KR100932270B1

KR100932270B1 - 무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법

Info

Publication number: KR100932270B1
Application number: KR1020070122750A
Authority: KR
Inventors: 김경태; 장병태; 최정단; 김도현; 유재준; 성경복; 김정숙; 임재한; 장정아
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: US20100260167A1; WO2009069869A1; KR20090055887A; US8571008B2

Abstract

본 발명은 무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법에 관한 것이다.

본 발명에서, 상위 노드가 하위 레퍼런스 노드로 시각 동기화 시작을 요청하면, 하위 레퍼런스 노드는 제1 동기기준패킷을 브로드캐스팅한다. 이를 수신한 상위 노드는 제1 동기기준패킷 수신시각을 하위 레퍼런스 노드로 전달하고, 하위 레퍼런스 노드는 이를 브로드캐스팅하여 다른 노드들이 이에 기초해 시각 동기화를 수행하도록 한다. 한편, 하위 레퍼런스 노드는 상위 노드의 제1 동기기준패킷의 수신시각을 예측하여 수신예측시각을 산출하고, 이를 두 홉 앞의 판단 노드로 전달한다. 이에 따라, 판단 노드는 상위 노드로부터 수신된 수신시각과 하위 레퍼런스 노드로부터 수신된 수신예측시각을 비교하여 상위 노드에 대한 캡쳐공격 여부를 판단한다.

무선센서네트워크, 레퍼런스 노드, 시각 동기화, 캡쳐

Description

무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법{Time synchronization method wireless sensor network}

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-024-02, 과제명: USN 인프라 기반 텔레매틱스 응용 서비스 기술개발].

무선센서네트워크에서는 기본적으로 브로드캐스팅 방식을 통해 노드 간의 통신이 수행된다.

종래에는 이러한 무선센서네트워크의 특성에 기반해 에너지 효율성을 높이고타임스탬프 메시지 교환을 통한 시각차 계산법 적용 시 발생하는 오류 요소를 고려한 시각 동기화 방법으로 RBS(Reference Broadcast Synchronization)가 제안되었다. 이러한, RBS에서는 무선센서네트워크 내에서 브로드캐스팅 된 레퍼런스 신호를 수신하는 노드들이 해당 신호의 도착시점을 다른 노드와의 시각 비교에 활용하여 수신 노드간 시각 동기화를 수행한다. 한편, RBS에서는 레퍼런스 신호를 브로드캐스팅 시 해당 신호를 수신하는 모든 수신 노드에 대해 시각차를 계산하고 유지해야 하므로, 노드 간 시각 정보 교환에 많은 메시지가 사용된다. 즉, N개의 노드에 대해 m번의 브로드캐스트가 발생하는 경우, 동기화에 사용되는 메시지 수는 O(mN²)이 되므로 에너지 효율성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 멀티 홉 환경에서 시각 동기화 방법을 제공하기 위해서는 두 개의 레퍼런스 노드 사이에서 공통으로 메시지를 수신하는 노드가 한 지역의 시각을 다른 지역으로 전달(converting)해야 하므로 홉 수가 증가할수록 시각 동기 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.

다른 시각 동기화 방법으로는 TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)이 있다. TPSN은 송신자가 수신자의 시각에 자신의 시각을 보정하는 기법으로 레벨 설정과 시각 동기화, 두 단계로 동작한다. 즉, 첫 번째 단계에서는 네트워크의 각 노드에 레벨을 할당하여 계층적 토폴로지를 형성하고, 두 번째 단계에서는 하위 레벨의 노드가 상위 레벨의 노드에 시각 동기를 수행하여 최종적으로는 모든 노드가 최상위 노드에 동기 되어 네트워크의 전체적 시각 동기화가 수행된다. 이러한, TPSN은 멀티 홉 환경에서 RBS에 비해 좋은 성능을 보이나, 클럭 스큐(clock skew) 보정을 위해 RBS에서 사용하는 선형 회귀(linear regression) 방법을 적용하지 못하는 단점이 있다. 또한, 다이나믹하게 변하는 토폴로지(topology)변화에 대해 효율적으로 적응하지 못하며, 확장성(scalability) 및 폴트 톨러런트(fault- tolerant)에 취약한 단점이 있다.

또 다른 시각 동기화 방법으로는 FTSP(Flooding Time Synchronization)이 있다. FTSP는 네트워크 전체 노드의 로컬 클럭을 동기화하기 위해 사용된다. 이러한 FTSP에서는 플러딩(flooding)을 통해 시각 정보를 전송하고 이를 수신한 수신자는 미리 분석해 놓은 오류 요소와 선형 회귀 분석을 통해 시각 오류를 보정한다. 이러한, FTSP는 주기적인 동기 메시지의 플러딩을 통해 노드의 결함 및 통신 두절로 인한 토폴로지 변화에 동적으로 대응이 가능한 장점이 있다. 그러나, FTSP에서 분석한 오류 요인은 적용되는 시스템이 변경될 때마다 달라지며, 이러한 특징은 동기화의 정확도에 영향을 주어 FTSP를 일반적으로 적용하는 것을 어렵게 한다.

따라서, 이러한 동기 오류를 줄이고, 다양한 토폴로지 변화에 대응할 수 있는 새로운 시각 동기화 방법이 필요하다. 또한, 네트워크 혼잡에 따른 충돌(collision) 문제를 극복하고 모든 노드가 동기화하기까지의 시간을 단축할 수 있는 시각 동기화 방법이 필요하다.

한편, 종래의 시각 동기화 방법들은 보안에 취약한 단점을 가진다. 특히, 종래에는 노드 캡쳐공격에 효율적으로 대응하기 위한 방법에 대한 연구가 거의 전무한 편이다. 내부공격인 노드캡쳐공격은 캡쳐당한 노드의 암호 및 복호화 키, 인증 키, 라우팅, 메모리 저장 내용 등의 정보가 모두 공격자에게 노출되기 때문에 가장 막기 어려울 뿐만 아니라, 검출해내기도 쉽지 않다.

RBS를 이용하여 시각 동기화를 수행 시 노드 캡쳐공격이 발생하면, 캡쳐된 노드에 의해 잘못된 시각정보가 전달되어 이를 전달받은 노드로 하여금 잘못된 클럭 스큐(clock skew)와 오프셋(offset)을 계산하도록 만들 뿐만 아니라, 잘못된 클럭 컨버젼(clock conversion) 정보의 전달로 인해 전체 네트워크의 시각 동기를 마비시킬 수 있다.

TPSN을 이용하여 시각 동기화를 수행 시 노드 캡쳐공격이 발생하면, 부모노드가 자식노드로부터 수신된 시각 동기화 요청에 대해 잘못된 송수신 시각으로 응답함으로써, 스패닝 트리(spanning tree)를 이루는 모든 하위 노드들의 시각 동기가 틀려질 수 있다. 또한 캡쳐된 노드가 자신의 레벨 정보를 거짓으로 알림으로써, 가짜 부모 노드로 행동하는 경우 또한 발생할 수 있다.

FTSP를 이용하여 시각 동기화를 수행 시 노드 캡쳐공격이 발생하면, 캡쳐된 노드가 루트노드로 행동하는 경우, 실제 루트노드보다 높은 시퀀스 넘버로 시작하는 패킷을 송신함으로써 전체 네트워크의 시각 동기를 마비시킬 수 있다.

따라서, 이러한 노드 캡쳐공격에 의한 폐해(Byzantine Failure)를 방지하기 위해 캡쳐된 노드를 판별하여 노드 캡쳐공격에 안전한 시각 동기화 방법을 개발할 필요가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선센서네트워크에서 노드 캡쳐공격에 안전한 시각 동기화 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법은,

상위 노드로부터 시작 동기화 시작 요청 패킷이 수신되면, 레퍼런스 노드가 제1 동기기준패킷을 브로드캐스팅하는 단계; 상기 상위 노드가 상기 제1 동기기준패킷을 수신한 제1 수신시각을 포함하는 응답 패킷을 상기 레퍼런스 노드로 전달하는 단계; 상기 레퍼런스 노드가 상기 제1 수신시각을 포함하는 제2 동기기준패킷을 브로드캐스팅하는 단계; 및 상기 레퍼런스 노드와 이웃한 적어도 하나의 노드가 상기 제1 수신시각에 기초해 시각 동기화하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따른 무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법은,

하위 레퍼런스 노드가 제1 동기기준패킷을 브로드캐스팅하는 단계; 상기 하위 레퍼런스 노드가 상위 노드의 상기 제1 동기기준패킷 수신시각에 대응되는 제1 수신시각을 포함하는 제2 동기기준패킷을 브로드캐스팅하는 단계; 상기 하위 레퍼런스 노드와 이웃한 적어도 하나의 노드가 상기 제2 동기기준패킷에 기초해 시각 동기화하는 단계; 상기 하위 레퍼런스 노드가 상기 상위 노드의 상기 제1 동기기준 패킷의 수신시각을 예측한 제1 수신예측시각을 산출하는 단계; 및 상기 상위 노드의 복수의 홉 앞에 위치한 판단 노드가 상기 제1 수신시각과 상기 제1 수신예측시각을 비교하여 상기 상위 노드에 대한 캡쳐공격 여부를 판단하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 무선센서네트워크에서 캡쳐 노드를 판단할 수 있는 방법을 제공함으로써, 노드 캡쳐공격에 의한 폐해로부터 안전한 시각 동기화 방법을 제공한다.

또한, 레퍼런스 노드가 동기기준패킷을 두 번 브로드캐스팅하여, 이웃 노드 간에 패킷 교환 횟수를 줄임으로써 오버헤드를 줄이고 변환시간을 단축하는 효과가 있다. 또한 상위 노드로부터 하위 노드로 진행되는 단일 방향의 시각 동기화를 통해 컨버전스 타임(convergence time)이 필요가 없어지므로 멀티 홉에서도 성능 감소 없이 정확한 시각 동기화 프로토콜을 제공한다.

또한, 새롭게 추가되는 노드의 개수에 대해 선형적(scalable) 특성을 나타내며, 멀티 홉 환경에서도 신속하고 정확한 시각 동기화 프로토콜을 제공한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사 한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이제 아래에서는 본 발명의 실시 예에 따른 무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시각 동기화 방법이 적용된 무선센서네트워크의 일 예를 도시한 구성도이다.

도 1을 보면, 무선센서네트워크는 최상위 노드(A 노드)(101)와 다수의 레퍼런스 노드(B 노드, D 노드, F 노드)(102, 104, 106) 및 다수의 다른 하위 노드들(C 노드, E 노드, G 노드 ~ M 노드)(103, 105, 107 내지 113)을 포함한다.

본 발명의 실시 예에서는 무선센서네트워크의 최상위 노드의 시각에 다음 레벨의 하위 노드들이 시각을 동기화하고, 다시 그 하위 레벨의 노드들이 시각을 동기화하는 방식으로 무선센서네트워크 내의 모든 노드들의 시각을 동기화 한다.

이를 위해, 무선센서네트워크의 레퍼런스 노드(102, 104, 106)들은 동기기준패킷 및 상위 노드의 시각 정보를 이웃하는 노드들에게 브로드캐스팅 함으로써 이웃하는 노드들이 최상위 노드의 시각에 동기화 할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

다음, 도 2 내지 도 4를 이용하여 본 발명의 실시 예에 따른 무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법을 도시한 흐름도로서, 최상위 노드에 의해 시작되는 첫 번째 시각 동기화 단계를 도시한 것이다.

도 2를 보면, 무선센서네트워크에서의 시각 동기화는 최상위 노드인 A 노드(101)로부터 시작된다. 즉, A 노드(101)는 시각 동기화의 시작을 요청하는 패킷(Req_Ref)을 이웃하는 레퍼런스 노드인 B 노드(102)로 전달한다(S101).

이에 따라, B 노드(102)는 첫 번째 동기기준패킷(sync reference packet)(Ref1)을 이웃하는 모든 노드(A 노드, C 노드, H 노드, I 노드)(101, 103, 108, 109)들에게 브로드캐스팅한다(S102). 한편, B 노드(102)는 패킷을 송신할 때마다, 브로드캐스팅 인증을 위해 원-웨이 해쉬 체인(One-way Hash Chain, OHC)과 같은 인증 알고리즘을 사용한다. 즉, B 노드(102)는 브로드캐스팅 되는 패킷에 인증 알고리즘을 통해 생성한 패킷을 포함시켜 전송하고, 이를 수신하는 노드들은 인증 패킷을 확인하여 송신 노드에 대한 인증을 수행한다. 이는 B 노드(102) 뿐만이 아니라 모든 레퍼런스 노드(104, 106)에 적용된다.

한편, 동기기준패킷(Ref1)을 수신한 이웃 노드들(101, 103, 108, 109)은 동기기준패킷(Ref1)에 대한 인증이 성공하면, B 노드(102)로부터 첫 번째 동기기준패킷을 수신한 수신시각을 기록한다(S103). 그리고, 이들 중 상위 노드인 A 노드(101)는 자신의 수신시각(R_A ^B)을 포함하는 응답 패킷(Res_Ref)을 B 노드(102)로 전달한다(S104).

이후, B 노드(102)는 A 노드(101)로부터 수신된 A 노드(101)의 동기기준패킷 수신시각(R_A ^B)을 포함하는 두 번째 동기기준패킷(Ref2)을 이웃하는 노드(C 노드, H 노드, I 노드)(103, 108, 109)들에게 브로드캐스팅한다(S105). 이를 수신한 이웃 노드(C 노드, H 노드, I 노드)(103, 108, 109)들은 기준이 되는 A 노드(101)의 수신시각(R_A ^B)을 이용하여 A 노드(101)의 시각에 자신들의 시각을 동기화한다(S106).

다음의 수학식 1은 각 노드가 A 노드(101)의 시각에 동기화하는 방법을 나타낸다.

Offset = R_A ^B - RT

LT_current = LT_prev + Offset

여기서, RT는 각 노드 자신이 첫 번째 동기기준패킷(Ref1)을 수신한 수신시각을 기록한 값이고, LT_prev는 해당 노드의 동기화 이전 로컬시각(Local Time, LT)을 나타내고, LT_current는 동기화 이후의 로컬시각을 나타낸다.

한편, 전술한 바와 같이 최상위 노드인 A 노드(101)로부터 시각 동기화가 요청되고, 동기기준패킷을 브로드캐스팅하는 레퍼런스 노드가 B 노드(102)와 같이 최상위 노드 바로 아래 레벨의 노드인 경우에는 레퍼런스 노드(102)가 캡쳐되더라도 A 노드(101)가 B 노드(102)의 패킷 전송을 감시할 수 있기 때문에(Overhearing) 캡 쳐공격을 감지하는 것이 가능하여 타임스탬프(timestamp) 변조가 불가능하다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법을 도시한 흐름도로서, 최상위 노드로부터 시작된 첫 번째 시각 동기화 단계 이후에 수행되는 시각 동기화 방법을 도시한 흐름도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수신시각 예측 방법의 일 예를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 캡쳐공격 판단 방법을 도시한 흐름도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이웃 노드들의 수신예측시간 산출을 위해 필요한 파라미터를 획득하는 방법을 도시한 것이다.

한편, 아래에서는 설명의 편의를 위해 상위 노드로 C 노드(103)를 예로 들어 설명한다. 이에 따라 상위 노드보다 한 홉 앞에 위치한 레퍼런스 노드인 상위 레퍼런스 노드는 B 노드(102), 하위 레벨의 레퍼런스 노드인 하위 레퍼런스 노드는 D 노드(104)가 된다. 그리고, 이웃 노드들은 하위 레퍼런스 노드와 이웃한 E 노드(105), J 노드(110), K 노드(111)가 된다. 그리고, 최종적으로 C 노드(103) 또는 D 노드(104)에 대한 캡쳐공격을 판단하는 판단 노드는 상위 노드의 두 홉 앞에 위치한 노드인 A 노드(101)가 된다.

도 3을 보면, 우선, 두 홉 앞에 위치한 노드인 A 노드(101)의 시각에 동기화한(S201) 상위 노드 즉, C 노드(103)는 하위 레벨 노드들의 시각 동기화를 위해 하위 레퍼런스 노드인 D 노드(104)로 시각 동기화의 시작을 요청하는 패킷(Req_Ref)을 전달한다(S202). 이에 따라, D 노드(104)는 동기기준패킷(Ref1)을 브로드캐스팅 하고(S203), 동기기준패킷(Ref1)을 송신한 송신시각(S_D ^C)을 기록한다.

이를 수신한 노드들(103, 105, 110, 111)은 각자 D 노드(104)로부터 동기기준패킷을 수신한 수신시각을 기록한다(S204). 그리고, 이들 중 상위 노드인 C 노드(103)는 자신의 수신시각을 포함하는 응답 패킷(Res_Ref)을 D 노드(104)로 전달한다(S205). 여기서, 응답 패킷(Res_Ref)은 C 노드(103)가 D 노드(104)로 응답 패킷(Res_Ref)을 송신하는 송신시각(S_C ^D)을 추가로 포함한다.

이때, C 노드(103)의 상위 레퍼런스 노드인 B 노드(102)는 C 노드(103)의 응답 패킷(Res_Ref)을 캡쳐(Overhearing)하여 응답 패킷(Res_Ref)에 포함된 수신시각 및 송신시각(S_C ^D)을 획득한다(S206). 그리고, 획득한 송신시각(S_C ^D)과 자신이 응답 패킷(Res_Ref)을 캡쳐한 시각을 비교하여 일치하지 않는 경우 알람(Alarm) 메시지를 브로드캐스팅한다.

이후, 설명의 편의를 위해 C 노드(103)가 동기기준패킷을 수신한 실제 수신시각을 제1 수신시각(R_C ^D), B 노드(102)가 응답 패킷(Res_Ref)을 캡쳐하여 획득한 수신시각을 제2 수신시각(R'_C ^D)이라 명명하여 사용한다.

한편, 하위 레퍼런스 노드인 D 노드(104)는 C 노드(103)로부터 응답 패킷(Res_Ref)을 수신하면, 응답 패킷(Res_Ref)을 수신한 수신시각(R_D ^C)을 기록하고, 응답 패킷(Res_Ref)으로부터 획득한 제1 수신시각(R_C ^D)을 포함하는 두 번째 동기기준패킷(Ref2)을 브로드캐스팅한다(S207).

이를 수신한 이웃 노드(E 노드, J 노드, K 노드)(105, 110, 111)들은 전술한 수학식 1을 이용하여 C 노드(103)의 시각에 자신들의 시각을 동기화한다(S208). 단, 이 경우 수학식 1의 R_A ^B는 R_C ^D로 대체된다.

한편, D 노드(104)는 상위 노드인 C 노드(103)에 대한 캡쳐공격 여부를 판단하기 위해 C 노드(103)로부터 수신된 응답 패킷(Res_Ref)을 이용하여 C 노드(103)의 동기기준패킷(Ref1) 수신시각을 예측한 수신예측시간(PR_C ^D)을 산출한다(S209). 다음의 수학식 2는 D 노드(104)가 C 노드의 동기기준패킷(Ref1) 수신예측시간(PR_C ^D)을 산출하는 방법을 나타낸다.

Delay = ((R_C ^D - S_D ^C) + (R_D ^C ?? S_C ^D)) / 2

Offset = ((R_C ^D - S_D ^C) - (R_D ^C ?? S_C ^D)) / 2

PR_C ^D = S_D ^C + Offset + Delay

도 4는 이러한 수신예측시간 산출 방법을 이용하여 수신시각을 예측하는 일 예를 나타낸다.

도 4를 보면, C 노드(103)가 동기기준패킷(Ref1)을 수신한 실제수신시각(R_C ^D)은 03:10:14이고, 이에 대한 응답 패킷(Res_Ref)을 송신한 송신시각(S_C ^D)은 03:10:16이다. 또한, D 노드(104)가 동기기준패킷(Ref1)을 송신한 송신시각(S_D ^C)은 05:10:13이고, D 노드(104)가 이에 대한 응답 패킷(Res_Ref)을 수신한 수신시각(R_D ^C)은 05:10:17이다. 이를 전술한 수학식 2에 대입하면 다음의 수학식 3과 같다.

Delay = [(03:10:14-05:10:13) + (05:10:17-03:10:16)] / 2 = 00:00:01

Offset = [(03:10:14-05:10:13) - (05:10:17-03:10:16)] / 2 = -02:00:00

PR_C ^D = 05:10:13 ?? 02:00:00 + 00:00:01 = 03:10:14

한편, C 노드(103)가 캡쳐되어 변조된 동기기준패킷(Ref1) 수신시각(R_C ^D)이 03:10:15로 변조되어 D노드(104)로 송신되는 경우, D 노드(104)에서 산출되는 수신예측시간(PR_C ^D)은 다음의 수학식 4와 같다.

Delay = [(03:10:15-05:10:13) + (05:10:16-03:10:15)] / 2 = 00:00:01.5

Offset = [(03:10:15-05:10:13) - (05:10:16-03:10:15)] / 2 = -02:00:00.5

PR_C ^D = 03:10:15-00:00:01.5 + 02:00:00.5 = 05:10:14

따라서, 실제 수신시각(05:10:13)과 수신예측시간(05:10:14)이 불일치함을 알 수 있다. 한편, D 노드(104)는 C 노드(103)의 캡쳐 여부를 확인하기 위해 실제 수신시각(PR_C ^D)과 수신예측시각(PR_C ^D)을 비교하는데, 실제 수신시각(R_C ^D)과 수신예측시각(PR_C ^D)의 차이가 임계치 이상이면, C 노드(103)가 캡쳐되어 수신시각(R_C ^D)이 변조되었다고 판단하고 알람 메시지를 브로드캐스팅한다. 그리고, 알람 메시지를 브로드캐스팅한 후, 일정 시간 동안 최상위 노드로부터 지시 메시지(Confirm)를 기다린다.

다시, 도 3을 보면, D 노드(104)는 산출한 수신예측시간(PR_C ^D)이 포함된 패킷을 상위 노드인 C 노드(103)로 송신한다(S210). 이를 수신한 C 노드(103)는 D 노드(104)로부터 수신한 수신예측시간(PR_C ^D)과 자신이 동기기준패킷(Ref1)을 수신한 실제 수신시각인 제1 수신시각(R_C ^D)을 포함하는 패킷을 B 노드(102)로 전달한다. 이때, C 노드(103)는 자신의 시각 동기화 단계에서 상위 레퍼런스 노드로부터 수신한 두 번째 동기기준패킷으로부터 획득한 A 노드(101)의 동기기준패킷 수신시각을 패킷에 포함시켜 전달한다(S211). 이후, 설명의 편의를 위해 C 노드(103)가 상위 레 퍼런스 노드인 B 노드(102)로부터 수신한 A 노드(101)의 동기기준패킷 수신시각(R'_A ^B)을 제3 수신시각, D 노드(104)로부터 수신한 수신예측시간을 제1 수신예측시간(PR_C ^D)이라 명명하여 사용한다.

이후, B 노드(102)는 C 노드(103)로부터 수신한 제1 수신시각(R_C ^D), 제3 수신시각(R'_A ^B) 및 제1 수신예측시간(PR_C ^D)과 자신이 C 노드(103)의 응답 패킷(Res_Ref)을 캡쳐하여 획득한 제2 수신시각(R'_C ^D)이 포함된 패킷을 판단 노드인 A 노드(101)로 전달한다(S212).

이를 수신한 A 노드(101)는 캡쳐공격 판단 알고리즘을 이용하여 C 노드(103)에 대한 캡쳐공격이 발생하였는지 여부를 판단한다(S214).

도 5는 A 노드(101)가 C 노드(103)에 대한 캡쳐공격을 판단하는 일 예를 도시한 흐름도이다.

도 5를 보면, A 노드(101)는 우선 수신한 패킷에 포함된 제3 수신시각(R'_A ^B)을 실제 A 노드(101)가 동기기준패킷을 수신한 수신시각과 비교하고(S301), 일치하지 않을 경우 C 노드(103)에 대해 캡쳐공격이 발생하였다고 판단한다(S302).

반면에, 두 값이 일치하는 경우에는 제1 수신시각(R_C ^D), 제2 수신시각(R'_C ^D) 및 제1 수신예측시간(PR_C ^D)을 서로 비교하고(S303), 제1 수신시각(R_C ^D)과 제1 수신예측시각(PR_C ^D)의 차이가 임계치보다 작고, 제1 수신시각(R_C ^D)과 제2 수신시각(R'_C ^D)이 동일한 경우 C 노드(103)에 대해 캡쳐공격이 없었다고 판단하고(S304), 그렇지 않은 경우에는 C 노드(103)에 대해 캡쳐공격이 발생하였다고 판단한다(S302). 여기서, 임계치는 시스템이 요구하는 타임 레졸루션(Time Resolution)에 따라 다르게 선택된다.

한편, D 노드(104)에 대한 캡쳐공격 발생 여부를 판단하기 위해서, 본 발명의 실시 예에서는 D 노드(104)에 이웃한 노드(J 노드, K 노드)(110, 111)들이 예측한 수신예측시간을 이용한다. 이후, 설명의 편의를 위해 이웃 노드(J 노드, K 노드)(110, 111)들로부터 산출된 수신예측시간은 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)이라 명명하여 사용한다.

도 6은 이웃 노드(J 노드, K 노드)(110, 111)들이 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 산출하기 위해 필요한 파라미터들을 획득하는 방법을 나타낸다.

도 6을 보면, C 노드(103)로부터 시각 동기화 요청 패킷(Req_Ref)를 수신한 D 노드(104)는, 이를 수신한 수신시각(R'_D ^C)과 동기기준패킷(Ref1)의 송신시각(S_D ^C)을 동기기준패킷(Ref1)에 포함시켜 전송한다. 이를 수신한 이웃 노드(J 노드, K 노 드)(110, 111)들은 D 노드(104)의 동기기준패킷(Ref1) 송신시각(S_D ^C)을 획득하고, 수신시각(R'_D ^C)에 기초해 전술한 수학식 1과 같은 방법으로 D 노드(104)와의 시각차(Offset)를 산출한다.

이후, 이웃 노드(J 노드, K 노드)(110, 111)들은 C 노드(103)로부터 송신되는 응답 패킷(Res_Ref)을 캡쳐(Overhearing)하여, C 노드(103)의 동기기준패킷(Ref1) 수신시각(R_C ^D) 및 응답 패킷(Res_Ref)의 송신시각(S_C ^D)을 획득한다. 또한, 자신들이 응답 패킷(Res_Ref)을 수신한 수신시각(R_J ^C, R_K ^C)과 전에 산출한 D 노드(104)와의 시각차(Offset)를 이용하여 D 노드(104)의 응답 패킷(Res_Ref) 수신시각(PR_D ^C)을 예측한다.

그리고, 이웃 노드(J 노드, K 노드)(110, 111)들은 전술한 바와 같이 캡쳐를 통해 획득한 C 노드(103)의 동기기준패킷(Ref1) 수신시각(R_C ^D) 및 응답 패킷(Res_Ref)의 송신시각(S_C ^D)과 D 노드(104)의 동기기준패킷(Ref1) 송신시각(S_D ^C) 그리고, D 노드(104)의 응답 패킷(Res_Ref) 수신예측시각(PR_D ^C)들을 이용해 수학식 2와 같은 방법으로 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 산출한다.

다시, 도 3을 보면, 이웃 노드(J 노드, K 노드)(110, 111)들은 전술한 바와 같이 산출한 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 A 노드(101)로 전달하고(S213) A 노드(101)는 이를 제1 수신예측시각(PR_C ^D)과 비교하여 D 노드(104)에 대한 캡쳐공격 여부를 판단한다(S214).

한편, 노드 캡쳐공격은 하나의 노드에 대해서 한번만 일어날 수도 있으나, 다수의 노드에 대해 연속으로 발생하는 것 또한, 가능하다. 따라서, 다수의 노드가 연속으로 캡쳐되었을 경우도 고려하여 캡쳐판단을 수행해야 한다.

예를 들어, B 노드(102)와 C 노드(103)가 캡쳐되어 제1 수신시각(R_C ^D)이 변조되었다고 의심되는 경우, A 노드(101)는 H 노드(108) 또는 I 노드(109)로부터 C 노드(103)의 응답 패킷(Res_Ref)을 캡쳐하여 획득한 C 노드(103)의 동기기준패킷(Ref1) 수신시각을 전달 받아서 캡쳐여부를 판단한다.

또한, C 노드(103)과 D 노드가 캡쳐되어 제1 수신예측시각(PR_C ^D)이 변조되었다고 판단되는 경우에는, 전술한 바와 같이 J 노드(110) 또는 K 노드(111)로부터 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 전달 받아서 캡쳐여부를 판단한다.

또한, B 노드(102), C 노드(103) 및 D 노드(104)가 캡쳐되어 제1 수신시각(R_C ^D) 및 제1 수신예측시각(PR_C ^D)이 모두 변조되었다고 판단되는 경우에는, H 노 드(108) 또는 I 노드(109)에서 C 노드(103)의 응답 패킷(Res_Ref)을 캡쳐하여 획득한 C 노드(103)의 동기기준패킷(Ref1) 수신시각과 J 노드(110) 또는 K 노드(111)에서 산출한 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 전달 받아서 캡쳐여부를 판단한다.

또한, B 노드(102)와 D 노드(103)가 캡쳐되어 제1 수신예측시각(PR_C ^D)이 변조되었다고 판단되는 경우에는, 전술한 바와 같이 J 노드(110) 또는 K 노드(111)로부터 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 전달 받아서 캡쳐여부를 판단한다. 이 경우, C 노드(103)가 캡쳐되지 않았으므로 제1 수신시각(R_C ^D)은 유효하다고 판단한다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 이웃 노드(J 노드, K 노드)(110, 111)들이 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 매번 A 노드(101)로 전달하는 경우를 예로 들어 설명하나, 본 발명은 A 노드(103)의 요청이 있는 경우에만 산출한 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 A 노드(101)로 전달하는 방법 또한 가능하다.

또한, D 노드(104)가 C 노드(103)의 동기기준패킷(Ref1) 수신시각(R_C ^D)과 함께 자신의 응답 패킷(Res_Ref) 수신시각(R_D ^C)을 브로드캐스팅하면, 이에 포함된 D 노드(103)의 응답 패킷(Res_Ref) 수신시각(R_D ^C)과 이웃 노드(J 노드, K 노드)(110, 111) 자신들이 예측한 D 노드(103)의 응답 패킷(Res_Ref) 수신시각(PR_D ^C)을 비교하여 일치하지 않는 경우에만 산출한 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 A 노드(101)로 전달하는 방법 또한 가능하다.

한편, 캡쳐공격에 대한 판단을 위해 A 노드(101)로 전달되는 패킷들 즉, 제1, 제2 및 제3 수신시각, 제1 및 제2 수신예측시간 등은 이를 송신하는 노드들이 각자 보유하는 암호키로 암호화되어 전달된다. 즉, D 노드(104)는 제1 수신예측시간(PR_C ^D)을 자신의 암호키로 암호화하여 전달하고, C 노드(103)는 제1 수신시각(R_C ^D) 및 제3 수신시각(R_A ^B)을 자신의 암호키로 암호화하여 전달한다. 또한, B 노드(102)는 제2 예측시각(R'_C ^D)을 자신의 암호키로 암호화하여 전달하고 이웃 노드(J 노드, K 노드)(110, 111)들은 제2 수신예측시간(PR'_C ^D)을 자신들의 암호키로 암호화하여 전달한다.

이는 이들 패킷들을 판단 노드로 전달하는 중간 노드에 대한 캡쳐공격으로 인해 이들 패킷들이 변조되는 것을 방지하기 위한 것이다. 따라서, A 노드(101)는 하위 노드들로부터 캡쳐공격 판단에 사용되는 패킷들이 전달되면, 각 패킷에 대해 대응되는 암호키를 이용하여 인증을 수행하고, 인증된 패킷들을 이용하여 캡쳐공격 여부를 판단한다. 예를 들어, 제1 수신예측시간(PR_C ^D)이 수신되면 D 노드(104)의 암호키를 이용하여 인증을 수행한다. 이를 위해서 판단 노드인 A 노드(101)와 각 하위 노드는 서로 암호키를 공유해야한다.

한편, 전술한 실시 예에서는 C 노드(103)가 상위 노드이고 D 노드(104)가 하위 레퍼런스 노드인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 전술한 시각 동기화 방법은 E 노드(105)가 상위 노드이고 F 노드(106)가 하위 레퍼런스 노드인 경우에도 동일하게 적용된다. 이 경우, 상위 레퍼런스 노드는 상위 노드인 E 노드(105)의 한 홉 앞에 위치한 D 노드(104)가 되고, 판단 노드는 상위 노드인 E 노드(105)의 두 홉 앞에 위치한 C 노드(103)가 된다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선센서네트워크에서 최상위 노드에 의해 시작되는 첫 번째 시각 동기화 단계를 도시한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법을 도시한 흐름도이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수신시각 예측 방법의 일 예를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 캡쳐공격 판단 방법을 도시한 흐름도이다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이웃 노드들의 수신예측시간 산출을 위해 필요한 파라미터를 획득하는 방법을 도시한 것이다.

Claims

무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법에 있어서,

상위 노드로부터 시작 동기화 시작 요청 패킷이 수신되면, 레퍼런스 노드가 제1 동기기준패킷을 브로드캐스팅하는 단계;

상기 상위 노드가 상기 제1 동기기준패킷을 수신한 제1 수신시각을 포함하는 응답 패킷을 상기 레퍼런스 노드로 전달하는 단계;

상기 레퍼런스 노드가 상기 제1 수신시각을 포함하는 제2 동기기준패킷을 브로드캐스팅하는 단계; 및

상기 레퍼런스 노드와 이웃한 적어도 하나의 노드가 상기 제1 수신시각에 기초해 시각 동기화하는 단계

를 포함하는 시각 동기화 방법.
제 1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 노드가 상기 적어도 하나의 노드 각각이 상기 제1 동기기준패킷을 수신한 수신시각을 기록하는 단계

를 더 포함하고,

상기 시각 동기화하는 단계는,

상기 적어도 하나의 노드 각각이 상기 제1 동기기준패킷을 수신한 수신시각과 상기 제1 수신시각의 시각차를 이용하여 시각 동기화하는 단계인 시각 동기화 방법.
무선센서네트워크에서의 시각 동기화 방법에 있어서,

하위 레퍼런스 노드가 제1 동기기준패킷을 브로드캐스팅하는 단계;

상기 하위 레퍼런스 노드가 상위 노드의 상기 제1 동기기준패킷 수신시각에 대응되는 제1 수신시각을 포함하는 제2 동기기준패킷을 브로드캐스팅하는 단계;

상기 하위 레퍼런스 노드와 이웃한 적어도 하나의 노드가 상기 제2 동기기준패킷에 기초해 시각 동기화하는 단계;

상기 하위 레퍼런스 노드가 상기 상위 노드의 상기 제1 동기기준패킷의 수신시각을 예측한 제1 수신예측시각을 산출하는 단계; 및

상기 상위 노드의 복수의 홉 앞에 위치한 판단 노드가 상기 제1 수신시각과 상기 제1 수신예측시각을 비교하여 상기 상위 노드에 대한 캡쳐공격 여부를 판단하는 단계

를 포함하는 시각 동기화 방법.
제 3항에 있어서,

상기 시각 동기화하는 단계는,

상기 적어도 하나의 노드가 상기 적어도 하나의 노드 각각의 상기 제1 동기기준 패킷 수신시각과 상기 제1 수신시각의 시각차를 이용하여 상기 상위 노드의 시각에 시각 동기화하는 단계인 시각 동기화 방법.
제 3항에 있어서,

상기 판단하는 단계는,

상기 제1 수신시각과 상기 제1 수신예측시각의 차이가 임계치 이상이면 상기 상위 노드에 대한 캡쳐공격이 발생했다고 판단하는 단계

를 포함하는 시각 동기화 방법.
제 3항에 있어서,

상기 상위 노드가 응답 패킷 송신시각을 포함하는 응답 패킷을 상기 하위 레퍼런스 노드로 송신하는 단계;

상기 상위 노드의 한 홉 앞의 상위 레퍼런스 노드가 상기 응답 패킷을 캡쳐하는 단계; 및

상기 응답 패킷을 캡쳐한 시각과 상기 응답 패킷 송신시각이 일치하지 않는 경우, 상기 상위 레퍼런스 노드가 알람 메시지를 브로드캐스팅하는 단계

를 더 포함하는 시각 동기화 방법.
제 3항에 있어서,

상기 상위 노드가 상기 제1 수신시각을 포함하는 응답 패킷을 상기 하위 레퍼런스 노드로 송신하는 단계; 및

상기 상위 노드의 한 홉 앞의 상위 레퍼런스 노드가 상기 응답 패킷을 캡쳐 하여 상기 제1 수신시각에 대응되는 제2 수신시각을 획득하는 단계

를 더 포함하고,

상기 판단하는 단계는,

상기 제1 수신시각과 상기 제2 수신시각이 일치하지 않는 경우, 상기상위 노드에 대한 캡쳐공격이 발생했다고 판단하는 단계

를 더 포함하는 시각 동기화 방법.
제 7항에 있어서,

상기 상위 레퍼런스 노드로부터 상기 판단 노드에서의 상기 제1 동기기준패킷의 수신시각에 대응되는 제3 수신시각을 수신한 상기 상위 노드가 상기 제3 수신시각을 상기 판단 노드로 전달하는 단계

를 더 포함하고,

상기 판단하는 단계는,

상기 판단 노드가 상기 제1 동기기준패킷을 실제 수신한 수신시각과 상기 제3 수신시각이 다른 경우, 상기 상위 노드에 대한 캡쳐공격이 발생했다고 판단하는 단계

를 더 포함하는 시각 동기화 방법.
제 8항에 있어서,

상기 제1 수신시각, 상기 제2 수신시각, 상기 제3 수신시각 및 상기 제1 수신예측시각은 상기 판단 노드로 전달 시 송신하는 노드의 암호키로 암호화되어 전달되며,

상기 판단하는 단계는,

상기 판단 노드는 대응되는 암호키를 이용하여 상기 제1 수신시각, 상기 제2 수신시각, 상기 제3 수신시각 및 상기 제1 수신예측시각을 인증하는 단계

를 더 포함하는 시각 동기화 방법.
제 7항에 있어서,

상기 하위 레퍼런스 노드가 자신의 제1 동기기준패킷 송신시각을 기록하는 단계; 및

상기 하위 레퍼런스 노드가 자신의 응답 패킷 수신시각을 기록하는 단계

를 더 포함하고,

상기 제1 수신예측시각을 산출하는 단계는,

상기 응답 패킷으로부터 획득한 제1 수신시각 및 상기 응답 패킷 송신시각과 상기 하위 레퍼런스 노드가 기록한 제1 동기기준패킷 송신시각 및 상기 응답 패킷 수신시각을 이용하여 상기 제1 수신예측시각을 산출하는 단계인 시각 동기화 방법.
제 10항에 있어서,

상기 제1 수신예측시각을 산출하는 단계는,

상기 제1 수신시각과 상기 제1 동기기준패킷 송신시각의 차이와 상기 응답 패킷 수신시각과 상기 응답 패킷 송신시각의 차이를 이용하여 시각차 및 딜레이를 산출하는 단계; 및

상기 제1 수신시각, 상기 시각차 및 상기 딜레이를 이용하여 상기 제1 수신예측시각을 산출하는 단계

를 포함하는 시각 동기화 방법.
제 10항에 있어서,

상기 상위 노드가 상기 하위 레퍼런스 노드로 시각 동기화 시작 요청 패킷을 송신하는 단계

를 더 포함하고,

상기 제1 동기기준패킷은 상기 제1 동기기준패킷 송신시각 및 상기 하위 레퍼런스 노드의 상기 시각 동기화 시작 요청 패킷 수신시각을 포함하는 시각 동기화 방법.
제 3항에 있어서,

상기 하위 레퍼런스 노드는 상기 제1 수신시각과 상기 제1 수신예측시각의 차이가 임계치보다 크면 상기 제1 수신시각이 변조되었음을 알리는 알람 메시지를 브로드캐스팅하는 단계; 및

상기 알람 메시지를 브로드캐스팅한 후 일정시간 동안 상기 판단 노드의 지시 메시지를 기다리는 단계

를 포함하는 시각 동기화 방법.
제 12항에 있어서,

상기 적어도 하나의 노드가 상기 상위 노드의 상기 제1 동기기준패킷의 수신시각을 예측한 제2 수신예측시각을 산출하는 단계; 및

상기 판단 노드가 상기 제1 수신예측시각과 상기 제2 수신예측시각을 비교하여 상기 하위 레퍼런스 노드에 대한 캡쳐공격 여부를 판단하는 단계

를 더 포함하는 시각 동기화 방법.
제 14항에 있어서,

상기 제2 수신예측시각을 산출하는 단계는,

상기 적어도 하나의 노드가 상기 적어도 하나의 노드 각각의 시각 동기화 시각 요청 패킷 수신시각과 상기 하위 레퍼런스 노드의 상기 시각 동기화 시작 요청 패킷 수신시각의 시각차를 산출하는 단계;

상기 적어도 하나의 노드가 상기 적어도 하나의 노드 각각의 상기 응답 패킷의 수신시각과 상기 시각차를 이용하여 상기 하위 레퍼런스 노드의 상기 응답 패킷 수신시각을 예측하는 단계;

및 상기 적어도 하나의 노드가 상기 응답 패킷으로부터 획득한 제1 수신시각 및 상기 응답 패킷 송신시각, 상기 제1 동기기준패킷으로부터 획득한 상기 제1 동기기준패킷 송신시각 및 상기 예측한 상기 하위 레퍼런스 노드의 상기 응답 패킷 수신시각을 이용하여 상기 제2 수신예측시각을 산출하는 단계

를 더 포함하는 시각 동기화 방법.