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한국통신학회논문지

Design and Implementation of a Blockchain Relay for Quantum Key Distribution

Sejin Park, Jaewook Ahn, Woojin Seok, Wonhyuk Lee, Hongtak Ju

Published Mar 28, 2021• 0 citations
Publisher

Abstract

양자키 분배를 이용하면 키 분배 과정에서 물리적으로 발생한 위변조 행위 자체를 감지할 수 있어 안전한 키분배를 할 수 있게 된다. 그러나 양자 전달의 물리적인 거리한계로 인해 원거리 노드간 양자키 분배를 하려면 추가적인 중계 장비가 필요한 문제가 있다. 또한 추가 장비 활용에 따른 양자 중계 링크의 충돌, 중계 지연 등의 병목 현상이 발생할 수 있다. 본 논문은 양자키 분배 시 거리의 제약이 없도록 오픈소스 블록체인 상에서 키를 릴레이 하는 방법을 설계하고 실제 구현한다. 구체적으로 블록체인 스마트 컨트랙트 구현에 필요한 통신 채널, 자료구조 및 프로토콜을 제시하였으며, 또한 제안한 시스템을 이용하여 키 분배 실험을 진행한다. 본 실험 결과에 따르면, 릴레이에 대한 추가적인 오버헤드 없이 블록체인의 트랜잭션 처리 오버헤드 만으로 두 노드간 키 전달이 되는 것을 확인할 수 있었다.

DOI
10.7840/kics.2021.46.3.563

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An Quantum Key Expansion Structure and Service Key Management Scheme For Providing Reliable Quantum Key Distribution Network Service

Yonghwan Kim, Kyu-Seok Shim, Chankyun Lee +1 more

최근 화두가 되고 있는 양자컴퓨팅 기술의 발전에 따라 기존의 통신 보안체계는 새로운 위협에 직면하고 있으며, 이에 따라 새로운 통신보안체계에 대한 이슈로 양자암호통신 기술이 부상하고 있으며, 양자암호통신은 양자키 분배, 데이터 암복호화, 데이터 전송기술로 구성되어 있다. 이 중 핵심이 되는 양자키 분배 기술은 양자의 불확정성의 원리를 활용하여 임의의 두 노드 사이에 대칭키를 기밀성을 보장하도록 생성 분배한다. 이에 따라, 최근 QKD 기반의 양자암호통신망 구축 및 서비스 응용 사례들이 등장하고 있다. 하지만 현재의 QKD 기반의 양자암호통신망 관리 및 서비스키 제공은 기본적인 기능 구현에 초점을 두고 있기 때문에 실질적인 양자암호통신 응용보안 서비스를 제공하기 위해서는 다양한 응용 서비스 요구사항을 고려한 양자키 관리 및 장애 대응 방안 등의 추가적인 연구가 필요하다. 이에 따라, 본 논문에서는 양자키 부족 현상을 해결하고 양자암호통신망에서 발생할 수 있는 장애에 대응하여 안정적인 양자암호통신망 서비스 환경을 마련하기 위한 양자키 확장 구조와 양자키 관리 정책에 대하여 제안한다. 또한 한정적인 양자키 자원을 활용하여 다양한 양자암호통신 서비스들의 요구사항에 따라 서비스키를 안정적이고 원활하게 제공하기 위한 서비스키 관리 방안에 대하여 제안하고자 한다.

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안전한 통신 시스템을 갖추기 위해서는 안전한 암호 알고리즘의 사용과 안전한 암호키 사용이 필수적이다. 현대 암호에서는 표준화된 키유도함수(Key derivation function)를 통해 안전한 암호키를 생성한다. 최근에는 양자물리의 성질을 이용한 양자키분배(Quantum key distribution, 이하 QKD) 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있어, 현대 암호시스템의 안정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 관점에서 양자 암호와 현대 암호를 결합한 이중키 설정에 대한 연구가 요구된다. 본 논문에서는 양자키분배(QKD)와 현대 암호시스템인 RSA를 조합하여 안전한 키를 생성하는 두 가지의 키유도함수를 제안한다. 또한, 시뮬레이션을 통하여 생성된 암호키의 엔트로피를 측정하는 방법으로 제안한 키유도함수의 유효성을 살펴본다.

한국통신학회논문지•Apr 1, 2016•0 citations

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절대 보안성을 제공하는 양자 키 분배 (quantum key distribution, QKD)는 양자 역학을 이용한 정보통신 응용 중 가장 현실적으로 유망한 분야이다. BB84는 가장 널리 알려진 양자 암호키 분배 프로토콜로써, 4개의 양자 상태를 사용한다. 그 이후, 6개의 양자 상태를 사용하는 six-state 프로토콜이 제안되었으며, 이는 기 제안된 BB84프로토콜 대비 더 높은 보안성을 보이는 것으로 알려져 있다. 또한 QKD의 암호키 전송률 및 보안성 증가를 위해 이중 큐빗 QKD 프로토콜이 제안되었다. 이중 큐빗은 하나의 광자에 편광, 위상, 그리고 주파수 등의 서로 다른 두 개의 변조를 하는 것이다. 이중 큐빗 QKD 프로토콜은 16개의 양자 상태를 사용하며, 심볼 오류율 (Symbol Error Rate, SER)관점에서 앞서 언급한 두 개의 프로토콜 보다 더 높은 보안성을 보장할 수 있다. 본고에서는 앞서 언급한 총 3종류의 QKD 프로토콜의 보안성을 분석하고 비교함으로써 양자 상태 증가에 따른 QKD보안성을 성능을 살펴본다.

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Efficient ID-Based Authentication and Key Exchange Protocol

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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

Integrated Data Structure for Quantum Key Management in Quantum Cryptographic Network

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양자 역학을 기반으로 하는 양자암호통신에서는 각각의 정보를 개별적인 광자에 실어 전송하기 때문에 일부만 도청하는 것이 기본적으로 불가능하며, 침입자가 광자를 불법적으로 가로채 수신자에게 재전송을 하여도 양자 복제 불가능성원리에 의해 같은 정보를 광자에 실어 보내는 것이 불가능하다. 한편 네트워크 기반 다양한 서비스의 폭발적 증대와 함께 해당 서비스의 보안성 보장이 필수적으로 요구되면서 양자암호 통신망의 구축 및 관련 서비스가 다양한 형태로 추진되고 있다. 그러나 양자키 분배(QKD: Quantum Key Distribution) 기술의 발전과는 별개로 이를 활용한 네트워크 구축및 다양한 양자암호 기반 서비스 제공 방안에 관해서는 많은 연구가 필요한 상태이다. 본 논문에서는 양자암호 장치를기반으로, 다양한 양자암호 통신망 장비 간에 양자키를 전달하고 암호화된 전송환경 구현을 위한 통합 데이터 구조를제안하였다.

Jouranl of Information and Security•Mar 31, 2021•0 citations

효율적인 ID 기반 인증 및 키 교환 프로토콜

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정보보호학회논문지•Dec 1, 2016•0 citations
양자키 분배를 이용하면 키 분배 과정에서 물리적으로 발생한 위변조 행위 자체를 감지할 수 있어 안전한 키분배를 할 수 있게 된다. 그러나 양자 전달의 물리적인 거리한계로 인해 원거리 노드간 양자키 분배를 하려면 추가적인 중계 장비가 필요한 문제가 있다. 또한 추가 장비 활용에 따른 양자 중계 링크의 충돌, 중계 지연 등의 병목 현상이 발생할 수 있다. 본 논문은 양자키 분배 시 거리의 제약이 없도록 오픈소스 블록체인 상에서 키를 릴레이 하는 방법을 설계하고 실제 구현한다. 구체적으로 블록체인 스마트 컨트랙트 구현에 필요한 통신 채널, 자료구조 및 프로토콜을 제시하였으며, 또한 제안한 시스템을 이용하여 키 분배 실험을 진행한다. 본 실험 결과에 따르면, 릴레이에 대한 추가적인 오버헤드 없이 블록체인의 트랜잭션 처리 오버헤드 만으로 두 노드간 키 전달이 되는 것을 확인할 수 있었다.
최근 화두가 되고 있는 양자컴퓨팅 기술의 발전에 따라 기존의 통신 보안체계는 새로운 위협에 직면하고 있으며, 이에 따라 새로운 통신보안체계에 대한 이슈로 양자암호통신 기술이 부상하고 있으며, 양자암호통신은 양자키 분배, 데이터 암복호화, 데이터 전송기술로 구성되어 있다. 이 중 핵심이 되는 양자키 분배 기술은 양자의 불확정성의 원리를 활용하여 임의의 두 노드 사이에 대칭키를 기밀성을 보장하도록 생성 분배한다. 이에 따라, 최근 QKD 기반의 양자암호통신망 구축 및 서비스 응용 사례들이 등장하고 있다. 하지만 현재의 QKD 기반의 양자암호통신망 관리 및 서비스키 제공은 기본적인 기능 구현에 초점을 두고 있기 때문에 실질적인 양자암호통신 응용보안 서비스를 제공하기 위해서는 다양한 응용 서비스 요구사항을 고려한 양자키 관리 및 장애 대응 방안 등의 추가적인 연구가 필요하다. 이에 따라, 본 논문에서는 양자키 부족 현상을 해결하고 양자암호통신망에서 발생할 수 있는 장애에 대응하여 안정적인 양자암호통신망 서비스 환경을 마련하기 위한 양자키 확장 구조와 양자키 관리 정책에 대하여 제안한다. 또한 한정적인 양자키 자원을 활용하여 다양한 양자암호통신 서비스들의 요구사항에 따라 서비스키를 안정적이고 원활하게 제공하기 위한 서비스키 관리 방안에 대하여 제안하고자 한다.
안전한 통신 시스템을 갖추기 위해서는 안전한 암호 알고리즘의 사용과 안전한 암호키 사용이 필수적이다. 현대 암호에서는 표준화된 키유도함수(Key derivation function)를 통해 안전한 암호키를 생성한다. 최근에는 양자물리의 성질을 이용한 양자키분배(Quantum key distribution, 이하 QKD) 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있어, 현대 암호시스템의 안정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 관점에서 양자 암호와 현대 암호를 결합한 이중키 설정에 대한 연구가 요구된다. 본 논문에서는 양자키분배(QKD)와 현대 암호시스템인 RSA를 조합하여 안전한 키를 생성하는 두 가지의 키유도함수를 제안한다. 또한, 시뮬레이션을 통하여 생성된 암호키의 엔트로피를 측정하는 방법으로 제안한 키유도함수의 유효성을 살펴본다.
절대 보안성을 제공하는 양자 키 분배 (quantum key distribution, QKD)는 양자 역학을 이용한 정보통신 응용 중 가장 현실적으로 유망한 분야이다. BB84는 가장 널리 알려진 양자 암호키 분배 프로토콜로써, 4개의 양자 상태를 사용한다. 그 이후, 6개의 양자 상태를 사용하는 six-state 프로토콜이 제안되었으며, 이는 기 제안된 BB84프로토콜 대비 더 높은 보안성을 보이는 것으로 알려져 있다. 또한 QKD의 암호키 전송률 및 보안성 증가를 위해 이중 큐빗 QKD 프로토콜이 제안되었다. 이중 큐빗은 하나의 광자에 편광, 위상, 그리고 주파수 등의 서로 다른 두 개의 변조를 하는 것이다. 이중 큐빗 QKD 프로토콜은 16개의 양자 상태를 사용하며, 심볼 오류율 (Symbol Error Rate, SER)관점에서 앞서 언급한 두 개의 프로토콜 보다 더 높은 보안성을 보장할 수 있다. 본고에서는 앞서 언급한 총 3종류의 QKD 프로토콜의 보안성을 분석하고 비교함으로써 양자 상태 증가에 따른 QKD보안성을 성능을 살펴본다.
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양자 역학을 기반으로 하는 양자암호통신에서는 각각의 정보를 개별적인 광자에 실어 전송하기 때문에 일부만 도청하는 것이 기본적으로 불가능하며, 침입자가 광자를 불법적으로 가로채 수신자에게 재전송을 하여도 양자 복제 불가능성원리에 의해 같은 정보를 광자에 실어 보내는 것이 불가능하다. 한편 네트워크 기반 다양한 서비스의 폭발적 증대와 함께 해당 서비스의 보안성 보장이 필수적으로 요구되면서 양자암호 통신망의 구축 및 관련 서비스가 다양한 형태로 추진되고 있다. 그러나 양자키 분배(QKD: Quantum Key Distribution) 기술의 발전과는 별개로 이를 활용한 네트워크 구축및 다양한 양자암호 기반 서비스 제공 방안에 관해서는 많은 연구가 필요한 상태이다. 본 논문에서는 양자암호 장치를기반으로, 다양한 양자암호 통신망 장비 간에 양자키를 전달하고 암호화된 전송환경 구현을 위한 통합 데이터 구조를제안하였다.
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