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한국통신학회논문지

Methods to Detect Distribution Change for Noise Sources in Cryptographically Secure Random Number Generators

Hojoong Park, Sujin Kwon, Yongjin Yeom, Ju-Sung Kang

Published Jul 25, 2021• 0 citations
Publisher

Abstract

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.

DOI
10.7840/kics.2021.46.7.1208

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NIST SP 800-90B 프레딕터를 이용한 잡음원의 엔트로피 추정량에 대한 실험적 분석

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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.

•Dec 1, 2016•0 citations

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

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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. 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.

한국통신학회논문지•Dec 31, 2016•0 citations

Design and Implementation of a Secure QRNG-Based Random Number Generation Architecture for Embedded Systems

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본 논문은 경량 임베디드 환경에서 보안 인증 요구사항을 만족하는 안전한 난수(Random Number) 생성 구조를 제안한다. 제안하는 구조는 난수 생성기의 보안 적합성과 관련된 국제 표준인 NIST SP 800-90A/B/C 및 FIPS 140 계열 표준을 기반으로 설계하였다. 또한, 양자 컴퓨터가 적용되는 정보 시스템 환경에서도 적용될 수 있도록 양자 난수 발생기(QRNG: Quantum Random Number Generator)를 엔트로피 소스로 활용하였다. QRNG에서 생성된 원시 엔트로피(Raw Entropy)는 SHA-256 기반 조건화 구성요소(Conditioning Component)를 통해 정제되며, 이후 CTR_DRBG를 통해 암호학적으로 안전한 난수로 확장된다. 또한 엔트로피 소스(칩 자체 포함)의 신뢰성을 확보하기 위해 QRNG 출력에 대한 헬스 체크를 지속 수행하도록 설계했다. 특히, 본 연구는 엔트로피 소스와 난수 생성기의 역할을 명확히 분리하고, 임베디드 장치에서도 구현가능한 구조를 제시함으로써 최소 엔트로피 (min-entropy) 과대평가 위험을 줄이고 인증 적합성을 확보하였다. 제안 구조를 구현하기 위해 상용화 된 QRNG 칩(IDQ250C2)을 적용한 동작 구조를 제시하고 동작을 시험하였다.

Jouranl of Information and Security•Jun 30, 2026•0 citations

Wireless-Powered Secure Relaying Protocols for Minimizing Secrecy Outage Probability

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본 논문에서는 사물인터넷 환경에서 센서의 전원 부족과 정보 보안 문제를 동시에 해결하기 위해 보안 릴레이 프로토콜을 제안한다. 무선 충전이 가능한 릴레이는 파워 분할 혹은 시간 전환 기법을 이용하여 수신한 RF 신호로부터 에너지를 하베스팅하고, 이 전력을 이용하여 수신한 신호를 목적지에 전달한다. 또한, 도청자가 발신원으로부터 전송되는 데이터를 해석하는 것을 막기 위해 목적지는 발신원이 데이터를 전송하는 동안 방해 전파를 전송한다. 정해진 기준 값 이상의 보안 전송 요구를 보장하기 위한 보안 아웃티지 확률을 수식적으로 도출하고, 이를 최소화 할 수 있는 파워 분할 및 시간 전환 비율을 찾는다. 다양한 환경에서 시뮬레이션을 통해 제안 방안이 기존 방안에 비해 보안 아웃티지 확률을 개선함을 보인다.

한국통신학회논문지•Jul 29, 2020•0 citations

양자내성암호를 활용한 경량 보안 프로토콜 설계

장경배, 심민주, 서화정

IoT (Internet of Things) 시대가 활성화되면서 개인정보를 포함한 많은 정보들이 IoT 디바이스들을 통해 전달되고 있다. 정보보호를 위해 디바이스끼리 상호 암호화하여 통신하는 것이 중요하며 IoT 디바이스 특성상, 성능의 제한으로 인해 경량 보안 프로토콜 사용이 요구된다. 현재 보안 프로토콜에서 사용하는 암호 기법들은 대부분 RSA, ECC (Elliptic Curve Cryptography)를 사용하고 있다. 하지만 고사양의 양자 컴퓨터가 개발되고 쇼어 알고리즘을 활용한다면 앞선 RSA와 ECC가 근거하는 안정성의 문제를 쉽게 해결할 수 있기 때문에 더 이상 사용할 수 없다. 이에 본 논문에서는 양자 컴퓨터의 계산능력에 내성을 가지는 보안 프로토콜을 설계하였다. 미국 NIST (National Institute of Standards and Technology) 양자내성암호 표준화 공모전을 진행중인 코드기반암호 ROLLO를 사용하였으며, IoT 디바이스끼리의 상호 통신을 위해 연산 소모가 적은 해시, XOR연산을 활용하였다. 마지막으로 제안하는 프로토콜과 기존 프로토콜의 비교 분석 및 안전성 분석을 실시하였다.

KIPS Transactions on Computer and Communication Systems•Jan 1, 2020•0 citations

양자키분배와 RSA 암호를 활용한 이중키 설정 키유도함수

박호중, 배민영, 강주성 +1 more

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
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.
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.
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.
본 논문은 경량 임베디드 환경에서 보안 인증 요구사항을 만족하는 안전한 난수(Random Number) 생성 구조를 제안한다. 제안하는 구조는 난수 생성기의 보안 적합성과 관련된 국제 표준인 NIST SP 800-90A/B/C 및 FIPS 140 계열 표준을 기반으로 설계하였다. 또한, 양자 컴퓨터가 적용되는 정보 시스템 환경에서도 적용될 수 있도록 양자 난수 발생기(QRNG: Quantum Random Number Generator)를 엔트로피 소스로 활용하였다. QRNG에서 생성된 원시 엔트로피(Raw Entropy)는 SHA-256 기반 조건화 구성요소(Conditioning Component)를 통해 정제되며, 이후 CTR_DRBG를 통해 암호학적으로 안전한 난수로 확장된다. 또한 엔트로피 소스(칩 자체 포함)의 신뢰성을 확보하기 위해 QRNG 출력에 대한 헬스 체크를 지속 수행하도록 설계했다. 특히, 본 연구는 엔트로피 소스와 난수 생성기의 역할을 명확히 분리하고, 임베디드 장치에서도 구현가능한 구조를 제시함으로써 최소 엔트로피 (min-entropy) 과대평가 위험을 줄이고 인증 적합성을 확보하였다. 제안 구조를 구현하기 위해 상용화 된 QRNG 칩(IDQ250C2)을 적용한 동작 구조를 제시하고 동작을 시험하였다.
본 논문에서는 사물인터넷 환경에서 센서의 전원 부족과 정보 보안 문제를 동시에 해결하기 위해 보안 릴레이 프로토콜을 제안한다. 무선 충전이 가능한 릴레이는 파워 분할 혹은 시간 전환 기법을 이용하여 수신한 RF 신호로부터 에너지를 하베스팅하고, 이 전력을 이용하여 수신한 신호를 목적지에 전달한다. 또한, 도청자가 발신원으로부터 전송되는 데이터를 해석하는 것을 막기 위해 목적지는 발신원이 데이터를 전송하는 동안 방해 전파를 전송한다. 정해진 기준 값 이상의 보안 전송 요구를 보장하기 위한 보안 아웃티지 확률을 수식적으로 도출하고, 이를 최소화 할 수 있는 파워 분할 및 시간 전환 비율을 찾는다. 다양한 환경에서 시뮬레이션을 통해 제안 방안이 기존 방안에 비해 보안 아웃티지 확률을 개선함을 보인다.
IoT (Internet of Things) 시대가 활성화되면서 개인정보를 포함한 많은 정보들이 IoT 디바이스들을 통해 전달되고 있다. 정보보호를 위해 디바이스끼리 상호 암호화하여 통신하는 것이 중요하며 IoT 디바이스 특성상, 성능의 제한으로 인해 경량 보안 프로토콜 사용이 요구된다. 현재 보안 프로토콜에서 사용하는 암호 기법들은 대부분 RSA, ECC (Elliptic Curve Cryptography)를 사용하고 있다. 하지만 고사양의 양자 컴퓨터가 개발되고 쇼어 알고리즘을 활용한다면 앞선 RSA와 ECC가 근거하는 안정성의 문제를 쉽게 해결할 수 있기 때문에 더 이상 사용할 수 없다. 이에 본 논문에서는 양자 컴퓨터의 계산능력에 내성을 가지는 보안 프로토콜을 설계하였다. 미국 NIST (National Institute of Standards and Technology) 양자내성암호 표준화 공모전을 진행중인 코드기반암호 ROLLO를 사용하였으며, IoT 디바이스끼리의 상호 통신을 위해 연산 소모가 적은 해시, XOR연산을 활용하였다. 마지막으로 제안하는 프로토콜과 기존 프로토콜의 비교 분석 및 안전성 분석을 실시하였다.
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.