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IoT 헬스케어 기기의 데이터 송수신은 주로 헬스케어 기기가 측정한 사용자의 생체신호를 게이트웨이에 전송하는 데 사용된다. 원격 업데이트 상황은 기기의 소프트웨어에 결함이 발견되어 이를 수정하거나 기존의 기능을 개선 또는 새로운 기능을 추가하기 위해 이루어지며 그 빈도가 비교적 낮다.

생체신호 측정 데이터 전송 상황에서 유출될 수 있는 주요 정보는 생체신호 측정 정보 전송 메시지 형식, 환자 아이디(Patient Identifier, PID) 및 측정 정보 등이 있다. 원격 업데이트 상황에서 유출될 수 있는 정보는 IoT 헬스케어 기기와 업데이트 서버의 기기 인증 정보, 사용자 인증을 위한 아이디 및 패스워드, 업데이트할 새 소프트웨어 등이다. 또한 유출된 새 소프트웨어의 이진코드 분석을 통해 기기 제어를 위한 메시지 형식을 포함해 IoT 헬스케어 기기가 사용하는 송수신 메시지 형식 전체와 사용하는 보안 방법 등 기기의 동작과 제어에 필요한 대부분의 정보가 추가로 유출될 수 있다. 이 정보들은 IoT 헬스케어 기기의 오작동을 유발하거나 DDoS 공격 등 다른 기기들을 공격하는데 활용될 수 있다. 따라서 원격 업데이트 상황에서 교환되는 데이터의 중요성이 가장 높다.

원격 업데이트 상황에서 교환되는 데이터는 IoT 헬스케어 기기가 송수신하는 데이터 중 가장 크기가 크다. IoT 헬스케어 기기의 생체신호 측정 데이터 전송이 표준적인 방법으로 이루어지는 경우, 혈압 측정 결과는 환자 정보 등록을 포함한 HL7 FHIR 표준 메시지 형식으로 약 3537 Bytes, 환자 측정 정보를 포함하지 않은 ISO/IEEE 11073 표준 메시지 형식으로 약 202 Bytes 정도의 크기를 가진다. 또한 체온 측정 결과는 HL7 FHIR 표준 메시지 형식으로 약 2233 Bytes, ISO/IEEE 11073 표준 메시지 형식으로 약 182 Bytes의 크기를 가진다[4]. 이에 반해 원격 업데이트 상황에서 교환되는 새 소프트웨어의 크기는 아두이노 스케치 통합 개발 환경(Arduino sketch IDE)에서 AVR 계열의 Arduino Mega 2560 기반 IoT 헬스케어 기기는 256KB, Tensilica 계열의 Node MCU ESP8266 기반의 기기는 1MB의 크기를 가질 수 있다.

따라서 데이터의 중요성과 전송 빈도를 고려하여 원격 업데이트 시 전송되는 데이터 보안에는 생체 신호 측정 메시지 전송에 사용되는 보안보다 보안에 필요한 시간적 비용을 덜 고려하더라도 더 높은 강도의 보안을 적용할 필요가 있다. 또한 비교적 큰 크기의 데이터에 효율적인 보안을 적용해야 한다.

IoT 헬스케어 기기의 원격 업데이트는 WiFi, Bluetooth, ZigBee 등을 통해 이루어진다. 원격 업데이트 시 송수신 되는 네트워크 패킷에는 IoT 헬스케어 기기를 인증하거나 기기를 사용하고 있는 사용자를 인증하기 위한 아이디 및 패스워드 정보, 기기에 설치할 소프트웨어가 포함된다. 원격 업데이트 과정에서 예상되는 해킹 시도는 스니핑 공격, 중간자 공격 등이 있으며, 본 논문은 스니핑 공격으로부터 데이터 유출을 막는 것을 목표로 한다.

스니핑 공격은 네트워크를 통해 전송되는 패킷을 공격자가 훔쳐보는 공격 방식이다. 공격자가 주변 네트워크의 패킷을 무차별적으로 수집하거나, APR Redirect, MAC Spoofing, ICMP Redirect 등의 방법으로 패킷의 목적지를 변조하여 수집하는 등 다양한 방법이 존재한다[5]. 스니핑 공격은 일반적으로 공격 대상이 연결된 네트워크를 구성하고 있는 라우터, 스위치 등의 보안 허점을 이용해 패킷의 일부 또는 전체를 수집한다. 따라서 사용자의 홈 네트워크 또는 사용자와 함께 이동하며 주변 무선 네트워크에 연결하는 IoT 헬스케어 기기의 특성상 사용할 네트워크의 보안 정도를 일정 수준 이상 보장하기 어렵기 때문에 인트라넷 또는 병원 내 보안 무선 네트워크를 사용하는 병원용 헬스케어 기기에 비해 스니핑 공격에 노출될 가능성이 높다. 따라서 IoT 헬스케어 기기의 원격 업데이트 시 네트워크 보안에 의존하지 않고 스니핑 공격을 막아야 하며, 이를 위해서는 기기 간에 송수신 할 데이터를 암호화하는 것이 필요하다.

RC4 암호화 알고리즘은 대칭 키를 사용하는 스트림 암호의 일종이다. 40~2048 bits 크기의 대칭 키로 부터 연산을 통해 유사난수로 이루어진 256 Bytes의 키스트림(Keystream)을 생성하고, 평문 또는 암호문을 256 Bytes 단위로 나누어 키스트림과 순차적으로 XOR 연산을 하여 암호화하거나 복호화 한다. RC4 암호화 알고리즘은 구조가 간단하여 하드웨어 지원 없이 소프트웨어만으로 구현하여도 속도가 빠르다는 장점으로 널리 사용되어 왔다. 그러나 키스트림을 생성하는 과정에서 난수에 편차가 발생하며, 이를 통해 같은 평문이 여러 번 암호화될수록 통계적 접근으로 암호문으로부터 평문의 일부를 복원할 가능성이 있음이 밝혀지는 등 보안상 결함이 존재한다[9]. 그 결과, 주요 보안 솔루션에서 RC4는 더 이상 사용되고 있지 않지만 본 논문에서는 다른 암호화 알고리즘과 속도 비교를 위해 RC4를 구현하여 속도를 측정하였다. RC4 알고리즘의 구현 정확성은 rfc 6229의 테스트 벡터로 검증하였다[10]. 그 결과는 표 2와 같다.

테스트 수행 결과 가장 성능이 부족한 AVR 계열의 Arduino Mega 2560의 경우에도, 해당 보드가 탑재할 수 있는 가장 큰 프로그램의 크기인 256KB의 이진코드 전체가 암호화되어도 이를 복호화 하는데 0.8초가량만 소모되었다. 이보다 성능이 좋은 Tensilica, ARM 계열의 보드에서는 256KB 암호문 복호화에 각각 0.09초, 0.18초가량의 시간이 소모되었다.

ChaCha20은 Salsa20 스트림 암호의 파생 버전 중 하나로, RC4의 보안 결함 발견 이후 RC4의 스트림 암호화 영역을 빠르게 대체하고 있다. 소프트웨어로 구현하여도 비교적 빠른 속도의 암호화 방식이며 현재까지 알려진 보안상 결함이 존재하지 않는다. ChaCha20은 256 bits의 키에 상수(Constant) 128 bits와 블록 카운터(Block counter) 및 넌스(Nonce) 128 bits를 추가하여 512 bits의 ChaCha 블록을 구성한다. 이 블록은 20라운드의 연산을 거쳐 512 bits의 키스트림을 생성하고 XOR 연산을 통해 평문/암호문을 순차적으로 암호화/복호화 한다.

상수는 고정된 bits들로 256 bits의 키를 연장시키기 위해 사용되며, 넌스는 동일 키 사용 시 매 암호화/복호화마다 다르게 설정함으로써 안전성을 보장한다. 블록 카운터는 ChaCha 블록에서 키스트림을 생성 할때마다 1씩 증가시킨다. ChaCha20의 블록 카운터와 넌스의 길이의 합은 128 bits로 고정되어 있지만 구현에 따라 블록 카운터와 넌스의 bits 비를 32:96 또는 64:64으로 설정할 수 있다.

본 논문에서는 rfc 8439의 구현을 따라 블록 카운터 32 bits, 넌스 92 bits로 구현하였으며 블록 카운터의 시작 값은 1이다[11]. 구현 정확성은 rfc 8439의 테스트 벡터로 점검하였다.

표 3에서 보이듯이, 테스트 결과 모든 보드에서 복호화에 걸리는 시간이 RC4에 비해 증가했다. 256KB 복호화 기준 Arduino Mega 2560은 약 14.38초, Node MCU는 약 0.18초, Arduino MKR 1010은 약 0.54초가 소요되었다.

따라서 AVR 계열의 Arduino Mega 2560은 암호화 알고리즘으로 ChaCha20을 사용 시 유의미한 통신 지연이 발생할 수 있다.

AES(Advanced Encryption Standard)는 DES(Data Encryption Standard)를 대체하기 위해 2001년 미국 NIST에 의해 제정되었다. AES는 블록 암호의 일종으로 128, 192 또는 256 bits 길이의 키를 사용해 평문을 128 bits의 블록 단위로 암호화하거나 암호문을 복호화 할 수 있다. 방식에 따라 ECB(Electronic Codebook), CBC(Cipher-block Chaining), CTR(Counter), GCM(Galois/Counter Mode) 등의 모드로 운용할 수 있으며, 본 논문에서는 가장 간단한 구조를 가지는 ECB 방식을 사용하였다. ECB 방식은 평문/암호문을 128 bits로 나누어 병렬로 암호화/복호화를 수행하는 방식으로 다른 운용 방식에 비해 보안이 취약하지만 가장 속도가 빠르다. AES의 특징 중 하나는 암호화와 복호화의 과정에 차이가 있다는 것이며, 복호화 과정에 더 많은 연산이 사용되기 때문에 소요 시간도 더 길다. 본 논문에서는 256 bits의 키 길이를 사용하는 AES-256을 구현하여 복호화 테스트를 수행하였다. AES-256 구현은 NIST의 AES 구현 문서를 참고 하였고, 구현 정확성은 NIST의 테스트 벡터를 사용하였다[12][13]. 그 결과는 표 4와 같다.

테스트 결과 테스트를 진행한 암호화 알고리즘 중 가장 많은 시간이 소요되었다.

256KB의 암호문을 복호화 하는데 Arduino Mega 2560은 약 25초, Node MCU는 약 2.5초, Arduino MKR 1010은 약 7초의 시간이 걸렸다. 따라서 원격 업데이트 상황에 AES-256을 적용 시 전용 하드웨어의 지원이 없다면 모든 MCU 보드에서 초 단위의 지연 시간이 발생함을 알 수 있었다.

테스트 결과를 토대로 각 알고리즘의 보드 별 시간 효율을 정리하면 그림 1과 같다.

Fig. 1. 
Average elapsed time per bytes for 256KB decryption

암호화 알고리즘은 RC4가 가장 빨랐으며, Node MCU와 AES-256 순으로 복호화 시 시간 효율이 우수했다. MCU 보드의 복호화 연산 성능은 Tensilica 계열의 Node MCU ESP8266이 가장 좋았으며 ARM 계열의 Arduino MKR 1010, AVR 계열의 Arduino Mega 2560 순으로 성능이 좋았다.

Node MCU ESP8266는 256KB의 암호문을 복호화 할 때 가장 속도가 느린 AES-256에서도 2.5초가량의 시간이 소요되었기 때문에, 전송 빈도 수가 낮은 IoT 헬스케어 기기의 원격 업데이트 상황에서 어떠한 암호화 알고리즘을 적용하여도 무리가 없을 것으로 판단된다. Arduino MKR 1010은 AES-256 복호화에서 최대 7초가량의 연산 시간이 발생하므로 다소 느리지만, 기기의 중요성과 기기 제조사의 정책에 따라 감수할 수 있는 지연 시간으로 보인다. 그러나 IoT 헬스케어 기기가 AVR 계열의 Arduino Mega 2560을 기반으로 개발된 경우 AES-256 사용 시 256KB의 암호문을 복호화 하는데 최대 25초 가량의 시간이 소모되며, 이는 일반적인 네트워크 환경에서 연결 실패로 간주할 수 있는 긴 지연 시간이다. 그러나 이보다 더 빠른 ChaCha20을 암호화 알고리즘으로 사용한 경우 복호화 연산 시간을 약 14.38초 가량으로 AES-256 복호화 연산 시간 대비 약 43%의 시간을 단축할 수 있다.

표 1의 MCU 보드 별 SRAM 크기에서 볼 수 있듯이 IoT 헬스케어 기기의 가용 주기억장치의 크기는 매우 제한적이다. 특히 표준화된 IoT 헬스케어 기기는 생체신호 측정 자료 전송에 수 KB의 메시지들을 사용할 수 있으므로 복호화에 필요한 메모리 사용량을 고려할 필요가 있다.

RC4의 경우 키스트림 생성 및 유지를 위해 256 Bytes의 추가 메모리 공간을 사용한다. ChaCha20는 ChaCha 초기 블록 구성에 64 Bytes, 키스트림 생성 및 유지에 64 Bytes를 사용하여 총 128 Bytes의 추가 메모리 공간을 사용한다. AES-256은 복호화만 구현하였을 경우, 키를 확장하여 4*4 Bytes의 라운드 키 15개를 생성하기 위해 240 Bytes, Inverse S-box에 256 Bytes를 사용하여 총 496 Byte의 추가 메모리 공간을 사용한다. Inverse S-box는 상수로 구성된 16*16의 Byte 행렬이므로 IoT 기기들이 외부 저장소로 자주 사용하는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), SD card 등에 저장하여 메모리 사용량을 줄일 수 있으나, 이 경우에는 외부 저장소 접근에 따른 지연 시간이 추가로 발생하여 암호화 및 복호화 속도가 느려진다. 따라서 일반적인 암호화 알고리즘 구현에서, 메모리 공간 효율은 RC4, ChaCha20, AES-256 순서로 우수하다.

표 5는 소프트웨어로 구현하였을 때 각 알고리즘들의 성능을 보인다. 원격 업데이트 시 전송되는 데이터의 중요성과 암호화 알고리즘의 보안성, 속도, 메모리 사용량을 고려해 보았을 때, IoT 헬스케어 기기의 원격 업데이트 상황에서 가장 적합한 암호화 알고리즘은 ChaCha20이다. ChaCha20은 AES-256과 마찬가지로 현재 알려진 보안 결함이 존재하지 않고, 소프트웨어로 구현 시 메모리 사용량과 시간 효율성 측면에서 AES-256보다 우수하기 때문에 AES-256보다 많은 IoT 헬스케어 기기에 적용할 수 있다. RC4는 속도 측면에서 가장 우수하고 메모리 사용량 측면에서 평균적이지만 보안성이 약하다. 따라서 보안성이 중요한 원격 업데이트에는 적합하지 않으며 중요도가 낮은 데이터를 빠르게 전송할 때 사용하는 것이 권장된다.