[논문 리뷰] Authentication of quantum key distribution with post-quantum cryptography and replay attacks

Liujun Wang, You-Yang Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 02.

Quantum Information and Cryptography인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 양자 키 분배(QKD) 데이터 후처리를 위한 두 가지 양자 컴퓨팅에 강건한 암호(이하 PQC) 기반 인증 프로토콜을 제안한다. 이는 사전 공유 키 없이 장기적인 양자 공격에 저항하는 보안을 제공한다. 오류 수정, 난수 전송, 최종 키 검증을 PQC 서명을 통해 인증함으로써 측정 기준의 고유한 무작위성과 신호 상태의 특성 덕분에 재생 공격을 방지할 수 있다.

ABSTRACT

With the development of quantum computers, traditional cryptographic systems are facing more and more serious security threats. Fortunately, quantum key distribution (QKD) and post-quantum cryptography (PQC) are two cryptographic mechanisms with quantum-resistant security, and both will become important solutions for future information security. However, neither of them is perfect, and they are complementary. Quantum key distribution has unconditional security that post-quantum cryptography does not have, and PQC can provide secure and convenient authentication for QKD networks. In this paper, we propose two protocols based on PQC to realize the full authentication of the QKD data post-processing, and we only need to assume the short-term security of PQC algorithm to ensure the long-term quantum resistant security of distributed keys. We found that for the above two authentication protocols, attackers cannot successfully implement replay attacks. These authentication protocols can solve the problems of the current pre-shared key authentication in the application of large-scale quantum key distribution networks, and are expected to realize a key distribution mechanism with practical operability and quantum resistant security, which will be beneficial to promote the deployment and application of quantum key distribution networks.

연구 동기 및 목표

• 대규모 QKD 네트워크에서 사전 공유 키 인증의 확장성 및 실용성 문제를 해결한다.
• 후처리 단계에 PQC를 통합함으로써 QKD에서 양자 공격에 저항하는 보안을 실현한다.
• PQC 기반 상호 인증을 통해 도시 내 QKD 네트워크에서 신뢰할 수 있는 중계기가 필요 없도록 한다.
• PQC 알고리즘이 향후 해체되더라도 분산 키의 장기 보안을 확보하기 위해 단기적 PQC 보안만을 가정한다.

제안 방법

• 오류 수정 검증 및 최종 키 검증을 PQC 디지털 서명(예: 격자 기반 또는 해시 기반)을 사용해 인증한다.
• 개인정보 압축을 위한 난수 전송을 PQC 서명된 다이제스트로 인증하여 위조 방지한다.
• 인증된 다이제스트에서 泄露된 키 정보를 제거하기 위해 개인정보 압축을 적용함으로써 측면 경로 유출이 없도록 보장한다.
• 두 가지 프로토콜을 설계한다: 하나는 기준 선택, 오류 수정, 난수 전송을 PQC로 인증하는 것; 다른 하나는 개인정보 압축된 키의 소량을 사용해 최종 키 검증을 PQC로 인증하는 것.
• 측정 기준과 신호 변조의 무작위성을 활용해 재생 공격을 방지한다. 동일한 오류 수정 키는 이전에 정상적인 QKD 세션을 거친 바 없이 재현될 수 없다.
• PQC 알고리즘이 인증 후에 해체되더라도 최종 QKD 키는 안전하다. 인증 데이터는 한 번만 사용되기 때문이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PQC 기반 인증이 대규모 QKD 네트워크에서 사전 공유 키를 대체하면서도 장기적인 양자 공격에 저항할 수 있는가?
• RQ2 PQC가 후처리 단계의 인증에 사용될 경우 QKD 프로토콜에 재생 공격이 성공적으로 수행될 수 있는가?
• RQ3 측정 기준과 신호 상태의 무작위성이 QKD에서 재생 공격의 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 PQC 기반 인증을 QKD 프로토콜에 통합할 때 최종 키의 무조건적 보안을 해치지 않도록 할 수 있는가?
• RQ5 PQC 알고리즘의 보안 기간이 단기적일 뿐이라고 가정할 경우 QKD 키의 장기 보안을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 PQC 기반 인증 프로토콜은 상대방의 측정 기준과 신호 상태의 무작위성 덕분에 오류 수정 키를 재현할 수 없기 때문에 재생 공격을 방지한다.
• 공격자가 성공적으로 서명된 다이제스트를 재생할 확률은 약 $2^{-k}$이며, 여기서 $k$는 오류 수정 키의 길이다. 따라서 실질적으로 불가능하다.
• PQC 알고리즘이 향후 해체되더라도 최종 QKD 키는 안전하다. 인증 과정이 키 생성 이전에 완료되며, 키는 장기적 PQC 보안에 의존하지 않기 때문이다.
• 이 프로토콜들은 측정 장치에 무관한 QKD, 트윈필드 QKD, 연속 변수 QKD 등 다양한 QKD 프로토콜과 호환된다.
• PQC 기반 인증을 사용함으로써 도시 내 QKD 네트워크에서 신뢰할 수 있는 중계기의 필요성을 줄이거나 제거할 수 있어 네트워크의 상호 연결성과 보안성이 향상된다.
• 사전 공유 대칭 키가 필요 없이도 양자 공격에 저항하는 보안을 달성할 수 있어 대규모 QKD 구현에서 확장성 향상에 기여한다.