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양자난수발생기 Quantis의 후처리 과정에 관한 암호학적 분석
Cryptographic Analysis of the Post-Processing Procedure in the Quantum Random Number Generator Quantis 원문보기

情報保護學會論文誌 = Journal of the Korea Institute of Information Security and Cryptology, v.27 no.3, 2017년, pp.449 - 457  

배민영 (국민대학교 금융정보보안학과) ,  강주성 (국민대학교 금융정보보안학과) ,  염용진 (국민대학교 금융정보보안학과)

초록
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본 논문에서는 양자난수발생기 Quantis의 후처리 과정에 대하여 암호학의 관점에서 실험을 통하여 안전성과 성능을 분석하였다. Quantis의 후처리 과정은 수학적 이론에 근거한 이진행렬-벡터 곱 연산을 통해 풀엔트로피(full-entropy)를 출력하도록 설계되었고, NIST SP 800-90B의 최소엔트로피(min-entropy) 추정 테스트를 이용하여 이를 검증하였다. 이진행렬-벡터 곱 연산에 최적화 기법을 사용함으로써 난수 생성 속도에 미치는 영향을 최소화하였음을 확인하고, NIST SP 800-90B에서 제시한 검증된 Conditioning과의 난수 출력 성능을 비교하였다. 또한, 미국 NIST와 독일 BSI의 난수발생기 표준 모델과 Quantis의 부합되는 요소와 아닌 요소를 구분하였다. Quantis를 암호학의 용도로 사용하고자할 경우, CMVP 기준에 적합하게 이용하기 위해 Quantis의 출력 데이터를 승인된 의사 난수발생기의 씨드로 사용하여 출력한 난수를 사용하는 것이 적절하다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we analyze the security and performance of the Quantis Quantum random number generator in terms of cryptography through experiments. The Quantis' post-processing is designed to output full-entropy via bit-matrix-vector multiplication based on mathematical background, and we used the m...

주제어

#Quantum random number generator   #Post-processing   #Conditioning   #2-universal hashing  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 다른 표준 문서들과 다르게 난수발생기의 후처리 과정을 세분화하여 바라보고 있는 NIST SP 800-90B 두 번째 드래프트를 기준으로 후처리 과정을 분석하고자 한다.
  • 본 논문에서는 양자난수발생기 Quantis의 후처리 과정을 암호학의 관점에서 분석하고, 난수발생기표준으로부터 검증된 후처리 방법과의 효율성 비교를 하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Quantis의 후처리 과정은 무엇을 하도록 설계되었는가? 본 논문에서는 양자난수발생기 Quantis의 후처리 과정에 대하여 암호학의 관점에서 실험을 통하여 안전성과 성능을 분석하였다. Quantis의 후처리 과정은 수학적 이론에 근거한 이진행렬-벡터 곱 연산을 통해 풀엔트로피(full-entropy)를 출력하도록 설계되었고, NIST SP 800-90B의 최소엔트로피(min-entropy) 추정 테스트를 이용하여 이를 검증하였다. 이진행렬-벡터 곱 연산에 최적화 기법을 사용함으로써 난수 생성 속도에 미치는 영향을 최소화하였음을 확인하고, NIST SP 800-90B에서 제시한 검증된 Conditioning과의 난수 출력 성능을 비교하였다.
물리적 특성의 잡음원이 가지는 바이어스를 줄이는 후처리 과정의 안전성 분석이 이상적인 난수를 출력하기 위해 반드시 고려되어야 하는 이유는? 이상적인 난수의 출력은 난수발생기의 입력인 잡음원이 예측 불가능한 것에 의존하기 때문에, 엔트로피 소스(Entropy source)로 사용되는 잡음원의 특성파악이 중요하다. 따라서 물리적 특성의 잡음원이 가지는 바이어스를 줄이는 후처리 과정의 안전성 분석은 이상적인 난수를 출력하기 위해 반드시 고려되어야하는 사항이다.
이진행렬-벡터 곱 연산에 최적화 기법을 사용하여 무엇을 확인했는가? Quantis의 후처리 과정은 수학적 이론에 근거한 이진행렬-벡터 곱 연산을 통해 풀엔트로피(full-entropy)를 출력하도록 설계되었고, NIST SP 800-90B의 최소엔트로피(min-entropy) 추정 테스트를 이용하여 이를 검증하였다. 이진행렬-벡터 곱 연산에 최적화 기법을 사용함으로써 난수 생성 속도에 미치는 영향을 최소화하였음을 확인하고, NIST SP 800-90B에서 제시한 검증된 Conditioning과의 난수 출력 성능을 비교하였다. 또한, 미국 NIST와 독일 BSI의 난수발생기 표준 모델과 Quantis의 부합되는 요소와 아닌 요소를 구분하였다.
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참고문헌 (16)

  1. "Information technology - Security techniques - Random bit generation," ISO/IEC 18031, Nov. 2011. 

  2. W. Killmann and W. Schindler, "A proposal for: Functionality classes for random number generators," BSI AIS 20 / AIS 31, Sep. 2011. 

  3. E. Barker and J. Kelsey, "Recommendation for the Entropy Sources Used for Random Bit Generation," NIST SP 800-90B, Aug. 2012. 

  4. M.S. Turan, E. Barker, J. Kelsey, K.A. McKay, M.L. Baish and M. Boyle, "Recommendation for the Entropy Sources Used for Random Bit Generation," NIST SP 800-90B(second DRAFT), Jan. 2016. 

  5. ID Quantique SA, ID Quantique White Paper - Random Number Generation using Quantum Physics, ID Quantique SA, Apr. 2010. 

  6. ID Quantique SA, ID Quantique White Paper - Randomness Extraction for the Quantis True Random Number Generation, ID Quantique SA, Sep. 2012. 

  7. M. Troyer and R. Renner, ID Quantique Technical Paper on Randomness Extractor - A randomness extractor for the Quantis device, ID Quantique SA, Sep. 2012. 

  8. R. Impagliazzo, L.A. Levin, and M. Luby. "Pseudo-random generation from one-way functions (extended abstract)." In Proceedings of the Twenty-First Annual ACM Symposium on Theory of Computing, May 1989. 

  9. ID Quantique SA, Quantis Certifications, ID Quantique SA, Apr. 2016. 

  10. D. Frauchiger, R. Renner, and M. Troyer, "True randomness from realistic quantum devices," arXiv preprint arXiv:1311.4547v1, Nov. 2013. 

  11. NIST, "The Keyed-Hash Message Authentication Code (HMAC)," FIPS PUB 198-1, Jul. 2008. 

  12. M. Dworkin, "Recommendation for Block Cipher Modes of Operation: The CMAC Mode for Authentication," NIST SP 800-38B, May 2005. 

  13. E. Barker and J. Kelsey, "Recommendation for Random Number Generation Using Deterministic Random Bit Generators," NIST SP 800-90A (Revision 1), Jun. 2015. 

  14. NIST, "Secure Hash Standard (SHS)," FIPS PUB 180-4, Mar. 2012. 

  15. NIST, "Advanced Encryption Standard (AES)," FIPS PUB 197, Nov. 2001. 

  16. NIST, "Implementation Guidance for FIPS PUB 140-2 and the Cryptographic Module Validation Program," FIPS PUB 140-2 IG, Jun. 2017. 

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