3GPP 네트워크에서 효율적인 인증 데이터 관리를 위한 개선된 AKA 프로토콜

Improved AKA Protocol for Efficient Management of Authentication Data in 3GPP Network

Abstract

본 논문에서는 3GPP 네트워크에서 USIM 기반의 사용자 인증 기법을 제안한다. 제안 기법은 기존의 3GPP 네트워크 접속을 위한 인증 방식에서 발생 가능한 Sequence Number 동기 문제, 인증 데이터 Overhead 문제, 네트워크 간 시그널링 Overhead 문제 등을 개선한다. 제안 기법은 기존의 USIM 기반의 AKA 인증 프로토콜을 기본 모델로 사용하고 단말과 SN이 공유한 SK와 Time Stamp를 통해서 AKA 인증 절차를 수행하도록 한다. 이렇게 함으로써 인증 벡터의 Sequence Number의 동기 여부를 확인할 필요 없이 Time Stamp 값으로 인증 벡터의 맵핑을 수행하여 Sequence Number 동기 문제를 해결할 수 있다. 뿐만 아니라 하나의 인증 벡터만을 관리하여 사용하기 때문에 SN에서의 인증 데이터 Overhead문제를 해결하고, SN과 HN 사이의 시그널링 Overhead 문제를 개선할 수 있다.

In this paper, we propose a USIM-based Authentication Scheme for 3GPP Network Access. The proposed scheme improves the problems of existing authentication protocol in 3GPP Network such as sequence number synchronization problem, the storage overhead of authentication data, and bandwidth consumption between Serving Network and Home Network. Our proposal is based on the USIM-based Authentication and Key Agreement Protocol that is defined in 3GPP Specification. In our scheme, mobile nodes share a SK with Serving Network and use a time stamp when mobile nodes are performing an authentication procedure with Serving Network. By using time stamp, there is no reason for using sequence number to match the authentication vector between mobile nodes and networks. So, synchronization problem can be solved in our scheme. As well as our scheme uses an authentication vector, the storage overhead of authentication data in Serving Network and bandwidth consumption between networks can be improved.

Ⅰ. 서론

3GPP에서는 무선 네트워크상의 보안 문제점을 해결하기 위해 데이터의 무결성 및 기밀성을 제공하고 MS (Mobile Station)와 HN (Home Network) 사이의 상호인증을 지원하는 AKA 방식을 제안 하였다〔1-3〕. 하지만 3GPP-AKA 프로토콜에서는 SN (Serving Network)과 HN 사이의 Bandwidth Consumption 문제〔4〕, SN에서 각 사용자에 대한 다수의 인증 벡터 (AV '■ Authentication Vector) 저장으로 인한 데이터 메모리 문제〔5〕, Sequence Number 비동기로 인한 인증 실패 등의 문제점이 존재한다〔6〕. Huang은 이러한 문제를 해결하기 위해 SN이 HN으로부터 하나의 인증 벡터를 할당 받아 사용자 인증에 사용하도록 하여 SN과 HN 사이의 Bandwidth 소비량을 줄이는 프로토콜을 제안하였다. 그러나 위 기법은 MS의 이동 특성에 따라 인증 벡터의 동기 문제가 발생 가능하며 이러한 문제를 해결하기 위해서 MS는 SN에서 사용하였던 인증 정보를 지속적으로 저장해야 하는 문제점이 있다.

본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 Time Stamp 값을 사용하여 MS와 SN 사이의 인증 데이터 메모리 Overhead 및 인증 데이터 동기 문제를 해결하는 개선된 3GPP-AKA 프로토콜을 제안한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다’ 2장에서는 기존 프로토콜의 기본 동작 과정과 문제점을 분석한다. 3장에서는 제안하는 인증 기법의 동작 과정을 살펴본다’ 4 장에서는 기존의 3GPP-AKA 프로토콜과 제안하는 기법의 성능을 비교하고 5장에서 결론을 맺는다.

Ⅱ. 관련 기술 및 문제점 분석

USIM (Universal Subscriber Identity Module)은 가입자의 ID 정보 등을 탑재한 SIM (Subscriber IdentitModule)과 과 UICC (Universal IC Card)가 결합된 형태로 사용자 인증과 Global Roaming. 전자 상거래 등의 다양한 기능을 한 장의 카드에 구현한 것으로 3세대 통신 장비에 탑재되어 사용된다. USIM은 소형 CPU와 메모리를 가지고 있어 단말의 인증에 사용되는 암호 알고리즘과 프로세스를 동작한다. 또한 네트워크 서비스의 Profile 정보를 메모리에 저장하고 있어 금융, 신용, 교통카드 등의 기능을 수행할 수 있다.

본 장에서는 이러한 USIM을 탑재한 단말의 3GPP 네트워크 접속을 위한 인증 절차를 분석하고 기존의 USIM 기반 3GPP-AKA 인증 방식의 문제점 및 이를 개선하는 기법에 대해 살펴보도록 한다.

2.1 기존의 3GPP-AKA 프로토콜 동작 과정 및 문제점 분석

3GPP 네트워크 접속을 위해서는 USIM에 탑재된 AKA 인증 절차를 수행하여야 한다. AKA 인증은 크게 단말과 네트워크 사이의 인증 벡터 분배 단계와 분배된 인증 벡터와 USIM의 AKA 절차를 통한 인증 및 키 분배 단계로 나눌 수 있다. 위 두 절차가 끝나면단말과 네트워크는 두 통신 객체 사이에 교환될 메시지의 무결성 및 기밀성 제공이 가능해진다. 또한 단말과 네트워크의 상호 인증을 통해 두 통신 객체간의 신뢰 관계가 형성된다.〔그림 1〕은 3GPP 네트워크 접속인증을 위한 전체 단계를 보여주며, 다음은 3GPP- AKA 인증 절차를 설명한 것이다.

[그림 1] 3GPP-AKA 인증 절차

2.1.1 3GPP-AKA 프로토콜 동작 과정

● 인증 벡터 분배 단계

1) SN에서 새로운 단말의 접근을 확인하면 단말의 ID 인 IMSI (International Mobile Subscriber Identifier)를 요청하고 단말은 자신의 IMSI를 등록 요청 메시지에 포함하여 해당 SN에게 전달한다.

2) 등록 요청 메시지를 수신한 SN은 단말의 IMSI를인증 요청메시지를 통해 HN에 전달한다.

IMSI를 수신한 HN은 해당 단말이 자신이 관리하는 단말인지 확인하고 확인 과정을 마치면 SN이 단말을 인증할 파라미터와 SN과 단말의 비밀통신을 위한 키를 생성하여 다수의 인증 벡터를 만든다. HN은 생성된 인증 벡터를 해당 SN에게 전송한다.

3) HN에게 해당 단말에 대한 다수의 인증 벡터를 수신한 SN은 이를 저장하고, 단말을 인증하기 위해 하나의 인증 벡터를 선택한다. 선택한 인증 벡터의 RAND와 AUTH만을 검출하여 단말에게 인증 요청 메시지를 통해 전달한다.

● 상호 인증 및 키 교환 단계

1) 인증 요청 메시지를 수신한 단말은 수신한 RAND 값과 자신의 마스터키를 이용하여 AUTH의 心。값을 확인한다. 이것이 확인되면 단말은 HN을 인증하여 수신한 인증 요청 메시지가 정상임을 알 수 있다. 이후 단말은 수신한 AUTHS] SQN값이 적절한 범위의 값인지 확인하고 SN으로부터 인증받기 위한 RES 값을 RAND와 마스터키를 사용하여 생성한다. 생성된 RES 값을 인증 응답 메시지에 포함하여 해당 SN에게 전달한다.

2) 인증 응답 메시지를 수신한 SN은 HN으로부터수신한 인증 벡터의 XRES 값과 단말의 RES 값이 일치 하는지 확인하고 두 값이 일치하면 단말의 네트워크 접속을 허용한다.

3) 이후 단말과 네트워크 사이의 데이터 기밀성 및 무결성 제공을 위한 CK (Cipher Key)와 IK (Integrity Key)를 공유하게 된다. SN은 인증 벡터 내에 포함된 CK, IK를 사용하고 단말은 인증 요청 메시지에 포함된 RAND 값과 자신의 마스터키를 사용하여 CK. IK를 생성한다. 정상적인 인증 절차가 완료되면 SN의 CK, IK는 단말과 동일 한 값이 된다.

위 두 과정을 완료하면 단말과 3G 네트워크는 안전한 통신을 수행할 수 있다. 그러나 기존의 3GPP- AKA 인증 절차를 수행하는데 있어서〔그림 2〕와 같은 몇 가지 문제점이 있다.

[그림 2] 기존 3GPP-AKA 인증 방식의 문제점

2.2.2 기존 AKA 프로토콜의 문제점 분석

. 인증 벡터 동기 문제: 단말이 이동한 SN에서 다시 이전의 SN으로 핸드오버 할 경우, 단말이 이동한 SN에서 사용한 인증 벡터의 Sequence Number가 핸드오버 한 SN의 Sequence Number 보다 큰 경우 잘못된 인증 벡터 동기로 인해 인증 실패 현상이 발생 가능하다’

. 인증 벡터 획득을 위한 Bandwidth Consump­ tion 문제 : 다수의 단말이 하나의 SN에 오랫동안 머물러 있을 경우. 단말의 인증을 위한 인증 벡터 분배를 각 단말에 대해 여러 번 수행해야 한다. 이때 네트워크 간 인증 벡터 교환을 위한 다수의 Diameter 프로토콜 동작을 요구하게 되어 네트워크 노드 사이의 Bandwidth Consump­ tion 문제가 발생한다.

. 각 사용자에 대한 인증 벡터 저장 문제 : 3GPP 표준에서는 각 단말을 인증하기 위한 하나의 인증 벡터의 크기를 688 bits로 정의하고 있다. 하나의 단말에 대해 N 개의 인증 벡터를 할당할 경우, SN이 각 단말의 인증을 위해 저장해야 하는 인증 벡터 저장 공간은 총 688 Bit X N X R 이다. (N: 인증 벡터 수, R: 단말의 수) 따라서 다수의 단말이 SN에 존재할 경우, 단말의 핸드오버가 빈번하게 일어날 경우, 단말이 SN에 오랫동안 머물러 있을 경우 인증 벡터 저장을 위한 SN의 Storage Overhead가 발생 가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 USIM 기반의 3GPP 인증 기술이 제안되고 있다. 다음은 이러한 인증 기술에 대한 설명이다.

2.2 Huang et al.의 UMTS X-AKA 프로토콜 동작 과정 및 문제점 분석

2세대 통신 기술은 GSM 네트워크에서 사용자 인증을 위한 AKA 인증 방식은 단말과 네트워크 사이에 단방향 인증 문제로 인한 Impersonation Attack, False Base Station Attack 등의 문제점을 가지고 있다〔7-10〕. 이러한 문제점을 개선하는 3G 네트워크 인증 기술인 3GPP-AKA 인증 방식은 단말과 네트워크의 상호 인증 지원을 지원하고 단말과 네트워크가 공유한 무결성 키, 기밀성 키를 바탕으로 안전한 데이터 통신이 가능하다. 그러나 기존의 3GPP- AKA 인증 방식은 앞서 살펴본 바와 같이 다수 사용자 인증 수행을 위한 SN과 HN 사이에 Bandwidth Consumption 문제, 인증 데이터 Storage Overhead 문제. 인증 벡터의 Sequence 비동기로 인한 인증 실패 문제 등이 존재한다. Huang et al. 은 이러한 세 가지 문제점을 개선하는 UMTS X-AKA 인증 방식을 제안하였다. UMTS X-AKA 방식에서는 단말과 네트워크가 공유한 K와 암호 알고리즘을 통해 AKA 프로토콜을 동작하게 한다. 기존의 3GPP-AKA 방식과 차이점은 인증 벡터의 동기를 Sequence Number가 아닌 Index를 사용한다는 점과 단말과 SN 사이에 Temporary Key (TK) 를공유하여 단말과 SN이 AKA 프로토콜을 동작한다는 점이다. UMTS X-AKA 방식에서는 메시지 인증 코드 생성을 위한 fl, f2 암호 알고리즘과 키 생성 함수 f3, f4, fx를 사용한다ULI2〕. 따라서 기존의 3GPP-AKA 방식에서 Sequence 비동기로 인한 재 인증 함수 f*. l f* 5가 필요로 하지 않는다. 또한 기존의 f5 함수에서는 48 bit 키를 이용한 해시 알고리즘을 사용하지만 제안 기법에서 128 bit 연산의 fx 함수를 사용함으로써 강화된 보안을 제공한다. 제안기법은 3GPP-AKA 방식과 동일하게 키 분배 과정과 인증 및 키 교환 과정으로 나누어 실행된다.

2.2.1 UMTS X-AKA 프로토콜의 동작 과정

● 등록 및 인증 벡터 분배 단계

1) 우선 〔그림 3〕과 같이 단말이 SN으로 Registration Request 메시지를 전달한다. Registration Request 메시지에는 단말의 IMSI, T (Time Stamp), MACu 값이 포함된다. 丁는 Replay 공격을 차단하고 단말과 네트워크 사이에 공유하는 CK (Cipher Key), IK (Integrity Key)의 Freshness를 제공하는데 사용된다.

[그림 3] UMTS X-AKA 인증 절차

(MACu = flk(T))

2) SN은 Registration Request 메시지를 송신한 단말의 HN으로 Authentication Data Request 메시지를 전송한다. 이 메시지는 Registration 메시지와 동일한 파라미터를 가진다.

3) Authentication Data Request 메시지를 수신한 HN은 7값과 WS7에 해당하는 K를 이용하여 수신한 메시지의 MAC 값을 검증한다. 검증이 확인되면 HT 값과T값과 K를 이용하여 단말과 SN이 사용할 TK를 생성한다. 이 후 HN은 RAND와 MACh, AMF (Authentication Management Field), AUTHh를 생성하고 이 값을 TK를 포함하여 SN에게 전달한다. MACh^ 생성 방식은 3G 표준과 동일하다.

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4) HN으로부터 단말의 인증을 위한 TK. RAND, AUTHh를 수신한 SN은 해당 파라미터를 저장하고 인증 및 키 교환 단계를 수행한다.

● 인증 및 키 교환 단계

1) HN으로부터 수신한 인증 파라미터를 기반으로 SN은 MS를 인증하고 무결성 및 기밀성 키를 공유하기 위한 절차를 수행한다. 우선 SN은 Random Number RANDs를 생성하고 이값을 바탕으로 를 생성한다. 그 후, 단말과 AKA 동작을 위한 AUTHs를 생성하여 RANDs와 AUTHs를 단말에 전송한다.

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2) 단말은 SN과 HN을 모두 인증하기 위해서 MACs 값을 검증한다. MACs에는 HN이 생성한 MACh 이 존재하기 때문에 MAGs를 검증하면 SN과 HN 모두를 인증할 수 있다. MACsA 올바르면 jth index를 검사하여 해당 요청 메시지가 재전송 된 것인지, 올바르게 수신된 것인지를 확인하고 AUTHs로부터 RAND와 AMF 값을 획득한다’ 검증이 완료되면 단말은 RES를 생성하여 SN에 전송하고 SN은 공유된 TK로 XRES를 생성하여 단말로부터 수신한 RES를 비교한다. 성공적인 검증이 완료되면 단말은 TK와 RANDs를 이용하여 CK와 IK를 생성하고 단말과 공유한다.

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2.2.2 UMTS X-AKA 프로토콜의 문제점 분석

UMTS X-AKA 방식은 단말과 SN이 공유한 TK 를 사용하여 SN이 HN과 지속적인 통신 없이도 단말을 인증할 수 있다. 또한 SN이 HN으로부터 하나의 인증 벡터만을 할당받아 사용하기 때문에 SN에서 단말의 인증을 위한 데이터 저장 공간도 줄여줄 수 있다. 그러나 UMTS X-AKA 방식은 단말의 이동 특성에 따라서 jth index가 SN과 맞지 않아 동기 문제로 인한 인증 실패 현상이 발생 가능하다. 이렇게 되면 MS는 HN으로부터 Full 인증 절차를 수행해야 한다. 또한 단말이 다른 SN으로 핸드오버 할 경우, 이전의 SN과 현재 SN 사이 에 인증 파라미터 교환이 되지 않기 때문에 HN으로 Full 인증 절차를 수행해야 한다.

Ⅲ. 제안하는 3GPP-AKA 프로토콜

본 장에서는 3G 네트워크 접속 인증 방식에서 Sequence Number 비동기로 인한 인증 실패 현상과 SN에서 사용자 인증 데이터를 효율적으로 관리할 수 있는 개선된 3GPP-AKA 인증 방식에 대해 설명한다. 다음〔표 1〕은 제안 기법에서 사용하는 주요 용어들을 정리하였다’

[표 1] 주요 용어 정리

제안 기법에서 단말은 네트워크로부터 접속 인증을 수행하기 위해 자신의 현재 시간 값을 Time Stamp 파라미터와 이를 이용한 MAC 값을 생성하여 인증 요청 메시지를 통해 HN에 전송하게 된다. HN은 수신한 인증 요청 메시지의 Time Stamp와 MAC 값을 단말과 HN이 공유한 키로 검증하여 인증을 수행한다. 따라서 기존 Sequence Number의 동기 여부를 확인하지 않고 현재 시점에서 네트워크가 수신한 인증요청 메시지가 정당한지를 Time Stamp를 이용하여 판별하기 때문에 기존 방식에서의 인증 비동기 현상을 개선할 수 있다. 또한 Time Stamp 값을 이용하여 매 인증 요청이 발생할 때마다 단말과 SN이 새로운 SK, CK, IK를 생성하여 Key Freshness를 제공할 수 있다. Bootstrapping 인증 시, SN은 HN으로부터 하나의 인증 벡터만을 할당받아 사용하고 추가적인 HN과의 통신 없이 지속적으로 단말과 SN간에 AKA 프로토콜을 가능하게 함으로써 SN과 HN사이의 Bandwidth Consumption 문제를 해결할 수 있다. 뿐만 아니라 SN에서 사용자 인증을 위한 저장해야 할 파라미터를 줄여 각 단말의 인증을 위해저장해야할 메모리 용량을 개선하였다. 핸드오버 시에는 단말이 SN에서 새로운 SN으로 이동할 경우 Security Context Transfer (SCT) 방식을 사용하여 빠른 핸드오버 인증을 지원할 수 있다’ 다음은 제안하는 3GPP-AKA 방식에 대한 설명이다.

3.1 Bootstrapping Authentication

첫 번째, Bootstrapping 인증 절차는 기존의 3GPP-AKA 방식과 동일하게 사용자 등록 단계와 인증 및 키 교환 단계로 구성된다. Time Stamp와 단말이 HN과 공유한 K를 사용하여 단말과 SN이 AKA 동작을 수행하기 위한 SK를 생성 및 공유하고, 인증 요청 시마다 새로운 Time Stamp를 단말이 SN에 전송하여 새로운 인증 파라미터를 생성한다’ 이렇게 함으로써 인증 벡터 동기 문제 및 SN과 HN 사이의 Bandwidth Consumption 문제 등을 해결할 수 있다. 다음은 제안 기법의 Bootstrapping Authentication 과정에 대한 설명이다.

● 등록 및 인증 벡터 분배 단계

1) 단말이 새로운 SN으로 접속하면 해당 SN의 LAI (Location Area Identity)와 K를 이용하여 단말과 SN이 지속적으로 사용할 SK를 생성한다. 이후 단말은 Time Stamp와 MAC 값을 생성하여 SN에 Registration Request 메시지를 전달한다.

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2) SN은 Registration Request 메시지를 송신한 단말의 HN으로 Authentication Data Request 메시지를 전송한다. 이 메시지는 Registration 메시지의 파라미터와 SN의 ID 를 포함한다.

3) Authentication Data Request 메시지를 수신한 HN은 L/V값과 WS7에 해당하는 K 값을 사용하여 단말과 SN이 공유할 SK를 생성하고, T 값과 K를 이용하여 수신한 메시지의 MAC 값을 검증한다. MAC 값이 검증되면 HN은 RANDh와 MACh. AUTHh를 생성하고 이 값에 SK를 포함하여 SN에게 전달한다. (AUTHh = Ti H LAIsn I / MACh, MACh =f%(K // Ti II RANDh))

4) HN으로부터 단말의 인증을 위한 SK, RANDh. AUTHh를 수신한 SN은 해당 파라미터를 저장하고 인증 및 키 교환 단계를 수행한다.

● 인증 및 키 교환 단계

1) HN으로부터 수신한 인증 파라미터를 기반으로 SN은 MS를 인증하고 무결성 및 기밀성 키를 공유하기 위한 절차를 수행한다. 우선 SN은 RANDs를 생성하고 SK, Ti 값을 바탕으로 MACs^- 생성한다. 그 후, 단말과 AKA를 위한 AUTHs를 생성하여 RANDs, AUTHs, * MA 를 단말에 전송한다.

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2) 단말은 SN과 HN을 모두 인증하기 위해서 MACh, MACs 값을 검증한다. MACh, MAG가 올바르면 단말은 RES를 생성하여 SN에 전송하고 SN은 공유된 SK로 XRES를생성하여 단말로부터 수신한 RES를 비교한다. 성공적인 검증이 완료되면 단말은 SK 와 RANDs를 이용하여 CK와 IK를 생성하고 단말과 공유한다.

[그림 4] 제안하는 3GPP-AKA 인증 기법

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3.2 Handover Authentication

두 번째, 핸드오버 인증 기법에서는 단말이 다른 SN으로의 이동을 감지하면 새로운 SN에게 단말이 KTM (Key Transfer Material)을 전송하여 새로운 SN과 새로운 SK를 공유할 수 있다. 따라서 기존의 3GPP-AKA 방식과 같은 SCT 기반의 핸드오버인증 파라미터 전달을 통해서 빠른 인증이 가능하다. 앞서 제시한 기존 3GPP-AKA 인증 방식의 문제점을 개선하기 위한 여러 기법들은 단말이 새로운 SN으로 핸드오버 할 때 단말과 sn이 세션 키를 공유하기 위해서는 반드시 HN으로의 통신이 필요로 하게 되므로 핸드오버 인증 지연이 발생 가능하지만 제안 기법에서는 이를 효율적으로 개선하였다.

● 새로운 SK 분배 단계

1) 단말이 새로운 SN으로 이동한 경우 단말은 새로운 SN과 SK를 공유해야만 AKA 인증 절차를 수행할 수 있다. 단말은 새로운 SN과 공유할 SK를 생성하고 SK를 안전하게 새로운 SN 에게 전달하기 위해 KTM (Key Transfer Material)을 생성하여 새로운 SN에게 전달한다. Registration Request 메시지에는 단말의 IMSI, Time Stamp, MAC, KTM이 포함되어 전달된다.

[그림 5] 제안 기법의 핸드오버 인증 절차

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2) SN은 해당 WSJ에 대한 SK를 찾고 SKA 존재하지 않으면 단말이 이전에 접속하였던 SN에게 User Identity Request 메시지를 전송한다. 해당 메시지에는 단말의 IMSI, 새로운 SN ID, Time Stamp. MAC 값이 포함된다.

3) 해당 메시지를 수신한 SN은 메시지에 포함된 MAC 값을 검증하여 정상적인 사용자임을 확인하고, 단말과 마지막에 공유하였던 무결성 및 기밀성 키를 찾는다. 해당 키와 RANDh를 포함한 Authentication Data Response 메시지를 현재 SN에 전달한다.

● 인증 및 키 교환 단계

1) SN은 Authentication Data Response 메시지를 수신하면 해당 CK와 IK를 이용하여 KTM을 XOR 연산하여 단말이 전송한 SK를 획득한다. 이후 단말은 RANDh를 사용하여 RANDs를 생성하고 이를 이용하여 MACs. AUTHs, XRES를 생성한다. 이후 SN은 RANDs와 AUTHs를 User Authentica­ tion Request 메시지를 통해 단말에 전달한다.

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2) 단말은 SN을 인증하기 위해서 MACs 값을 검증한다. MACsA 올바르면 단말은 RES를 생성하여 SN에 전송하고 SN은 공유된 SK로 XRES를 생성하여 단말로부터 수신한 RES를 비교한다. 성공적인 검증이 완료되면 단말은 SK와 RANDs를 이용하여 CK와 IK를 생성하고 단말과 공유한다.

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Ⅳ. 제안 기법 성능 비교 및 분석

본 논문에서는 기존의 3GPP-AKA 인증 방식에서 발생 가능한 문제점을 분석하였고 이를 개선하는 다양한 인증 기법에 대해 살펴보았다. 그러나 단말의 이동성이 높은 현재 네트워크 환경에서 앞에서 살펴본 인증 기법들은 Sequence Number 비동기로 인한 인증 실패 현상과 SN에서 사용자 인증 데이터의 Overhead?} 존재함을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 Time Stamp와 단말과 SN이 공유한 SK를 이용한 개선된 3GPP-AKA 인증 기법을 제안하였다. 본 장에서는 제안 기법의 장, 단점 및 성능을 분석한다.

● 장점

제안 기법에서는 기존의 인증 방식에서 Sequence Number 비동기로 인해 발생 가능한 인증 실패현상을 Time Stamp 값을 이용하여 해결하였다. 또한 단말과 SN사이에서 AKA 인증 프로토콜을 수행하므로 인증 벡터의 재획득 없이 단말과 SN사이에서 지속적인 인증 절차를 수행하고 새로운 암호 키를 생성할 수 있다. 또한 다수의 인증 벡터를 HN으로부터 할당 받는 대신 단말과 SN 사이에 공유한 SK와 Time Stamp 를 이용하여 지속적인 네트워크 접속 인증을 수행할 수 있으며, SN에서의 인증 벡터 저장 공간을 개선한다. 이렇게 함으로써 SN과 HN사이에서는 단말의 인증을 위한 별도의 시그널링 Overhead?} 줄어들 수 있다.

● 단점

제안 기법이 실제 네트워크 환경에 적용될 경우, SN에서 AKA 인증 프로토콜 동작을 위한 프로세스 Overhead가 존재한다. 기존의 3GPP 표준에서는 HN으로부터 할당받은 인증 벡터를 큰 계산량 없이 확인하는 절차만 거치고 단말의 인증을 수행하지만, 제안 기법에서는 SN에서 인증 벡터를 생성하고 검증 및 키 생성을 해야 하므로 Overhead가 존재한다. 또 한단 말이 SN과의 지속적인 인증 프로세스를 위해서 Time Stamp, SK. RAND 값 등을 저장해야 하므로 단말의 저장량이 다소 증가한다.

4.1 기존 방식과 제안 기법의 비교 분석

다음〔표 2〕는 기존의 3GPP 네트워크 접속 인증 기술과 제안하는 인증 기술에 대한 Sequence Problem, 인증 데이터 메모리 측면, 시그널링 Overhead 측면 등을 비교하여 정리하였다.

[표 2] 제안 기법 성능 비교

우선 제안 기법에서는 단말의 인증 수행 시 기존 이인증 방식과 달리 인증 벡터의 동기를 단말이 네트워크에 전송한 Time Stamp 값을 통해서 맵핑시키기 때문에 단말과 네트워크 사이에 Sequence Problem 을 개선할 수 있다. 기존의 3GPP-AKA와 UMTS X-AKA는 단말과 네트워크 사이에 AKA 프로토콜 동작 시 Sequence Number 또는 Index를 비교 검사해야 하므로, 단말이 현재 SN에서 다른 SN으로 이동한 후 다시 이전의 SN으로 되돌아 올 경우, 또는 단말이 지속적으로 SN을 이동할 경우 인증 벡터의 비동기 문제가 발생하여 인증 실패 현상이 발생할 수 있다. 제안 기법에서는 단말의 네트워크 접속 인증이 필요할 때 마다 단말에서 생성한 Time Stamp를 네트워크에 전송하여 그 값을 인증 벡터의 맵핑에 사용하기 때문에 별도의 인증 벡터 동기 검사를 할 필요가 없이 해당 Time Stamp를 이용한 인증 벡터 값의 일치 여부만 확인하면 되기 때문에 인증 벡터의 동기 문제를 개선할 수 있다.

인증 데이터의 메모리 측면에서도 제안 기법에서는 기존의 인증 방식보다 개선된 효과를 보인다. 단말, SN, HN은 네트워크 접속 인증을 수행하여 상호인증 및 키 교환을 위해 다양한 인증 요소들을 저장해야 한다. 특히 SN에서는 이동성이 많은 단말, 또는 지속적으로 SN에 머물러 있는 단말이 존재할 경우, 인증 데이터 관리를 위해 많은 데이터 저장 공간이 필요로 하다.〔표 2〕에서 살펴볼 수 있듯이, 저장해야 할은 단말에서 저장해야할 인증 파라미터가 기존 표준 보다는 많지만 그 증가량이 매우 미흡하기 때문에 충분히 고려할 만 하며, SN에서 각각의 단말을 인증하기 위해저장해야할 데이터 저장 공간은 다른 방식에 비해 크게 개선되었다. 제안 기법에서는 사용자의 인증이 필요할 경우에만 단말과 SN이 공유한 SK와 Time Stamp 값으로 AKA 프로토콜을 수행하기 때문에 HN으로의 별도 인증 정보 요청 및 관리 없이 지속적으로 단말의 네트워크 접속 인증을 관리할 수 있기 때문에 효율성이 크다. 단말 및 SN에서 저장해야 하는 인증 파라미터는 RANDs. MACs 값이 새롭게 추가되었지만, 기존 표준과 달리 하나의 인증 벡터만을 관리하므로 저장 공간 측면에서 효율적이다.

마지막으로 Sequence Problem으로 인해 발생하는 단말과 네트워크의 시그널링 Overhead 측면과 단말이 SN을 핸드오버 할 경우 단말과 네트워크의 시그널링 Overhead 측면에서 제안 기법이 기존 방식보다 효율적임을 알 수 있다. 기존 3GPP 표준에서 단말과 네트워크 사이에 Sequence Number의 비동기 현상이 발생할 경우 단말은 Re-synchroniza- tion 절차를 수행해야 하기 때문에 단말과 네트워크 사이에 시그널링 Overhead가 발생 가능하다. UMTS X-AKA 방식에서도 단말이 HN으로 재 인증 요청을 수행해야 하기 때문에 별도의 HN과 시그널링이 필요로 하다. 또한 단말이 SN으로 핸드오버 할 경우 제안기법은 3GPP-AKA 프로토콜에서와 같이 Security Context Transfei를 사용하여 빠른 재인증이 가능하지만 UMTS X-AKA 방식에서는 HN과 다시 Full 인증을 수행하기 때문에 시그널링 Overhead가 존재한다.

결론적으로 제안 기법을 통해서 앞서 살펴본 기존의 3GPP-AKA 인증 방식에서 발생 가능한 인증 문제점에 대해서 개선된 효과를 보일 수 있으며, 기존 AKA 프로토콜의 암호 알고리즘과 동일한 프로세스를 가지는 인증 방식의 제안으로 기존 기술과의 호환성을 가진다.

Ⅴ. 결론

Ubiquitous 네트워크 환경에서 3GPP 이동 통신네트워크는 넓은 사용자 서비스 영역과 Global Roaming을 지원하는 무선망으로 널리 사용되고 있다. 이러한 3GPP 네트워크를 접속하기 위해서는 USIM 기반의 AKA 인증 절차가 필수적으로 수행되어야 한다. 그러나 기존의 3GPP-AKA 인증 방식은 Ubiquitous 네트워크 환경에서 단말의 빠른 이동성 및 효율적인 인증 관리를 제공하는데 어려움이 존재한다. 따라서 기존의 3GPP 네트워크에서 발생 가능한 인증 문제를 개선할 필요성이 존재한다.

본 논문에서는 단말과 SN이 공유한 SK와 Time Stamp 값을 이용하여 기존의 3GPP 인증 방식에서 발생 가능한 인증 문제를 해결하는 개선된 3* GPP AKA 인증 프로토콜을 제안하였다. 현재 이동 통신네트워크에서는 단말이 빠르고 빈번하게 네트워크 접속 지점을 변경하기 때문에 네트워크 접속 변경에 따른 접속 인증 시 인증 실패 현상이 발생 가능하다. 제안 기법에서는 이러한 문제점을 Time Stamp를 이용한 인증 데이터의 맵핑 기법을 통해 해결할 수 있기 때문에 기존의 3GPP 네트워크에서의 인증 기법보다 신뢰적인 인증 절차를 수행할 수 있다. 뿐만 아니라 단말기의 보급과 함께 네트워크에서 관리해야 할 사용자 수의 증가로 네트워크에서 관리해야 할 사용자 정보가 급격하게 증가하는 네트워크 환경에서는 제안 기법과 같이 사용자 인증 및 네트워크 접속 관리를 효율적으로 제공하는 인증기법이 필수적이다.

*지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT핵심기술개발사업 （2008-F-015-01, 서비스가용성을 위한 이동성 관리기술 연구）콰 숭실대학교 교내 연구비 지원에 의해 수행하였음.