[논문 리뷰] PX4 Autopilot 기반 드론의 데이터 추출 및 분석 도구

본 논문은 2022년 한국소프트웨어종합학술대회에서 나온 논문으로 드론 내부 데이터 추출을 통한 포렌식의 활용 가능성에 대한 논문이다. UAV 시장이 군사, 건설, 물류 산업 등의 분야로 확장되면서 UAV 산업의 중요성이 높아졌다. 이에 따라 UAV를 대상으로 한 취약점 기반 공격이 증가했고 이에 따른 포렌식의 중요성이 대두 된 것이 이 연구의 배경이다. 

 

 

1. PX4 Autopilot 데이터 저장 방식

아래는 PX4 Autopilot의 아키텍처다. 빨간 박스로 표시된 부분이 PX4 Autopilot에서 데이터 저장과 관련된 모듈이다.

 

크게 3가지 모듈로 구성되며 dataman, param, logger다.

 

dataman 모듈: MAVLink로부터 전달받은 비행미션에 관련한 데이터를 SD Card에 저장

param 모듈: 사용자가 셸 커멘드를 통해 설정가능한 PX4 Autopilot 관련 파라미터를 EEPROM, SD Card, Flash 메모리에 저장

logger 모듈: GPS, IMU, 기압계 등의 센서로부터 들어오는 입력이나 Controller, Estimator에서 처리된 데이터를 PX4의 미들웨어인 uORB의 API를 통해 SD card에 저장하며 파일 형식은 ULog로 uORB 토픽 데이터를 저장함.

 

 

2. 드론 주요 데이터 정의 및 분석

 

비행 데이터: 비행 경로 & 미션 수행에 관한 데이터로 dataman 모듈에 의해 파일명이 ‘dataman’인 바이너리 파일로 SD card에 저장된다. dataman 파일에는 드론의 안전귀환지점인 Safe point, 비행구역인 Geofence point, 미션수행 정보인 Way point를 저장한다. Safe point는 UAV가 안전하게 착륙할 수 있는 지점을 의미하고 좌표계와 좌표로 구성된다. Geofence는 UAV가 안전하게 비행할 수 있는 구역으로 각 지점의 좌표와 Fence 형태로 저장한다. Way point는 UAV가 비행하는 경로 또는 수행해야 할 임무를 나타낸다.

 

설정 데이터: 기체 드라이버, 모듈에서 사용되는 파라미터 값으로 param 모듈에 의해 관리된다. 초기 설정 파라미터는 펌웨어에 저장되어 있고 설정값을 변경하는 경우 EEPROM에 저장된 mtd_params 파일에 파라미터 명과 함께 변경된 설정값을 저장한다. PX4 부팅시 퍼웨어에서 초기 파라미터를 RAM에 로드하고 mtd_params 파일에서 변경된 파라미터를 덮어써 기체의 파라미터를 수정한다. GCS에 전달하기 위한 파라미터값은 별도의 /tc/parameters.json.xz 파일에 저장된다.

 

로그 데이터: logger 모듈이 저장하는 uORB 토픽 데이터로 ULog 파일 형태로 SD card에 저장된다. 센서 데이터나 기체 내부 상태, 파라미터 값, 로그 메시지, RC 입력, CPU 부하, EKF 상태 등 여러 데이터가 저장된다.

 

 

3. 드론 내부 데이터 추출 방법

드론 내부의 데이터를 추출하기 위해 드론 기체와 로컬 PC와 USB 시리얼 포트로 연결 후 MAVLink의 하위 프로토콜인 MAVFTP를 이용해 추출한다. 아래는 PX4 Autopilot mini 4의 디렉터리 구조라고 한다.

/bin, /dev, /obj는 가상 파일 시스템에 의해 관리되어 MAVFTP로 폴더 추출이 불가능하다고 한다. proc의 경우도 추출이 불가능했으나 cat을 통해 데이터를 추출했다고 한다. 이외의 /etc와 /fs 디렉터리는 추출이 가능했다. 이렇게 추출 가능한 디렉터리를 활용해 데이터 분석 도구를 개발했고 포렌식에 활용하기 위해 간단히 파일 생성 타임스탬프와 해시값 계산, CSV 추출 기능 등의 기능을 구현했다. 

 

결론적으로 드론 포렌식을 위해 MAVFTP 프로토콜로 접근 드론 내부 데이터에 접근해 추출하는 방안을 제시했고, 데이터 추출을 위해 GUI 도구를 개발하였다. 

 

-- Question

Q1. Waypoint는 UAV가 비행하는 경로만을 나타내는 것이 아닌가? 수행해야 할 임무를 나타낸단 건 무슨 의미인가? 같은 의미로 볼 수 있는가?

Q2. MAVLink의 하위 프로토콜 종류는 무엇이 있는가?

Q3. 가상 파일시스템은 무엇이고 동작원리는 무엇인가?