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차세대 암호 기술 비교: 동형암호, PQC, QKD, PUF

일일 보고서 2024년 09월 06일
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목차

  1. 요약
  2. 차세대 암호 기술 개요
  3. 동형암호: 기술적 특성 및 응용
  4. 양자내성암호(PQC): 기술적 특성 및 응용
  5. 양자키분배(QKD) 기술의 활용
  6. 물리적 복제 방지 기능(PUF)의 응용
  7. 기술 간 하이브리드 결합 사례 및 가능성
  8. 양자 컴퓨터 시대의 차세대 암호 기술
  9. 결론

1. 요약

  • 본 리포트는 동형암호(Homomorphic Encryption), 양자내성암호(Post-Quantum Cryptography, PQC), 양자 키 분배(Quantum Key Distribution, QKD), 그리고 물리적 복제 방지 기능(Physical Unclonable Function, PUF)이라는 차세대 암호 기술의 기술적 특성을 비교하고 그 응용 가능성을 분석했습니다. 동형암호는 암호화된 데이터 상태에서도 연산을 가능하게 하며, PQC는 양자 컴퓨터의 공격에도 안전한 암호 체계를 제공합니다. QKD는 물리적 도청을 방지하는 방식을 채택하고 있으며, PUF는 하드웨어 기반의 고유한 디지털 지문을 생성하여 보안을 강화합니다. 이 네 가지 기술의 장단점과 이들이 개별적으로 혹은 결합하여 사용될 때 기대되는 보안 효과를 중점적으로 분석했습니다.

2. 차세대 암호 기술 개요

  • 2-1. 동형암호의 기본 원리

  • 동형암호(同型暗號, Homomorphic Encryption, HE)는 데이터를 암호화된 상태에서도 연산할 수 있는 암호화 방법입니다. 암호문들을 이용한 연산의 결과는 새로운 암호문이 되며, 이를 복호화하여 얻은 평문은 암호화하기 전 원래 데이터의 연산 결과와 같습니다. 동형암호는 개인정보를 안전하게 보호한 채로 외부 매체에 저장 및 계산하는 목적으로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 동형암호를 이용하면 데이터를 암호화한 채로 상업용 클라우드 서비스에 외주를 맡길 수 있습니다. 이는 의료 분야와 같이 개인정보 보호에 대한 규제가 심한 분야에서 데이터 공유 장벽을 극복하는 데 기여할 수 있습니다.

  • 2-2. PQC의 개념과 중요성

  • 양자내성암호(Post-Quantum Cryptography, PQC)는 양자 컴퓨터를 이용한 공격에 다항 시간 내에 뚫리지 않을 것으로 기대되는 암호입니다. 기존의 암호 시스템은 인수분해, 이산로그 문제와 같은 세 가지 문제에 기반하여 설계되었으나, 양자 컴퓨터의 쇼어 알고리즘에 의해 취약점이 발견될 수 있습니다. PQC는 그러한 상황에서 기존 암호체계를 보완할 수 있는 대안으로 주목받고 있습니다. KT의 연구에 따르면, PQC 기술은 수십억 년 걸리는 암호를 복호화할 수 있는 복잡한 수학 알고리즘을 사용하여 양자 컴퓨터로도 해독할 수 없게 설계되었습니다.

  • 2-3. QKD의 원리 및 응용

  • 양자 키 분배(QKD)는 물리적 회선의 도청 시도를 원천 차단하는 기술로, 양자컴퓨터 환경에서 키 교환 과정의 안전함을 제고하는 역할을 합니다. 이미 많은 연구와 개발이 진행되고 있으며, KT는 양자 암호화 통신 장비를 개발하여 국내에서의 하이브리드형 양자 보안망을 구축하고 있습니다. QKD 기술은 또한 기존의 암호화 방식과 결합하여 이중 보안 체계를 제공할 수 있습니다.

  • 2-4. PUF의 원리와 응용 사례

  • 물리적 복제 방지 기능(Physical Unclonable Function, PUF)은 하드웨어에 기반을 둔 보안 시스템으로 하드웨어 자체의 무작위 물리적 특성을 이용해 복제 불가능한 고유의 '디지털 지문'을 생성합니다. 최근 경희대학교의 연구팀이 세계 최초로 개발한 4차원 PUF 기술은 기존 PUF 기술에 시간적 변화 요소를 추가하여 하드웨어 복제를 원천적으로 차단할 수 있는 혁신적인 보안 기술입니다. 이 기술은 IoT 기기의 해킹을 방지하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 4차 산업혁명에서의 데이터 보안을 강화하는 데 기여할 전망입니다.

3. 동형암호: 기술적 특성 및 응용

  • 3-1. 동형암호의 장점과 단점

  • 동형암호(同형暗號, Homomorphic Encryption, HE)는 데이터를 암호화된 상태에서 연산할 수 있는 암호화 방법입니다. 이를 통해 암호화된 데이터를 이용하여 외부 매체에 저장하고 계산하는 것이 가능하며, 개인정보를 안전하게 보호할 수 있습니다. 예를 들어, 동형암호를 활용하면 데이터를 암호화한 상태로 상업용 클라우드 서비스에 맡겨 데이터를 처리할 수 있습니다. 그러나 동형암호는 계산의 복잡성과 성능 이슈로 인해 실용화 과정에서 일부 제약이 존재합니다.

  • 3-2. 동형암호의 실제 응용 사례

  • 동형암호는 개인정보 보호에 대한 규제가 심한 의료 분야에서 특히 그 효과가 두드러집니다. 예측분석의료에서 개인의료데이터를 안전하게 처리하려는 경우, 동형암호를 이용함으로써 개인정보 보호에 대한 우려를 해소할 수 있습니다. 이처럼 동형암호는 데이터 시나리오에 맞게 활용될 수 있는 사례로, 많은 관심을 받고 있습니다.

  • 3-3. 동형암호 기술의 현재 연구 동향

  • 현재 동형암호 기술은 점차 발전하고 있으며, 학계 및 기업에서 활발한 연구가 이루어지고 있습니다. 동형암호의 개념이 처음 제안된 것은 1978년으로 거슬러 올라가며, 이후 다양한 응용 사례와 기술적 발전이 이어졌습니다. 현재는 통상적인 암호화 방식에 비해 보다 안전하게 데이터를 처리하는 방법으로 자리잡아, 복잡한 계산을 요구하는 분야에서도 그 유용성이 강조되고 있습니다.

4. 양자내성암호(PQC): 기술적 특성 및 응용

  • 4-1. PQC의 장점과 단점

  • 양자내성암호(PQC)는 기존 암호체계가 양자 컴퓨터 기술 발전으로 인해 위협받는 상황에서 이를 보완하기 위해 개발된 새로운 공개키 암호 방식입니다. 이 기술은 복잡한 수학 알고리즘을 활용하여 고성능 양자 컴퓨터로도 해독이 어려운 구조를 갖추고 있습니다. 특히, 수십억 년의 시간을 소요해야 암호를 풀 수 있기 때문에 보안성이 강화된 점이 장점으로 평가됩니다. 반면, PQC는 현재 상용화 준비가 진행되고 있지만, 일부 알고리즘의 성능과 구현 방식에 대한 검증이 필요합니다.

  • 4-2. PQC 기술의 실제 응용 사례

  • KT는 양자내성암호(PQC) 기술의 상용화를 완료하였으며, 이 기술을 기반으로 한 양자암호화 통신장비인 QENC(Quantum ENCrytor)를 개발하였습니다. 이 장비는 QKD(양자 키 분배)와 결합하여 하이브리드형 양자 보안망 구축을 가능하게 합니다. 이러한 기술은 공공기관에서 양자암호통신 장비의 보안적합성 검증을 통해 사용될 예정입니다. LG유플러스는 Post-Quantum 시대에 대비해 양자내성암호와 동형암호 기술을 활용하여 안전한 통신 환경을 제공하기 위한 웨비나를 진행했습니다. 이처럼 PQC 기술은 향후 다양한 보안 체계에 통합되어 활용될 것으로 예상됩니다.

  • 4-3. PQC와 QKD의 결합 가능성

  • SK텔레콤은 자사의 PQC 기술과 양자 암호 통신인 QKD를 결합하여 하이브리드 보안 솔루션을 개발 중에 있습니다. 이 기술은 기존의 양자 암호 통신 방식을 보완하여 사용자 요구에 맞춘 통합 솔루션을 제공할 수 있는 가능성을 지니고 있습니다. QKD의 뛰어난 보안성과 PQC의 양자 키 분배의 장점을 결합함으로써 더 높은 보안 수준을 실현할 수 있으며, 이는 글로벌 양자 기술 리더십을 확보하기 위한 SK텔레콤의 전략 중 하나로 자리 잡고 있습니다.

5. 양자키분배(QKD) 기술의 활용

  • 5-1. QKD의 기본 원리와 보안성

  • 양자키분배(QKD)는 양자 역학의 원리를 활용하여 두 사용자 간에 비밀 키를 안전하게 생성하고 공유하는 기술입니다. QKD는 특히 정보의 도청이 발생할 경우 즉시 이를 탐지할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 이는 QKD의 핵심적인 보안성으로, '측정 후 변화' 원리에 의거하여 도청자가 시스템에 개입할 경우 이를 감지하고 비밀 키의 안전성을 보장합니다. QKD의 보안성은 양자 역학의 기본 원리를 기반으로 하여, 기존 전통적인 키 분배 방법과는 차별화된 강력한 안전성을 제공합니다.

  • 5-2. QKD의 실제 응용 사례

  • QKD는 실제 여러 분야에서 활용되고 있으며, 특히 금융, 정부, 군사 및 의료 분야에서 키의 보안을 위한 중요한 기술로 자리 잡고 있습니다. 예를 들어, 스위스의 일부 금융 기관은 QKD를 통해 고객의 금융 정보를 보호하고 있으며, 독일의 일부 연구 기관에서도 QKD를 활용한 안전한 데이터 전송 시스템을 구축하였습니다. 이러한 실제 응용 사례들은 QKD가 실용화 단계에 접어들었음을 보여줍니다.

  • 5-3. QKD와 다른 암호 기술과의 결합 가능성

  • QKD는 기존의 암호 기술들과 결합하여 더 높은 보안성을 제공할 수 있는 가능성을 지니고 있습니다. 특히 양자내성암호(PQC)와 결합하여 하이브리드 시스템을 구축하게 되면, 양자 컴퓨터로 인한 위협에 대응하는 데 더욱 효과적일 수 있습니다. 예를 들어, QKD를 통해 생성된 비밀 키와 PQC 알고리즘을 통한 데이터 암호화를 함께 사용함으로써, 두 기술의 장점을 극대화할 수 있는 방안이 논의되고 있습니다.

6. 물리적 복제 방지 기능(PUF)의 응용

  • 6-1. PUF의 기본 원리와 보안 성능

  • 물리적 복제 방지 기능(Physical Unclonable Function, PUF)은 하드웨어 기반 보안 시스템으로, 하드웨어의 무작위 물리적 특성을 활용하여 복제 불가능한 고유의 '디지털 지문'을 생성합니다. 경희대학교의 박욱 교수 연구팀이 개발한 4차원 PUF는 기존 PUF 기술에 시간적 변화 요소를 추가하여 더욱 향상된 보안 기능을 제공하며, IoT 기기의 해킹 위협을 원천 차단할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다.

  • 6-2. PUF의 실제 응용 사례

  • 2012년부터 ICTK홀딩스는 PUF 기술을 통해 다양한 제품에 응용하고 있으며, 잠재적인 해킹 위협을 차단하기 위해 PUF 칩을 탑재한 범용가입자식별모듈(USIM), 유무선 공유기(AP), 초소형 내장 가입자식별모듈(eSIM), 고성능 가상사설망(VPN) 등의 제품을 성공적으로 시장에 출시하였습니다. 이정원 ICTK홀딩스 대표는 PUF 기반 응용시장이 올해 본격적으로 확산될 것이라고 발표하였습니다.

  • 6-3. PUF 기술의 발전과 미래 방향

  • PUF 기술은 글로벌 보안 솔루션 분야에서 향후 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. ICTK홀딩스는 PUF 기술력을 바탕으로 다양한 보안 제품을 원스톱으로 제공함으로써 보안성이 뛰어난 시스템을 구축하고 있습니다. 또한, 이번 연구는 세계적인 학술지에 발표되어 아이디어의 혁신성을 인정받았으며, PUF 기술은 국제 표준화 기구에서도 안전성이 인정받았습니다.

7. 기술 간 하이브리드 결합 사례 및 가능성

  • 7-1. PQC와 QKD의 결합 사례

  • KT는 양자내성암호(PQC) 솔루션의 상용화 준비를 완료하였으며, 이를 양자 키 분배(QKD)와 결합하여 하이브리드형 양자보안망 구축이 가능하다고 밝혔습니다. 해당 하이브리드 보안망은 물리적 회선의 도청 시도를 원천 차단하는 QKD 기술과 양자컴퓨터로도 해독이 불가능한 보안성을 가진 PQC를 결합하여 이중 보안 방식을 구현합니다. KT는 QENC라는 독립형 양자암호화 통신장비를 개발하고, 이를 통해 양자암호키 분배장치에서 생성되는 암호키와 함께 PQC 알고리즘으로 암호키를 제공받을 수 있도록 하였습니다.

  • 7-2. PUF와 동형암호의 결합 가능성

  • 현재 데이터에 따르면, SK텔레콤은 PQC와 QKD 기술을 결합하는 동시에 물리적 복제 방지 기능(PUF) 기술도 연계할 수 있는 가능성을 탐구하고 있습니다. SK텔레콤은 양자 기업들과 협력하여 하이브리드 방식의 통합 솔루션 개발을 적극적으로 추진하고 있으며, 이 과정에서 PUF 기술을 통해 보안성을 더욱 강화할 계획을 세우고 있습니다.

  • 7-3. 전반적인 하이브리드 결합의 장단점

  • 하이브리드 결합의 장점은, 다양한 기술들이 상호 보완적으로 작용하여 보안성을 강화할 수 있다는 점입니다. 예를 들어, QKD의 물리적 보안성과 PQC의 수학적 보안이 결합될 경우, 데이터 보호가 더욱 안전해질 수 있습니다. 반면, 이러한 하이브리드 시스템의 구현 시 복잡성과 기존 시스템과의 호환성 문제가 발생할 수 있는 단점도 존재합니다. 따라서 각 기술의 연계 및 통합이 원활히 진행되기 위해서는 관련 기술 및 표준화 문제들을 해결할 필요가 있습니다.

8. 양자 컴퓨터 시대의 차세대 암호 기술

  • 8-1. 양자 컴퓨터의 발전과 보안 위협

  • 양자 컴퓨터의 발전으로 인해 기존 암호 체계가 무력화될 수 있는 위협이 존재합니다. 2019년 구글의 양자 컴퓨터 '시커모어'가 기존 슈퍼컴퓨터의 한계를 초월하는 연산 능력을 보여주며 '양자 우월성' 시대의 도래를 알렸습니다. 이러한 발전은 보안 패러다임의 변화와 새로운 보안 기술의 필요성을 제기하였습니다. 따라서, 양자 컴퓨터에 대한 대비가 절실히 요구되고 있습니다.

  • 8-2. 양자컴퓨터에 안전한 차세대 암호 기술

  • 현재 양자내성암호(PQC)와 양자키분배(QKD)가 가장 주목받는 차세대 암호 기술로, 이들은 양자 컴퓨터의 위협을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. LG유플러스는 양자내성암호와 동형암호 기술을 활용하여 Post-Quantum 시대에 안전한 통신 환경을 제공하고자 하며, 이러한 기술은 현재 양자 암호 기술의 현황과 미래를 강조하고 있습니다. 휴네시온과 크립토랩의 협약도 이와 같은 맥락에서 진행되고 있으며, 이는 양자내성암호 및 동형암호 기술 기반 제품 개발로 보안 수준을 높이며, 시장 확대를 위한 기반이 됩니다.

  • 8-3. 향후 연구 방향과 기술 개발 동향

  • 양자내성암호와 동형암호는 현재 매우 활발히 연구되고 있으며, 이러한 기술들은 신뢰할 수 있는 보안 솔루션으로 자리잡기 위해 계속 발전하고 있습니다. 크립토랩은 4세대 동형암호 원천기술의 우수성을 인정받아 지난해 210억원 규모의 투자를 유치하였고, 글로벌 기업들과 협력하여 기술 경쟁력을 강화하고 있습니다. 또한, 휴네시온은 2023년 공공조달 매출 기준으로 시장 점유율 56%를 차지하며, 클라우드 보안인증(CSAP)도 취득하여 클라우드 보안 환경을 개선하려고 하고 있습니다.

9. 결론

  • 리포트는 차세대 암호 기술들인 동형암호, 양자내성암호(PQC), 양자 키 분배(QKD), 물리적 복제 방지 기능(PUF)의 특성과 응용 사례를 통해 현대의 보안 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시합니다. 각 기술은 고유한 강점을 가지고 있으며, 이를 조합해 더 강력한 보안 체계를 구축할 수 있습니다. 특히 양자 컴퓨터 시대를 대비한 PQC와 QKD의 결합은 높은 보안성을 제공할 잠재력을 지니고 있습니다. 그러나 각 기술의 효율성과 실용성을 높이기 위한 연구와 개발이 지속적으로 필요합니다. 향후, 이러한 차세대 암호 기술들은 데이터 보호와 보안 분야에서 중추적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 특히, 하이브리드 솔루션을 통해 의료, 금융, IoT 등의 다양한 산업에서 실질적으로 활용될 수 있을 것입니다.

10. 용어집

  • 10-1. 동형암호(Homomorphic Encryption) [암호 기술]

  • 동형암호 기술은 데이터를 암호화된 상태에서도 연산할 수 있는 기능을 제공하며, 이로 인해 클라우드 환경에서 개인정보를 보호하며 데이터를 처리할 수 있습니다. 이 기술은 의료, 금융, 클라우드 서비스 등 다양한 분야에서 적용 가능성이 높습니다.

  • 10-2. 양자내성암호(Post-Quantum Cryptography, PQC) [암호 기술]

  • 양자내성암호는 양자 컴퓨터의 공격에도 안전한 암호 체계로, 격자 기반, 코드 기반 등의 다양한 알고리즘을 포함합니다. PQC는 특히 보안성과 신뢰성이 중요한 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.

  • 10-3. 양자 키 분배(Quantum Key Distribution, QKD) [암호 기술]

  • QKD는 양자 물리학을 이용하여 두 당사자 간에 안전하게 비밀키를 공유하는 기술입니다. 해킹 시도를 즉시 감지할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 물리적 도청을 방지하는 데 매우 효과적입니다.

  • 10-4. 물리적 복제 방지 기능(Physical Unclonable Function, PUF) [보안 기술]

  • PUF는 반도체 제조 과정에서 발생하는 물리적 특성을 기반으로 고유한 암호화 키를 생성하는 기술이며, IoT 디바이스, 반도체, 클라우드 서비스 등에서 보안 인증과 데이터 보호에 활용됩니다.

11. 출처 문서