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한국통신학회논문지

Comparison of Lattice-Based Key Exchange Protocols for Quantum Computing Attack

Rakyong Choi, Hyeongcheol An, Jeeun Lee, Sungsook Kim, Kwangjo Kim

Published Nov 30, 2017• 0 citations
Publisher

Abstract

격자 기반 암호는 양자 컴퓨터를 이용한 공격에도 안전한 포스트 양자 암호(Post Quantum Cryptography, PQC)의 하나로 각광받고 있으며, 함수형 암호, 준동형 암호, 준동형 서명, 난독화 등 다양한 목적으로 연구가 진행 중에 있다. 격자 기반 키 교환 프로토콜은 기존에 사용하고 있는 DH(Diffie-Hellman) 키 교환 프로토콜을 비롯한 정수론 기반의 키 교환 프로토콜을 대체하는 기술로 본 논문에서는 총 7가지의 격자 기반 (인증) 키 교환 프로토콜에 대해 기반 문제, 샘플링 알고리즘, 보안도 및 안전성 분석 기법, 구현 효율성 등을 비교하고 향후 연구를 제시하였다.

DOI
10.7840/kics.2017.42.11.2200

Related papers

Efficient ID-Based Authentication and Key Exchange Protocol

Jieun Eom, Minhye Seo, Jong Hwan Park +1 more

사물인터넷 기술을 기반으로 한 초연결 사회에서는 다양한 성능의 기기들로부터 데이터가 수집되고, 이를 가공하여 사용자에게 새로운 서비스를 제공한다. 이 경우, 사용자의 프라이버시를 보호하고 악의적인 공격자로부터 안전한 서비스를 제공하기 위하여 기기 간 상호 인증이 필수적으로 수행되어야 한다. ID 기반 서명을 이용하면 기기 고유의 ID를 이용하여 기기 간 인증 및 키 교환을 수행할 수 있다. 그러나 기존 RSA 구조의 ID 기반 서명 기법을 이용하면 인증 단계 이후에 키 교환을 위한 추가적인 파라미터 공유가 필요하기 때문에 효율성 측면에서 IoT 환경의 저성능 기기에 적용하기에 어려움이 있었다. 본 논문에서는 효율적인 ID 기반 서명을 설계하고, 이를 이용하여 인증 및 키 교환이 동시에 수행되는 효율적인 ID 기반 인증 및 키 교환 프로토콜을 제안한다. 그리고 제안하는 기법의 안전성을 RSA 일방 향성에 기반하여 증명하고, 기존 기법들과의 비교를 통해 효율성을 분석한다. In a hyper-connected society realized through IoT-enabled technology, a large amount of data is collected by various devices and is processed to provide new services to users. While communicating through a network, it is essential for devices to execute mutual authentication since users' privacy can be infringed by malicious attackers. ID-based signature enables authentication and key exchange with a unique ID of a device. However, most of the previous ID-based signature schemes based on RSA require an additional step to share parameters for key exchange so that they are not suitable for resource-constrained devices in terms of efficiency. In this paper, we design an efficient ID-based signature and thereby propose an efficient ID-based authentication and key exchange protocol in which sessions for both an authentication and a key exchange are executed simultaneously. In addition, we prove the security of our scheme under the RSA onewayness problem and analyze the efficiency by comparing with the previous schemes.

정보보호학회논문지•Dec 31, 2016•0 citations

ECC 기반 원격 사용자 인증 프로토콜에 대한 취약점 분석

허현준, 최윤성

무선 통신 기술이 급속하게 발전함에 따라 일상 생활에는 많은 변화가 일어나고 있다. IT 기술 및 인터넷 기술의 발전으로 무선 네트워크가 성장하면서 우리 생활에 많은 편의를 가져다 주었지만, IoT 기술이 다양한 온라인 위협과 공격으로부터 안전하지 않다는 것은 부정할 수 없는 상황이다. 다 양한 연구자들이 안전한 인증 및 통신을 위한 다양한 프로토콜을 제안하여 보안 문제를 개선하고 있 으며, 그 중 ECC(Elliptic Curve Cryptography)라는 상대적으로 계산량이 적으면서도 안전한 암호 방식이 사용되고 있다. 최근 Shafiq 등은 다양한 보안 취약점을 개선한 ECC 기반 원격 사용자 인증 프로토콜을 제안하면서, 제안된 프로토콜이 기존 프로토콜보다 다양한 공격에 더 효율적이고 안전하 다고 주장하였다. 본 논문에서는 Shafiq 등이 제안한 프로토콜에 대한 취약점 분석을 통하여, 이 프 로토콜이 smartcard stolen attack, lack of perfect forward secrecy, replay attack, waste of computational costs에 취약하다는 것을 밝혔다.

•Sep 1, 2021•0 citations

Comparative Analysis of Quantum Computing Performance Analysis Methods

Duwon Lee, Byung-Soo Choi

양자 컴퓨팅은 양자역학적 특성을 이용한 신개념 컴퓨팅을 의미한다. 양자 컴퓨팅과 관련한 연구개발은 크게 활용기술 개발과 구현 기술 개발로 구분되며, 다양한 활용기술과 구현 기술이 제안되고 있다. 현재까지 다양한 구현 기술이 제안되고 있으나, 실제로 비트 컴퓨팅의 한계를 뛰어넘기 위해서는 다양한 기술적 이슈들이 해결되어야 한다. 이 과정에서 양자 컴퓨팅의 성능에 영향을 끼치는 모든 구성 요소들에 대한 기능적, 성능적 요구 수준을 명확히 분석하는 것이 매우 중요하다. 이에 따라, 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술 연구개발도 최근 급격한 관심을 받고 있다. 관련하여 이미 다수의 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술이 개발되었으나, 양자 컴퓨팅 시스템의 모든 구성요소 중 일부분을 주로 다루고 있거나 혹은 분석 가능 수준이 제한되는 한계점이 지적되고 있다. 이에 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 체계적으로 비교 분석하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이를 달성하기 위하여 최초로 양자 컴퓨팅 풀 스택 구조 관점에서 분석하는 기술을 적용한다. 다음으로 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 양자 컴퓨팅 계산 성능 지표 범위(계산 시간 등)와 도출 능력(분석 시간 등) 측면에서 체계적으로 비교하였다. 결론적으로 본 연구를 통해 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술은 아직까지는 풀 스택 구조를 모두 분석하지 못하고 있으며, 분석 기술 측면에서 해결해야 할 기술적 이슈가 많음을 확인하였다. 이를 통해 최종적으로 향후 지향해야 하는 연구개발 방향성을 제시한다.

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers•Mar 31, 2024•0 citations

Security Analysis of Diffie-Hellman based Standard Key Agreement Protocols

Kyung Jin Kim

인터넷과 같은 첨단의 정보 전송 시스템이 발달함에 따라 네트워크 상에서 전송되는 메시지에 대한 기밀성을 제공하기 위해서 암호 시스템의 사용이 증가하고 있으며 그 중요성은 더욱 강조되고 있다. 안전한 암호 시스템을 구현하는 데 있어서 키 분배 프로토콜은 가장 필수적인 요소이며, 지금까지 여러 키 분배 프로토콜들이 표준으로 제안되었으나 이에 대한 엄밀한 안전성 증명은 아직까지 부족한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 ANSI X9.42의 Diffie-Hellman형 표준 키 분배 프로토콜의 특징을 자세히 분석하고 이를 기반으로 여러 능동적 공격자 모델에 대한 프로토콜의 안전성을 증명하고자 한다 According to the wide-spread of information transmission system over network, the use of cryptographic system to provide the integrity of transmitted message over network is increasing and the importance of that is emphasized. Because the security of the cryptographic system totally relies on the key, key management is a essential part of cryptographic system. A number of key agreement protocols have been proposed to far, but their rigorous security analysis is still open. In this paper, we analyze the features of Diffie-Hellman based standard key agreement protocols and provide the security analysis of those protocols against several kinds of active attacks.

The KIPS Transactions PartC•Dec 1, 2002•0 citations

Certificateless Non-Interactive Key Exchange Protocol with Forward Secrecy

Young Kyung Lee, Ji Eun Eom, Seung-Hyun Seo +1 more

비대화형 키 교환 프로토콜은 키 교환을 위한 별도의 통신을 없애 시스템 내 효율성을 높일 수 있는 키 교환 프로토콜이다. 그러나 개인키 업데이트를 하지 않는 일반적인 비대화형 키 교환 프로토콜은 임시키를 사용하지 않기 때문에 전방향 안전성(forward secrecy)을 만족하지 못한다. 2012년 Sang 등은 인증서를 사용하지 않는 공개키 기반의 비대화형 키 교환(CL-NIKE : Certificateless Non-Interactive Key Exchange) 프로토콜을 제안하였지만, 이에 대한 안전성 증명이 없고 전방향 안전성을 제공하지 않는다. 본 논문에서는 새로운 CL-NIKE와 그에 대한 안전성 모델을 제안하고, 제안한 프로토콜이 해당 모델에서 안전함을 DBDH 가정(Decision Bilinear Diffie-Hellman Assumption)을 기반으로 증명한다. 추가적으로 다선형 함수(Multilinear map)를 사용한 개인키 업데이트를 통해 전방향 안전성을 만족하는 인증서 기반이 아닌 비대화형 키 교환 프로토콜을 제안하고 증명한다. A non-interactive key exchange protocol provides an efficiency of overall system by eliminating additional communication. However, traditional non-interactive key exchange protocols without updating a private key fail to provide forward secrecy, since there is no usage of ephemeral key for randomness of session key. In 2012, Sang et al. proposed a certificateless non-interactive key exchange(CL-NIKE) protocol, but they do not prove the security of the protocol and it does not provide forward secrecy. In this paper, we propose a new CL-NIKE protocol and it's security model. Then we prove the proposed protocol is secure under the security model based on DBDH(Decision Bilinear Diffie-Hellman) assumption. Moreover, we propose a CL-NIKE protocol with forward secrecy which updates user's private key by using multilinear map and prove it's security.

정보보호학회논문지•Jun 30, 2015•0 citations

Design and Evaluation of PUF-Based Embedded Module for Hybrid Post-Quantum Cryptographic Communication

Y. H. Cho, Yun‐Seok Choi, Sang Hoon Han

본 연구는 양자컴퓨팅 환경에서 기존 공개키 암호의 취약점을 보완하기 위해, PUF 기반 장치 인증과 PQC 암호화 기술을 통합한 하이브리드 암호통신 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 SRAM PUF를 통해 디바이스 고유 정보를 생성하고, Kyber-768 기반 키 교환 방식과 결합한 3계층 구조로 설계되었다. 임베디드 환경에서 구현된 시스템은 성능 분석 및 다양한 공격 시나리오에 대한 보안 저항성 평가를 통해 유효성과 신뢰성을 입증하였다. 또한 RSA 및 ECC 기반 기존 방식과 비교하여 처리 속도와 자원 효율성 면에서 우수한 결과를 보여주었다. 이를 통해 PUF와 PQC를 결합한 하이브리드 통신 시스템은 향후 양자컴퓨팅 시대의 IoT 보안 솔루션으로서 실질적인 대안이 될 수 있음을 확인하였다.

Journal of the Korea Society of Computer and Information•Aug 31, 2025•0 citations
격자 기반 암호는 양자 컴퓨터를 이용한 공격에도 안전한 포스트 양자 암호(Post Quantum Cryptography, PQC)의 하나로 각광받고 있으며, 함수형 암호, 준동형 암호, 준동형 서명, 난독화 등 다양한 목적으로 연구가 진행 중에 있다. 격자 기반 키 교환 프로토콜은 기존에 사용하고 있는 DH(Diffie-Hellman) 키 교환 프로토콜을 비롯한 정수론 기반의 키 교환 프로토콜을 대체하는 기술로 본 논문에서는 총 7가지의 격자 기반 (인증) 키 교환 프로토콜에 대해 기반 문제, 샘플링 알고리즘, 보안도 및 안전성 분석 기법, 구현 효율성 등을 비교하고 향후 연구를 제시하였다.
사물인터넷 기술을 기반으로 한 초연결 사회에서는 다양한 성능의 기기들로부터 데이터가 수집되고, 이를 가공하여 사용자에게 새로운 서비스를 제공한다. 이 경우, 사용자의 프라이버시를 보호하고 악의적인 공격자로부터 안전한 서비스를 제공하기 위하여 기기 간 상호 인증이 필수적으로 수행되어야 한다. ID 기반 서명을 이용하면 기기 고유의 ID를 이용하여 기기 간 인증 및 키 교환을 수행할 수 있다. 그러나 기존 RSA 구조의 ID 기반 서명 기법을 이용하면 인증 단계 이후에 키 교환을 위한 추가적인 파라미터 공유가 필요하기 때문에 효율성 측면에서 IoT 환경의 저성능 기기에 적용하기에 어려움이 있었다. 본 논문에서는 효율적인 ID 기반 서명을 설계하고, 이를 이용하여 인증 및 키 교환이 동시에 수행되는 효율적인 ID 기반 인증 및 키 교환 프로토콜을 제안한다. 그리고 제안하는 기법의 안전성을 RSA 일방 향성에 기반하여 증명하고, 기존 기법들과의 비교를 통해 효율성을 분석한다. In a hyper-connected society realized through IoT-enabled technology, a large amount of data is collected by various devices and is processed to provide new services to users. While communicating through a network, it is essential for devices to execute mutual authentication since users' privacy can be infringed by malicious attackers. ID-based signature enables authentication and key exchange with a unique ID of a device. However, most of the previous ID-based signature schemes based on RSA require an additional step to share parameters for key exchange so that they are not suitable for resource-constrained devices in terms of efficiency. In this paper, we design an efficient ID-based signature and thereby propose an efficient ID-based authentication and key exchange protocol in which sessions for both an authentication and a key exchange are executed simultaneously. In addition, we prove the security of our scheme under the RSA onewayness problem and analyze the efficiency by comparing with the previous schemes.
무선 통신 기술이 급속하게 발전함에 따라 일상 생활에는 많은 변화가 일어나고 있다. IT 기술 및 인터넷 기술의 발전으로 무선 네트워크가 성장하면서 우리 생활에 많은 편의를 가져다 주었지만, IoT 기술이 다양한 온라인 위협과 공격으로부터 안전하지 않다는 것은 부정할 수 없는 상황이다. 다 양한 연구자들이 안전한 인증 및 통신을 위한 다양한 프로토콜을 제안하여 보안 문제를 개선하고 있 으며, 그 중 ECC(Elliptic Curve Cryptography)라는 상대적으로 계산량이 적으면서도 안전한 암호 방식이 사용되고 있다. 최근 Shafiq 등은 다양한 보안 취약점을 개선한 ECC 기반 원격 사용자 인증 프로토콜을 제안하면서, 제안된 프로토콜이 기존 프로토콜보다 다양한 공격에 더 효율적이고 안전하 다고 주장하였다. 본 논문에서는 Shafiq 등이 제안한 프로토콜에 대한 취약점 분석을 통하여, 이 프 로토콜이 smartcard stolen attack, lack of perfect forward secrecy, replay attack, waste of computational costs에 취약하다는 것을 밝혔다.
양자 컴퓨팅은 양자역학적 특성을 이용한 신개념 컴퓨팅을 의미한다. 양자 컴퓨팅과 관련한 연구개발은 크게 활용기술 개발과 구현 기술 개발로 구분되며, 다양한 활용기술과 구현 기술이 제안되고 있다. 현재까지 다양한 구현 기술이 제안되고 있으나, 실제로 비트 컴퓨팅의 한계를 뛰어넘기 위해서는 다양한 기술적 이슈들이 해결되어야 한다. 이 과정에서 양자 컴퓨팅의 성능에 영향을 끼치는 모든 구성 요소들에 대한 기능적, 성능적 요구 수준을 명확히 분석하는 것이 매우 중요하다. 이에 따라, 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술 연구개발도 최근 급격한 관심을 받고 있다. 관련하여 이미 다수의 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술이 개발되었으나, 양자 컴퓨팅 시스템의 모든 구성요소 중 일부분을 주로 다루고 있거나 혹은 분석 가능 수준이 제한되는 한계점이 지적되고 있다. 이에 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 체계적으로 비교 분석하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이를 달성하기 위하여 최초로 양자 컴퓨팅 풀 스택 구조 관점에서 분석하는 기술을 적용한다. 다음으로 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 양자 컴퓨팅 계산 성능 지표 범위(계산 시간 등)와 도출 능력(분석 시간 등) 측면에서 체계적으로 비교하였다. 결론적으로 본 연구를 통해 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술은 아직까지는 풀 스택 구조를 모두 분석하지 못하고 있으며, 분석 기술 측면에서 해결해야 할 기술적 이슈가 많음을 확인하였다. 이를 통해 최종적으로 향후 지향해야 하는 연구개발 방향성을 제시한다.
인터넷과 같은 첨단의 정보 전송 시스템이 발달함에 따라 네트워크 상에서 전송되는 메시지에 대한 기밀성을 제공하기 위해서 암호 시스템의 사용이 증가하고 있으며 그 중요성은 더욱 강조되고 있다. 안전한 암호 시스템을 구현하는 데 있어서 키 분배 프로토콜은 가장 필수적인 요소이며, 지금까지 여러 키 분배 프로토콜들이 표준으로 제안되었으나 이에 대한 엄밀한 안전성 증명은 아직까지 부족한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 ANSI X9.42의 Diffie-Hellman형 표준 키 분배 프로토콜의 특징을 자세히 분석하고 이를 기반으로 여러 능동적 공격자 모델에 대한 프로토콜의 안전성을 증명하고자 한다 According to the wide-spread of information transmission system over network, the use of cryptographic system to provide the integrity of transmitted message over network is increasing and the importance of that is emphasized. Because the security of the cryptographic system totally relies on the key, key management is a essential part of cryptographic system. A number of key agreement protocols have been proposed to far, but their rigorous security analysis is still open. In this paper, we analyze the features of Diffie-Hellman based standard key agreement protocols and provide the security analysis of those protocols against several kinds of active attacks.
비대화형 키 교환 프로토콜은 키 교환을 위한 별도의 통신을 없애 시스템 내 효율성을 높일 수 있는 키 교환 프로토콜이다. 그러나 개인키 업데이트를 하지 않는 일반적인 비대화형 키 교환 프로토콜은 임시키를 사용하지 않기 때문에 전방향 안전성(forward secrecy)을 만족하지 못한다. 2012년 Sang 등은 인증서를 사용하지 않는 공개키 기반의 비대화형 키 교환(CL-NIKE : Certificateless Non-Interactive Key Exchange) 프로토콜을 제안하였지만, 이에 대한 안전성 증명이 없고 전방향 안전성을 제공하지 않는다. 본 논문에서는 새로운 CL-NIKE와 그에 대한 안전성 모델을 제안하고, 제안한 프로토콜이 해당 모델에서 안전함을 DBDH 가정(Decision Bilinear Diffie-Hellman Assumption)을 기반으로 증명한다. 추가적으로 다선형 함수(Multilinear map)를 사용한 개인키 업데이트를 통해 전방향 안전성을 만족하는 인증서 기반이 아닌 비대화형 키 교환 프로토콜을 제안하고 증명한다. A non-interactive key exchange protocol provides an efficiency of overall system by eliminating additional communication. However, traditional non-interactive key exchange protocols without updating a private key fail to provide forward secrecy, since there is no usage of ephemeral key for randomness of session key. In 2012, Sang et al. proposed a certificateless non-interactive key exchange(CL-NIKE) protocol, but they do not prove the security of the protocol and it does not provide forward secrecy. In this paper, we propose a new CL-NIKE protocol and it's security model. Then we prove the proposed protocol is secure under the security model based on DBDH(Decision Bilinear Diffie-Hellman) assumption. Moreover, we propose a CL-NIKE protocol with forward secrecy which updates user's private key by using multilinear map and prove it's security.
본 연구는 양자컴퓨팅 환경에서 기존 공개키 암호의 취약점을 보완하기 위해, PUF 기반 장치 인증과 PQC 암호화 기술을 통합한 하이브리드 암호통신 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 SRAM PUF를 통해 디바이스 고유 정보를 생성하고, Kyber-768 기반 키 교환 방식과 결합한 3계층 구조로 설계되었다. 임베디드 환경에서 구현된 시스템은 성능 분석 및 다양한 공격 시나리오에 대한 보안 저항성 평가를 통해 유효성과 신뢰성을 입증하였다. 또한 RSA 및 ECC 기반 기존 방식과 비교하여 처리 속도와 자원 효율성 면에서 우수한 결과를 보여주었다. 이를 통해 PUF와 PQC를 결합한 하이브리드 통신 시스템은 향후 양자컴퓨팅 시대의 IoT 보안 솔루션으로서 실질적인 대안이 될 수 있음을 확인하였다.