ROS2 보안 기능의 필요성

ROS2 보안은 네트워크에 연결된 분산 시스템에서 특히 중요하다. 로봇이 네트워크 상에서 데이터를 주고받는 동안 데이터가 유출되거나 변조될 수 있는 위험이 있기 때문이다. ROS2의 보안 모델은 DDS(Datagram Delivery Service)를 기반으로 설계되었으며, 이를 통해 데이터 통신의 기밀성, 무결성, 인증을 보장한다.

SROS2의 보안 적용

ROS2 보안의 핵심 요소 중 하나는 SROS2 (Secure ROS2)이다. SROS2는 DDS의 보안 프로토콜을 기반으로 ROS2 네트워크에서 통신하는 각 노드 간의 데이터를 암호화하고, 통신의 신뢰성을 보장한다. 이를 적용하기 위해서는 각 노드에 대한 인증서 및 키가 필요하다.

인증서 생성 및 관리

ROS2의 보안 적용을 위해서는 각 노드가 신뢰할 수 있는 인증서를 가져야 한다. 이를 위해 OpenSSL을 사용하여 ROS2 노드마다 고유한 인증서를 생성하고 배포한다. 예를 들어, 다음과 같은 명령을 통해 노드 인증서를 생성할 수 있다.

openssl req -new -newkey rsa:4096 -nodes -keyout node_key.pem -out node_cert.pem

이 인증서는 ROS2 네트워크에서 노드 간 통신이 안전하게 이루어질 수 있도록 보장한다.

보안 정책 설정

ROS2에서 보안 설정을 적용하기 위해서는 각 노드에 대한 보안 정책을 설정해야 한다. 보안 정책은 네트워크의 각 노드가 수행할 수 있는 작업과 그에 대한 권한을 정의한다. ROS2의 보안 정책 파일은 XML 형식으로 작성되며, 이를 통해 각 노드가 어떤 데이터를 주고받을 수 있는지, 어떤 서비스를 호출할 수 있는지 제어할 수 있다.

예시: 보안 정책 파일

다음은 예시로 작성된 보안 정책 파일의 일부이다. 이 파일은 특정 노드에 대해 퍼블리셔와 서브스크라이버 역할만 허용하는 내용을 포함한다.

<permission>
  <allow_rule>
    <publish topic="/example_topic"/>
    <subscribe topic="/example_topic"/>
  </allow_rule>
</permission>

이 파일을 통해 노드가 "/example_topic"에 대해 퍼블리셔와 서브스크라이버로만 동작할 수 있도록 제한할 수 있다.

데이터 암호화

SROS2는 데이터 암호화를 통해 네트워크 상에서 주고받는 데이터를 보호한다. 퍼블리셔가 데이터를 보낼 때, 해당 데이터는 암호화되어 전송되고, 서브스크라이버는 데이터를 수신한 후 해당 데이터를 복호화한다. 이를 통해 데이터가 도청되거나 변조되는 것을 방지한다.

암호화 방식은 DDS의 보안 표준을 따르며, 각 노드는 통신 전에 서로의 인증서를 확인하여 신뢰할 수 있는 노드 간에만 데이터가 전달되도록 한다.

퍼블리싱 및 구독 암호화 과정

퍼블리셔가 메시지를 전송하는 과정에서 암호화는 다음과 같은 과정을 따른다.

  1. 퍼블리셔가 메시지를 생성한 후, 해당 메시지는 퍼블리셔의 비밀 키를 사용해 암호화된다.
  2. 암호화된 메시지는 네트워크를 통해 전송된다.
  3. 서브스크라이버는 퍼블리셔의 공개 키를 사용하여 메시지를 복호화한다.

이 과정을 통해 퍼블리셔와 서브스크라이버 간의 통신은 안전하게 이루어진다.

노드 간의 인증 과정

ROS2에서 노드 간의 통신이 발생하기 전에, 각 노드는 서로를 인증해야 한다. 이를 위해 각 노드는 인증서를 사용하여 자신의 신원을 증명한다. 인증 과정은 다음과 같은 단계를 거친다.

  1. 노드 A는 노드 B와 통신하기 전에 자신의 인증서를 노드 B에 전송한다.
  2. 노드 B는 노드 A의 인증서를 수신한 후, 해당 인증서가 신뢰할 수 있는 인증 기관(CA)에 의해 발급된 것인지 검증한다.
  3. 인증이 완료되면, 노드 B는 노드 A와의 통신을 허용한다.
  4. 이 과정에서 인증이 실패할 경우, 노드 B는 노드 A의 통신 요청을 거부한다.

이러한 인증 과정을 통해 네트워크 상에서 신뢰할 수 있는 노드 간에만 데이터가 교환되도록 보장한다.

서비스와 액션의 보안 적용

ROS2에서 서비스와 액션도 보안이 적용된 통신을 사용하여 데이터가 안전하게 주고받을 수 있다. 서비스 호출이나 액션 요청 역시 인증서를 통해 암호화된 방식으로 처리된다.

서비스 보안 적용 예시

서비스 호출 시 암호화된 데이터를 주고받는 과정은 다음과 같다.

  1. 클라이언트 노드가 서비스를 호출할 때, 요청 데이터를 암호화하여 서비스 서버 노드에 전송한다.
  2. 서비스 서버 노드는 암호화된 요청 데이터를 복호화하여 처리한 후, 결과를 다시 암호화하여 클라이언트에게 전송한다.
  3. 클라이언트 노드는 응답 데이터를 복호화하여 최종 결과를 확인한다.

이 과정에서 인증되지 않은 노드는 서비스 요청을 처리할 수 없도록 차단된다.

ROS2의 보안 성능 최적화

보안 기능을 적용하는 경우, 성능 저하가 발생할 수 있다. 데이터 암호화 및 인증 과정에서 추가적인 처리 비용이 발생하기 때문이다. 따라서 보안 기능을 적용할 때는 성능 최적화가 중요한 요소로 고려된다.

성능 최적화를 위한 주요 전략

  1. 하드웨어 가속: 보안 암호화 및 복호화 과정을 가속화하기 위해 하드웨어 보안 모듈(HSM) 또는 암호화 가속기를 사용하는 것이 성능 향상에 도움이 된다.
  2. 병렬 처리: 노드 간 통신에서 암호화와 인증 과정을 병렬로 처리함으로써 성능 저하를 최소화할 수 있다.
  3. 필요한 곳에만 보안 적용: 모든 통신에 보안을 적용하는 대신, 민감한 데이터 통신에만 보안 기능을 선택적으로 적용하는 것도 성능 최적화 방법 중 하나이다.

ROS2 보안 성능 분석

보안 적용 전후의 성능을 분석하기 위해 여러 시나리오에서의 데이터를 수집하여 비교할 수 있다. 예를 들어, 보안이 적용되지 않은 환경에서 퍼블리셔와 서브스크라이버 간 통신 속도를 측정한 후, 동일한 환경에서 보안을 적용했을 때의 성능 차이를 비교한다.

이를 통해 보안 기능이 성능에 미치는 영향을 파악하고, 필요에 따라 최적화 작업을 진행할 수 있다.