nRF52840 디지털 서명과 인증 - 데이터 서명과 검증 과정 ECDSA

디지털 서명과 인증: 데이터 서명과 검증 과정

디지털 서명은 전자 문서나 데이터를 보호하고, 무결성과 인증을 보장하는 중요한 암호화 기술입니다. 특히 사물인터넷(IoT)과 임베디드 시스템에서 보안 요구 사항이 증가함에 따라, 디지털 서명과 검증은 신뢰성을 확보하는 데 필수적인 역할을 합니다. 이번 포스팅에서는 디지털 서명의 개념과 과정, 그리고 nRF52840과 nRF5 SDK를 활용하여 ECDSA(타원 곡선 디지털 서명 알고리즘)로 데이터를 서명하고 검증하는 방법을 소개하겠습니다.

1. 디지털 서명의 개념

디지털 서명(Digital Signature)은 전자 문서에 대한 무결성과 송신자의 신원을 검증할 수 있도록 하는 암호화된 데이터입니다. 이는 공개 키 기반의 암호화 기법(PKI)을 사용하여 생성됩니다. 디지털 서명은 다음과 같은 두 가지 주요 역할을 수행합니다.

• 무결성 보장: 데이터가 전송 중에 변조되지 않았음을 보장합니다.
• 인증 제공: 데이터의 발신자를 확인할 수 있습니다.

디지털 서명 과정

디지털 서명은 다음과 같은 과정으로 생성됩니다.

1. 해시(Hash) 생성: 서명할 데이터에 대해 해시 함수를 적용하여 고유한 해시 값을 생성합니다.
2. 개인 키(Private Key)로 서명: 생성된 해시 값을 송신자의 개인 키로 암호화하여 서명을 생성합니다.
3. 서명과 데이터 전송: 원본 데이터와 서명을 수신자에게 전달합니다.

디지털 서명 검증 과정

수신자는 다음과 같은 절차로 서명을 검증합니다.

1. 수신된 데이터의 해시 생성: 원본 데이터를 기반으로 해시 값을 생성합니다.
2. 공개 키(Public Key)로 서명 복호화: 송신자의 공개 키를 이용해 서명을 복호화하여 해시 값을 얻습니다.
3. 해시 값 비교: 생성된 해시와 복호화된 해시 값을 비교하여 데이터의 무결성과 발신자를 확인합니다.

2. ECDSA: 타원 곡선 디지털 서명 알고리즘

ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)는 타원 곡선 암호학을 기반으로 하는 디지털 서명 알고리즘입니다. ECDSA는 RSA보다 짧은 키 길이로 높은 수준의 보안을 제공하여, 메모리와 성능이 제한된 임베디드 시스템과 IoT 기기에서 많이 사용됩니다.

ECDSA의 주요 특징

• 짧은 키 길이: RSA에 비해 더 짧은 키 길이로 동일한 보안 수준을 제공합니다.
• 빠른 연산 속도: 서명 생성과 검증 속도가 빠르며, 전력 소비가 적습니다.
• 높은 보안성: 타원 곡선의 수학적 복잡성을 기반으로 한 강력한 보안성을 갖습니다.

3. nRF52 SDK를 활용한 ECDSA 서명과 검증

nRF52840 플랫폼과 nRF5 SDK를 활용하면 ECDSA를 이용한 데이터 서명과 검증을 쉽게 구현할 수 있습니다. nRF52 시리즈는 내장된 CryptoCell-310 하드웨어 가속기를 이용하여 효율적인 암호화 연산을 지원합니다.

개발 환경 준비

다음은 nRF52840과 nRF5 SDK를 이용한 개발 환경 설정 방법입니다.

1. nRF5 SDK 설치: Nordic Semiconductor 공식 사이트에서 SDK를 다운로드합니다.
2. Segger Embedded Studio 설치: Nordic에서 권장하는 통합 개발 환경입니다.
3. nRF Command Line Tools 설치: nRF52840 보드와 통신하고 프로그램을 플래시하는 도구입니다.

주요 코드 구현

아래는 ECDSA를 이용해 데이터를 서명하고 검증하는 C 코드 예제입니다.

ECDSA 키 생성

#include "nrf_crypto.h"
#include "nrf_crypto_ecc.h"

#define ECC_CURVE NRF_CRYPTO_CURVE_SECP256R1

static nrf_crypto_ecc_key_pair_generate_context_t m_keygen_context;
static nrf_crypto_ecc_private_key_t m_private_key;
static nrf_crypto_ecc_public_key_t m_public_key;

void generate_ecdsa_keys(void) {
    ret_code_t ret;
    ret = nrf_crypto_ecc_key_pair_generate(&m_keygen_context, ECC_CURVE, &m_private_key, &m_public_key);
    if (ret != NRF_SUCCESS) {
        printf("키 생성 실패: %d\n", ret);
        return;
    }
    printf("ECDSA 키 쌍이 성공적으로 생성되었습니다.\n");
}

데이터 서명

#include "nrf_crypto_ecdsa.h"

static uint8_t m_signature[64];
static size_t m_signature_len = sizeof(m_signature);

void sign_data(uint8_t *data, size_t data_len) {
    ret_code_t ret;
    ret = nrf_crypto_ecdsa_sign(NULL, &m_private_key, data, data_len, m_signature, &m_signature_len);
    if (ret != NRF_SUCCESS) {
        printf("서명 실패: %d\n", ret);
        return;
    }
    printf("데이터 서명이 성공적으로 생성되었습니다.\n");
}

서명 검증

void verify_signature(uint8_t *data, size_t data_len) {
    ret_code_t ret;
    ret = nrf_crypto_ecdsa_verify(NULL, &m_public_key, data, data_len, m_signature, m_signature_len);
    if (ret == NRF_SUCCESS) {
        printf("서명이 유효합니다.\n");
    } else {
        printf("서명 검증 실패: %d\n", ret);
    }
}

코드 실행 순서

1. ECDSA 키 쌍을 생성합니다.
2. 서명할 데이터를 준비합니다.
3. 개인 키를 이용해 데이터를 서명합니다.
4. 공개 키를 이용해 서명을 검증합니다.

int main(void) {
    uint8_t message[] = "Hello, nRF52840!";
    size_t message_len = sizeof(message);

    // 1. ECDSA 키 생성
    generate_ecdsa_keys();

    // 2. 데이터 서명
    sign_data(message, message_len);

    // 3. 서명 검증
    verify_signature(message, message_len);

    return 0;
}

4. 디지털 서명의 활용 사례

디지털 서명은 다음과 같은 다양한 분야에서 활용됩니다.

• 펌웨어 무결성 검증: 임베디드 시스템에서 무결성을 확인하고, 악의적인 코드 주입을 방지합니다.
• IoT 디바이스 인증: IoT 기기가 클라우드와 안전하게 통신하도록 보장합니다.
• 보안 메시지 전송: 무선 통신 시 데이터의 위변조 여부를 확인합니다.
• 전자 계약: 전자 문서에 대한 서명과 무결성을 보장합니다.

5. 결론

디지털 서명은 임베디드 시스템과 IoT 환경에서 데이터의 무결성을 보장하고, 발신자의 신원을 확인하는 중요한 역할을 합니다. nRF52840과 nRF5 SDK를 활용하면 ECDSA 기반의 디지털 서명과 검증을 효율적으로 구현할 수 있습니다.