스마트 그리드에서의 전기자동차 충전을 위한

안전한 인증 및 과금결제 프로토콜

정도영, 김장성, Made Harta Dwijaksara, 박이재, 김광조

한국과학기술원

Secure Authentication and Electronic Payment Protocol

for Smart Appliance in Smart Grid

Doyoung Chung, Jangseong Kim, Made Harta Dwijaksara, Yijae Park, and Kwangjo Kim

Korea Advanced Institute of Science and Technology

요 약

스마트 그리드는 기존의 전력망에 디지털 시스템을 결합함으로써, 전력망의 안정성을 높이는 동시에 신재생 에너지의 활용 및 전력 사용량 분산 등과 같이 전력망의 효율성을 끌어올리는 기술이다. 스마트 그리드에서는 시간대 별 혹은 공급된 전력의 종류(신재생 에너지)에 따라, 또는 전기차와 같은 차세대 사업의 활성화를 위한 정책적인 목적에서 누진제의 유무 등과 같이 다양한 과금 체계가 도입될 것으로 예상된다. 따라서, 외부의 공격자에 의한 스마트 미터의 조작 뿐만 아니라, 경제적 이득을 얻기 위하여 사용자에 의한 조작 또한 고려하여야 한다.

본 논문에서는 이런 문제점을 해결하기 위해 스마트 그리드에서의 전기자동차를 위한 안전한 인증 및 과금 결제 프로토콜을 제안하였다. 제안한 프로토콜은 전기자동체에 삽입될 IC 카드 등의 제공자를 통해 제3자 위탁 서비스를 제공하고, 이를 활용한 키 관리를 통하여 스마트 그리드의 구성자들 사이에 안전한 통신을 가능하게한다.

서론

스마트 그리드는 [그림1]과 같은 형태로 구성되며, 참여자(전력공급자, 최종 사용자 등)들에게 다양한 이득을 제공한다.

[그림1] 스마트 그리드의 예제 [1]

스마트 그리드는 낭비되는 에너지를 감소시킬 뿐 아니라, 전력공급자가 최종 사용자에게 전력을 전송하는 과정에서 유지비용을 감소시키고 안정성을 향상시킨다.

또한 과금 체계의 다양화가 가능해짐에 따라, 정책적인 목적에서 전력원(신재생에너지) 또는 에너지 사용 목적에 따라 세제 혜택을 주는 것이 가능하다.

HAN(Home Area Network)는 스마트 그리드 중 주로 최종사용자가 사용하는 영역으로, [그림2]와 같이 스마트 가전(전기차), 스마트 미터 등으로 구성된다.

전기차의 충전기는 Level 1, 2, 3로 분류되는데 이 중 Level 2와 3는 별도의 장비가 필요한 충전소에 설치되는 형태이며, Level 1은 일반 가정의 전력을 이용한다 [2]. 사용자가 Level 1의 충전기를 사용할 경우, 충전기에 공급되는 전력은 해당 HAN의 스마트 미터를 통해 공급되게 된다.

[그림2] Home Area Network의 예제

우리나라의 경우 가정 전기요금에 대하여 누진제가 존재하나, 전기차가 양산 단계에 들어선 이후는 수요확대를 위해 세제혜택 등 다양한 인센티브가 검토되고 있다[3]. 이에 따라 사용자가 인센티브를 얻기 위해 사용한 전력을 Level 1의 전기차 충전기를 통하여 사용한 것으로 위장하는 것과 같은 조작을 할 경제적 요인이 존재한다.

전기차는 고도의 이동성을 갖추고 있으며, 다른 사람의 집을 방문하는 경우와 같이 불특정한 HAN을 통해 충전을 하게 되는 경우가 많다. 이러한 경우, 각 HAN의 스마트 미터와 전기차 사이에서 인증이 이루어져야하며, 사용자의 편의를 위해 이러한 인증은 사용자의 별도의 조작 없이 이루어질 수 있어야 한다. 또한 충전을 한 충전기의 위치 정보와 같은 사용자의 개인정보의 유출 또한 방지할 수 있어야 한다.

이러한 인증을 위하여 IC card 등의 장비가 전기차에 삽입될 것으로 예상되며, HAN의 구성요소인 스마트 미터와 IC card는 연산 성능에 제약이 있다. 따라서 프로토콜을 설계하는데 있어 경량성을 고려하여야 한다.

이런 관점에서 보았을 때, 제안할 프로토콜은 사용자에 의한 조작 방어, 신뢰성, 메시지 무결성, 상호인증, 사용자의 개인정보 보호와 같은 보안요구사항을 만족하여야 한다.

본 논문에서 우리는 위와 같은 보안요구사항을 만족하는 인증 프로토콜 및 안전한 과금  프로토콜을 제안한다.  본 논문의 구성은 제2장에서 관련연구, 제3장에서 제안한 프로토콜, 제4장에서 제안한 프로토콜의 분석을 각각 다루고, 마지막 제5장에서는 결론 및 향후 연구 과제를 정리한다.

관련연구

2.1 HAN에서의 인증 기법 [4]

NIST의 Guidelines for Smart Grid Cyber Security[4]에 따르면, “HAN에서 사용되는 최신 기술로 인하여, 통신 프로토콜은 아직 합의되지 않았으며, 견고한 테스트를 통해 입증된 것 또한 아직 존재하지 않는다.”, 와 같이 HAN에서의 인증 기법은 아직 합의된 것이 존재하지 않는다.

그럼에도 불구하고, HAN에서 보안 프로토콜을 설계하는데 있어 고려해야 할 점은 제안되고 있는데, 앞서 밝힌 바와 같이 무선통신을 사용한다는 점, 구성요소들의 연산성능이 제한된다는 점, 스마트 미터가 주택 등의 외부에 설치됨으로써 물리적으로 조작 혹은 탈취가 가능하다는 점이 공통된 의견이다.

2.2 스마트 미터의 데이터의 익명화를 통한 개인정보 보호

2010년에 Efthymiou 등[5]은 스마트 그리드에서 스마트 미터의 익명성을 보장하는 프로토콜을 제안하였다. 스마트 미터가 전송하는 정보를 그 주기에 따라 잦은 주기와 낮은 주기로 나누었다. 잦은 주기에 해당하는 정보는 수 분 간격으로 전송되는 정보로 특정 스마트 가전의 전력 사용 패턴과 같은 정보이다. 낮은 주기에 해당하는 정보는 주 혹은 월 단위로 전송되는 정보로 요금 고지 등을 위한 정보이다.

Efthymiou 등[5]은 해당하는 정보의 익명성을 보장하는 한편, 구성요소들의 연산 성능이 제약된 점을 고려하여 경량성 또한 목표로 하였다. 또한, 사용자의 개인정보가 노출되는 것을 막기 위해 제3자 위탁 서비스를 이용하였다.

[그림3] 제안한 프로토콜의 시스템 모델

그러나, 사용자에 의한 스마트 미터의 조작 가능성을 고려하지 않았으며, 스마트 미터와 가전 기기(혹은 전기차) 사이의 별도의 인증이 존재하지 않은 한계가 있다.

제안 프로토콜

본 논문에서는 스마트 그리드에서의 전기자동차 충전을 위한 안전한 인증 및 과금결제 프로토콜을 제안한다. 본 프로토콜은 사용자의 편의를 위해 별도의 조작없이 전기차(IC card)와 스마트 미터 사이의 세션키를 생성하며, 사용자의 충전 위치와 같은 개인정보 보호를 위해 IC card의 제조사(SP, IC Service provider)를 신뢰할 수 있는 제3자로 삼아 제3자 위탁 서비스를 이용한다.

전기차의 충전 및 결제는 차량의 인증, 과금 결제, 충전의 3단계로 나눌 수 있다. 차량의 인증 단계에서는 스마트 미터와 KEPCO 사이의 키([eqn: K _{SM,KEPCO}])를 통한 상호인증과 IC card와 SP 사이의 인증이 이루어진다. 이를 통해, 전기차는 적합한 스마트 미터를 통해 SP와 통신이 이루어짐을 보장받고, KEPCO는 과금 혜택을 받을 수 있는 IC card만이 혜택을 받는 것을 보장받을 수 있다.

과금 결제 및 충전에서는 과금이 정상적으로 결제되었는지의 확인과 개인정보의 보호가 필요하다. 과금 결제는 SP에서 책임을 지며, KEPCO는 SP로부터 결제가 이루어졌는지의 여부를 확인받고 전력을 공급한다. 이 과정에서 어떠한 사용자가가 어느 위치에서 언제 충전하였는지와 같은 개인정보를 보호하기 위해서는 스마트 미터의 정보(예, 스마트 미터의 위치 등)와 결제자의 정보(예, 결제자의 신원 등)을 분리해야 할 필요가 있다. 이를 위해 제3자 위탁 서비스를 이용한다. IC card 제조사를 제3자로 삼으며, 신뢰성을 높이기 위해 IC card 제조사는 사업자 등록 시 KEPCO의 인가를 받는다고 가정한다.

전기차(IC Card)와 SP의 통신에 사용되는 대칭키 [eqn: K _{IC,SP}]는 IC card 제조 시 내장되고, 스마트 미터와 전력공급자(KEPCO), 전력공급자와 SP 사이의 인증 및 nonce 값 부여는 스마트 미터의 설치 또는 IC card 제조사의 사업자 등록 시 이루어진다고 가정한다.

3.1 인증

IC card는 전력을 공급받기 원하는 스마트 미터에게 nonce([eqn: R _{IC,SM}])을 생성하여 자신의 ID([eqn: ID _{IC}]) 및 REQ_AUTH와 함께 스마트 미터에게 전송한다. REQ_AUTH에는 오직 IC card와 해당 SP만이 알고 있는 [eqn: R _{IC,SP}]를 해쉬한 값이 포함되어 있다.

[그림4] 인증 과정

스마트 미터는 이 메시지에 자신의 ID([eqn: ID _{SM}])을 첨부하고, 스마트 미터와 전력공급자 사이의 대칭키([eqn: K _{SM,KEPCO}])를 이용하여 메시지를 암호화하여 전송한다.

전력공급자는 받은 메시지를 [eqn: K _{SM,KEPCO}]를 이용하여 복호화하여 스마트 미터에 대한 정보를 얻는다. 이 때, [eqn: ID _{IC}]를 제외한 IC card에 대한 정보는 IC card에 내장된 [eqn: K _{IC,SP}]로 암호화되어 전력공급자에게 노출되지 않는다. 전력공급자는 [eqn: ID _{IC}]를 통해 적합한 SP에게로 암호화되어 있는 IC card에 대한 정보를 전송한다.

메시지를 받은 SP는 [eqn: K _{IC,SP}]로 메시지를 복호화하여 [eqn: R _{IC,SP}]를 해쉬한 값을 이용하여 IC card를 확인한다. 올바른 IC card인 경우, [eqn: R _{IC,SP} +1]을 해쉬한 값이 포함된 응답 메시지 생성하고 [eqn: K _{IC,SP}]로 암호화한다. 이 암호화 된 메시지는 IC card의 인증 요청 메시지가 SP에게 전송된 과정을 역으로 거쳐 IC card에게 전송된다.

메시지를 받은 IC card는 [eqn: K _{IC,SP}]로 메시지를 복호화하여 [eqn: R _{IC,SP} +1]를 해쉬한 값을 확인하여, SP와 통신이 정상적으로 이루어졌음을 확인한다. IC card와 스마트 미터는 [eqn: R _{IC,SM}]과 위의 과정에서 전송된 ACK_AUTH 메시지를 이용하여 세션키 [eqn: K _{IC,SM}]을 합의한다.

3.2 전력요청

전력을 공급받기 위해 IC Card는 필요한 전력량 등의 정보를 스마트 미터에게 전송한다. 스마트 미터를 통해 요청 메시지를 받은 전력공급자는 [eqn: K _{SM,KEPCO}]로 메시지를 복호화하여 스마트 미터의 정보 및 필요 전력량 등을 확인하고, [eqn: ID _{IC}]를 이용하여 적합한 SP에게 결제요청메시지를 전송한다. 이 때, 결제자의 정보는 IC card에서 [eqn: K _{IC,SP}]를 이용하여 암호화되어 있기 때문에 스마트 미터 혹은 전력공급자에게 노출되지 않는다.

결제요청메시지를 전달받은 SP는 전력공급자에 대하여 결제 책임을 지고, 사용자(혹은 결제자)에게 다양한 형태로 결제를 받고(신용카드, 무통장 입금, 모바일 결제 등), 성공적으로 결제가 되었는지 여부를 전력공급자에게 전송한다.

[그림5] 전력 공급 요청 과정

결제가 성공적으로 이루어졌다는 응답을 받으면, 전력공급자는 스마트 미터에게 요청한 전력을 공급하고 스마트 미터는 이를 해당 IC card가 장착된 전기차에게 공급한다.

분석

기존의 프로토콜은 사용자의 개인정보가 공격자에게 유출되거나, 스마트 미터와 전력공급자 사이의 통신에서 스마트 미터가 전송한 정보가 변조되는 것을 막는 것에 초점을 맞추었다.

본 논문에서는 위의 경우는 물론이고, 사용자가 경제적 이득(예, 누진제 회피 등)을 얻기 위해 스마트 미터를 조작하는 경우 또한 고려하고 있다.

4.1 사용자에 의한 조작

사용자에 의한 스마트 미터의 조작이 발생할 경우를 대비하여, IC Card 제조사를 제3자로 삼아 IC Card와 IC Card 제조사 사이에 인증 및 결제가 이루어진 후에만 전력이 공급되도록 하여 사용자의 부당한 사용을 차단하였다.

4.2 확장성

사용자의 편의를 위해서는, 사용자의 별도의 조작이 필요없이 전기차(IC card)와 스마트 미터 간의 인증이 이루어져야 한다. 본 프로토콜에서는 IC Card와 IC Card 제조사만이 알고 있는 정보([eqn: R _{IC,SP}] 및 [eqn: K _{IC,SP}])를 이용하여, 자동으로 임의의 스마트 미터와 IC Card 사이에 키 합의가 이루어질 수 있게 하였다.

4.3 상호인증

인증 및 전력 공급 과정에서의 통신에서, 통신 주체들은 서로 간에 키를 공유한다. 구체적으로는 IC Card와 스마트 미터는 [eqn: K _{IC,SM}]을, 스마트 미터와 전력공급자는 [eqn: K _{SM,KEPCO}]를, 전력공급자와 IC Card 제조사는 [eqn: K _{SM,KEPCO}]를 공유한다. 이러한 공유 된 키를 이용하여, 통신에 참여한 주체들은 상호인증이 가능하다.

4.4 신뢰성 및 메시지 무결성

모든 메시지는 각 구성요소들 간의 세션키를 이용하여 암호화되어 전송됨으로써, 오직 세션키를 소유한 기기들만이 메시지의 내용을 확인할 수 있다. 이를 통해 신뢰성을 제공하며, 메시지의 앞부분에 첨부된 nonce와 암호화 된 메시지 내에 존재하는 nonce를 비교함으로써 메시지의 무결성 또한 확인할 수 있다.

4.5 익명성 및 개인정보 보호

공격자 등이 구성 요소들 간의 통신(특히, 스마트 가전과 스마트 미터 사이의 무선 통신)을 도청 혹은 감청할 수 있으나 모든 메시지가 암호화되므로 공격자는 메시지의 내용 혹은 전송자를 밝혀낼 수 없다. 사용자 정보의 보호 측면에서 전력공급자에게는 스마트 미터의 정보 및 종류만이 전달되며, IC Card의 정보와 결제자의 정보는 전력공급자에게 제공되지 않고 SP에게만 제공됨으로써 익명성 및 사용자 정보의 보호를 보장한다.

4.6 성능분석

본 프로토콜에서 사용되는 연산은 해쉬와 대칭키 연산(암호화/복호화)이다. 인증 및 전력요청 과정에서 참여자 별 연산 횟수는 [표1]과 [표2]와 같다.

[표1] 인증 과정에서의 연산 횟수

구분	해쉬연산	대칭키연산
IC	3	2
SM	4	3
KEPCO	2	3
SP	1	2

[표2] 전력요청에서의 연산 횟수

구분	해쉬연산	대칭키연산
IC	1	1
SM	3	3
KEPCO	2	4
SP	0	2

결론

스마트 그리드는 전력망의 효율성을 높일 뿐만 아니라 안정성을 높이는 동시에, 태양열 발전 및 풍력 발전 등과 같은 신재생 에너지의 활용을 가능하게 한다. 미국의 전력망 노후와 고유가 및 에너지 부족에 대비하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.

과거의 전력망은 발전소에서 생산된 전력을 일방적으로 전송하는 방송 방식이었던 것에 비하여, 스마트 그리드는 최종사용자와 전력공급자 및 배전망 등에 IT 기술을 결합하여 양방향 통신을 활용하는 것을 근간으로 한다. 이에 전력 사용 패턴과 같은 사용자의 개인정보가 노출될 가능성이 발생하고 있다.

또한, 스마트 그리드 또는 전기차의 활성화를 위해 과금 측면에서 정책적으로 이익을 준다거나 하는 시도가 예상되고 있어, 외부의 공격자 뿐만 아니라 사용자에 의한 부당한 사용의 가능성도 존재하고 있다.

본 논문에서는 이러한 공격에 대비한 프로토콜을 제안하였다. 제안한 프로토콜은 또한 연산 성능이 제약된 스마트 그리드의 환경에 맞추어 대칭키 암호와 해쉬함수 연산만을 활용함으로써 경량성을 만족하는 프로토콜을 설계하였다. 또한, 스마트 가전이 추가되거나 이동시마다 능동적으로 키 합의를 수행함으로써 확장성 또한 만족하고 있다.

향후에는 이러한 키 관리 및 인증 기법을 보다 경량화하고 확장성을 강화시키는 연구가 필요하다.

[참고문헌]

[1] MTR, “Smart Grid Wireless Solutions,” Internet, http://www.mtrcom.com

[2] “전기차 상용화 기반 구축 본격 시동!”, YTN, 2010-10-13

[3] “Electric car”, Wikipedia, Avaiable from http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_car

[4] NIST, Guidelines for Smart Grid Cyber Security, vol 1-3.

[5] C. Efthymiou, and G. Kalogridis. "Smart Grid Privacy via Anonymization of Smart Metering", Smart Grid Communications (SmartGridComm), 2010, pp. 238 - 243