지와 차단 시스템 설계 및 검증 = Design and Verification of Gateless-LSTM-Based Automotive Intrusion Detection and Prevention System Using ARM Cortex-M3 Core

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 차량 내 네트워크인 CAN(Controller Area Network)과 CAN-FD(Controller Area Network with Flexible Data-rate) 프로토콜 의 보안 취약점을 보완하고, 실시간 침입 탐지 및 차단을 수행하기 위한 Gateless-LSTM(Long Short-Term Memory) 기반 차량용 침입 탐지 및 대응 시스템의 설계와 검증에 대해 다룬다. 이를 위해 CAN 및 CAN-FD 환경에서 모두 동작 가능한 LSTM 기반 IDS(Intrusion Detection System)를 경량화하여, 자원이 제한된 차량용 ECU(Electronic Control Unit) 환경에서도 실시간 침입 탐지가 가능한 하드웨어 아키텍처를 제안한다. 제안된 IDS는 Verilog HDL을 이용해 AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture) 버스 인터페이스 기반의 IP 형태로 설계되었으며, ARM Cortex-M3 코어를 사용하는 MCU 플랫폼에서 동작하도록 구현하였다. 제안된 시스템은 99.99%의 탐지 정확도와 0.011 ms의 응답 속도(CAN-FD 기준)를 달성하였으며, 하드웨어 수준에서 실시간 침입 탐지와 차단 기능이 안정적으로 수행됨을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis addresses the design and verification of a Gateless-LSTM(Long Short-Term Memory)-based in-vehicle intrusion detection and response system to reinforce the security of CAN(Controller Area Network) and CAN-FD(Controller Area Network with Flexible Data-rate) protocols and to enable real-time intrusion detection and blocking. To this end, a lightweight LSTM-based IDS(Intrusion Detection System) that operates in both CAN and CAN-FD environments is proposed, so that real-time intrusion detection can be achieved even in resource-constrained automotive ECU(Electronic Control Unit) platforms. The proposed IDS is implemented as an IP core based on an AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture) bus interface using Verilog HDL and is designed to operate on an MCU platform equipped with an ARM Cortex-M3 core. Experimental results show that the proposed system achieves a detection accuracy of 99.99% and a response time of 0.011 ms (based on CAN-FD), demonstrating that real-time intrusion detection and blocking are reliably achieved at the hardware level.

목차 (Table of Contents)

• 제1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 관련 연구 1
• 1.2 논문 구성 3
• 제2 장 배경 4
• 2.1 CAN 및 CAN-FD 통신 프로토콜 개요 4
• 2.1.1 CAN 프로토콜 5
• 2.1.2 CAN-FD 프로토콜 6
• 2.1.3 Error Handling Mechanism 7
• 2.2 차량용 네트워크 보안 위협 및 공격 유형 10
• 2.2.1 DoS Attack 11
• 2.2.2 Spoofing Attack 12
• 2.2.3 Fuzzy Attack 13
• 제3 장 LSTM 기반 침입 탐지 및 차단 모델 15
• 3.1 RNN과 LSTM 15
• 3.1.1 RNN 15
• 3.1.2 LSTM 16
• 3.2 LSTM 기반 침입 탐지 및 차단 알고리즘 17
• 3.2.1 Feature 추출 및 데이터 전처리 18
• 3.2.2 침입 탐지 및 차단 알고리즘 19
• 3.3 제안하는 Gateless-LSTM 아키텍처 20
• 제4 장 하드웨어 구현 24
• 4.1 Gateless-LSTM 모델의 파라미터 추출 및 양자화 24
• 4.2 Activation Function 구현 26
• 4.3 Gateless-LSTM IDS 하드웨어 아키텍처 27
• 4.3.1 LSTM Layer 29
• 4.3.2 Dense Layer 31
• 4.3.3 Cortex-M3-Based SoC 33
• 4.3.4 SRAM 36
• 4.4 Error Frame 전송 시 IPS 동작 37
• 제5 장 검증 및 성능 평가 39
• 5.1 검증 환경 39
• 5.1.1 FPGA 구현과 검증 39
• 5.2 성능 평가 40
• 5.2.1 합성 결과 40
• 5.2.2 탐지 지연 시간 42
• 5.2.3 탐지 성능 44
• 제6 장 결론 48
• 참고문헌 51