블루투스 메시 보안 및 프라이버시: 신뢰할 수 있는 IoT 네트워크 구축

1부와 2부에서 블루투스 메시 아키텍처와 메시지 흐름을 탐구했습니다. 오늘날 초연결 세계에서 보안은 선택이 아닙니다. 메시 기반 IoT 솔루션의 타협할 수 없는 기반입니다.

블루투스 SIG는 모든 메시 디바이스가 보안을 구현하도록 요구하며, 비활성화는 금지됩니다. 반면 클래식 BLE 포인트-투-포인트 연결은 개발자가 선택하면 보안 없이도 동작할 수 있습니다.

디바이스를 메시에 추가하는 프로비저닝 과정과 이후 모든 데이터 교환은 보안을 최우선으로 설계되었습니다.

• 타원 곡선 디피-헬만(ECDH) 키 교환으로 프로비저닝 중 중간자 공격 차단
• 메시지당 시퀀스 번호로 재생 공격 방지
• 키 갱신(블랙리스팅) 절차로 폐기된 디바이스의 쓰레기통 공격 무력화

메시 토폴로지는 각 스택 계층을 보호하는 필수 키들에 의존합니다. 주요 보안 및 프라이버시 메커니즘을 자세히 살펴보겠습니다.

프로비저닝: 비프로비저닝 디바이스를 메시 네트워크에 추가

메시 디바이스는 프로비저닝될 때 노드가 됩니다. 프로비저닝을 수행하는 디바이스(프로비저너)는 일반적으로 스마트폰입니다. 프로비저너는 네트워크를 생성하고 네트워크 키를 할당하며 필수 키들을 전달합니다. 비프로비저닝 메시 노드는 전원 투자 후 자신을 광고합니다. 프로비저너는 이 비콘을 스캔하고 표준 BLE 연결(오늘날 디바이스는 PB-GATT 사용)을 설정하여 ECDH를 통해 키를 교환합니다.

세션 키가 파생되면 네트워크 키, 디바이스 키, IV 인덱스, 유니캐스트 주소를 암호화하여 노드에 전송합니다. 성공적인 프로비저닝 후 노드는 구성 단계에 진입하며, 프로비저너는 노드의 기능을 발견하고 애플리케이션 키를 할당합니다. 노드는 여러 애플리케이션 키를 가질 수 있으며, 각 키는 특정 메시 모델에 바인딩되어 의도된 디바이스만 애플리케이션 페이로드를 복호화할 수 있게 합니다.

그림 1은 CYBT-213043-MESH 평가 키트를 사용한 디머블 전구의 전체 프로비저닝 시퀀스를 보여줍니다.

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그림 1: 디머블 전구의 프로비저닝 과정. (출처: Cypress)

스마트폰의 메시 헬퍼 앱이 비프로비저닝 목록에서 전구를 선택하면 프로비저닝 핸드셰이크를 시작합니다. 전구는 지원 요소, 보안 알고리즘, OOB 옵션, 입출력 방법 등 기능을 회신합니다. 이를 기반으로 공개 키가 OOB 또는 BLE 링크를 통해 교환되고 인증이 이어집니다. 전구가 인증되면 프로비저너가 암호화된 프로비저닝 데이터(네트워크 키, 디바이스 키, IV 인덱스, 유니캐스트 주소 등)를 전송합니다. 노드는 이제 완전히 프로비저닝되어 구성 준비가 완료됩니다.

네트워크, 애플리케이션, 디바이스 키

네트워크 키는 노드가 네트워크 계층까지 메시지를 복호화하고 인증하여 트래픽을 릴레이할 수 있게 합니다. 애플리케이션 키는 유사한 기능을 수행하는 노드 부분 집합 간에 공유되며, 올바른 애플리케이션 키를 가진 디바이스만 페이로드를 복호화할 수 있습니다. 디바이스 키는 각 프로비저닝된 노드를 고유하게 식별하며 구성 단계에서만 사용됩니다.

네트워크 키: 노드는 하나 이상의 네트워크 키를 가질 수 있어 단일 메시 네트워크 내에 여러 서브넷 생성을 허용합니다. 예를 들어 다층 주차장에서 각 층을 자체 서브넷으로 격리하여 릴레이 트래픽을 관련 층으로 제한할 수 있습니다.

애플리케이션 키: 일반적으로 같은 목적을 수행하는 디바이스 간에 공유됩니다. 예를 들어 거실 조명은 하나의 키를 공유하고, 모션 센서나 잠금장치는 다른 키를 사용합니다. 적절한 키를 가진 디바이스만 조명 상태 변경 메시지를 해석할 수 있습니다.

디바이스 키: 프로비저닝 중 할당되며, 노드를 고유하게 식별하고 구성 단계에서만 독점적으로 사용됩니다.

노드 제거: 키 갱신과 블랙리스팅

손상되거나 폐기된 노드가 타겟 네트워크에 재합류하는 것(쓰레기통 공격 시나리오)을 방지하기 위해 메시 사양은 키 갱신 절차를 정의합니다. 프로비저너는 노드를 블랙리스트에 올리고 모든 비-블랙리스트 디바이스에 새 네트워크 키와 애플리케이션 키를 발급할 수 있습니다. 기존 키는 더 이상 접근을 허용할 수 없어 네트워크를 악용으로부터 보호합니다.

프라이버시 (메시지 난독화)

프라이버시는 네트워크 키에서 파생된 프라이버시 키를 통해 달성됩니다. 메시 프로토콜은 이 키를 사용하여 소스 주소 같은 헤더 필드를 난독화하여 도청자가 메시지 출처를 추적하지 못하게 합니다.

재생 공격

재생 공격은 합법적인 메시지를 캡처하여 네트워크를 방해하기 위해 재전송하는 것입니다. 예를 들어 도어락에 언락 명령을 재전송하는 것입니다. 메시 프로토콜은 IV 인덱스와 시퀀스 번호(SEQ) 두 가지 보호장치로 이에 대응합니다. 각 메시지는 발행할 때마다 증가하는 SEQ를 가지며, 노드는 마지막 유효 값보다 작거나 같은 SEQ를 가진 패킷을 폐기합니다. IV 인덱스도 마지막 처리된 값보다 크거나 같아야 하며, 그렇지 않으면 패킷이 폐기됩니다. 공격자가 이 필드를 수정하려면 모든 관련 키가 필요하므로 성공적인 재생은 비현실적입니다.

요약하면, 블루투스 메시의 프로비저닝 과정은 신뢰할 수 있는 디바이스만 네트워크에 합류하도록 보장하고 MITM, 재생, 쓰레기통 공격을 방지합니다. 네트워크 키는 서브넷 생성을 가능하게 하고, 애플리케이션 키는 의도된 디바이스만 페이로드를 해석하도록 보장하며, 키 갱신 메커니즘은 손상된 노드를 안전하게 제거합니다. 프라이버시 기능은 소스 주소를 숨기고, 시퀀스 번호와 IV 인덱스는 재생 공격을 방지합니다. 이러한 메커니즘이 함께 블루투스 메시를 IoT 배포를 위한 높은 보안성과 프라이버시 플랫폼으로 확립합니다.

3부에서는 특정 애플리케이션에 적합한 블루투스 메시 디바이스 선택 방법을 논의하겠습니다.