UAV 군집 환경에서 제로트러스트 기반 PUF 경량 상호인증 프로토콜
Lightweight PUF-Based Mutual Authentication Protocol in Zero-Trust UAV Swarm Environments
- 주제(키워드) UAV , 물리적 복제 방지 기능 , 제로트러스트 , 상호인증
- 주제(DDC) 355
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 손태식
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 국방디지털융합학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036208
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
무인항공기（UAV） 군집은 다양한 군집 응용 환경에서 정찰·감시 등 군사 임무 수행의 핵심 요소로 활용되고 있으나, 개방된 무선 채널의 특성상 위장 공격, 재전송 공격, 물리적 포획 등 다양한 보안 위협에 노출된다. 이를 해소하기 위 해 PUF（Physically Unclonable Function） 기반 경량 인증 기법들이 제안되어 왔으나, 기존 기법들은 주로 단일 노드와 신뢰 서버 간 세션 수립, 또는 지상 기지국 중심의 UAV와 지상기지국, UAV 간 인증 구조에 초점을 두고 있어, UAV 군집 구조의 위임 인증 구조와 세션 유지 중 지속적 검증 요구를 충분히 반영하지 못한다. 본 논문은 이 두 가지 한계를 해소하기 위해 PUF의 경량 인증 특성과 제로트러스트（Zero Trust）의 지속적 검증 원칙을 결합한 UAV 군집 환경 경량 상호인증 프로토콜을 제안한다. 제안 시스템 모델은 UAV 군집의 기 존 계층적 운용 구조를 제로트러스트의 PDP-PEP 기반 보안 프레임워크로 매핑한 형태로, 초기 상호인증 이후에도 PUF 기반 재인증을 수행하며, 신뢰 점 수（Trust Score） 기반 정책 판단을 통해 정상·주의·격리의 3단계 차등 대응을 구현한다. 보안성 분석 결과, 제안 기법은 기존 대표 기법들이 충족하는 기본 보안 요구사항을 모두 충족하는 동시에, 기존 기법이 대응하지 못하는 세션 탈 취 방지, 내부자 위협 탐지, 포획 후 위장 공격 탐지, 지속적 신원 재검증, 최 소 권한 접근 통제의 5개 항목을 추가로 충족한다. 또한 Scyther를 활용한 형 식 검증을 통해 프로토콜의 기밀성（Secrecy）, 참여 확인（Aliveness）, 약한 합의（Weakagree） 속성이 검증 범위 내에서 확인되었다. 성능 분석 결과, 재인증 소요시간 14.83 μs는 초기 인증의 약 22% 수준으로 자원 제약 환경에서 지속적 검증이 실현 가능한 수준임을 확인하였으며, 설정한 공격 모델과 시뮬레이션 조건 내에서 포획 후 위장 공격 및 세션 탈취는 최초 재인증 주기 내 100% 탐 지되었고, 내부자 위협은 1라운드 내 탐지율 88.7% ± 2.2%, 3라운드 내 누적 탐지율 99.8% ± 0.2%를 달성함을 확인하였다. 주제어: UAV 군집, 물리적 복제 방지 기능（PUF）, 제로트러스트, 상호인증, 지속적 검증
more초록/요약
UAV （Unmanned Aerial Vehicle） swarms have emerged as a critical component for military missions such as reconnaissance and surveillance. However, open wireless channels expose UAV swarms to various security threats including impersonation, replay, and physical capture attacks. Although PUF （Physically Unclonable Function）-based lightweight authentication schemes have been proposed, existing approaches rely on perimeter-based security models that verify identity only at initial authentication and focus on GS-centric structures, failing to reflect the hierarchical delegation and continuous verification requirements of UAV swarms. This paper proposes a lightweight mutual authentication protocol combining PUF-based authentication with the Zero Trust continuous verification principle. The proposed model maps UAV swarm hierarchy onto a Zero Trust PDP-PEP framework, where the GCS serves as PDP, the Cluster Head （CH） as PEP, and member UAVs as continuously verified nodes. Following initial authentication, the CH periodically performs PUF-based re-authentication with three-level differential responses based on trust score policies. Security analysis confirms that the proposed scheme satisfies all basic security requirements of existing schemes while additionally addressing five capabilities unmet by prior works: session hijacking prevention, insider threat detection, post-capture impersonation detection, continuous identity re-verification, and least privilege access control. Formal verification using Scyther confirms secrecy, aliveness, and weak agreement properties. Performance evaluation shows re-authentication cost of 14.83 μs （≈22% of initial authentication）, with post-capture impersonation and session hijacking achieving 100% detection within the first re-authentication round, and insider threat reaching 88.7% ± 2.2% （1-round） and 99.8% ± 0.2% （3-round） across 2,000 simulation runs. Keywords: UAV, PUF（Physically Unclonable Function）, Mutual Authentication, Zero Trust, Continuous Verification
more목차
제 1 장 서론 1
제 2 장 배경 및 관련연구 3
제 1 절 PUF(Physically Unclonable Function) 4
제 2 절 제로트러스트(Zero Trust) 보안모델 6
1. PDP(Policy Decision Point) 7
2. PEP(Policy Enforcement Point) 7
제 3 절 UAV Swarm 환경에서의 보안 위협 및 보안 요구 사항 8
1. 상호인증(Mutual Authentication) 9
2. 위장 공격(Impersonation Attack) 9
3. 재전송 공격(Replay Attack) 9
4. 중간자 공격(Man-In-The-Middle Attack) 10
5. 물리적 포획 공격(Physical Capture Attack) 10
6. 세션 탈취 및 내부자 위협(Session Hijacking & Insider Threat) 11
7. 기기 복제 불가 보장(Device Unclonability) 11
제 4 절 관련 연구 12
1. Bansal 등의 SUKA(Secure User Key-Exchange Authentication) 14
2. Alladi 등의 SecAuthUAUAV 14
3. 기존 연구의 한계 15
제 5 절 시스템 모델 16
1. 전체 시스템 구성 16
2. 계층별 역할 정의 18
3. 위협 모델 20
제 3 장 제안 기법 22
제 1 절 표기법 및 시스템 파라미터 22
제 2 절 사전 등록 단계 24
제 3 절 초기 상호인증 단계 26
제 4 절 지속적 재인증 단계 31
1. 재인증 프로토콜 흐름 31
2. 신뢰 점수 기반 정책 판단 32
3. 단계별 대응 메커니즘 33
4. CH에 대한 지속적 검증 36
5. 연산 오버헤드 37
제 4 장 보안성 분석 39
제 1 절 보안 요구 사항 분석 39
1. 상호인증 및 위장공격 방어 39
2. 재전송 공격 및 중간자 공격 방어 39
3. 물리적 포획 공격 방어 및 기기 복제 불가 보장 40
4. 세션 탈취 및 내부자 위협 대응 40
5. 순방향 비밀성 40
6. 최소 권한 접근 통제 41
제 2 절 형식 검증(Scyther) 42
1. 검증 도구 및 환경 42
2. 검증 대상 보안 속성 43
3. 검증 결과 및 해석 44
제 3 절 보안 기능 비교 종합 46
제 5 장 성능 분석 47
제 1 절 실험 환경 및 가정 47
1. 이론적 연산 비용·분석 환경 47
2. 신뢰 점수 시 48
제 2 절 초기 인증 재인증 연산 비용 49
1. 인증 비용 연산량 비교 49
2. 재인증 비용 연산량 50
3. 분할 상환 비용(amortized cost) 분석 51
제 3 절 신뢰 점수 시나리오 시뮬레이션 52
1. 실험 조건 및 시나리오 설계 52
2. 시나리오 B와 C의 탐지 메커니즘 및 맥락 비교 52
3. 시나리오 D: 내부자 위협 탐지 메커니즘 53
4. 실험결과 54
제 4 절 가중치 민감도 및 오탐률 분석 56
1. 실험 조건 56
2. w1(응답 무결성 가중치) 민감도 분석 결과 56
제 5 절 공격 탐지 속도 및 탐지 성능 분석 57
제 6 절 클러스터 헤드 UAV(CH) 병목 분석 58
제 7 절 성능 분석 종합 59
제 6 장 결 론 61
참 고 문 헌 63
Abstract 66
