GPS 숨은 메시지 분석: 위성 신호 속 암호화 데이터와 2011년 이상 신호가 남긴 단서

핵심 메시지

• GPS 위성은 위치 계산용 신호 위에 아주 느린 속도로 데이터를 함께 실어 보내며, 그중에는 용도가 공개되지 않은 '텍스트 메시지' 항목이 있다.
• 연구자는 소프트웨어 정의 수신기와 2007년부터 쌓인 포츠담의 아카이브를 이용해 이 메시지들을 대량으로 모아 분석했다.
• 압축률로 정보량을 재는 방식(엔트로피 분석)에서 메시지 대부분은 무작위처럼 보였지만, 유독 예측 가능하거나 유독 특이한 소수의 예외가 드러났다.
• 2011년 5월 26일 전후로 메시지 교체 주기가 약 3.7일에서 약 1.8일로 급변했고, 같은 날 모든 위성이 101010 패턴을 내보냈다.
• 군용 GPS의 무선 키 배포·교체(OTAR) 도입 시점과 이 변화가 겹친다는 점에서, 이 숨은 메시지가 암호 키 전달 통로일 가능성이 크다는 것이 연구자의 결론이다.

쉽게 이해하기

스마트폰이나 내비게이션이 위치를 잡는 원리는 단순하다. 위성 네 개까지의 거리를 알면 지구상의 내 위치를 계산할 수 있다. 다만 거리만으로는 부족하고 위성이 어디에 있는지도 알아야 하기 때문에, GPS 신호에는 각 위성의 시각별 위치 정보가 함께 실려 온다. 초당 500비트 남짓이라는 느린 통로에는 위성 상태나 대기 보정 같은 항목과 함께, 규격에 '운용 사령부의 재량에 따라'라는 설명만 붙은 정체불명의 텍스트 메시지 항목도 실려 있다.

직접 안테나를 달아 받아본 메시지는 얼핏 무작위로 보였다. 자연에서는 좀처럼 나오지 않는 성질이라, 누군가 일부러 무작위로 만들었거나 암호화된 데이터라는 뜻이었다. 집에서 받은 몇 개로는 분석이 불가능했기 때문에, 연구자는 2007년부터 축적된 포츠담의 GPS 메시지 아카이브를 확보해 대량 분석에 들어갔다.

분석의 핵심은 '얼마나 잘 압축되는가'로 정보량을 재는 방법이었다. 메시지 하나를 뺀 뒤 압축하고, 다시 넣었을 때 용량이 얼마나 늘어나는지를 보면 그 메시지가 얼마나 놀라운 정보인지 알 수 있다. 그렇게 그린 분포는 거의 무작위에 가까웠지만 양쪽 끝에 예외가 있었다. 전부 0이거나 전부 공백, 혹은 101010이 반복되는 특이 패턴이 한쪽에 있었고, 이전 메시지의 문자 일부를 어중간하게 재사용한 듯한 메시지들이 반대쪽에 있었다.

메시지가 바뀌는 주기도 단서였다. 약 31기의 위성이 같은 메시지를 동시에 내보내다가 일제히 새 메시지로 갈아타는데, 그 주기가 초기에는 약 3.7일이었다가 2011년 5월 26일을 기점으로 약 1.8일로 짧아졌다. 눈으로 본 인상을 확인하기 위해 누적합 기법으로 변화 시점을 통계적으로 검정한 결과, 그 시점의 변화는 실재하는 것으로 나타났다.

같은 시기 군용 GPS는 암호화된 신호를 쓰기 위해 물리적으로 장비를 돌며 키를 심던 방식에서 무선 배포·교체 방식으로 넘어가고 있었다. 그리고 2011년 5월 26일 하루 동안 모든 위성이 무작위 데이터 대신 101010 패턴만 내보내다가 27일 0시부터 더 빨라진 주기로 무작위 데이터를 재개했다. 연구자는 이 정황을 근거로, 이 숨은 메시지가 키 배포와 교체의 통로일 가능성이 높다고 본다.

주요 인사이트

• 내용을 해독하지 못해도 시스템의 동작을 추론할 수 있다. 메시지의 길이, 갱신 빈도, 발신 위치 같은 메타데이터가 본문보다 더 많은 것을 말해 주는 전형적인 트래픽 분석 사례다.
• '무작위처럼 보인다'는 인상은 근거가 되지 못한다. 압축 기반 엔트로피 측정과 누적합 변화점 검정처럼, 인상을 검증 가능한 수치로 바꾸는 절차가 분석의 실질이었다.
• 완벽하게 무작위이거나 완벽하게 암호화된 데이터라면 절대 나올 수 없는 '어중간하게 비슷한' 메시지의 존재는, 운용상의 실수나 비상 상황을 시사하는 흔적일 수 있다.
• 키를 여러 그룹의 키로 각각 암호화해 함께 뿌리면, 특정 상대만 골라 접근을 끊는 것도 가능해진다. 동맹 관계 변화가 곧바로 신호 접근 권한으로 이어지는 구조다.
• 연구자가 공개를 결정한 근거는 실용적이다. 어떤 메시지도 해독하지 못했고 GPS 키의 유효 기간은 일주일이라, 발표 시점에는 이미 효력이 사라진 정보였다.

자주 묻는 질문

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