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Jouranl of Information and Security

Integrated Data Structure for Quantum Key Management in Quantum Cryptographic Network

남서울대학교 컴퓨터소프트웨어학과 교수, Hyuncheol Kim

Published Mar 31, 2021• 0 citations
Publisher

Abstract

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.

DOI
10.33778/kcsa.2021.21.1.003

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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.

한국통신학회논문지•Aug 29, 2022•1 citation

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Sang-Wook Kang, Sung-Uk Park

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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Sang-Wook Kang, Sung-Uk Park

양자 기술은 기존의 고전 역학 기반 기술과는 본질적으로 차별화된 기술로, 상용화가 이루어진다면 연산 속도의 획기적 향상을 통해 이전에는 불가능했던 다양한 분야에서 혁신적인 변화를 일으킬 것으로 기대된다. 본 논문은 국내에서 처음으로 양자암호와 관련된 언론 기사를 대상으로 키워드 네트워크 분석을 실시하였고, 이를 통해 도출된 시사점과 향후 연구 방향을 제시했다는 점에서 의의를 갖는다. 키워드 네트워크 분석을 통해 도출된 주요 핵심이슈는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, 양자암호 기술의 대중화와 체험적 교육을 위한 온오프라인 플랫폼 구축, 둘째, 글로벌 경쟁속에서 양자암호 기술의 발전과 금융ㆍ산업분야 보안 응용, 셋째, 차세대 양자암호 통신망 표준화 및 경쟁력 강화를 위한 네트워크 인프라 구축, 넷째, 양자암호 기술의 클라우드 및 통신 인프라 상용화와 글로벌 시장 진출이다.

Han-guk jeonja georae hakoeji•May 31, 2025•0 citations

Design and Implementation of a Blockchain Relay for Quantum Key Distribution

Sejin Park, Jaewook Ahn, Woojin Seok +2 more

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.

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

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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.

한국통신학회논문지•Nov 30, 2017•0 citations

Quantum Key Distribution System integrated with IPSec

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현존하는 대부분의 인터넷 보안 프로토콜은 소인수분해 문제의 수학적 복잡도에 기초한 고전적인 암호화 알고리즘에 의존하고 있으나, 이러한 고전 알고리즘은 양자 컴퓨터의 공격에 취약하다고 알려져 있다. 최근 양자 컴퓨팅 기술이 비 약적으로 발전하면서 기존 통신의 물리 및 네트워크 계층 보안을 위해 양자키분배 기술을 적용하는 것이 국제적으로 필수적인 과제가 되고 있다. 본 연구에서는 성형 네트워크에 적용하기 위한 plug & play 방식의 양자키분배 장치를 제작 하고, 생성된 양자키를 IPSec의 키 교환 과정에 이용함으로써 기존 IPSec 장치와 연동 실험한 결과를 보고하고자 한다.

Jouranl of Information and Security•Sep 30, 2021•0 citations
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.
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.
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.
양자 기술은 기존의 고전 역학 기반 기술과는 본질적으로 차별화된 기술로, 상용화가 이루어진다면 연산 속도의 획기적 향상을 통해 이전에는 불가능했던 다양한 분야에서 혁신적인 변화를 일으킬 것으로 기대된다. 본 논문은 국내에서 처음으로 양자암호와 관련된 언론 기사를 대상으로 키워드 네트워크 분석을 실시하였고, 이를 통해 도출된 시사점과 향후 연구 방향을 제시했다는 점에서 의의를 갖는다. 키워드 네트워크 분석을 통해 도출된 주요 핵심이슈는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, 양자암호 기술의 대중화와 체험적 교육을 위한 온오프라인 플랫폼 구축, 둘째, 글로벌 경쟁속에서 양자암호 기술의 발전과 금융ㆍ산업분야 보안 응용, 셋째, 차세대 양자암호 통신망 표준화 및 경쟁력 강화를 위한 네트워크 인프라 구축, 넷째, 양자암호 기술의 클라우드 및 통신 인프라 상용화와 글로벌 시장 진출이다.
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.
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.
현존하는 대부분의 인터넷 보안 프로토콜은 소인수분해 문제의 수학적 복잡도에 기초한 고전적인 암호화 알고리즘에 의존하고 있으나, 이러한 고전 알고리즘은 양자 컴퓨터의 공격에 취약하다고 알려져 있다. 최근 양자 컴퓨팅 기술이 비 약적으로 발전하면서 기존 통신의 물리 및 네트워크 계층 보안을 위해 양자키분배 기술을 적용하는 것이 국제적으로 필수적인 과제가 되고 있다. 본 연구에서는 성형 네트워크에 적용하기 위한 plug & play 방식의 양자키분배 장치를 제작 하고, 생성된 양자키를 IPSec의 키 교환 과정에 이용함으로써 기존 IPSec 장치와 연동 실험한 결과를 보고하고자 한다.