[논문 리뷰] Identifying Research Challenges in Post Quantum Cryptography Migration and Cryptographic Agility

David J. Ott, Christopher Peikert외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 16.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 암호학자, 응용 암호학자 및 산업 전문가들이 참석한 CCC 워크숍을 바탕으로, 양자군용 암호(이하 PQC)로의 이행과 암호학적 민첩성의 발전에 있어 핵심적인 연구 과제를 규명한다. 이는 체계적인 PQC 이행을 위한 프레임워크를 제안하고, 유연하고 미래에 대비한 암호 시스템을 구축하기 위한 기초 연구 필요성을 제시한다.

ABSTRACT

The implications of sufficiently large quantum computers for widely used public-key cryptography is well-documented and increasingly discussed by the security community. An April 2016 report by the National Institute of Standards and Technology (NIST), notably, calls out the need for new standards to replace cryptosystems based on integer factorization and discrete logarithm problems, which have been shown to be vulnerable to Shor's quantum algorithm for prime factorization. Specifically, widely used RSA, ECDSA, ECDH, and DSA cryptosystems will need to be replaced by post-quantum cryptography (PQC) alternatives (also known as quantum-resistant or quantum-safe cryptography). Failure to transition before sufficiently powerful quantum computers are realized will jeopardize the security of public key cryptosystems which are widely deployed within communication protocols, digital signing mechanisms, authentication frameworks, and more. To avoid this, NIST has actively led a PQC standardization effort since 2016, leveraging a large and international research community. On January 31-February 1, 2019, the Computing Community Consortium (CCC) held a workshop in Washington, D.C. to discuss research challenges associated with PQC migration. Entitled, "Identifying Research Challenges in Post Quantum Cryptography Migration and Cryptographic Agility", participants came from three distinct yet related communities: cryptographers contributing to the NIST PQC standards effort, applied cryptographers with expertise in creating cryptographic solutions and implementing cryptography in real-world settings, and industry practitioners with expertise in deploying cryptographic standards within products and compute infrastructures. Discussion centered around two key themes: identifying constituent challenges in PQC migration and imagining a new science of "cryptographic agility".

연구 동기 및 목표

• 대규모 양자 컴퓨터가 출현하기 전에 기존의 고전적 보안 공개키 암호 시스템에서 양자에 강건한 대안으로의 전환을 위한 급박한 필요성을 해결하기 위해.
• 실제 시스템, 프로토콜 및 인fra구조 전반에 걸쳐 양자군용 암호를 구현하는 데 있어 체계적인 과제를 규명하기 위해.
• 신규로 나타나는 위협에 대응해 암호 알고리즘 간의 빠르고 안전한 이행을 가능하게 하는 암호학적 민첩성의 연구 계획을 수립하기 위해.
• 이론적 암호학, 실질적 구현, 산업 현장 적용 간 격차를 메우기 위해, PQC 이행 맥락에서의 연구를 위한 다리 역할을 하기 위해.
• NIST 및 더 넓은 공동체의 표준화 노력에 증거 기반 연구 우선순위를 제공하여 이끌기 위해.

제안 방법

• 암호학자, 응용 암호학자, 산업 전문가들로 구성된 60명 이상의 전문가들이 참석한 다일간 워크숍을 실시하였다.
• PQC 이행 과제와 암호학적 민첩성 메커니즘 설계에 초점을 맞춘 체계적인 토론을 유도하였다.
• 기술적, 운영적, 체계적 장벽을 규명하는 종합적인 보고서로 통합된 통찰을 도출하였다.
• 도전 과제를 기술적, 구현 및 표준화 차원으로 분류하여 상호 운용성과 장기적 유지보수성을 강조하였다.
• 최소한의 혼란으로 암호 알고리즘을 동적으로 전환할 수 있는 암호 시스템을 구축하는 데 중심을 둔 연구 계획을 제안하였다.
• 형식적 모델 및 도구의 필요성을 강조하여, 민첩한 암호 프로토콜의 사양, 검증 및 구현을 지원하기 위함이었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 시스템을 양자군용 암호로 이행하는 데 있어 주요 기술적, 운영적, 조직적 과제는 무엇인가?
• RQ2 어떻게 하면 암호 시스템을 설계하여 빠르고 안전하며 역호환 가능한 알고리즘 전환을 지원할 수 있는가?
• RQ3 미래의 암호 분석 기술 발전에 대비한 복원력 있는 암호학적 민첩성의 새로운 과학을 위한 핵심 요구사항은 무엇인가?
• RQ4 NIST와 같은 표준화 기구가 산업계와 학계와 효과적으로 협력하여 시기적절하고 안전한 PQC 구현을 보장할 수 있는가?
• RQ5 대규모 PQC 이행을 지원하기 위해 필요한 도구, 검증 및 배포 프레임워크의 핵심 격차는 무엇인가?

주요 결과

• 성능, 호환성 및 구현 과제로 인해 이론적 PQC 알고리즘과 실질적 구현 사이에 상당한 격차가 존재한다.
• 기존 프로토콜과 시스템은 알고리즘 민첩성을 고려해 설계되어 있지 않아 향후 전환 과정이 비용이 많이 들고 실수를 유발할 수 있다.
• 암호학적 민첩성은 프로토콜 수준의 지원을 넘어서 표준, 도구 및 배포 관행 전반에 걸친 생태계 수준의 협력이 필요하다.
• NIST의 PQC 표준화 과정은 필수적이지만 그것만으로는 부족하며, 실제 세계의 이행을 지원하기 위해 더 넓은 연구 및 엔지니어링 노력이 필요하다.
• 도구 부족과 사양 명확성 부족으로 산업 전문가들이 PQC 알고리즘을 생산 환경에 테스트, 검증 및 통합하는 데 큰 어려움을 겪고 있다.
• 대규모 수준에서 암호 전환을 체계적으로 관리하기 위해 '암호학적 민첩성'이라는 새로운 연구 분야가 필요로 한다.