양자 컴퓨터 위협에 대응하기 위한 이중 서명 및 단편화된 DNSSEC

Concepts de base

본 논문에서는 기존 DNSSEC의 양자 컴퓨터 취약성을 해결하기 위해 전통적인 디지털 서명과 양자 내성 서명을 결합한 이중 서명 방식을 제안하고, DNSSEC 응답 메시지 크기 제한을 극복하기 위해 응용 계층에서의 단편화 기법을 활용하여 이중 서명 DNSSEC의 실현 가능성을 검증합니다.

Résumé

본 연구 논문에서는 양자 컴퓨터의 등장으로 인해 기존 DNSSEC에서 사용되는 디지털 서명의 안전성이 위협받는 상황을 설명하고, 이를 해결하기 위한 '이중 서명 및 단편화된 DNSSEC' 방식을 제안합니다.

연구 배경 및 목표:

• DNSSEC는 DNS 레코드의 진위 여부를 보장하는 시스템이지만, 양자 컴퓨터는 기존 암호화 알고리즘을 무력화시킬 수 있는 능력을 지니고 있습니다.
• NIST는 양자 컴퓨터 공격에 내성을 갖는 포스트-퀀텀 암호 알고리즘(PQC)을 개발 중이지만, 아직 충분한 검증이 이루어지지 않았습니다.
• 본 연구는 PQC 알고리즘의 안전성이 완전히 확립될 때까지, 기존 DNSSEC 시스템의 안전성을 강화하기 위해 이중 서명 방식을 적용하고, 이로 인한 메시지 크기 증가 문제를 해결하기 위한 단편화 기법을 제시합니다.

연구 방법:

• 아마존 EC2 인스턴스에 Docker 기반 테스트베드를 구축하고, 널리 사용되는 DNS 소프트웨어인 BIND9를 활용하여 실험 환경을 조성했습니다.
• 기존 및 포스트-퀀텀 디지털 서명을 동시에 처리할 수 있도록 BIND9 소스 코드를 수정하고, 이중 서명을 포함한 DNSSEC 응답 메시지를 단편화하고 재조합하는 메커니즘을 구현했습니다.
• 다양한 조합의 프리-퀀텀 및 포스트-퀀텀 디지털 서명 알고리즘을 사용하여 성능 테스트를 수행하고, 이중 서명 적용 시 DNSSEC 확인 프로세스에 미치는 영향을 분석했습니다.

주요 연구 결과:

• 이중 서명 및 단편화된 DNSSEC 방식은 기존 및 포스트-퀀텀 디지털 서명을 모두 수용하고 검증할 수 있음을 확인했습니다.
• 실험 결과, 이중 서명 적용으로 인한 DNSSEC 확인 프로세스의 평균 응답 시간 증가는 미미한 수준으로 나타났습니다.
• 따라서 이중 서명 방식은 양자 컴퓨터 시대에도 안전한 DNSSEC 시스템 구축을 위한 실질적인 대안이 될 수 있음을 입증했습니다.

연구의 의의:

본 연구는 양자 컴퓨터 위협으로부터 DNSSEC를 보호하기 위한 실용적인 해결 방안을 제시하고, 이를 통해 안전하고 신뢰할 수 있는 인터넷 환경 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.

Stats

NIST에서 선정한 포스트-퀀텀 디지털 서명 알고리즘은 FALCON, CRYSTALS-DILITHIUM, SPHINCS+입니다.
포스트-퀀텀 디지털 서명의 크기는 기존 서명보다 11배에서 122배까지 크며, 공개 키는 14배에서 20배까지 큽니다.
DNSSEC 응답 메시지의 최대 크기는 1232B입니다.
이중 서명을 사용할 경우, 가장 작은 크기의 프리-퀀텀 서명(ECDSA, 64B)과 포스트-퀀텀 서명(FALCON512, 690B)을 사용하더라도 'A' 레코드 질의에 대한 응답 메시지 크기는 약 2500B입니다.
실험 결과, FALCON 및 DILITHIUM2 알고리즘을 사용한 이중 서명은 포스트-퀀텀 서명 단독 사용에 비해 'A' 및 'DNSKEY' 레코드 질의에 대한 응답 메시지 단편화 횟수를 1회 증가시켰습니다.
SPHINCS+ 알고리즘을 사용한 이중 서명은 포스트-퀀텀 서명 단독 사용과 동일한 횟수의 단편화를 보였습니다.
FALCON + ECDSA 조합의 평균 응답 시간은 205.9ms로, FALCON 단독 사용 시의 190.1ms에 비해 약 8.3% 증가했습니다.
이중 서명을 사용한 모든 조합에서 평균 응답 시간은 포스트-퀀텀 서명 단독 사용 시보다 9% 미만 증가했습니다.

Citations

"simply switching pre-quantum cryptography with post-quantum cryptography in the interim period may lower overall security"
"the shortlisted post-quantum candidates (both key encapsulation mechanisms and digital signatures) have yet not gone through a thorough cryptanalysis against both classical and quantum attacks."
"double-signatures will offer protection against quantum threats on conventional signature schemes as well as unknown non-quantum attacks on post-quantum signature schemes"
"Our experiments show that double signatures have a negligible impact on the average resolution time of DNSSEC compared to only post-quantum digital signatures."

Idées clés tirées de

Double-Signed Fragmented DNSSEC for Countering Quantum Threat

by Syed W. Shah... à arxiv.org 11-13-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.07535.pdf

Questions plus approfondies

양자 컴퓨터 기술의 발전 속도를 고려했을 때, 이중 서명 방식이 언제까지 유효한 대안이 될 수 있을까요?

이중 서명 방식은 양자 컴퓨터 시대 도래 전까지, 즉 "Cryptographically Relevant Quantum Computer (CRQC)" 가 실현되기 전까지 유효한 임시 보안 대책이 될 수 있습니다. CRQC는 기존 암호 알고리즘을 무력화할 수 있는 능력을 갖춘 양자 컴퓨터를 의미합니다.
하지만 양자 컴퓨터 기술의 발전 속도는 예측하기 어렵고, CRQC 등장 시점 또한 불확실합니다. 따라서 이중 서명 방식을 언제까지 유효한 대안으로 간주할 수 있을지 단정적으로 말하기는 어렵습니다.
다만, 현재 전문가들은 대략 10년에서 20년 이내에 CRQC가 등장할 가능성을 제기하고 있습니다. 따라서 이중 서명 방식은 적어도 향후 10년 동안은 DNSSEC의 보안을 강화하는 데 유효한 전략이 될 수 있습니다.
그러나 이중 서명 방식은 어디까지나 임시 방안임을 명심해야 합니다. CRQC 등장 이후에는 이중 서명 방식 역시 안전하지 않게 되므로, 장기적인 관점에서는 양자 컴퓨터 공격에 대한 저항성을 갖춘 Post-Quantum Cryptography (PQC) 기반의 DNSSEC으로 전환해야 합니다.

이중 서명 방식을 적용했을 때 발생할 수 있는 보안 취약점은 무엇이며, 이를 해결하기 위한 추가적인 연구 방향은 무엇일까요?

이중 서명 방식은 기존 및 양자 내성 알고리즘을 함께 사용하기 때문에 각각의 알고리즘이 가진 취약점과 더불어 두 알고리즘 조합에서 발생할 수 있는 새로운 취약점에 노출될 수 있습니다.
1. 알고리즘 자체의 취약점:

기존 암호 알고리즘: 이미 알려진 공격 방법이나 새로운 공격 기술에 의해 무력화될 수 있습니다.
양자 내성 암호 알고리즘: 아직 충분한 연구가 이루어지지 않았기 때문에 예상치 못한 취약점이 발견될 수 있습니다.
2. 구현상의 취약점:

Side-channel 공격: 이중 서명 방식 구현 과정에서 발생하는 정보 누출을 통해 비밀 키 정보를 탈취하는 공격에 취약할 수 있습니다.
오류 처리 미흡: 잘못된 입력 값 처리 등 구현 과정의 오류로 인해 시스템이 비정상적으로 동작하거나 공격에 취약해질 수 있습니다.
3. 상호 운용성 문제:

다양한 알고리즘 조합: 서로 다른 기존 및 양자 내성 알고리즘 조합에 대한 호환성 및 안전성 검증이 필요합니다.
기존 시스템과의 호환성: 이중 서명 방식을 기존 DNSSEC 시스템에 적용하는 과정에서 예상치 못한 문제가 발생할 수 있습니다.
추가 연구 방향:

알고리즘 안전성 분석 강화: 기존 및 양자 내성 암호 알고리즘에 대한 심층적인 안전성 분석 및 새로운 공격 기술 연구가 필요합니다.
안전한 구현 기술 개발: Side-channel 공격에 대한 저항성을 갖춘 안전한 구현 기술 개발 및 표준화가 필요합니다.
상호 운용성 및 호환성 테스트 강화: 다양한 알고리즘 조합 및 기존 시스템과의 호환성을 검증하기 위한 테스트 환경 구축 및 테스트 자동화 도구 개발이 필요합니다.

DNSSEC 이외에 양자 컴퓨터 위협에 취약한 다른 인터넷 프로토콜은 무엇이며, 이러한 프로토콜의 보안 강화를 위해 어떤 노력이 필요할까요?

DNSSEC 외에도 양자 컴퓨터 위협에 취약한 인터넷 프로토콜은 다음과 같습니다.

TLS/SSL: 현재 널리 사용되는 TLS/SSL 프로토콜은 키 교환 과정에서 RSA 또는 ECC와 같은 기존 암호 알고리즘을 사용하기 때문에 양자 컴퓨터 공격에 취약합니다.
IPsec: IPsec은 네트워크 계층에서 보안을 제공하는 프로토콜로, 키 교환 및 디지털 서명에 기존 암호 알고리즘을 사용하기 때문에 양자 컴퓨터 공격에 취약합니다.
SSH: SSH는 안전한 원격 접속을 위해 사용되는 프로토콜로, 키 교환 및 인증 과정에서 기존 암호 알고리즘을 사용하기 때문에 양자 컴퓨터 공격에 취약합니다.
보안 강화 노력:

PQC 기반 프로토콜 개발: NIST 등의 기관에서 표준화를 추진 중인 PQC 알고리즘을 사용하는 새로운 프로토콜 개발이 필요합니다.
하이브리드 방식 도입: 기존 프로토콜에 PQC 알고리즘을 추가하는 하이브리드 방식을 통해 단기적인 보안 강화를 도모할 수 있습니다.
점진적인 전환 계획 수립: PQC 기반 프로토콜 도입에 따른 호환성 문제, 성능 저하 문제 등을 고려하여 장기적인 관점에서 점진적인 전환 계획을 수립해야 합니다.
추가적으로, 양자 컴퓨터 공격에 대비하기 위해서는 다음과 같은 노력이 필요합니다.

양자 컴퓨터 기술 동향 모니터링: 양자 컴퓨터 기술 발전 속도 및 새로운 공격 기술 등장에 대한 지속적인 모니터링이 필요합니다.
보안 인식 제고 및 교육: 양자 컴퓨터 위협 및 대응 방안에 대한 보안 인식 제고 및 관련 교육을 통해 보안 수준을 향상해야 합니다.
국제적인 협력 강화: 양자 컴퓨터 보안 위협은 특정 국가만의 문제가 아니므로 국제적인 협력을 통해 공동 대응 방안을 모색해야 합니다.