유비쿼터스 컴퓨팅 분야의 기술 개발 방향

1. 도전장 유비쿼터스 컴퓨팅 분야의 기술 개발 방향 정보보호연구단 무선보안응용연구팀 전성익 2004.10.21. Ubiquitous NW 2004

2. 목 차 Introduction Ubiquitous Sensor Network (USN) Security technology trends for USN Power-aware Design Smart card & RFID Technology Conclusion 무선보안응용연구팀

3. Introduction 무선보안응용연구팀

4. 무선 네트워크 환경 변화 • Ubiquitous computing 주요 서비스 환경 변화 • 사람 중심의 P2P(person to person), P2M(person to machine) 통신&서비스에서 사물 중심의 M2M(machine to machine) 통신 &서비스로의 패러다임 변화 • 무선 네트워크 교신 능력을 가진 초소형 칩을 여러 가지 물건에 부착하여 통신 및 서비스 • 제 3의 공간: 실세계(Physical world)와 CyberSpace를 연결하고 실세계의 상황을 인식하여 인간 생활을 지원 • 상황인식(context awareness): 상황에 맞추어 지능적인 방법에 의하여 정보를 사람과 사물의 요구에 맞게 자동으로 제공 • 위치인식(location awareness): 사람과 사물의 위치를 실시간으로 추적하여 자동으로 인식 • 언제, 어디서나, 어떤 단말 및 디바이스에서도 안전한 컴퓨팅을 제공하여 유비퀴터스 사회 실현 : 5ANY( time, where, network, service, device) 무선보안응용연구팀

5. Wireless Research: Strategic Themes Several fundamental problems need to be solved before the “mobile Internet” can take off: • Developing PHY/MAC for broadband radios • ~Kbps Mbps  Gbps, adaptive, robust, QoS,... • Scaling wireless system capacity • widespread service implies ~Gbps/Sq-Km • Designing wireless system-on-chip (SOC) • low-cost/low-power, integrated CMOS • Unifying wireless network architectures (WLAN/IP, 2.5G, 3G cellular) & protocols • multiple radio technologies, faster/simpler standards process • Creating “useful” mobile information services • ...beyond web browsing on hand-held devices 무선보안응용연구팀

6. Wireless Research: Strategic Themes • Pervasive computing via large-scale sensor networks (connecting people with their physical environment) viable in 5-10 yrs • Technical challenges: • self-organizing (ad-hoc) networks • low-power/low-cost/multipurpose wireless sensors • scalable network routing and content distribution • distributed information processing in the network • end-user interfaces & applications • Above topics involve wireless, but are also inherently cross-layer or interdisciplinary... 무선보안응용연구팀

7. Wireless Product Trends MIMO/OFDM, ATM/IP, Broadband Wireless Access (BWA) Wireless local loop (WLL) BWA/3G combo (local access providers) 3G+ or BWA+?? WCDMA, 3G.PP, etc. Integrated Cellular (3G) Digital Cellular (2/2.5G) OFDM/CDMA, MIMO, diversity, RRM,.. Public WLAN 4G: WLAN/3G/2G (cellular operators) 3G/WLAN IWF, self-org 802.11 OFDM, mob IP, security, QoS,.. Wireless LAN (802.11b) Wireless LAN (802.11x) low- tier 802.11 potentially disruptive technology areas Home LAN Home network sensor nets, etc. (consumer & verticals) WPAN (802.15.3.x) 802.15.3 WPAN, etc. Short-range radio (Bluetooth) UWB, ad-hoc nets >2005 convergence opportunities?? driver technologies 2002-03 2001 무선보안응용연구팀

8. Wireless Research Challenges: Major Areas • Wireless research topics can be organized into following major categories • wireless systems: design and optimization • mobile networks & protocols • radio modems: signal processing and hardware • Many wireless problems of current importance are cross-layer in nature, so that a holistic approach is essential .... 무선보안응용연구팀

9. Wireless Networking Trend Service, Application Access network Network Infrastructure BCN (IP based core network) New radio interface DMB DTV Wire-line xDSL Cellular PCS WLAN type Access Network IMT-2000 4G Short range Network Personal area network Smart sensor network RFID Home network P2P P2M/M2M 무선보안응용연구팀

10. Emerging Technology 802.11b Local Area Network wLAN Wide Area Network (WAN) Bluetooth Personal Area Network (PAN) WirelessBridge LAN GPS <1Mbs • Access • Synchronization • 10 Meters WorkgroupSwitches <11Mbs 9.6 Kbit/s <2Mbs • Access • “hot spots” • LAN equivalent • Voice • SMS • e-Mail • Web browsing • mCommerce • Internet access • Document transfer • Low/high quality video Core Network Core Network Sensor Networks Sensor Networks ????? Sensor Networks 무선보안응용연구팀

11. Ubiquitous Sensor Network(USN) 무선보안응용연구팀

12. 무선 네트워크의 진화 • 제 1세대 : 아날로그, 저속 • 제 2세대 : 디지털, 고속화 • 제 3세대 : 멀티미디어, 초고속화 • 제 4세대 : Ubiquitous SN, 인간과 사물간의 통신 무선보안응용연구팀

13. 유비쿼터스 사회를 실현을 위한 현안 과제 • 저전력 소모의 핵심 기술 개발 • 기술의 표준화 • 핵심 기기 및 부품의 저가격화 • Robust화, 안전화 • 복잡성 해소 • Killer Applications • 다양한 비즈니스 모델화 • 선도화 • 프라이버시 문제의 지속적 해결 • 씨큐리티 문제 해소 • 안전하고 안심하고 건전한 사회 실현 유도 기술적 문제 경제적 과제 사회적 과제 무선보안응용연구팀

14. 유비쿼터스 사회 실현 방향 유비쿼터스 실현 요소 필요 기술 • 센서 • 프로세서&OS • 커뮤니케이션 • 인터페이스 • 보안 • 오감 • 물리적 • 화학적 • 전기적 5대 핵심 요소기술 • RFID • Smart ID • Smart Card 환경 인지 와 판단을 위해 결합 • 센서 • Computing • Communication • Chip • Node OS • Node PL 사람과 친화 • 다양한 인터페이스 • 새로운 보안 • MAC • Protocol • Routing 무선보안응용연구팀

15. USN의 기술 변화 4저현상 (저속/저전력 저면적/저에너지 소모) 소형화 기술 발전 대량화 다양화 견고화 저가격화 지능화 정보의 방대화 내재화 무선보안응용연구팀

16. 기술자들의 함정 현재 추구 방향 새로운 화두 새로운 관심 • 보다 빠르게(초고속) • 보다 정확하게 • 보다 많이(대용량) • 천천히, 필요 시점 • 안전하게 • 필요한 만큼 • 10년을 넘지 못함 • 획일화 • 수분용 ~ 100년 이상 • 일회용, 부착용 • 다양화 삶의 질 향상 • 손에 잡히고 • 큰 것에 가치 부여 • 사람 중심 • 보이지 않게 • 작아도 소중한 것 • 자연 친화 무선보안응용연구팀

17. USN의 개념 Sink Gateway node Internet or Satellite or Sink E D C B A Sensor Field • 센서 네트워크 기본 개념 • 소형, 다수의 센서 노드 • 이들간의 라우팅 • 다종, 다양한 센서, 구동기 • 저전력 및 전력 공급 • USN 기본 개념 • Sensing Node : 다종 다양한 센스 정보를 통합 가능하며 무선 통신과 컴퓨팅 파워를 갖춘 초소형 장치가 핵심 • 현실 세계와 사물과 환경 속에 스며들어 자율적인 망을 형성하여 USN 구축 • USN의 수명은 기존의 인프라보다 수십배 긴 모델에서부터 수시간만 존재하는 일시적인 망 모델로 다양하여 인프라의 구축 모델이 다양한 특징 • Hierarchical, self-organizing network 센싱 Computing Communication 무선보안응용연구팀

18. 센서 네트워크 • 기존 네트워크와 차이점 • Severe energy, computation, storage, and bandwidth constraints • a high-end node : 133MHz, 32-bit, Intel StrongARM 1100 CPU, 1MB of FLASH memory, 1MB of RAM, a 100 kbps radio, 9V batteries • a low-end node (called “mote” from UC Berkeley) : 4MHz, 8-bit, Atmel CPU, 8KB of FLASH memory, 512B of RAM, a 10 kbps FRM radio • among these, energy is most distinguished • sacrifice response latency, accuracy, and other user-desired qualities to save energy 무선보안응용연구팀

19. USN하에서의 플랫폼의 변화 • USN하에서의 플랫폼의 변화 • 플랫폼의 정의 • 일종의 초소형 무선 디바이스 기술로 스마트 센스와 무선 네트워크 컨트롤러 기술의 결합 • 플랫폼의 규모 • 수십개(소규모)~ 수백만개(대규모): 시스템의 높은 Scalability 요구 • 실시간성이 요구되는 것과 비실시간적인 것으로 다양 • Short Range, Ad-Hoc network 성격을 커버 • 장시간 살아 있는 고정 센스 네트워크 성격을 커버 • 에너지 절약을 최 우선 과제 • 플랫폼의 변화 • 소형화 저전력화 • 자원 제약을 극복 • 다양한 센싱의 정보를 기존 인터넷과 통합(유무선 네트워킹, 센싱 정보의 생산과 소비의 신개념) • 방대한 정보의 생산에 따른 정보 보호 필요성이 높아짐 • 각 노드의 자율성/자치권 및 자동 인접 노드 발견 및 저전력 프로토콜이 중요 무선보안응용연구팀

20. USN과 기존 인프라의 연동 AuC 그림출처:A. Lightman & W. Rojas, "Brave New Unwired World", John Wiley & Suns Inc., 2002. 무선보안응용연구팀

21. USN Characteristics • Large number of sensor nodes • Maybe 10 to 100,000 nodes (scalability) • Node position may not be predetermined • Low Cost • Low energy consumption • To relocate & recharge large number of nodes is impossible • Life time of sensor network (sensor node) depends on battery life time • Network self-organization • Large number of nodes in hostile locations-> manual configuration unfeasible • Nodes may fail, & new nodes join the network • Ad-hoc sensor network protocols • Collaborative/Distributed processing • Locally carry out simple computation -> forwards and aggregate data • Query ability (Sensor Database) • Single node or group of nodes • Base nodes collect data from given area & create summary messages 무선보안응용연구팀

22. 3차원 접근 Sensor Computing Communication • Computer&Communication&Sensor • Embedded computing • Processor, OS, PL, Security • Ambient intelligence • Battery, low power consumption • Radio Frequency (RF) Interface • Wireless communication • Invisible-> Tie -> Visible • Tightly coupled to physical world • Magnetic • Temperature • Light, photo • Magnetometer • Tone detection • Sound detection, ultrasonic • Acoustic • Seismic • Image • etc 무선보안응용연구팀

23. USN 프로토콜 스택 • 5 layer and 3 plane 특정 지역에서 주어진 Sensing Task를 스케쥴링 Task Management Plane Mobility Management Plane 위치 이동을 감지하고 등록 항상 라우팅 경로 유지 Application Layer Power Management Plane Transport Layer 전층에 걸쳐 전력 소모가 매우 중요, 센서 노드들의 전력 관리 Network Layer Data Link Layer Physical Layer 무선보안응용연구팀

24. USN 프로토콜 특징 Power Management Mobility Management Task Management Plane Layer Application 에너지 효율성 고려한 응용 프로토콜 센서 노드들의 이동관련 Task 관리 응용 분야에 따른 Sensing Task 동작 관리 Transport 센서노드와 Sink 사이 제한적인 전력과 메모리를 고려한 UDP 요구 이동 특성을 고려한 데이터의 흐름 유지 응용 분야에 따른 데이터 흐름 유지 Network 에너지 효율성을 고려한 라우팅 위치 정보에 의한 네트워크 토폴로지 정보 유지 Task 요구 사항을 고려한 라우팅 Data Link On/Off mode Frame Overhead 최소화 Peer Discovery Auto-Synchronize Task에 따른 Schedule Table 형성 Physical 에너지 효율적인 매체 선택 적절한 변조방식 선택 전송 매체에 따른 제한적 이동 Task 요구 사항을 고려한 매체 선택 무선보안응용연구팀

25. USN 응용 • 정보보호가 필수적으로 요구되는 다양한 응용 가능 • 고가 물품(예술품) 관리 시스템 • 위험물(핵 폐기물)등의 라이프 사이클 관리 • 고령 환자 health care system • 텔레메틱스, 디지털 홈 • 환경/재난 감시 시스템 무선보안응용연구팀

26. RFID/USN 응용 SCM 물류.유통 관리 시스템, 군수물품 병참관리 가축.동물 관리 ID card POST CARD Name: Rei Itsuki No.: 00012345 Div.: Mu VC Company: Hitachi, Ltd. Invitation for Hitachi Exhibition 2002 Embedded μ-chip Global Passport,ID card 125KHz,134KHz 860MHz 960MHz 13.56Mhz 433.92MHz 2.45GMhz (ISO 18000-2) (ISO 18000-3) (ISO 18000-7) (ISO 18000-6) (ISO 18000-4) 무선보안응용연구팀

27. USN하의 정보보호 기술 개발 방향 - USN Security 필요성 - USN Security 핵심 과제 - RFID 기반 USN의 정보보호 무선보안응용연구팀

28. USN용 정보보호 기술 개발의 필요성 • 비인가자에게 센싱정보로부터 수집된 고급 정보가 유출될 위험 • 비인가자가 USN을 훔쳐서 제어하여 위협 • 범죄자들이 악의적으로 USN을 범죄 목적으로 설치하는 것을 막는 방안도 필요 • USN을 통한 기존 망에 악성 정보를 전파할 가능성을 차단해야 함 • 유비쿼터스 환경에서의 최적인 정보보호는 아직 초보 단계 • 다양한 무선 접속점의 존재에 따른 복수 망에 인증/접근제어 방식 별 개별 접근 • USN의 경우 망인증 서버를 둘 수 없는 경우도 존재하고 기존의 컴퓨터 및 통신 시스템에 적용하던 정보보호 수단을 그대로 적용할 수 없는 제약 사항들이 존재 • USN에도 다양한 위협 요인이 존재 • 도청/감청 • 메시지 및 데이터의 위조, 변조, 중첩, 탈취 • 가장 공격 • 서비스 거부 공격 • 부채널 공격 무선보안응용연구팀

29. USN하에서 왜 정보보호 기술이 어려운가? • 무선 네트워크와 마찬가지로 물리적인 공격이 용이함 • Constraints • Peanut CPU (slow computation rate) • Battery power: trade-off between security and battery life • Limited memory • High latency: to conserve power, they turn on periodically (low duty cycle) J s t 무선보안응용연구팀

30. USN의 Security Requirements • 기밀성(Confidentiality) : USN을 통해 전송되는 중요정보의 불법노출을 방지하고 인가된 사용자에게만 데이터를 사용 • 무결성 (Integrity) : USN을 통해 전송되는 정보의 위/변조 여부의 판단 및 방지 • 인증(Authentication) : 전송된 정보의 송신자와 수신자를 확실히 하여 비인가된 사용자는 접근을 방지 • 가용성(Availability) : 인가된 사용자에게만 데이터의 이용을 가능하게 함 • Secure Key Distribution and Re-Key • Privacy 무선보안응용연구팀

31. USN하에서의 정보보호 기반 기술 • USN용 인증/보안/암호화 기술 • USN 환경은 모든 정보가 공유될 수 있고, 누구나 쉽게 접근 가능 • 공유된 정보에 불법 접근 방지와 노출 및 변경 방지를 위하여 필요함 • 기밀성, 무결성, 가용성 및 인증도컴퓨터와 적용 기술이 다름 무선보안응용연구팀

32. USN하에서의 스마트 인증 장치 • High-End SN용 스마트 인증 device 기술 • 기밀성, 무결성, 가용성 및 인증 수단 제공 • Smart identification은 스마트 카드(사람용), 스마트 태그(사람.사물용)와 같은 device를 포함(사람용과 사물용, SIM, USIM, <6mA, 3V) • 스마트 카드는 일반적으로 다른 종류의 pervasive 기기들과 결합하여 수많은 기능들을 수행 가능 • 현재 스마트 카드는 일반적으로 암호학적 키의 저장소, 암호화 함수, 사용자 인증정보를 포함하며 다양한 목적을 위해 보안 어플리케이션에서 사용 이러한 스마트 카드는 보호할 중요 데이터를 관리하도록 설계됨 • 스마트 카드 내에 저장된 데이터와 알고리즘을 보호하기 위해 특수한 하드웨어, 소프트웨어 설계 기술 채택(Anti-tamper, DPA, SPA, DTA 방어, Frequency, Voltage, Temperature 보호) • 휴대 인터넷, 이동 통신, 무선랜, Home Networking 등에 활용 무선보안응용연구팀

33. USN의 DoS Attacks and Countermeasures • According to [WS02] 무선보안응용연구팀

34. Power-aware Design 무선보안응용연구팀

35. 3차원 접근 Energy (Joule) space Time • 주울은 에너지단위로서 1뉴튼의 작용점이 힘의 방향으로 1미터의 거리를 움직일 때 한 일이다.(J=N.m) • 와트는 1초간에 1주울의 에너지를 일으키는 일률이다.(W=J/s) • 주울: 전류로 인해 발생하는 열의 양 저항 R(Ω)의 도체에 전압 V(V)를 가하고 흐르는 전류를 I(A)라 하면 t초간에 발행하는 열량 Q • Q = I2·R·t(주울) 또는 오옴의 법칙으로 계산하면 • Q = I·(I·R)·t = I·V·t(주울) • CPU: dynamic power Pdyn = Cef*Vdd2*f [Chandrakasan-1992, Burd-1995] • Cef : switch capacitance • Vdd : supply voltage • f : processor frequency  linear related to Vdd 무선보안응용연구팀

36. Power Consumption이 왜 중요한가? • Key to Embedded/Mobile Systems • Power-aware CPU Management • Low voltage component and voltage scaling • Power-Aware Instruction Pipeline • Minimize Dynamic Power Consumption • Code density for reduced energy on the bus • System Level Power Management : sleep mode • Turn display turn off after some period of inactivity • Spin down hard disk • Offload computation to the fixed server • Energy efficient network protocols 무선보안응용연구팀

37. Source of Power Consumption • Power Consumption with wireless network interface 무선보안응용연구팀

38. Power-awareness • Why power matters ? • Battery life in mobile/embedded systems • Advance in battery technology is slow (30 ~40% over next 5 years : NiCd, NiMH) • Packaging/cooling costs, noise immunity … • Strategies • Low-power components (Hardware) • Energy-efficient operations (Software) 무선보안응용연구팀

39. Low power Design Dynamic Voltage Scaling System Level Co-Synthesis Energy-Efficient Co-Synthesis for DVS Sytems 무선보안응용연구팀

40. Low power Design 무선보안응용연구팀

41. Power/Energy Consumption ASIP : Application Specific Instruction Set Processors ASIC : Application Specific IC 무선보안응용연구팀

42. 무선 네트워크 노드(토끼와 거북) • Energy Efficiency How to help mobile nodes to save their energy? • Mobility How to utilize the mobility for better system performance? • Pdyn : dynamic power dissipation, • f : operational frequency • Vdd : supply voltage • where CLdenotes the load capacitance of the digital circuit, • N0 ->1 represents the zero-to-one switching activity, • k is a circuit dependent constant, and • Vtis the threshold voltage. 무선보안응용연구팀

43. Energy vs. Speed Energy vs. Speed 1.2 1 Frequency 0.8 0.6 Voltage/Frequency 0.4 0.2 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 1/Speed Energy 무선보안응용연구팀

44. An Energy Metric for CPUs • Voltage reduction • E/clock  V² • slower clock speed and reduce voltage ->reduce energy • the time to be taken to change the voltage • Why run slower? • Ex. Workload deadline:100 ms • at full speed: 50ms of CPU time,50ms of idle time • at half speed: 100ms of CPU time -> voltage: 1/2, energy: ¼ • In mobile software the race goes to those who go well, not those who go fast. 무선보안응용연구팀

45. S/W Approach • Power-Aware “Scheduling” • Scheduling – DVS algorithm • CPU consumes 20%~50% of notebook power • To conserve power, system could operate at lowest voltage/frequency possible, but: • Embedded devices typically involve periodic, real-time tasks. • Dynamic Voltage Scaling (DVS) is constrained by the need to meet the deadlines of all system. • DVS allows voltage to be set to a continuous spectrum (e.g. in increments of 33MHz) 무선보안응용연구팀

46. H/W Approach • General approaches power and energy minimization of hardware • size reduction • asynchronous logic • supply voltage scaling • clock distribution • clock gating • Architecture level approach • CMOS Chips Circuits level approach • Power consumed is a function of voltage ~ Ceff.V2.f • Frequency (1/delay) is proportional to voltage ~ k. V2/(V-Vt) • Reducing voltage necessitates reducing frequency (MHz) 무선보안응용연구팀

47. Power-aware communication • Problem: Idle listening consumes significant energy • Solution: Periodic listen and sleep • Turn off radio when sleeping • Reduce duty cycle to ~ 10% (200ms on/2s off) • Clearly hurts latency 무선보안응용연구팀

48. Power Management • Why & What: Power Management? • Battery operated: Laptop, PDA and Cell phone • Heating : complex Servers (multiprocessors) • Power Aware: maintainQoS, reduce energy • How? • Power off un-used parts: LCD, disk for Laptop • Gracefully reduce the performance 무선보안응용연구팀

49. Power Aware Scheduling Energy f 0.6E T1 T2 T2 T1 time 0.6E T1 T2 time fmax/2 E/4 T1 T2 time • Static Power Management (SPM) • Static slack: uniformly slow all tasks [Weiser-1994, Yao-1995, Gruian-2000] fmax Static Slack D E T1 T2 idle time 무선보안응용연구팀

50. Power Management Dynamic Slack fmax/2 T1 time fmax/3 0.12E T1 T2 time • Dynamic Power Management (DPM) • Dynamic slack: non-worst execution 10% [Ernst-1997] • DPM: [Krishna-2000, Kumar-2000, Pillai-2001, Shin-2001] fmax Static Slack D E T1 T2 idle time E/4 fmax/2 T1 T2 time • Multi-Processor • SPM: length of schedule over deadline • DPM ??? 무선보안응용연구팀