통신 프로토콜과 보안 - 소프트웨어 융합

통신 프로토콜

1. OSI 모델

통신 시스템에서 흔히 사용되는 표준 모델은 OSI(Open Systems Interconnection) 모델이다. OSI 모델은 7개의 계층으로 구성되며, 각 계층은 독립적으로 동작하면서 상호작용한다.

물리 계층 (Physical Layer): 하드웨어적 신호 전송
데이터 링크 계층 (Data Link Layer): 물리적 전송 오류 수정 및 데이터 프레임 생성
네트워크 계층 (Network Layer): 데이터 패킷 라우팅 및 전송
전송 계층 (Transport Layer): 데이터 전송 신뢰성 보장
세션 계층 (Session Layer): 통신 세션 관리
표현 계층 (Presentation Layer): 데이터 형식 변환 및 암호화
응용 계층 (Application Layer): 사용자와 애플리케이션의 직접적 상호작용

2. 주요 통신 프로토콜

TCP/IP

TCP/IP는 인터넷 및 기타 네트워크에서 널리 사용되는 프로토콜 스위트이다. 다음과 같은 계층으로 구성된다.

네트워크 인터페이스 계층: 물리적 네트워크 하드웨어를 통한 데이터 전송
인터넷 계층: 데이터 패킷을 네트워크에서 라우팅
전송 계층: 종단 간 통신 제공 (TCP, UDP)
응용 계층: 고수준 프로토콜 (HTTP, FTP, SMTP 등)

UDP

UDP(User Datagram Protocol)는 TCP와 다르게 신뢰성을 보장하지 않으며, 연결 설정이 필요 없다. 빠른 데이터 전송이 필요할 때 사용된다.

HTTPS

HTTPS는 HTTP 프로토콜에 SSL/TLS를 추가하여 보안을 강화한 프로토콜이다. 데이터를 암호화하여 전송함으로써 기밀성을 보장한다.

통신 보안

1. 암호화 기법

대칭키 암호화

대칭키 암호화는 송신자와 수신자가 동일한 암호화 키를 사용하는 방식이다. 대표적인 알고리즘으로는 AES가 있다.

$C = E_k(M)$

$M = D_k(C)$

여기서 $C$ 는 암호문, $M$ 은 평문, $E_k$ 는 암호화 함수, $D_k$ 는 복호화 함수, $k$ 는 대칭키를 의미한다.

비대칭키 암호화

비대칭키 암호화는 서로 다른 두 개의 키(공개키와 개인키)를 사용하는 방식이다. 대표적인 알고리즘으로는 RSA가 있다.

$C = E_{k_{pub}}(M)$

$M = D_{k_{priv}}(C)$

여기서 $k_{pub}$ 는 공개키, $k_{priv}$ 는 개인키를 의미한다.

2. 인증

디지털 서명

디지털 서명은 메시지의 무결성과 송신자의 신원을 검증하기 위한 방법이다. 일반적으로 해시 함수와 비대칭키 암호화를 결합하여 사용된다.

인증서

인증서는 공개키를 소유한 주체의 신원을 증명하는 문서이다. 공개키 인프라스트럭처(PKI)를 통해 관리된다.

3. 네트워크 보안

방화벽

방화벽은 네트워크 트래픽을 모니터링하고 제어하는 보안 시스템이다. 허용된 트래픽만 통과시키고, 비허용된 트래픽을 차단한다.

침입 탐지 시스템 (IDS)

IDS는 네트워크나 시스템에서 발생하는 비정상적인 활동을 탐지하여 경고를 발하는 시스템이다. 서명 기반 탐지와 이상 기반 탐지 방식이 있다.

드론 통신과 보안

1. 드론 통신 프로토콜

드론은 다양한 통신 프로토콜을 통해 원격 조종기와 통신한다. 대표적인 프로토콜은 다음과 같다.

MAVLink

MAVLink는 드론과 지상국(GCS) 간의 통신을 위한 경량 프로토콜이다. 텔레메트리 데이터를 주고받는 데 주로 사용된다.

DSMX

DSMX는 RC(무선 조종) 드론의 통신을 위한 스펙트럼 프로토콜이다. 2.4GHz 주파수를 사용하며, 뛰어난 간섭 방지 기능을 갖추고 있다.

2. 드론 통신 보안

드론 통신에서는 보안이 매우 중요하다. 해킹이나 신호 방해로부터 드론을 보호하기 위한 여러 가지 보안 기술이 사용된다.

암호화

드론과 지상국 간의 통신 데이터를 암호화하여 기밀성을 보장한다. AES 등의 대칭키 암호화 방법이 주로 사용된다.

인증 및 인가

지상국과 드론 간의 상호 인증을 통해 신뢰할 수 있는 통신을 보장한다. 디지털 인증서를 사용하여 인증 절차를 수행할 수 있다.

데이터 무결성

데이터 무결성을 확인하기 위해 HMAC(Hash-based Message Authentication Code) 같은 메시지 인증 코드를 사용한다.

주파수 호핑

주파수 호핑 기법은 통신 중에 주파수를 주기적으로 변경하여 신호 간섭과 방해를 줄이는 방법이다. 이를 통해 드론의 통신 안정성을 높일 수 있다.

3. 실시간 리눅스 기반의 드론 제어 소프트웨어

리눅스 기반의 실시간 제어 소프트웨어는 드론의 비행 안정성 및 신뢰성을 높이는 데 중요한 역할을 한다.

RTOS(Real-Time Operating System)

RTOS는 정해진 시간 내에 작업을 완료하도록 보장하는 운영체제이다. 드론의 제어 시스템에 실시간 성능을 제공하여 응답 시간을 줄이고 정확성을 높인다.

ROS(Robot Operating System)

ROS는 로봇 제어를 위한 오픈소스 프레임워크로, 드론 제어에도 자주 사용된다. 다양한 센서 데이터를 통합하고 실시간으로 처리할 수 있다.

노드(Node): 개별 작업을 수행하는 프로세스
토픽(Topic): 노드 간에 메시지를 주고받는 통로
메시지(Message): 노드 간에 주고받는 데이터 구조