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한국통신학회논문지

An Experimental Analysis on Entropy Estimators for the Entropy Sources Using Predictors of NIST SP 800-90B

Hojoong Park, Minyoung Bae, Yongjin Yeom, Ju-Sung Kang

Published Dec 31, 2016• 0 citations
Publisher

Abstract

잡음원(Noise source)의 안전성 평가에 사용되는 대표적인 표준으로는 미국 NIST의 SP 800-90B가 있다. 최근 SP 800-90B가 2차 안(Second Draft)으로 개정되면서 Non-IID 트랙의 최소 엔트로피 추정에 프레딕터(predictor)를 이용한 추정 방법이 새롭게 추가되었다. 프레딕터는 잡음원의 주기적인 특성을 검출하기에 용이하다고 알려져 있지만, 그 특성에 대한 구체적인 언급은 하지 않고 있다. 이에 본 논문에서는 프레딕터가 검출해낼 수 있는 잡음원의 주기적 특성을 명확히 밝히기 위한 실험을 진행한다. 먼저 주기적 성질을 갖는 잡음원에 대하여 Non-IID 트랙의 추정을 실시했을 때, 잡음원의 최소 엔트로피가 대체적으로 프레딕터보다는 Non-IID 트랙의 다른 추정 방법에 의해서 결정되고 있음을 실험적으로 확인한다. 다음으로 프레딕터를 이용한 추정법이 검출해낼 수 있는 주기적 특성을 밝혀내기 위한 다양한 실험 결과를 제시함으로써, 프레딕터 추정 방법의 의미와 그 역할을 실험적으로 규명한다. NIST SP 800-90B is developed to evaluate the security of entropy sources. As SP 800-90B was updated to Second Draft, Estimators with predictors were added at Non-IID track. Though the predictors are known as detecting periodic property of noise sources, periodic properties which are detected by predictor are not clearly known. In this paper, we experiment to find properties of predictors. Once, by experiments we have a result that the min-entropy of Non-IID noise sources is generally determined by tests except for estimators with predictors. And then through presenting various experimental results for clarifying periodic properties detected by predictor, we experimentally analyze on its meaning and role of predictor estimation.

DOI
10.7840/kics.2016.41.12.1892

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잡음원(Noise source)의 안전성 평가에 사용되는 대표적인 표준으로는 미국 NIST의 SP 800-90B가 있다. 최근 SP 800-90B가 2차 안(Second Draft)으로 개정되면서 Non-IID 트랙의 최소 엔트로피 추정에 프레딕터(predictor)를 이용한 추정 방법이 새롭게 추가되었다. 프레딕터는 잡음원의 주기적인 특성을 검출하기에 용이하다고 알려져 있지만, 그 특성에 대한 구체적인 언급은 하지 않고 있다. 이에 본 논문에서는 프레딕터가 검출해낼 수 있는 잡음원의 주기적 특성을 명확히 밝히기 위한 실험을 진행한다. 먼저 주기적 성질을 갖는 잡음원에 대하여 Non-IID 트랙의 추정을 실시했을 때, 잡음원의 최소 엔트로피가 대체적으로 프레딕터보다는 Non-IID 트랙의 다른 추정 방법에 의해서 결정되고 있음을 실험적으로 확인한다. 다음으로 프레딕터를 이용한 추정법이 검출해낼 수 있는 주기적 특성을 밝혀내기 위한 다양한 실험 결과를 제시함으로써, 프레딕터 추정 방법의 의미와 그 역할을 실험적으로 규명한다.

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암호학적으로 안전한 난수는 암호키, 보안프로토콜의 각종 매개변수와 같이 암호시스템의 안전성을 달성하기 위해 필수적으로 사용된다. 암호학적으로 안전한 난수발생기의 안전성은 난수성의 원천이라 할 수 있는 잡음원의 엔트로피에 근본적으로 의존하며, 대표적인 엔트로피 추정법으로는 미국 NIST의 SP 800-90B가 널리 알려져 있다. 그런데 NIST의 엔트로피 추정법은 기본적으로 잡음원의 분포가 변하지 않음을 가정하고 설계된 까닭에 SP 800-90B 문서 상에는 잡음원의 분포 변화를 확인하는 방법이 명시되어 있지 않다. 본 논문에서는 잡음원의 분포변화를 탐지할 수 있는 방법을 제시한다. 제안하는 방법은 잡음원의 통계적 특성이 IID인 경우와 마르코프 특성을 가지는 Non-IID인 경우를 포함하고 있다. 또한, 여러 시뮬레이션을 통해 제안한 분포 변화 탐지법의 유효성을 실험적으로 확인한다.

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양자암호 기술은 기업 기밀이나 국가적 정보를 보호하기 위해 필수적인 역할을 수행하는 기술로 주목받고 있다. 만약 양자 컴퓨터의 발전으로 기존의 암호화 방식이 무효화 된다면, 개인정보 보호를 위해 양자암호 기술이 유일한 대안으로 부상할 가능성이 크다. 이러한 이유로, 해당 기술은 국가적으로도 매우 중요한 사안으로 인식되고 있다. 본 논문에서는 국내 최초로 양자암호에 대한 국내 연구보고서를 대상으로 키워드 네트워크 분석을 하였고 이에 대한 시사점과 향후 연구방향을 제시함으로써 학술적 가치를 지닌다. 빈도분석, 중심성분석, CONCOR분석을 통해 도출된 주요 키워드와 주요 도전과제, 양자암호 기술의 미래에 대해서는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, 클라우드 및 블록체인 보안 강화를 위한 양자암호 알고리즘의 경량화 및 안전성 확보, 둘째, 양자암호 통신 시스템의 기술적 구현을 위한 하드웨어 개발과 표준화, 셋째, 광자기반 양자암호 통신에서 보안성과 해킹 방지를 위한 물리적 인프라 강화, 넷째, 국가 인프라와 에너지 관리 시스템의 보안을 위한 양자암호 기술 적용 및 대규모 데이터 처리이다.

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물리계층보안은 신호의 물리적 특성을 이용하여 정보를 보호하는 보안 기법이다. 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이지만 해결해야할 다음과 같은 문제점들이 존재한다. 도청자는 자신의 존재를 숨기기 위해서 자신의 채널상태정보를 다른 합법적인 노드와 공유하지는 않는다. 그리고 노드가 신호를 전송할 때 하드웨어 왜곡이 발생하지만 많은 연구들은 노드 모델들이 이상적인 것으로 가정을 하고, 하드웨어 왜곡문제를 고려하지 않고 있다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 본 논문의 주요한 특징 및 기여도는 다음과 같다. 첫째, 도청자의 채널상태정보를 얻기 위해서 조력자노드를 합법적인 노드주변에 설치하고, 조력자노드의 채널상태정보를 이용하여 노드모델에서 하드웨어 왜곡을 고려한다. 둘째, 제안된 시스템 모델의 인터셉트 확률에 대한 Closed-Form Expression을 제시한다. 제안된 시스템의 성능평가를 위해서 다양한 시뮬레이션를 통하여 제안된 시스템 모델의 물리계층보안에 미치는 영향을 알아본 결과, 불완전한 채널상태정보는 인터셉트 확률에는 영향을 미치지 못한 반면에, 불완전한 노드모델의 경우, 인터셉트 확률, 에르고딕 시크리스 용량과 보안채널용량에 영향을 준다는 것을 보여준다.

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이차원 코드를 위한 개선된 LDPC 코드

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디지털 신호 및 전송부호의 오류검출에는 예전부터 패리티 체크가 사용되어 왔다. 그러나 패리티 체크기법은 구현 및 알고리즘이 단순, 간결한 우수성이 있지만 특정 데이터 비트의 경우 오류 검출이 불가능하다는 문제점을 가지고 있다. 이후 패리티 체크 기법은 해밍 코드 및 채널 오류 정정을 위한 LDPC 코드와 같은 다양한 오류검출 및 정정 알고리즘에 적용되어 발전되어 왔으며, 그 중 LDPC 코드의 bit-flipping 알고리즘에서는 패리티 기법을 반복적으로 적용하는 방식을 택하고 있다. 본 논문에서는 이러한 채널 오류 정정을 위한 LDPC의 bit-flipping 알고리즘을 이차원 코드에 적용하고, 이 때 bit-flipping 알고리즘이 가지고 있는 문제점을 보완할 수 있는 개선된 LDPC 코드를 제안한다.

한국정보과학회 학술발표논문집•Nov 1, 2005•0 citations
잡음원(Noise source)의 안전성 평가에 사용되는 대표적인 표준으로는 미국 NIST의 SP 800-90B가 있다. 최근 SP 800-90B가 2차 안(Second Draft)으로 개정되면서 Non-IID 트랙의 최소 엔트로피 추정에 프레딕터(predictor)를 이용한 추정 방법이 새롭게 추가되었다. 프레딕터는 잡음원의 주기적인 특성을 검출하기에 용이하다고 알려져 있지만, 그 특성에 대한 구체적인 언급은 하지 않고 있다. 이에 본 논문에서는 프레딕터가 검출해낼 수 있는 잡음원의 주기적 특성을 명확히 밝히기 위한 실험을 진행한다. 먼저 주기적 성질을 갖는 잡음원에 대하여 Non-IID 트랙의 추정을 실시했을 때, 잡음원의 최소 엔트로피가 대체적으로 프레딕터보다는 Non-IID 트랙의 다른 추정 방법에 의해서 결정되고 있음을 실험적으로 확인한다. 다음으로 프레딕터를 이용한 추정법이 검출해낼 수 있는 주기적 특성을 밝혀내기 위한 다양한 실험 결과를 제시함으로써, 프레딕터 추정 방법의 의미와 그 역할을 실험적으로 규명한다. NIST SP 800-90B is developed to evaluate the security of entropy sources. As SP 800-90B was updated to Second Draft, Estimators with predictors were added at Non-IID track. Though the predictors are known as detecting periodic property of noise sources, periodic properties which are detected by predictor are not clearly known. In this paper, we experiment to find properties of predictors. Once, by experiments we have a result that the min-entropy of Non-IID noise sources is generally determined by tests except for estimators with predictors. And then through presenting various experimental results for clarifying periodic properties detected by predictor, we experimentally analyze on its meaning and role of predictor estimation.
잡음원(Noise source)의 안전성 평가에 사용되는 대표적인 표준으로는 미국 NIST의 SP 800-90B가 있다. 최근 SP 800-90B가 2차 안(Second Draft)으로 개정되면서 Non-IID 트랙의 최소 엔트로피 추정에 프레딕터(predictor)를 이용한 추정 방법이 새롭게 추가되었다. 프레딕터는 잡음원의 주기적인 특성을 검출하기에 용이하다고 알려져 있지만, 그 특성에 대한 구체적인 언급은 하지 않고 있다. 이에 본 논문에서는 프레딕터가 검출해낼 수 있는 잡음원의 주기적 특성을 명확히 밝히기 위한 실험을 진행한다. 먼저 주기적 성질을 갖는 잡음원에 대하여 Non-IID 트랙의 추정을 실시했을 때, 잡음원의 최소 엔트로피가 대체적으로 프레딕터보다는 Non-IID 트랙의 다른 추정 방법에 의해서 결정되고 있음을 실험적으로 확인한다. 다음으로 프레딕터를 이용한 추정법이 검출해낼 수 있는 주기적 특성을 밝혀내기 위한 다양한 실험 결과를 제시함으로써, 프레딕터 추정 방법의 의미와 그 역할을 실험적으로 규명한다.
암호학적으로 안전한 난수는 암호키, 보안프로토콜의 각종 매개변수와 같이 암호시스템의 안전성을 달성하기 위해 필수적으로 사용된다. 암호학적으로 안전한 난수발생기의 안전성은 난수성의 원천이라 할 수 있는 잡음원의 엔트로피에 근본적으로 의존하며, 대표적인 엔트로피 추정법으로는 미국 NIST의 SP 800-90B가 널리 알려져 있다. 그런데 NIST의 엔트로피 추정법은 기본적으로 잡음원의 분포가 변하지 않음을 가정하고 설계된 까닭에 SP 800-90B 문서 상에는 잡음원의 분포 변화를 확인하는 방법이 명시되어 있지 않다. 본 논문에서는 잡음원의 분포변화를 탐지할 수 있는 방법을 제시한다. 제안하는 방법은 잡음원의 통계적 특성이 IID인 경우와 마르코프 특성을 가지는 Non-IID인 경우를 포함하고 있다. 또한, 여러 시뮬레이션을 통해 제안한 분포 변화 탐지법의 유효성을 실험적으로 확인한다.
본 논문에서는 양자난수발생기 Quantis의 후처리 과정에 대하여 암호학의 관점에서 실험을 통하여 안전성과 성능을 분석하였다. Quantis의 후처리 과정은 수학적 이론에 근거한 이진행렬-벡터 곱 연산을 통해 풀엔트로피(full-entropy)를 출력하도록 설계되었고, NIST SP 800-90B의 최소엔트로피(min-entropy) 추정 테스트를 이용하여 이를 검증하였다. 이진행렬-벡터 곱 연산에 최적화 기법을 사용함으로써 난수 생성 속도에 미치는 영향을 최소화하였음을 확인하고, NIST SP 800-90B에서 제시한 검증된 Conditioning과의 난수 출력 성능을 비교하였다. 또한, 미국 NIST와 독일 BSI의 난수발생기 표준 모델과 Quantis의 부합되는 요소와 아닌 요소를 구분하였다. Quantis를 암호학의 용도로 사용하고자할 경우, CMVP 기준에 적합하게 이용하기 위해 Quantis의 출력 데이터를 승인된 의사 난수발생기의 씨드로 사용하여 출력한 난수를 사용하는 것이 적절하다고 판단된다.
양자암호 기술은 기업 기밀이나 국가적 정보를 보호하기 위해 필수적인 역할을 수행하는 기술로 주목받고 있다. 만약 양자 컴퓨터의 발전으로 기존의 암호화 방식이 무효화 된다면, 개인정보 보호를 위해 양자암호 기술이 유일한 대안으로 부상할 가능성이 크다. 이러한 이유로, 해당 기술은 국가적으로도 매우 중요한 사안으로 인식되고 있다. 본 논문에서는 국내 최초로 양자암호에 대한 국내 연구보고서를 대상으로 키워드 네트워크 분석을 하였고 이에 대한 시사점과 향후 연구방향을 제시함으로써 학술적 가치를 지닌다. 빈도분석, 중심성분석, CONCOR분석을 통해 도출된 주요 키워드와 주요 도전과제, 양자암호 기술의 미래에 대해서는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, 클라우드 및 블록체인 보안 강화를 위한 양자암호 알고리즘의 경량화 및 안전성 확보, 둘째, 양자암호 통신 시스템의 기술적 구현을 위한 하드웨어 개발과 표준화, 셋째, 광자기반 양자암호 통신에서 보안성과 해킹 방지를 위한 물리적 인프라 강화, 넷째, 국가 인프라와 에너지 관리 시스템의 보안을 위한 양자암호 기술 적용 및 대규모 데이터 처리이다.
물리계층보안은 신호의 물리적 특성을 이용하여 정보를 보호하는 보안 기법이다. 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이지만 해결해야할 다음과 같은 문제점들이 존재한다. 도청자는 자신의 존재를 숨기기 위해서 자신의 채널상태정보를 다른 합법적인 노드와 공유하지는 않는다. 그리고 노드가 신호를 전송할 때 하드웨어 왜곡이 발생하지만 많은 연구들은 노드 모델들이 이상적인 것으로 가정을 하고, 하드웨어 왜곡문제를 고려하지 않고 있다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 본 논문의 주요한 특징 및 기여도는 다음과 같다. 첫째, 도청자의 채널상태정보를 얻기 위해서 조력자노드를 합법적인 노드주변에 설치하고, 조력자노드의 채널상태정보를 이용하여 노드모델에서 하드웨어 왜곡을 고려한다. 둘째, 제안된 시스템 모델의 인터셉트 확률에 대한 Closed-Form Expression을 제시한다. 제안된 시스템의 성능평가를 위해서 다양한 시뮬레이션를 통하여 제안된 시스템 모델의 물리계층보안에 미치는 영향을 알아본 결과, 불완전한 채널상태정보는 인터셉트 확률에는 영향을 미치지 못한 반면에, 불완전한 노드모델의 경우, 인터셉트 확률, 에르고딕 시크리스 용량과 보안채널용량에 영향을 준다는 것을 보여준다.
디지털 신호 및 전송부호의 오류검출에는 예전부터 패리티 체크가 사용되어 왔다. 그러나 패리티 체크기법은 구현 및 알고리즘이 단순, 간결한 우수성이 있지만 특정 데이터 비트의 경우 오류 검출이 불가능하다는 문제점을 가지고 있다. 이후 패리티 체크 기법은 해밍 코드 및 채널 오류 정정을 위한 LDPC 코드와 같은 다양한 오류검출 및 정정 알고리즘에 적용되어 발전되어 왔으며, 그 중 LDPC 코드의 bit-flipping 알고리즘에서는 패리티 기법을 반복적으로 적용하는 방식을 택하고 있다. 본 논문에서는 이러한 채널 오류 정정을 위한 LDPC의 bit-flipping 알고리즘을 이차원 코드에 적용하고, 이 때 bit-flipping 알고리즘이 가지고 있는 문제점을 보완할 수 있는 개선된 LDPC 코드를 제안한다.