하드웨어 엔트로피 소스를 사용하는 새로운 암호화 기법

Kernkonzepte

임의의 메시지를 하드웨어 기반 난수 비트 스트림에 삽입하여 암호화하는 간단하고 효율적인 방법인 BARN 암호화 기법을 제안한다.

Zusammenfassung

이 논문에서는 하드웨어 기반 진정한 난수 생성기(TRNG)에서 생성된 무작위 비트 스트림을 이용하여 메시지를 숨기는 새로운 암호화 기법인 BARN(Bury Among Random Numbers)을 소개한다.

BARN 알고리즘은 다음과 같이 작동한다:

1. 메시지 M을 비트 단위로 표현한다.
2. TRNG에서 생성된 무작위 비트 스트림 P를 준비한다.
3. 키 K는 κ개의 자연수로 구성된다.
4. 메시지 M의 j번째 비트를 P 스트림의 i번째 비트에 삽입한다. i는 키 K의 요소들을 순환적으로 사용하여 계산된다.
5. 이 과정을 메시지 M의 모든 비트에 대해 반복한다.

BARN 기법은 계산적으로 매우 간단하며, 암호화와 복호화에 필요한 연산은 단순한 비트 삽입 작업뿐이다. 또한 TRNG에 의해 생성된 난수를 사용하므로 암호 해독을 위한 무차별 대입 공격이 매우 어렵다.

키 생성 방법에 대해서도 설명한다. 다양한 수 체계(ternary, quaternary, octal, decimal, hexadecimal)를 사용하여 TRNG에서 생성된 난수 비트 스트림에서 키를 생성할 수 있다. 각 수 체계마다 키의 길이와 암호문의 길이가 달라지므로, 응용 분야에 따라 적절한 수 체계를 선택할 수 있다.

BARN 기법은 IoT 장치와 같이 계산 자원이 제한적인 환경에 적합하며, 특히 TRNG를 칩에 집적하면 매우 안전한 솔루션을 구현할 수 있다. 다양한 응용 분야에서 BARN 기법을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Statistiken

메시지 M의 길이가 μ비트일 때, BARN 암호문의 길이는 ⌊j-1/κ⌋×∑l=1^κKl + ∑l=1^tKl 비트이다.
키 K의 요소들이 1이 아닌 자연수이고 0이 아니어야 한다.
키 K의 길이에 따른 평균 암호문 길이 증가 요인:

ternary: 1.5배
quaternary: 2배
octal: 4배
decimal: 5배
hexadecimal: 8배

Zitate

"Any one who considers arithmetical methods of producing random digits is, of course, in a state of sin. For, as has been pointed out several times, there is no such thing as a random number - there are only methods to produce random numbers, and a strict arithmetic procedure of course is not such a method." - John von Neumann

Wichtige Erkenntnisse aus

New Class of Ciphers Using Hardware Entropy Source

by Jan J. Tatar... um arxiv.org 04-16-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.09288.pdf

Tiefere Fragen

BARN 기법은 하드웨어 기반 난수 생성기에 의존하므로, 이러한 하드웨어 구현의 실제 성능과 안전성은 어떠한가?

BARN 기법은 하드웨어 기반의 진정한 난수 생성기(TRNG)에서 난수를 추출하여 사용하기 때문에 실제 하드웨어 구현의 성능과 안전성이 매우 중요합니다. TRNG는 물리적인 과정에서 엔트로피를 추출하여 진정한 난수를 생성하므로, 이러한 하드웨어의 품질과 안정성이 BARN 기법의 보안성에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 TRNG의 안전성과 예측 불가능한 난수 생성 능력이 BARN 기법의 안전성을 결정하는 중요한 요소가 될 것입니다.

BARN 기법은 기존 암호화 알고리즘과 비교하여 어떤 장단점이 있는가?

BARN 기법은 기존의 대표적인 암호화 알고리즘인 AES와 같은 대칭키 암호화 방식과 비교하여 다른 장단점을 가지고 있습니다. BARN은 실제 TRNG를 사용하여 난수를 생성하고 메시지를 숨기는 방식으로 작동하기 때문에 계산적으로 간단하면서도 안전한 암호화 방법을 제공합니다. 이는 특히 IoT 기기와 같이 제한된 컴퓨팅 자원을 가진 환경에서 유용할 수 있습니다. 또한 BARN은 연속적인 정보 스트림을 암호화할 수 있는 능력을 가지고 있어, 특정 응용 분야에서 유용할 수 있습니다. 그러나 BARN은 특정 TRNG 하드웨어에 의존하므로 이를 보장해야 하는 부담이 있습니다.

BARN 기법을 활용하여 양자 컴퓨팅 환경에서의 암호화 솔루션을 어떻게 구현할 수 있을까?

BARN 기법을 양자 컴퓨팅 환경에서 활용하기 위해서는 양자 컴퓨팅의 특성을 고려하여 적합한 보안 솔루션을 구현해야 합니다. 양자 컴퓨팅은 기존의 암호화 방식에 대한 도전적인 요소를 제공할 수 있기 때문에 BARN과 같은 새로운 접근 방식이 필요할 수 있습니다. BARN은 TRNG를 기반으로 하고 있기 때문에 양자 컴퓨팅에서도 안전한 난수 생성이 가능하다면 BARN을 적용할 수 있을 것입니다. 또한 양자 컴퓨팅의 특이성을 고려하여 BARN과 양자 컴퓨팅을 효과적으로 결합하는 방법을 연구하고 구현함으로써 안전하고 효율적인 양자 컴퓨팅 환경에서의 암호화 솔루션을 구축할 수 있을 것입니다.