[논문]사물인터넷 상에서의 소프트웨어 암호 구현

서화정

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정보과학회지 = Communications of the Korean Institute of Information Scientists and Engineers, v.35 no.1 = no.332, 2017년, pp.8 - 15

서화정 (싱가포르 과학기술청)

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문제 정의

따라서 이를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되었으며 현재 대부분의 암호화 연산이 사물인터넷 장비 상에서 실용적으로 구현이 가능한 단계가 되었다. 본 논문에서는 지금까지 제시된 사물인터넷 상에서의 암호화 기술에 대해 확인해 보며 이를 통해 사물인터넷을 보다 효율적이고 안전하게 보호할 수 있는 방안에 대해 확인해 보도록 한다.
통칭하게 된다. 본 논문에서는 높은 성능을 가지는 프로세서가 아닌 제한적인 성능을 가진 임베디드 프로세서를 관점으로 소개하고자 한다. 특히 연산성능이 가장 제한적이고 널리 사용되는 ATmega 프로세서를 기준으로 구현기법을 제시한다.
NSA에서는 SPECK/SIMON 이라는 두 개의 블록 암호화 연산을 제시하였으며 이는 다양한 블록 크기와 암호화 키를 가지도록 설계되었다 [2], 한국에서는 국가보안연구소에서 개발한 LEA가 2013년에 WISA에서 발표되었다 [3], 해당 암호화 기술 또한 ARX 연산을 기반으로 하며 128, 192, 256 비트 암호화 강도를 제공한다. 본 논문에서는 LEA를 효율적으로 구현한 결과물에 대해 확인해 보도록 한다.
본 논문에서는 사물인터넷 환경 상에서 효율적으로 암호화 연산을 수행하기 위해 개발된 다양한 최적화 기법들에 대해 확인해 보았다. 이러한 구현 기법들을 통해 구현된 결과물들은 저성능의 사물인터넷 장 비상에서도 높은 성능을 나타내었으며 이는 보안 서비스가 실용적으로 적용 가능함을 확인할 수 있었다.

제안 방법

본 논문에서는 높은 성능을 가지는 프로세서가 아닌 제한적인 성능을 가진 임베디드 프로세서를 관점으로 소개하고자 한다. 특히 연산성능이 가장 제한적이고 널리 사용되는 ATmega 프로세서를 기준으로 구현기법을 제시한다. ATmega 프로세서는 대표적인 8비트 마이크로 프로세서로써 사물인터넷 개발 보드인 아두이노에 사용되고 있다.
최근에는 특히 짧은 인자 상에서도 어셈블리 언어를 최적화하면 Karatsuba로 높은 성능을 얻을 수 있다는 결과가 도출되었다 [16]. 해당 논문에서는 기존의 덧셈 기반의 Karatsuba가 아닌 뺄셈 기반의 Karatsuba 를 통해 연산 효율성을 높였다. 이는 덧셈 기반으로 구현 시 carry 비트가 발생함에 따라 곱셈의 복잡 도가 증가하는 것을 방지하는 방안이다.
이는 덧셈 기반으로 구현 시 carry 비트가 발생함에 따라 곱셈의 복잡 도가 증가하는 것을 방지하는 방안이다. 뺄셈 기반의 경우 인자들 간의 차이 값을 이용하며 해당 인자의 부호 값은 Two's complement 연산을 통해 구현되도록 하였다.
AVR 상에서의 최적화된 Curve25519 구현은 1〜2초 안에 스칼라 곱셈이 가능함을 보임으로써 실용적으로 타원곡선을 활용할 수 있음을 증명하였다. 해당 논문에서는 reduction 연산을 보다 효율적으로 수행하기 위해 2255— 19 대신 2"6-38를 reduction에 사용하고 마지막에 값을 복귀시키는 방식으로 최적화하였다. 이는 256 비트의 경우 8 비트로 나머지 없이 떨어지기 때문에 구현이 보다 용이한 장점 떄문이다.

이론/모형

이는 256 비트의 경우 8 비트로 나머지 없이 떨어지기 때문에 구현이 보다 용이한 장점 떄문이다. 또한 제곱연산 상에서도 곱셈 연산에 적용된 subtractive Karatsuba 기법을 적용하여 성능을 향상시 켰다. [표 11] 에는 AVR 상에서 Curve 25519를 구현한 결과가 나타나 있다.

성능/효과

나타나 있다. 해당 구현을 살펴보면 다른 해시 함수들과 비교해 보았을 때 LSH는 중간 정도의 성능이 나타남을 확인할 수 있다. 가장 높은 성능은 기존의 SHA2에서 확인되었다.
해당 구현을 살펴보면 다른 해시 함수들과 비교해 보았을 때 LSH는 중간 정도의 성능이 나타남을 확인할 수 있다. 가장 높은 성능은 기존의 SHA2에서 확인되었다. 전체적으로 메시지의 크기가 증가할수록 연산 속도가 빨라짐을 확인할 수 있다.
가장 높은 성능은 기존의 SHA2에서 확인되었다. 전체적으로 메시지의 크기가 증가할수록 연산 속도가 빨라짐을 확인할 수 있다. 이는 그 이유는 긴 메시지의 경우 초기에 수행되는 연산자가 전체 연산에 비해 매우 작아지기 때문이다.
해당 연산은 두 개의 인접한 레지스터의 값을 다른 두 개의 인접한 레지스터로 1 클록 안에 이동시키는 장점이 있다. 따라서 해당 연산을 통해 상위 저장 공간에 값을 이동시킴과 동시에 해당 레지스터 두 개를 동시에 초기화함으로써 기존의 hybrid 연산은 AVR 상에서 효율적으로 구현할 수 있게 하였다. [표 6]에는 해당 곱셈 연산의 속도가 비교되어 나타나 있다.
이를 연산하는 방법은 크게 곱셈과 reduction을 따로 계산하는 방안과 함께 연산하는 방안이 있다. 해당 논문에서는 모든 경우를 다 계산해 본 결과 Karatsuba 연산으로 곱셈을 계산하고 이후에 reduction을 따로 연산하는 것이 가장 효율적인 방안으로 제시되었다. 자세한 성능은 [표 기에 나타나 있다.
자세한 성능은 [표 기에 나타나 있다. 해당 연산결과를 살펴보면 HSOS 기법이 작은 곱셈 연산의 경우에 보다 효율적으로 연산을 수행함을 확인할 수 있다. 하지만 해당 연산 결과는 긴 연산자 길이 (1024 비트)에서는 HKCM이 가장 높은 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.
과 Watro et al.을살펴보면 C언어로 RSA의 공개키 연산을 구현한 결과가 약 58-60, 000, 000 클록이 소모됨을 확인 할 수 있다. 공개키 연산은 비밀키 연산에 비해 매우 짧은 인자에 대한 연산만이 필요하기 때문에 C언어로 구현을 해도 비밀키 연산에 비해 느리지 않다.
3에 해당 커브를 추가하여 보안성을 향상 시켰을 뿐 아니라 Apple과 같은 기업체에서도 자체 디바이스 상에서는 Curve25519를 활용하고 있다. AVR 상에서의 최적화된 Curve25519 구현은 1〜2초 안에 스칼라 곱셈이 가능함을 보임으로써 실용적으로 타원곡선을 활용할 수 있음을 증명하였다. 해당 논문에서는 reduction 연산을 보다 효율적으로 수행하기 위해 2255— 19 대신 2"6-38를 reduction에 사용하고 마지막에 값을 복귀시키는 방식으로 최적화하였다.
[표 11] 에는 AVR 상에서 Curve 25519를 구현한 결과가 나타나 있다. [표 11]에서와 같이 기존의 가장 빠른 구현 결과는 22791579 클록이 소모되었다면 Karatsuba 곱셈을 통해 최적화된 구현에서는 약 38%의 성능이 향상된 14146844 클록이 소모됨을 확인할 수 있다. 또한 Karatsuba 곱셈기 상에서 내부 루프를 반복적으로 사용함으로써 속도 최적화에 비해 246447 클록이 느리지만 코드 크기는 7798 바이트가감소되는 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.
[표 11]에서와 같이 기존의 가장 빠른 구현 결과는 22791579 클록이 소모되었다면 Karatsuba 곱셈을 통해 최적화된 구현에서는 약 38%의 성능이 향상된 14146844 클록이 소모됨을 확인할 수 있다. 또한 Karatsuba 곱셈기 상에서 내부 루프를 반복적으로 사용함으로써 속도 최적화에 비해 246447 클록이 느리지만 코드 크기는 7798 바이트가감소되는 구현이 가능함을 확인할 수 있었다. 일반적으로 AVR。] 8~32 MHz의 주파수를 제공함으로 해당 스칼라 곱셈 연산은 약 1~2초안에 연산 가능함을 확인할 수 있다.
대해 확인해 보았다. 이러한 구현 기법들을 통해 구현된 결과물들은 저성능의 사물인터넷 장 비상에서도 높은 성능을 나타내었으며 이는 보안 서비스가 실용적으로 적용 가능함을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 소개된 다양한 기법들을 토대로 사물인터넷 개발자들이 안전하고 효율적인 응용 프로그램을 작성할 수 있길 바란다.

후속연구

이러한 구현 기법들을 통해 구현된 결과물들은 저성능의 사물인터넷 장 비상에서도 높은 성능을 나타내었으며 이는 보안 서비스가 실용적으로 적용 가능함을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 소개된 다양한 기법들을 토대로 사물인터넷 개발자들이 안전하고 효율적인 응용 프로그램을 작성할 수 있길 바란다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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