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5G 이동통신 기술의 현황 및 추진방향 2018.07.31 6 9250

 

 

 

1. 개요

 

2018년 6월 18일 이동통신사별 주파수 할당폭이 확정되면서 5세대 이동통신(이하 5G) 기술의 상용화가 우리에게 한 발짝 다가왔다. 국정기획자문위원회 활동을 통해 제시된 ‘문재인 정부 국정운영 5개년 계획’ 에서 2019년 세계 최초 5G 상용화를 목표로 발표한 바, 본 칼럼에서는 5G 관련 기술과 5G 보안표준화에 대한 내용을 소개하고자 한다.

 

 

2. Generation

 

이동통신기술은 1980년대 음성통화 서비스만 제공했던 1세대 이동통신을 시작으로 디지털 방식으로 음성통화와 문자서비스를 제공하는 2세대 이동통신, 화상통화와 무선 인터넷이 가능하며 멀티미디어 기능이 통합된 스마트폰이 출현한 3세대 이동통신을 거쳐 본격적인 스마트폰 데이터 서비스가 가능해진 4세대 이동통신까지 혁신적인 발전을 이루었다. 최초의 이동통신 1G부터 앞으로 상용화 될 5G까지 각 세대를 구분하는 기준은 무엇일까? 바로 ‘표준화’이다. 

 

 

 

[그림 1] 세대별 이동통신 기술

 

 

해외여행을 가본 사람이라면 스마트폰 충전을 위해 가져간 충전기가 그 나라 전원플러그에 맞지 않아 어댑터를 구한 경험이 한번씩은 있을 것이다. 이는 나라마다 다른 규격으로 전원플러그를 설계했기 때문이다. 다시 말해 전원플러그에 대하여 국제적으로 표준화가 이루어지지 않았기 때문에 발생하는 현상이다. 

 

앞서 언급한 예시와 마찬가지로 이동통신기술 또한 표준화되지 않고 국가나 통신사별로 서로 다른 규격을 만들어 제품을 개발한다면 다음과 같은 상황이 발생할 수 있다. 내가 속한 지역을 서비스하는 기지국의 무선 통신 방식과 내가 사용하는 스마트폰의 통신 방식이 서로 다르다면 무선 연결 자체가 이루어지지 않아 통화나 인터넷 사용 모두 불가능하게 된다. 따라서, 통신기능 주체 간에 정보교환 및 신호 처리가 중요한 이동통신 산업은 특히나 국제 기술 표준화가 중요하다.

 

 

3. Standardization

 

그렇다면 이동통신 산업에 있어 국제 기술 표준화 작업은 어느 기관에서 이루어 질까? 5G 국제 표준은 크게 UN 산하의 국제 기관인 ITU(International Telecommunication Union, 국제 전기 통신 연합)와 이동통신 표준을 담당하는 세계 최대 기술 표준단체인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에 의해 주도적으로 개발되고 있다. 

  

 

[그림 2] 5G 국제 표준화 일정  - 출처 :  IMT - 2020 

 

 

위 그림에서 볼 수 있듯 ITU에서 2015년 IMT-2020에 대한 기술적인 비전을 공표하였다. IMT-2020이란 ITU에서 5G를 지칭하는 표현이며 이를 통하여 5G가 지향하는 서비스의 방향과 4G 대비 5G가 갖추어야 할 기술적 우위 등을 제시하였다. ITU에서 제시한 비전을 통하여 3GPP에서는 Release 14로 5G 규격을 위한 선행 연구를 시작으로 Release 15와 Release 16에서 본격적으로 5G 규격 작업을 진행하고 있다.

 

 

4. 4G vs 5G 

 

 


 

[그림 3] 5G 성능 KPI - 출처 : IMT-2020

 

 

위 그림은 IMT-2020에서 목표하는 IMT-Advanced (4G) 대비 성능 향상을 보여주는 5G 성능 KPI다. 5G KPI에서는 8가지 핵심 파라미터를 제시하고 있으며 그 종류로는 체감 전송률(user experienced data rate), 최대 전송률(peak data rate), 이동성(mobility), 전송 지연(latency), 최대 연결 수(connection density), 에너지 효율(energy efficiency), 주파수 효율(spectrum efficiency), 면적 당 데이터 처리용량(traffic volume density/area traffic capacity)이 있다.

 

 

구분

4G (IMT-Advanced)

5G (IMT-2020)

비고

체감 전송률

10Mbps

100Mbps

4G 대비 10

최대 전송률

1Gbps(225)

20Gbps(7.2)

FHD 영화(18GB) 다운

이동성

350Km/h(최대)

500Km/h(최대)

고속철도에서 끊김 없이 제공

 

 

전송 지연

10ms
(Radio Interface)

1ms
(Radio Interface)

사람 감각인지 허용 시간
(시각 1ms, 청각 100ms)

최대 연결 수

10 만 개/Km²

100 만 개/Km²

4G 대비 10 배 기기수용

에너지 효율

-

4G 대비 100

-

주파수 효율

15bps/Hz

30bps/Hz

4G 대비 2

면적 당 데이터 처리 용량

0.1Mbps/m²

10Mbps/m²

4G 대비 100배 처리용량

 

 

 

5. 5G 적용사례

 

5G의 향상된 성능을 바탕으로 실제 적용사례를 소개해 보고자 한다. 

 

1) 2018 평창 동계올림픽대회

 

2017년 10월 KT는 인텔社과의 협력하여 ‘세계 최대’의 스포츠 축제인 올림픽에서 ‘세계 최초’ 5G 시범서비스를 선보이기 위해 양사가 보유한 5G 네트워크 기술과 플랫폼 역량을 결합하여 전 세계인들에게 몰입감 넘치는 올림픽 경험을 선사하겠다고 발표했다. 

KT와 인텔社는 2018년 2월 9일 평창 동계올림픽 개막식에서 5G 기술을 이용하여 드론 1,218대 비행을 선보였다. 여기서 주목해야 될 것은 1,200여대의 드론을 각각 제어했다는 점이다. 컴퓨터 한 대로 드론들을 모두 통제하는데 필요한 것은 빠른 통신 수단으로 이를  위해서는 5G 8가지 핵심 파라미터 중 전송 지연(Latency)이 가장 중요하다.

 

 

 

[그림 4] 5G기술을 활용한 평창 동계올림픽 개막식 

 

 

2) 자율주행 버스

 

KT는 지난 1월 5일 국토교통부로부터 45인승 대형버스의 자율주행운행 허가를 국내 최초로 취득하고 같은 날 서울 강남대로에서 시범주행을 했다. KT 자율주행 버스는 이를 통해 시속 70㎞ 이상의 고속 자율주행뿐 아니라, 곡선 및 좌·우회전 주행, 보행자 탐지, 신호등 연동까지 안정적으로 수행해 복잡한 도심지 자율주행을 위한 준비를 마쳤다.

 

레이다, 카메라 등 기존 센서들 외에 KT 무선망을 활용해 수 ㎝의 정확도로 정밀하게 위치를 측정하는 기술과 V2X ¹ 차량 통신 인프라로 상황 판단 능력, 신호등 인지 거리, 사각 지대 위험 예측 기능을 확보해 운행 안전성을 크게 높였다는 게 KT측 설명이다. 

 

V2X ¹ : 차량과 차량 또는 차량과 IoT 기기를 5G 이동통신망으로 연결해 자동차 카메라나 센서가 탐지하지 못 하는 사각지대의 상황을 운전자에게 실시간으로 전달하는 기술

  

 

 

[그림 5] KT 대형 자율주행버스에 적용된 기술 및 장비 설명

 

 

6. 5G 보안 취약점 (SS7 Protocol)

 

유럽네트워크 정보보호원(ENISA)은 기존 모바일 네트워크에 존재하는 보안 취약점이 5G에서도 그대로 존재한다고 경고했다. 이번 발표는 특히 사물인터넷 진영에 불행한 뉴스가 될 전망으로  보안이 취약한 수백만 대에 달하는 기기가 모바일 네트워크에 연결되어 있기 때문이다. 사물인터넷 환경의 네트워크는 인증과 암호화 관련 조치가 충분치 않다는 지적이 이미 많은 상황이다.

 

5G에서도 취약할 것으로 전망되는 SS7 프로토콜은 시그널링 시스템 7(Signaling System 7)의 약자이며 음성 통신의 호출정보와 데이터 통신의 접속 정보 등을 관리하는 프로토콜의 일종으로 주로 전화를 걸거나 끌 때의 제어 신호 교환을 규정한 것이다. 여기에 발신자 번호 통지나 단문 메시지 서비스(SMS) 등 각종 서비스를 제공하기 위한 사양을 규정하고 있다. 이 규격은 지난 1980년 ITU에 의해 국제 표준화되었다. 

일반적으로 디바이스와 어플리케이션은 SS7를 통하여 SMS정보를 주고받으며 사용자 신분을 인증하는데, 공격자는 이 정보를 손쉽게 탈취할 수 있으며 사용자 신분으로 위장할 수도 있다. 이렇게 되면 공격자는 수신자처럼 메세지를 받고, 읽고, 쓸 수 있게 된다.

 

 

7. 양자암호통신

 

차세대 이동통신 5G가 상용화되면 전 세계적으로 500억 대의 기기가 네트워크를 통해 연결된다고 한다. 이 네트워크에 해킹이나 도청이 이뤄진다면 엄청난 피해가 따를 것이다. 자율주행차량의 센서를 조작해 사고를 유발하거나 중요한 화상회의를 해킹해 정보를 갈취하는 사례 또한 예상된다.

 

우려하는 상황을 막기 위해 전문가들이 해답으로 제시한 보안기술은 양자암호통신이다. 양자암호통신은 양자(Quantum, 더 이상 쪼갤 수 없는 물리량의 최소 단위)의 특성을 이용해 도청 불가능한 암호키를 생성해 송신자와 수신자 양쪽에 나눠주는 통신기술이다. 암호키를 가진 송신자와 수신자만 암호화된 정보를 해독할 수 있다.

 

 

 

[그림 6] 기존 암호키 분배방식과 양자 암호키 분배방식 – 출처 : SKT

 

 

위 그림에서 볼 수 있듯 기존 암호키 분배 방식은 송신자가 열쇠(암호키)를 금고(공개키)에 넣고 잠근 후 수신자에게 보내고 수신자가 기존에 가지고 있던 비밀번호로 금고를 열어 열쇠(암호키)를 얻는다. 이후 수신자는 이 열쇠로 송신자가 보낸 암호문을 해독한다.

 그러나 양자 암호키 분배(공급) 방식은 기존 방식과 달리 송신자와 수신자가 양자를 주고 받으며 같은 열쇠(암호키)를 동시에 생성한다. 송신자와 수신자가 각자 가진 QKD(양자 키 분배) 기기를 통해 양자를 주고 받으며 양자의 특성(불확정성)을 활용해 예측 불가능한 암호키를 만드는 원리다. 제3자가 중간에서 양자를 탈취한 후 측정하면 양자의 상태 값이 훼손돼 복제가 불가능하다. 또 송신자와 수신자는 양자의 변형 여부를 즉각 감지할 수 있어 탈취 사실을 바로 알게 된다. 새로운 열쇠(암호키)는 1분 내 다시 생성될 수 있다.

 

5G는 이전 세대와는 달리 각기 휴대폰 및 스마트기기 중심의 활용을 넘어 여러 분야의 서비스에 활용돌 것으로 전망된다. 이는 이전 세대의 모바일 네트워크가 휴대폰/스마트폰을 중심으로 한 사용자 편의성 중심으로 발전해 온 것과는 확연히 대조되는 부분이다.

 

지금도 5G를 주도하는 통신사들은 인프라와 동시에 서비스 생태계 구축에 많은 노력을 기울이고 있다. 정부에서 지원하는 5G 관련 실증 시범 사업도 단순 목표달성을 통한 전시용 성과가 아닌 비즈니스를 창출할 수 있는 플랫폼 구축으로 연결될 수 있도록 힘써야 할 것이다.

 

 

8. 참고자료

 

[1] ITU-R WP 5D Standardization Status: Key Performance Indicators for 5G Mobile Communications

[2] 5G 국제 표준의 이해 - 삼성 https://netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=13773

[3] Release 15 – 3GPP http://www.3gpp.org/

[4] TTA 한국정보통신기술협회 http://www.tta.or.kr

[5] 평창올림픽과 5G 기술을 활용한 드론 비행 https://www.pyeongchang2018.com/ko

[6] KT, 자율주행 사업 추진 http://www.kt.com

[7] 전자통신동향분석 http://ettrends.etri.re.kr

[8] 5G시대 안전확보 위한 기술, '양자암호통신’

 

 



 

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