[논문 리뷰] Unbreakable distributed storage with quantum key distribution network and password-authenticated secret sharing

Mikio Fujiwara, Atsushi Waseda외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 02.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양자 키 분배(QKD)를 이용한 안전한 키 교환과 사용자 친화적인 인증을 위한 암호화된 비밀 공유(PASS)를 결합한 도청 방지 분산 스토리지 시스템을 제안한다. QKD 기반의 안전한 채널과 단일 암호로 보호되는 비밀 공유 기반의 시스템을 통합함으로써, 도청 및 브루트 포스 공격에 대해 정보 이론적 보안을 달성하였으며, 도쿄의 메트로폴리탄 네트워크를 대상으로 실세계 구현을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Distributed storage plays an essential role in realizing robust and secure data storage in a network over long periods of time. A distributed storage system consists of a data owner machine, multiple storage servers and channels to link them. In such a system, secret sharing scheme is widely adopted, in which secret data are split into multiple pieces and stored in each server. To reconstruct them, the data owner should gather plural pieces. Shamir's (k, n)-threshold scheme, in which the data are split into n pieces (shares) for storage and at least k pieces of them must be gathered for reconstruction, furnishes information theoretic security, that is, even if attackers could collect shares of less than the threshold k, they cannot get any information about the data, even with unlimited computing power. Behind this scenario, however, assumed is that data transmission and authentication must be perfectly secure, which is not trivial in practice. Here we propose a totally information theoretically secure distributed storage system based on a user-friendly single-password-authenticated secret sharing scheme and secure transmission using quantum key distribution, and demonstrate it in the Tokyo metropolitan area.

연구 동기 및 목표

• 기존의 이상적인 통신 및 인증 조건이 확보되지 않는 실용적인 환경에서 분산 스토리지 시스템의 정보 이론적 보안을 달성하는 데 도전하는 것.
• 기존 암호화 방식의 계산 복잡도 가정을 제거하기 위해, 안전한 키 교환을 위해 고전적 암호화를 양자 키 분배(QKD)로 대체하는 것.
• 강력한 보안 보장을 요구하는 환경에서도 단일 암호를 사용하여 사용자에게 친화적인 데이터 접근을 가능하게 하는 것.
• QKD 기반으로 보호된 PASS 통합 분산 스토리지 시스템이 실세계의 메트로폴리탄 규모의 양자 네트워크에서 구현 가능한지 검증하는 것.

제안 방법

• 데이터는 n개의 서버에 분산 저장되는 n개의 조각으로 나뉘는 (k, n)-임계값 비밀 공유 기반의 기법을 사용하며, 복구에는 최소 k개의 조각이 필요하다.
• 양자 키 분배(QKD)를 활용해 데이터 소유자와 각 스토리지 서버 간에 일회용 패드 키를 생성 및 분배함으로써 정보 이론적 보장된 안전한 통신을 확보한다.
• 사용자 암호 하나를 사용하여 데이터 소유자와 서버 간의 인증을 수행하는 데 암호화된 비밀 공유(PASS)를 활용하여 브루트 포스 공격을 방지한다.
• QKD 기반의 보안 채널과 PASS를 통합하여 키 교환과 데이터 전송 모두를 보호함으로써 종단 간 보안을 확보한다.
• 프로토타입을 개발하고 도쿄 메트로폴리탄 지역에서 테스트하였으며, 기존 QKD 인프라를 활용하여 성능과 보안성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 계산 복잡도 가정에 의존하지 않고도 분산 스토리지 시스템이 정보 이론적 보안을 달성할 수 있는가?
• RQ2 강력한 보안 보장을 요구하는 환경에서 사용자 친화적인 인증을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 실세계의 메트로폴리탄 규모 네트워크에서 QKD 기반으로 보호되고 PASS가 통합된 분산 스토리지 시스템을 구현하는 데 실현 가능할까?
• RQ4 실용적 환경에서 QKD와 PASS를 결합할 경우 성능과 보안 간의 상충 관계는 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 데이터 전송 및 인증 모두에 대해 정보 이론적 보안을 달성하여, 무한한 계산 능력이 있는 공격자에게도 도청이 불가능한 무결성 보장을 제공한다.
• QKD와 PASS의 통합은 비밀번호를 도청자나 브루트 포스 공격에 노출시키지 않으면서도 안전한 암호 기반 접근을 가능하게 한다.
• 이 시스템은 도쿄 메트로폴리탄 지역 전역에서 실세계 구현을 통해 성공적으로 검증되었으며, 실현 가능성을 입증하였다.
• 단일 암호를 사용한 인증은 기존의 다중 요소 또는 키 기반 시스템 대비 사용성 향상을 크게 이끌었으며, 보안성을 손상시키지 않았다.