nRF52840에 내장된 CryptoCell-310의 개념과 역할

nRF52840에 내장된 CryptoCell-310의 개념과 역할

nRF52840은 Nordic Semiconductor에서 개발한 고성능 무선 SoC(System on Chip)입니다. 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE), Zigbee, Thread와 같은 무선 프로토콜을 지원하며, 사물인터넷(IoT) 장치와 웨어러블 기기에서 널리 사용됩니다. 특히 보안이 중요한 IoT 환경에서 nRF52840은 강력한 보안 기능을 제공하는 CryptoCell-310 보안 유닛을 내장하고 있습니다.

이 글에서는 CryptoCell-310의 개념과 역할을 살펴보고, nRF52840에서 지원하는 주요 암호화 알고리즘에 대해 설명합니다.

CryptoCell-310의 개념

CryptoCell-310은 ARM의 TrustZone 기술을 기반으로 하는 하드웨어 보안 모듈(Hardware Security Module, HSM)입니다. 이 모듈은 SoC 내에서 보안 처리를 담당하며, 데이터를 암호화하고 무결성을 보호하는 역할을 수행합니다. CryptoCell-310은 소프트웨어 기반 암호화와 비교하여 다음과 같은 장점을 제공합니다.

1. 성능 향상: 하드웨어 기반으로 암호화 연산을 수행하므로, CPU 부하를 줄이면서도 빠른 속도로 데이터를 처리할 수 있습니다.
2. 전력 효율성: 저전력 환경에서도 보안 기능을 효과적으로 유지할 수 있습니다.
3. 보안 강화: 키 관리, 난수 생성, 무결성 검증과 같은 보안 작업을 하드웨어 수준에서 보호합니다.

CryptoCell-310은 다음과 같은 주요 기능을 제공합니다.

• 암호화/복호화: AES, DES, ChaCha20 등의 대칭 키 암호화
• 해시(Hash) 연산: SHA-1, SHA-256과 같은 해시 알고리즘 지원
• 전자서명: ECDSA와 같은 공개 키 기반 서명
• 키 관리: 안전한 키 생성, 저장 및 삭제
• 난수 생성: 진정한 무작위성을 보장하는 TRNG(True Random Number Generator)

CryptoCell-310의 역할

nRF52840에서 CryptoCell-310은 다음과 같은 보안 요구 사항을 충족하는 데 사용됩니다.

1. 데이터 무결성 보장

데이터 전송 중 무결성을 보장하기 위해, 해시(Hash) 알고리즘을 사용해 데이터가 변경되지 않았음을 검증할 수 있습니다. CryptoCell-310은 SHA-256과 같은 강력한 해시 알고리즘을 하드웨어 수준에서 지원합니다.

2. 데이터 기밀성 유지

AES와 같은 대칭 키 암호화를 통해 데이터를 암호화하고 복호화할 수 있습니다. 이는 통신 중 데이터가 제3자에 의해 읽히는 것을 방지합니다.

3. 인증과 신뢰성 확보

공개 키 기반의 인증을 통해 장치 간 신뢰성을 확보할 수 있습니다. 예를 들어, ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)를 사용해 장치와 서버 간의 인증을 수행할 수 있습니다.

4. 안전한 키 관리

CryptoCell-310은 키를 하드웨어 내부에 안전하게 저장하고, 필요 시에만 접근할 수 있도록 보호합니다. 키는 외부 메모리에 노출되지 않으며, 무단 접근으로부터 안전합니다.

5. 난수 생성

보안 알고리즘과 프로토콜의 핵심 요소는 무작위성입니다. CryptoCell-310의 TRNG는 진정한 무작위성을 제공하여, 보안 강화를 위한 기반을 제공합니다.

nRF52840에서 지원하는 암호화 알고리즘

nRF52840의 CryptoCell-310은 다양한 암호화 알고리즘을 하드웨어 수준에서 지원합니다. 주요 알고리즘을 대칭 키 암호화, 해시 알고리즘, 공개 키 암호화로 나누어 설명하겠습니다.

1. 대칭 키 암호화 (Symmetric Key Encryption)

대칭 키 암호화는 동일한 키를 사용하여 데이터를 암호화하고 복호화하는 방식입니다. 주요 지원 알고리즘은 다음과 같습니다.

• AES (Advanced Encryption Standard): 128, 192, 256비트 키를 지원하며, ECB, CBC, CTR 모드를 제공합니다.
• ChaCha20: 빠르고 안전한 스트림 암호화 알고리즘으로, 특히 IoT와 같은 저전력 환경에서 효율적입니다.

예제 코드 (AES-128 CBC 모드):

#include "nrf_crypto.h"
#include "nrf_error.h"

#define AES_KEY_SIZE 16
#define AES_BLOCK_SIZE 16

static uint8_t aes_key[AES_KEY_SIZE] = { 0x60, 0x3d, 0xeb, 0x10, 0x15, 0xca, 0x71, 0xbe, 0x2b, 0x73, 0xae, 0xf0, 0x85, 0x7d, 0x77, 0x81 };
static uint8_t plain_text[AES_BLOCK_SIZE] = "HelloCrypto!";
static uint8_t cipher_text[AES_BLOCK_SIZE];
static uint8_t decrypted_text[AES_BLOCK_SIZE];

void aes_encrypt_example(void)
{
    nrf_crypto_aes_context_t aes_ctx;
    nrf_crypto_init();

    // AES CBC 모드 초기화
    nrf_crypto_aes_init(&aes_ctx, &g_nrf_crypto_aes_cbc_128_info, NRF_CRYPTO_ENCRYPT);
    nrf_crypto_aes_key_set(&aes_ctx, aes_key);

    // 암호화 수행
    nrf_crypto_aes_finalize(&aes_ctx, plain_text, AES_BLOCK_SIZE, cipher_text);

    // 복호화 수행
    nrf_crypto_aes_init(&aes_ctx, &g_nrf_crypto_aes_cbc_128_info, NRF_CRYPTO_DECRYPT);
    nrf_crypto_aes_key_set(&aes_ctx, aes_key);
    nrf_crypto_aes_finalize(&aes_ctx, cipher_text, AES_BLOCK_SIZE, decrypted_text);

    printf("Decrypted Text: %s\n", decrypted_text);

    nrf_crypto_uninit();
}

2. 해시 알고리즘 (Hash Algorithms)

해시 알고리즘은 데이터의 무결성을 검증하는 데 사용됩니다. 주요 지원 알고리즘은 다음과 같습니다.

• SHA-1: 160비트 해시 값을 생성하지만, 현재는 보안성이 약화되어 사용을 권장하지 않습니다.
• SHA-256: 256비트 해시 값을 생성하며, 무결성 검증과 디지털 서명에 널리 사용됩니다.

SHA-256 해시 예제 코드:

#include "nrf_crypto.h"

static uint8_t data[] = "Hello, CryptoCell-310!";
static uint8_t hash_output[32];

void sha256_example(void)
{
    nrf_crypto_hash_context_t hash_ctx;
    nrf_crypto_init();

    // SHA-256 해시 생성
    nrf_crypto_hash_init(&hash_ctx, &g_nrf_crypto_hash_sha256_info);
    nrf_crypto_hash_update(&hash_ctx, data, sizeof(data) - 1);
    nrf_crypto_hash_finalize(&hash_ctx, hash_output, sizeof(hash_output));

    printf("SHA-256 Hash: ");
    for (int i = 0; i < 32; i++)
    {
        printf("%02x", hash_output[i]);
    }
    printf("\n");

    nrf_crypto_uninit();
}

3. 공개 키 암호화 (Public Key Encryption)

공개 키 암호화는 공개 키와 개인 키를 사용하는 비대칭 암호화 방식입니다. nRF52840은 다음과 같은 알고리즘을 지원합니다.

• ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm): 전자 서명과 인증에 사용
• ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman): 안전한 키 교환에 사용

ECDSA 서명 예제 코드:

#include "nrf_crypto.h"

static uint8_t message[] = "Secure Message";
static uint8_t signature[64];

void ecdsa_sign_example(void)
{
    nrf_crypto_ecdsa_context_t ecdsa_ctx;
    nrf_crypto_ecc_key_pair_generate(&ecdsa_ctx, &g_nrf_crypto_ecc_secp256r1_curve_info);

    // 서명 생성
    nrf_crypto_ecdsa_sign(&ecdsa_ctx, message, sizeof(message) - 1, signature);
    printf("ECDSA Signature 생성 완료\n");

    // 서명 검증
    if (nrf_crypto_ecdsa_verify(&ecdsa_ctx, message, sizeof(message) - 1, signature) == NRF_SUCCESS)
    {
        printf("ECDSA Signature 검증 성공\n");
    }
    else
    {
        printf("ECDSA Signature 검증 실패\n");
    }

    nrf_crypto_uninit();
}

결론

nRF52840의 CryptoCell-310은 IoT 환경에서 데이터 보안과 기기 무결성을 유지하는 데 필수적인 역할을 수행합니다. 하드웨어 기반 암호화와 안전한 키 관리를 통해 성능과 보안을 모두 만족시킬 수 있습니다. AES, SHA-256, ECDSA와 같은 다양한 알고리즘을 지원해, 개발자는 보안 요구 사항에 맞는 최적의 솔루션을 구현할 수 있습니다.