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난수발생기와 블록암호는 암호시스템의 중요한 구성요소이다. 난수발생기는 비밀키 생성, 솔트(Salt), 소수 생성 등 암호시스템이 동작하기 위한 중요 비밀 변수 생성 기능을 제공하며, 블록암호는 암호화된 데이터의 기밀성과 무결성 기능을 제공한다. 난수발생기와 블록암호의 결함은 암호시스템 전체에 치명적인 영향을 줄 수 있으며, 이를 보여주는 여러 연구 결과는 충분히 존재한다.
본 논문에서는 난수발생기와 ...

난수발생기와 블록암호는 암호시스템의 중요한 구성요소이다. 난수발생기는 비밀키 생성, 솔트(Salt), 소수 생성 등 암호시스템이 동작하기 위한 중요 비밀 변수 생성 기능을 제공하며, 블록암호는 암호화된 데이터의 기밀성과 무결성 기능을 제공한다. 난수발생기와 블록암호의 결함은 암호시스템 전체에 치명적인 영향을 줄 수 있으며, 이를 보여주는 여러 연구 결과는 충분히 존재한다.
본 논문에서는 난수발생기와 블록암호의 안전성 분석 방법에 대해 다룬다. 난수발생기 안전성 분석은 리눅스 난수발생기에 초점을 맞추어 진행한다. 리눅스 난수발생기는 리눅스 커널에 포함된 장치로, 리눅스 커널을 기반으로 하는 모든 시스템에서 활용되기 때문에 안전성 문제는 전체 시스템의 안전성을 위협할 수 있다. 같은 서버에서 생성한 여러 개의 인증서 사이에서 중복된 소수가 발견되거나 안드로이드의 키 스토어가 내부에서 사용하는 스택 캐너리(Stack Canary)를 예측 가능한 난수로 생성하여 공격받은 것이 대표적인 사례이다.
리눅스 난수발생기 문제의 여러 사례를 분석하면 공통적으로 잡음원(Noise Source) 수집과 엔트로피 측정에 문제점을 가지고 있다는 것이 발견된다. 이 문제는 최근 활용도가 높아진 사물인터넷 환경에서 더 민감하게 작용할 수 있다. 열악한 시스템 자원은 잡음원 수집을 제한하기 때문이다.
최근 암호시스템은 컴퓨팅 환경에 따라 서버에서 PC, 스마트폰으로 옮겨가고 있으며 현재는 사물인터넷으로 확대되어 적용되고 있다. 2014년, 구글에서는 사물인터넷 장치에서 사용할 수 있는 경량 운영체제 브릴로(Brillo)를 공개하였다. 브릴로는 리눅스 커널을 기반으로 하여 기존의 서버와 PC, 안드로이드에서 발생한 문제들을 그대로 가지고 있을 가능성이 높다.
블록암호 또한 동작 환경이 사물인터넷으로 옮겨가며 경량화가 요구되고 있다. 경량화 연구는 기존의 SPN 기반 구조에서 컴퓨터의 연산자를 활용한 ARX 기반 구조로 연구 동향이 변화하고 있다. 한편 최근 SAT 해결 알고리즘의 괄목할만한 발전은 다양한 분야에서 의미 있는 연구 결과를 보여주고 있다. 암호 라이브러리의 소스코드 검증과 보안 프로토콜 검증 등과 같은 소프트웨어 오류 탐지와 블록암호의 차분분석 자동화 연구가 대표적인 성공 사례이다. 게다가 그래픽카드를 기반으로 하는 병렬처리 성능이 급격하게 확장되고 있어 기존의 분석 방법을 병렬화하여 의미 있는 결과를 얻을 수 있는 가능성이 높아졌다.
본 논문은 두 편으로 구성된다. 한 편에서는 난수발생기의 안전성 분석 방법에 대해 다룬다. 브릴로에서 리눅스 난수발생기를 사용할 때 부팅 과정에서 나타나는 두 가지 특징을 발견한다. 이 특징을 확률론적 모델로 만들어 부팅 과정에서 생성되는 700바이트 난수는 단지 43비트의 엔트로피를 가진다는 것을 보인다. 이는 사물인터넷 기기와 같이 잡음원 수집이 제한되는 환경에서 안전한 난수를 생성하기 위해 효율적인 잡음원 수집 방법과 엔트로피 측정 방법을 설계할 필요가 있음을 의미한다. 다른 한 편에서는 SAT 해결 알고리즘에 암호 알고리즘의 특징을 반영하는 암호분석용 SAT 해결 알고리즘을 설계한다. 이를 경량블록암호 Speck32/64의 대수적 분석에 적용하고, 그 결과 10라운드 이내에서 전수조사보다 효율적으로 키를 찾아내는 것을 확인한다. 또한 기존의 작은 라운드에만 적용할 수 있는 대수적 분석 방법을 전체 라운드까지 다룰 수 있게 확장한다. 이는 암호분석용 SAT 해결 알고리즘을 통해 블록암호의 대수적인 안전성 측정을 할 수 있다는 것을 의미한다.