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양자 컴퓨팅은 브라우저 암호화를 어떻게 바꾸는가
  |  입력 : 2017-09-15 15:30
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암호화 커뮤니티, 양자 컴퓨터 공격 막아낼 알고리즘 개발에 돌입
양자 내성 알고리즘이 TLS 프로토콜에 적합하도록 만드는 것도 과제


[보안뉴스 오다인 기자] 미국 국가안보국(NSA)의 정보 보증 연구그룹(IAD: Information Assurance Directorate)은 2015년에 RSA 암호를 타원 곡선 암호(ECC)로 대체하지 말고 잠시 대기하라고 지시했다. 이미 대체했다면 어쩔 수 없지만 아직 진행하지 않았다면 멈추라는 지시였다. 당시 지시 내용은 다음과 같다.

NSA 파트너 및 관계 기관에게 알립니다. 아직 스위트B(Suite B) 타원 곡선 알고리즘으로 전환하지 않으셨다면 이를 진행하기 위해 많은 비용을 지출하지 않는 것을 권고합니다. 대신 곧 다가올 양자 내성(quantum-resistant) 알고리즘으로 전환하는 것을 준비하십시오.

사람들은 이 지시가 내려진 타이밍에 대해 의문을 가졌다. 암호화 커뮤니티의 사람들은 NSA가 우려를 표현할 정도로 양자 컴퓨팅(quantum computing)에 중대한 진전이 있었던 것일까 궁금증을 가졌다. 그 시점부터 암호화 커뮤니티는 ‘양자 내성’ 알고리즘으로 전환할 준비에 들어갔다. 즉, 양자 컴퓨터의 공격을 막아낼 알고리즘을 개발하기 위해 노력했다.

[이미지=iclickart]


그런 알고리즘에는 어떤 게 있을지 살펴보자. 또한, 이런 알고리즘이 현재 HTTPS와 함께 사용되는 전송 계층 보안(TLS) 프로토콜에 어떻게 부합할 수 있을지도 살펴보자. 그 전에 간단한 설명을 덧붙인다.

만약 실존하는, 작동하는, 대규모의 양자 컴퓨터가 만들어지는 날이 온다면, 그 순간 이후의 시대는 ‘양자 후(post-quantum)’ 시대라고 불리게 될 것이다. 양자 후 시대에서 사용되는 암호화 알고리즘은 양자 컴퓨터로는 쉽게 풀 수 없는 수수께끼가 돼야 한다.

현재 양자 컴퓨팅이 노출한 것은 무엇인가?
암호 전문가들은 비대칭 암호화 알고리즘이 양자 컴퓨팅에 취약하다고 생각한다. 안타깝지만, TLS 프로토콜 핸드셰이크를 위해 사용하는 모든 암호화 알고리즘이 취약하다는 뜻이다.

△RSA : 취약함
△타원 곡선 전자서명 알고리즘(ECDSA) : 취약함
△타원 곡선 디피-헬먼법(ECDH) : 취약함
△디피-헬먼법(DH) : 취약함


2017년에 나온 ‘타원 곡선 이산 로그 컴퓨팅을 위한 양자 리소스 추산(Quantum Resource Estimats for Computing Elliptic Curve Discrete Logarithms)’이라는 논문은 흥미로운 사실을 입증했다. 마틴 로틀러(Martin Roetteler), 마이클 내릭(Michael Naehrig), 크리스타 스보르(Krysta Svore), 크리스틴 로터(Kristin Lauter)가 이 논문을 공동 집필했다. 이 논문은 양자 컴퓨팅으로 인해 RSA보다 오류 정정 코드(ECC)가 더 빨리 무력화된다는 가설을 증명한 것으로 보인다. 이는 NSA가 앞서 지시를 내리는 데 하나의 요인이 됐을지도 모른다.

벌크 암호화(bulk encryption)에 사용되는 대칭 알고리즘은 키 사이즈를 두 배로 키우는 조치만으로 양자 컴퓨팅에서 안전하게 보호할 수 있다. 예를 들어, AES-128 대신에 이보다 발전된 암호화 표준 AES-256을 사용하는 것이다.

양자 후 컴퓨팅은 TLS에 어떤 영향을 미치는가
양자 컴퓨팅이 초래하는 문제에는 어떤 것이 있을까? 이를 살펴보기 전에, 좋은 소식부터 알리고 싶다. 양자 컴퓨팅 세계의 정보 처리 방식도 똑같을 거라는 점이다. 이는 AES 같은 대칭 암호화 키와 SHA 같은 해시 기반 메시지 인증 코드(HMAC)의 해시 알고리즘이 대개 양자 컴퓨팅에 내성이 있다고 간주되기 때문이다. 사용하는 동안 내성이 있을 만큼 키 사이즈를 두 배로 만들기만 하면 된다. NSA의 IAD에 따르면, “AES-256과 SHA-384 알고리즘은 대칭이며, 거대한 양자 컴퓨터가 공격하더라도 안전할 것으로 간주된다.”

F5 연구소(F5 Labs)가 연구한 바에 따르면, 인터넷상의 TLS 호스트 75%가 이미 AES-256을 선호하고 있었다. 즉, 우리는 이미 어느 정도 성취를 이룬 셈이다. 적어도 정보 처리에 있어서는 말이다.

그렇다면 이제 대체해야 할 건 비대칭 암호화 기능 밖에 없다. RSA, DSA, DH와 ECC 변종인 ECDSA와 ECDH를 말한다. 이것들은 TLS 프로토콜의 초기 핸드셰이크 단계에서만 사용된다. 핸드셰이크는 세션 재사용 때문에 대다수 클라이언트에서 사이트마다 단 한 번씩, 그리고 매일 한 번씩만 행해진다. 생각해보라. 꽤 좋은 소식이지 않나?

그러므로 모든 TLS를 대체할 필요는 없다. 새로운 비대칭 핸드셰이크 암호 내에서 구둣주걱 하나만 바꾸면 되는 셈이다. 그러나 어떤 걸 사용하느냐 하는 문제가 남는다.

NIST가 양자 후 알고리즘 선택을 위한 타임라인을 계획했다
미국 국가표준기술연구소(NIST)는 현존하는 비대칭 알고리즘을 양자 후 알고리즘으로 대체할 시기에 대해 타임라인을 발표했다. NIST는 오는 11월 말을 양자 후 알고리즘 제출 마감으로 잡고, 2018년 초에 제출자들이 발표하도록 했다. 이 글을 쓰고 있는 현재(2017년 여름), F5도 제출을 준비하고 있다. NIST가 결과를 발표하고 나면 3년에서 5년간 분석이 따를 것이다. 한두 건의 워크숍도 개최될 것으로 보인다. 그리고 2년이 더 지나면 새로운 표준에 대한 초고가 나올 것이다.

NIST 연구원 레이 펄너(Ray A. Perlner)와 데이비드 쿠퍼(David A. Cooper)는 2009년에 당시 어떤 양자 후 알고리즘이 채택될 수 있는지 탐구한 백서를 발행했다. 펄너와 쿠퍼는 이 알고리즘이 양자 후 알고리즘이 아닌 것들(RSA, DSA, DH, ECC)과 비교해 측정 기준(metrics)이 어떻게 다른지 보여주는 차트를 만들기도 했다.

이 백서가 나온 이래, 새로운 알고리즘들은 암호화 커뮤니티에 유통되기 시작했다. 그리고 사람들은 그 알고리즘 중에 어떤 것도 완벽하지 않다는 사실을 빠르게 알아차렸다.

양자 후 비대칭 암호화 알고리즘을 위한 현재 후보들
후보 몇 가지는 이미 논의되고 있다. 이 후보들은 모두 같은 키 사이즈를 갖고 있다. 양자 컴퓨팅에서 안전하려면 최소한 128 비트 수준의 보안이 보장돼야 하기 때문이다. NTRUEncrypt, Goppa 코드를 이용한 McEliece 암호화 알고리즘, Ring Learning with Errors 등이 후보에 있다. Supersingular Isogeny Diffie-Hellman(SIDH)도 촉망 받는 알고리즘 중 하나다.

SIDH는 후보들 가운데 가장 작은 사이즈(3K 공개 키)를 사용하고, 더 나은 기밀성을 제공하며, 특허에서 자유롭다. 그러나 SIDH도 완벽하진 않다. 연구자들은 이미 SIDH를 이곳저곳 찔러보며 구멍을 발견하고 있으며 꽤 충격적인 공격들을 생각해내기도 했다. 일부 완화할 수는 있어도 완전히 새로운 차원의 복잡성을 더하는 공격들을 말이다.

관련된 IETF 프로젝트
국제인터넷표준화기구(IETF)의 TLS 워킹그룹은 TLS에 적합한 양자 후 알고리즘을 설계하는 작업에 이미 착수한 상태다. 2015년 체코에서 열린 IETF 93회 회의에서 윌리엄 화이트(William Whyte)는 하이브리드 핸드셰이크를 제안했다. 구글의 CECPQ1처럼, 화이트는 키의 절반을 전통적인 키 교환으로 바꾸고, 나머지 키의 절반을 양자 후 키와 교환하는 방식을 제안했다. 각각 두 개로 나뉜 절반의 키들은 나머지 세션 키 정보가 유도되는 최종적인 마스터키를 만들어내기 위해 키 유도 함수로 조합된다.

앞서 언급한 알고리즘 중 어느 것도 이상적이지 않다고 생각하는가? 그래도 괜찮다. 암호화 커뮤니티의 많은 사람들이 대규모 양자 컴퓨터가 가능하다는 사실조차 의심하고 있는 상황이다. 그러나 만에 하나 양자 컴퓨터가 현실이 된다 하더라도 우리는 재빨리 양자 후 시대에 준비할 수 있을 것이다. 적어도 프로토콜의 관점에선 말이다.

글 : 데이비드 홈스(David Homes)
[국제부 오다인 기자(boan2@boannews.com)]

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