[논문 리뷰] Improving the security of arbitrated quantum signature protocols

Zhiwei Sun, Ruigang Du외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 13.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 3인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 양자 일회용 패드 암호화를 사용하는 중재자 양자 서명(AQS) 프로토콜에서 서명자 앨리스가 보낸 사람 Bob의 비밀 키를 확보하고 서명을 부인할 수 있는 심각한 보안 결함을 규명한다. 저자들은 이중 서명 복사본과 Bob의 사전 검증을 통한 수정된 AQS 프로토콜을 제안하여, 앨리스의 부인 공격과 존재적 위조 공격에 모두 저항할 수 있도록 하며, 얽힌 상태를 사용하지 않아도 무조건적 보안을 달성한다.

ABSTRACT

Arbitrated quantum signatures (AQS), for signing quantum message, have been proposed. It was claimed that the AQS schemes could guarantee unconditional security. However, in this paper, we show that all the presented AQS protocols are insecure if quantum one-time pad encryption is used where the signer Alice can always successfully acquire Bob's secret key and disavow any of her signatures. The detailed attack strategies and security analysis are described. Furthermore, the original version of the protocols is revised and accordingly the security of the AQS protocols are improved. And meanwhile we present a method to against Alice's disavowal proposed by Gao et al. (arXiv:1106.4398v1).

연구 동기 및 목표

• 기존 중재자 양자 서명(AQS) 프로토콜에서 양자 일회용 패드 암호화를 사용하는 바에 있어 근본적인 보안 취약점을 규명하고 이를 입증하는 것.
• 서명자인 앨리스가 Bob의 비밀 키를 추출하고, 서명을 부인할 수 있음을 보여주어 프로토콜의 무결성을 해칠 수 있음을 밝히는 것.
• 앨리스의 부인 공격과 존재적 위조 공격을 모두 방지할 수 있도록 수정된 AQS 프로토콜을 설계하는 것.
• 기존 AQS 체계의 장점을 유지하는 것—예를 들어 단순성과 무조건적 보안—을 바탕으로 강건성을 향상시키는 것.
• 얽힌 상태를 사용하지 않는 실용적인 프로토콜을 제공하여 이전에 개선된 체계보다 더 쉽게 구현할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 무작위 키 r을 사용하여 비가환 유니터리 연산자 M_r를 통해 변환된 메시지 |P′⟩를 생성하는 새로운 AQS 프로토콜을 도입한다.
• |P′⟩를 세 가지 다른 암호문으로 암호화한다: 앨리스와 보브 사이의 공유 키 K_AB를 사용해 |R_AB⟩를 생성하고, 중재자용으로 앨리스의 키 K_A를 사용해 |S_A⟩₁를 생성하며, 보브의 내부 검증을 위해 동일한 키를 사용해 |S_A⟩₂를 생성한다.
• 중재자에게 데이터를 전송하기 전에 보브가 |R_AB⟩와 |S_A⟩의 두 복사본 간 일관성을 검증하도록 요구한다.
• 검증 매개변수 V_T와 V_B의 공개 발표를 통해 투명성을 확보하고, 검증 중 조작 여부를 탐지할 수 있도록 한다.
• 보브가 |S_A⟩₂를 저장하고 중재자로부터 반환된 |Y_B⟩와 비교함으로써 이브나 앨리스에 의한 수정 여부를 감지할 수 있도록 한다.
• 모든 일관성 검증이 통과될 경우에만 메시지와 서명이 수락되며, 그때 비로소 앨리스가 키 r을 공개하여 |P⟩를 복원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 AQS 프로토콜의 양자 일회용 패드는 서명자가 수신자의 비밀 키를 추출하는 데 악용될 수 있는가?
• RQ2 앨리스는 현재 AQS 프로토콜에서 어떻게 자신의 서명을 성공적으로 부인할 수 있으며, 이러한 공격을 가능하게 하는 요소는 무엇인가?
• RQ3 앨리스의 부인 공격과 존재적 위조 공격을 모두 방지하기 위해 AQS 프로토콜에 어떤 수정이 필요한가?
• RQ4 얽힌 상태를 사용하지 않으면서도 단순성과 무조건적 보안을 유지하면서 안전한 AQS 체계를 구성할 수 있는가?
• RQ5 기존에 인증된 버전보다 더 쉽게 구현할 수 있고 알려진 공격에 저항하는 실용적인 AQS 프로토콜을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 기존 AQS 프로토콜은 양자 일회용 패드를 사용하기 때문에 보안이 취약하며, 앨리스가 Bob의 비밀 키를 추출하고 서명을 부인할 수 있다.
• 앨리스는 프로토콜의 설계 결함 탓에 Bob의 비밀 키를 확보한 후, 어떤 메시지도 위조 서명할 수 있다.
• 제안된 체계는 보브가 중재자에게 전송하기 전에 |P′⟩와 |S_A⟩의 무결성을 검증하도록 요구함으로써 앨리스의 부인 공격을 방지한다.
• 검증된 서명만 처리되도록 보장함으로써 Gao 등이 제시한 존재적 위조 공격에 저항한다.
• 새로운 프로토콜은 이전 AQS 체계의 모든 장점을 유지한다—예를 들어 얽힌 상태가 필요 없고 무조건적 보안을 확보한다—동시에 강건성까지 강화한다.
• 이전에 인증된 AQS 체계보다 더 실용적이고 구현이 쉬운 방법으로, 복잡한 양자 메시지 인증을 피하고 있다.