격자 기반 양자내성 암호화 알고리즘의 제약상황에서의 효율적 구현에 대한 연구 :

황인원

자료유형: 학위논문

저자정보: 황인원 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 이윤호

발행연도: 2022

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수59

초록· 키워드

양자 컴퓨터 상용화 시대가 가까워짐에 따라 현존하는 많은 암호 알고리즘들이 양자 컴퓨터의 강력한 계산능력과 이를 이용한 공격을 통해 쉽게 깨질 수 있다는 것이 많은 연구를 통해 증명되고 있다. 이러한 이유로 많은 연구자들이 양자컴퓨터의 공격으로부터 안전한 암호화 알고리즘들을 연구 하고 있다. 본 연구에서는 격자 기반 양자내성 암호화 알고리즘인 RLizard KEM(Key Encapsulation Mechanism)과 PEKS(Public-key Encryption with Keyword Search)에 대한 연구를 진행한다.
첫 번째 연구로써, 우리는 RLizard KEM에 대해 연구를 수행한다. RLizard KEM이 8비트 MCU(micro controller unit) 및 8~16KB SRAM을 갖는 자원이 제한된 사물 인터넷(IoT) 환경에서 효율적인 실행이 가능하도록 개선된 RLizard 구현 방법을 제안한다. 기존 연구에서는 제안한 방법이 상대적으로 계산 및 메모리 자원이 풍부한 IoT 환경에서 작동할 수 있음을 보여주었지만, 해당 구현을 그대로 제안 환경에서 구동시킬 경우, SRAM 공간이 부족하여 수행이 불가능하다. 우리는 이러한 제한된 환경에서 RLizard KEM을 구동시키기 위해 8비트 ATmega MCU가 보유하고 있는 EEPROM(Electrically Erasable, Programmable, Read-Only Memory) 및 플래시 메모리를 활용하여 RLizard KEM의 구현을 개선한다. 또한, RLizard KEM의 각 알고리즘에서 특별한 속성을 활용하여 다항식 간의 곱셈 과정을 개선한다. 따라서 필요한 MCU의 클럭 사이클 소비가 줄어든다. 그 결과 NIST(National Institute of Standard and Technology) 양자내성암호 표준화 대회에 제출된 기존 코드와 비교하여 RLizard KEM의 각 알고리즘들을 구동하기 위해 필요한 MCU 클럭 사이클이 평균 52% 감소하고 사용 메모리가 약 77% 감소하는 것으로 나타났다. 또한 제안 구현은 본 연구에서 사용하는 저 사양 IoT 환경에서 잘 작동함을 확인하였다.
두 번째 연구로는 PEKS(Public-Key Encryption with Keyword Search)암호화 프로토콜에 대한 연구를 수행한다. 기존 PEKS 암호화 프로토콜은 대부분 양자 내성 수준의 안전성을 갖지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서 양자컴퓨터의 공격에도 안전성을 유지할 수 있는 양자 내성 PEKS를 제안한다. 본 연구에서는 양자 컴퓨터의 공격으로부터 안전한 것이 증명된 MNTRU 기반 문제를 이용하여 PEKS를 설계한다. MNTRU를 이용해 설계된 IBE(Identity-Based Encryption)의 기능을 이용해 PEKS를 설계한 후 여러 환경에서 구현한 결과를 테스트하였다. 2.9GHz의 CPU환경에서 진행한 키워드 검색 과정 수행 결과는 2.79ms이고 암호화 수행 결과 7.378ms로 다른 양자 내성이 없는 비교 기법들에 비해 월등히 우수한 안전성을 갖고도 사용할 만한 수준의 수행시간을 보여준다. 또한 실제 모바일과 태블릿 환경에서 시나리오를 구현하여 각 과정을 측정한 결과 한번만 진행하면 되는 키 생성을 제외한 나머지 과정 중 모바일에서 가장 오래 걸리는 복호화 과정이 2258.2ms, 태블릿에서 가장 오래 걸리는 복호화 과정은 2415.9ms로 측정 되었다. 가장 오래 걸리는 과정의 수행 시간을 통해 트랩도어 키 생성, 암호화, 키워드 검색, 복호화 모두 실제 사용 가능한 성능임을 알 수 있었다.
본 연구를 진행하는 도중에 다른 양자내성 PEKS 방법의 존재를 확인할 수 있었으며 [37], 우리는 [37] 방법에 비해 제안 방법의 실용성이 높음을 보임으로써 본 연구의 효용성을 다시 한 번 확인하였다.

As the era of commercialization of quantum computers approaches, many studies have shown that many existing cryptographic algorithms can be easily broken through the powerful computing power of quantum computers and attacks that utilize them. For these reasons, many kinds of researches are underway about encryption algorithms that are secure from quantum computer attacks. Therefore, in this study, RLizard KEM(Key Encapsulation Mechanism) and PEKS(Public-key Encryption with Keyword Search), which are lattice-based quantum-resistant encryption algorithms, are studied.
First we propose an improved RLizard implementation method that enables the RLizard key encapsulation mechanism (KEM) to run in a resource-constrained Internet of Things (IoT) environment with an 8-bit micro controller unit (MCU) and 8?16 KB of SRAM. Existing research has shown that the proposed method can function in a relatively high-end IoT environment, but there is a limitation when applying the existing implementation to our environment because of the insufficient SRAM space. We improve the implementation of the RLizard KEM by utilizing electrically erasable, programmable, read-only memory (EEPROM) and flash memory, which is possessed by all 8-bit ATmega MCUs. In addition, in order to prevent a decrease in execution time related to their use, we improve the multiplication process between polynomials utilizing the special property of the second multiplicand in each algorithm of the RLizard KEM. Thus, we reduce the required MCU clock cycle consumption. The results show that, compared to the existing code submitted to the National Institute of Standard and Technology (NIST) PQC standardization competition, the required MCU clock cycle is reduced by an average of 52%, and the memory used is reduced by approximately 77%. In this way, we verified that the RLizard KEM works well in our low-end IoT environments.
As the second study, we conduct a study on the PEKS (Public-Key Encryption with Keyword Search) algorithm. We design PEKS using MNTRU-based problems that have been proven safe from quantum computer attacks. After designing PEKS using the IBE (Identity-Based Encryption) function designed using MNTRU, we tested the results of implementation in multiple environments. The result of performing the keyword search process in the 2.9GHz CPU environment is 2.79ms and the result of encryption is 7.378ms, which shows a level of execution time that can be used even with superior safety compared to other comparative methods without quantum tolerance. In addition, as a result of measuring each process by implementing a scenario in an actual mobile and tablet environment, the decryption that takes the longest on mobile is 2258.2ms and 2415.9ms on tablet, excluding the key generation that needs to be performed only once was measured. Through the execution time of the longest process, it was found that trapdoor key generation, encryption, keyword search, and decryption were all usable performance.

요약 ⅰ
표목차 ⅲ
그림목차 ⅳ
I. 서 론 1
II. RLizard Key Encapsulation Mechanism 6
1. 사전지식 6
2. 관련연구 10
3. 제안방법 12
4. 성능측정 18
III. Public-key Encryption with Keyword Search 21
1. 사전지식 21
2. 관련연구 27
3. 연구동기 29
4. 제안 Public-key Encryption with Keyword Search 방법 30
5. 성능 측정 및 결과 비교 40
IV. 결론 45
참고문헌 47
영문초록(Abstract) 53

최근 본 자료

전체보기

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	원문	원문 PDF 파일
AI 학습용 데이터	원문 + 메타 (기본/상세)	원문 PDF 파일 및 서지정보 CSV
대량 구매용 데이터	B2B 구독 방식	특정 자료 한정으로 원문 접근 권한 부여
대량 구매용 데이터	URL 전달 방식	바로 PDF 뷰어를 열람할 수 있는 URL 제공

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	기본 메타	발행기관명, 간행물명, 권호명, 권(vol), 호(issue), 통권, 발행연도, 발행월, 논문명, 저자명, 시작페이지, 종료페이지, 전체페이지, 상세페이지URL
상세 메타 데이터	발행기관 메타	발행기관 이명, 영문명, 창립연도, 홈페이지URL, 발행기관 소개
	간행물 메타	부제목, 간행물 유형, ISSN, ISBN, 최초발행연도, 폐간연도, 간행빈도, 발행주기, 등재사항, 이용수, 피인용수, 권호수, 논문수, 표지이미지
	논문 메타	작성 언어, 부제목, 대등제목, 목차, 키워드, 초록, 이미지, 참고문헌, 이용수, 피인용수, 논문활용도, DBpia통합주제분류, KDC분류, DDC분류, 한국연구재단분류, UCI, DOI
	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

구분	그룹	데이터 항목
※ 결합형/맞춤형 메타 데이터는 신청 내용에 따라 다양하게 제공 가능
이용순위 정보	주제분야별 많이 이용된 논문	“인문학”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	이용기관별 많이 이용된 논문	“중고등학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	세부기관별 많이 이용된 논문	“서울대학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	키워드별 많이 이용된 논문	“Chat GPT”에서 많이 이용된 논문 TOP100
키워드 정보	많이 이용된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 이용된 키워드
	많이 발행된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 발행된 키워드
	많이 검색된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 검색된 키워드
	연구 트렌드 키워드	특정 키워드 연관 연구동향 분석 데이터 키워드

논문 기본 정보

초록· 키워드

목차

최근 본 자료

댓글(0)