양자 내성 암호 알고리즘의 개요와 국제 표준화 동향

염흥열
순천향대학교
 
[요약]
대규모 양자 컴퓨팅의 출현은 과학과 사회 시스템에 커다란 변혁과 기회를 제공할 수 있다. 동시에 기존 글로벌 정보통신인 프라의 신뢰에 커다란 위협이 될 수 있다. 대규모 양자 컴퓨터가 상용화되면, 소인수 분해 문제와 이산대수 문제에 암호알고리즘에 안전성의 근거를 두고 있는 기존 공개키 암호알고리즘은 더 이상 안전하지 않게 되기 때문이다. 대규모 상용 양자 컴퓨터로부터 안전성을 갖는 양자 내성 암호알고리즘(quantum safe cryptography)의 연구와 표준화가 요구된다. 본고에서는 양자 암호 알고리즘의 개요와, 국제전기통신연합 정보통신부문 정보보호 연구반 17 (ITU-T SG17), 미국 국립표준기술원 (NIST), 유럽전기통신표준협회 (ETSI), 그리고 ISO/IEC JTC 1/SC 27 등을 중심으로 양자 내성 암호 알고리즘에 대한 국제 표준화 동 향을 알아본다.
 
  지난 40 년 이상 공개키 암호 (public-key cryptography) 등 의 암호는 정보통신 인프라의 신뢰를 제공하기 위해 이용되고 있다. 이는 경제, 안전 및 인류 삶의 생활방식에 중요한 영향을 주는 클라우드, 인터넷 상거래 등 여러 인터네 응용을 위한 저장 및 전송중인 데이터의 신뢰성을 제공해 왔다. 앞으로도 정보통신 인프라가 초고속 모바일 인프라로 진화되면서 개인, 기업 및 정부 등 주요 참여주체가 안전하게 소통 할 수 있는 능력을 제공하는 것은 매우 중요하다. 양자 컴퓨터(quantum computer)는 정보 처리를 위해 양자 컴퓨팅 메커니즘을 이용하며, 차가운 온도에서 나노 수준의 구성 요소로 작동하고, 계산능력이 탁월해 세계에서 가장 까다로운 난제 중 일부를 해결할 잠재력이 있다. 양자 컴퓨터는 고전적 컴퓨팅 한계를 훨씬 뛰어 넘는 컴퓨팅 능력을 크게 향상시킬 수 있다. 2019년 1월 IBM은 실험실 밖에서 동작하는 최초의 양자 컴퓨터를 공개했다. 대규모 양자 컴퓨터는 출현 시기에 대한 예측은 분분하나, 2,048 비트 암호키 길이를 갖는 공개키 암호체계는 2026년까지 양자컴퓨터에 의해 깨질 확률이 1/7 이고, 2031년에 깨질 확률도 1/2 으로 예측되고 있다. 많은 인터넷 프로토콜이 공개키 암호화, 디지털 서명, 및 키 교환과 같은 3 가지 핵심 암호 프리미티브에 의존하고 있다. 현재 이러한 암호 알고리즘은 DH 키교환, RSA 암호 시스템, 그리고 타원 곡선 암호(Elliptic curve cryptography)를 사용하여 구현되고 있다. 이들의 암호 프리미티브의 안전성은 이산로그 값을 구하는 이산대수문제와, 합성수를 작은 두 정수의 곱으로 분해하는 소인수분해 문제와 같은 수학적 난제에 안전성을 의존하고 있다. 1994년 벨연구소 (Bell Laboratories)의 피터 쇼어 (Peter Shor)는 양자 컴퓨터가 이러한 문제를 효율적으로 풀 수 있는 방법을 제시해 모든 공개키 암호 시스템을 무력화할 가능성을 제시했다. 따라서 충분히 강력한 양자 컴퓨터는 키 교환에서 암호화, 디지털 인증에 이르기까지 다양한 형태의 현대적 통신 기반을 위험에 빠뜨릴 수 있다. 대규모 양자 컴퓨터가 나타나면 현재 사용 중인 많은 공개키 암호 시스템을 깨뜨릴 수 있다. 이는 인터넷의 디지털 통신의 기밀성과 무결성을 심각하게 손상시킴을 의미한다. 양자 내성 암호(quantum safe cryptography) 의 목표는 양자 컴퓨터 및 고전 컴퓨터 모두에 대해 안전하고 기존의 통신 프로토콜 및 네트워크와 상호 운용 할 수 있는 암호 체계를 개발하는 것이다. 미국 NSA(national security agency)는 2005년 2월에 비등급 및 기밀 정보를 보호위해 암호, 키교환, 디지털 서명, 해시 알고리즘으로 구성된 Suite B 암호 알고리즘 목록을 발표했다. 2015년 8월 미국 NSA는 Suite B 암호화 알고리즘 목록을 업데이트했다. 2018년 NSA는 Suite B 암호 알고리즘을 상용 암호 알고리즘(Commercial national security algorithm)으로 대체했다. 또한 2015년 NSA는 장기적으로 기존 암호 알고리즘을 양자 내성 알고리즘으로의 전환한다고 선언했다. 양자 내성 암호에 대한 표준화는 이 전환 활동의 첫 단계로 간주된다. 본고에서는 양자 내성 암호 알고리즘의 개요와 ITU-TSG17, NIST, ETSI, ISO/IEC JTC 1/SC 27을 중심으로 양자 내성 암호 알고리즘에 대한 표준화 동향을 알아본다.
 
 
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