KR102425077B1 - 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법 - Google Patents

양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치는 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 발생하여 아날로그 잡음을 제공하는 양자 엔트로피 생성부, 상기 아날로그 잡음에 대한 디지털화를 통해 암호화 시드를 추출하는 암호화 시드 추출부, 및 상기 암호화 시드에 기초하여 일회용 양자 비밀번호(QTP)를 생성하고 상기 일회용 양자 비밀번호(QTP)의 발급 내역을 블록체인 상의 노드에 저장하는 QTP 생성부를 포함한다.

Description

양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING ONE-TIME QUANTUM PASSWORD BASED ON QUANTUM ENTROPY}
본 발명은 일회용 양자 비밀번호(Quantum one Time Password; 이하, 'QTP'라 함) 생성 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양자 방사선을 잡음원으로 충분한 난수성을 제공하여 안전한 일회용 비밀번호로서 QTP를 생성할 수 있는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.
양자난수는 양자 현상에서 발생하는 불규칙성을 이용해 무작위적이고 예측 불가능한 고품질 난수를 생성하는 기술로 주로 양자암호통신 분야에 적용돼 왔다. 양자난수는 IoT(Internet of Things) 데이터 통신 분야, 대용량 데이터 통신이 이뤄지는 5G, 6G 등의 암호통신망 구축에 활용되고 있다. 양자난수 생성 방식은 빛(광자)의 랜덤성을 이용하는 방식과 방사성 동위원소를 이용하는 방식으로 구분된다.
한편, 일회용 비밀번호인 OTP(One Time Password)는 사용자 인증을 위해 사용되는 인증 도구로, 인증을 위해 고정된 값을 사용하는 기존의 비밀번호와는 달리 매번 새로운 값을 인증 값으로 사용한다.
이러한 OTP 값은 사용자를 구별하기 위해 사용자마다 다르게 부여된 비밀키와 OTP 값을 매 인증 시에 변화시키기 위한 값(일반적으로 시간 값)을 입력 값으로 사용하며, 이 입력 값들은 OTP 값을 생성하기 위한 HMAC-SHA-1 함수를 비롯한 각종 함수를 통해 OTP 값을 생성한다.
그러나, 종래의 OTP는 고정된 비밀키를 사용하여 지속적으로 OTP 값을 생성하기 때문에 OTP 비밀키가 누출될 위험성이 존재하였다.
최근에는 OTP 기술에 양자 기술을 접목하여 양자 난수로 OTP 생성 과정을 암호화해 보안성을 강화하는 기술이 개발되고 있다.
한국등록특허 제10-0872901 (2008.12.02)호
본 발명의 일 실시예는 양자 방사선을 잡음원으로 충분한 난수성을 제공하여 안전한 일회용 비밀번호로서 QTP를 생성할 수 있는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 양자 엔트로피에서 발생되는 아날로그 잡음원을 바탕으로 암호적 처리과정 수행하여 블록체인에 적용 가능한 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 인증처리를 위한 일회용 비밀번호 사용이 필수적인 환경에서 안전하고 저가의 초소형의 양자 엔트로피 소스를 확보하여 양자 비밀번호 생성기를 구동시키는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치는 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 발생하여 아날로그 잡음을 제공하는 양자 엔트로피 생성부, 상기 아날로그 잡음에 대한 디지털화를 통해 암호화 시드를 추출하는 암호화 시드 추출부, 및 상기 암호화 시드에 기초하여 일회용 양자 비밀번호(QTP)를 생성하고 상기 일회용 양자 비밀번호(QTP)의 발급 내역을 블록체인 상의 노드에 저장하는 QTP 생성부를 포함한다.
상기 양자 엔트로피 생성부는 알파(α), 베타(β) 또는 감마(γ) 방출 방사선 동위원소 중 하나의 방사선 동위원소에서 방출되는 방사선 입자의 파형을 상기 아날로그 잡음으로 제공할 수 있다.
상기 암호화 시드 추출부는 상기 양자 방사선의 입자가 검출되는 임의의 시점마다 동일한 진폭을 가지는 순간적인 펄스를 생성하여 해당 펄스를 상기 디지털 잡음으로 검출하고, 상기 디지털 잡음의 펄스간의 시간간격을 샘플링해서 상기 암호화 시드로 결정할 수 있다.
상기 암호화 시드 추출부는 상기 디지털 잡음의 펄스 수를 일정 시간마다 카운트하여 카운트한 펄스 수를 암호화 시드로 결정할 수 있다.
상기 암호화 시드 추출부는 상기 동일 진폭보다 적은 진폭을 가지는 기준 잡음을 주기적으로 발생시킨 후 각 주기마다 상기 디지털 잡음과 상기 기준 잡음을 비교하고, 상기 비교를 통해 상기 디지털 잡음의 발생 시점을 검출하고 상기 기준 잡음의 발생 카운트를 기초로 상기 임의의 시점을 결정하여 상기 임의의 시점을 상기 암호화 시드로 추출할 수 있다.
상기 QTP 생성부는 난수발생기에 상기 암호화 시드를 제공하여 양자 난수를 생성하고 상기 양자 난수를 특정 자리수의 숫자 또는 바코드 또는 QR코드 형태로 변환하여 상기 일회용 비밀번호인 QTP로서 제공할 수 있다.
상기 QTP 생성부는 상기 암호화 시드에 대해 암호학적 안전성을 보장하고 외부 장치와의 상기 QTP를 소통하는 펌웨어를 포함하는 펌웨어를 포함할 수 있다.
상기 펌웨어는 양자 엔트로피 칩(QEC)에서 생성되는 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 전송받아 암호알고리즘 처리과정을 수행하여 난수를 생성하고 생성된 난수를 일회용 비밀번호인 QTP로 발급하여 발급된 QTP를 UART 인터페이스를 통해 외부 장치와 통신을 통해 소통하도록 할 수 있다.
실시예들 중에서, 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 방법은 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 발생하여 아날로그 잡음을 제공하는 양자 엔트로피 생성단계, 상기 아날로그 잡음에 대한 디지털화를 통해 암호화 시드를 추출하는 암호화 시드 추출단계, 및 상기 암호화 시드에 기초하여 일회용 양자 비밀번호(QTP)를 생성하고 상기 일회용 양자 비밀번호의 발급 내역을 블록체인 상의 노드에 저장하는 일회용 양자 비밀번호 생성단계를 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법은 양자 방사선을 잡음원으로 충분한 난수성을 제공하여 안전한 일회용 비밀번호로서 QTP를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법은 양자 엔트로피에서 발생되는 아날로그 잡음원을 바탕으로 암호적 처리과정 수행하여 블록체인에 적용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법은 인증처리를 위한 일회용 비밀번호 사용이 필수적인 환경에서 안전하고 저가의 초소형의 양자 엔트로피 소스를 확보하여 양자 비밀번호 생성기 등을 구동시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치의 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치의 기능적 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 있는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치에서 펌웨어의 기능적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 방법의 QTP 생성 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 시스템(100)은 사용자 단말(110), 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130) 및 블록체인(150)을 포함할 수 있고, 상호 네트워크를 통해 연결될 수 있다. 여기에서, 네트워크는 위성통신, 4G, 5G, 6G, WiFi, TVWS 등의 무선 통신 또는 이더넷(Ethernet), 시리얼(Serial) 통신 등의 유선 통신을 포함할 수 있다.
사용자 단말(110)은 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)와 네트워크를 통해 연결될 수 있는 컴퓨팅 장치에 해당하고, 예를 들어, 각종 시설물이나 산업현장에 설치되는 설비, 무인이동체, IoT 기기 및 센서, 데스크톱, 노트북, 태블릿 PC 또는 스마트폰으로 구현될 수 있다. 사용자는 사용자 단말(110)을 통해 특정 암호화 시스템 또는 블록체인(150)에 접근할 수 있고, 이 과정에서 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 특정 암호화 시스템 또는 블록체인(150)에 일회용 양자 비밀번호를 제공하여 상호 인증을 수행하도록 할 수 있다.
일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 양자난수 엔트로피의 소스로서 안정한 잡음원을 통해 암호화 시드를 결정하고 난수를 발생시켜 일회용 비밀번호로 생성하여 암호 시스템 또는 블록체인에 저장할 수 있다. 여기에서, 양자난수 엔트로피는 잡음원에서 발생한 양자난수의 수준을 평가하기 위해 사용하는 척도를 의미할 수 있다. 암호화 시드는 암호함수 또는 암호연산의 초기화를 위해 사용되는 수치로 엔트로피 소스를 의미할 수 있다. 잡음원(아날로그 또는 디지털 잡음)은 예측 불가능한 물리적 소스에 해당할 수 있다. 여기에서, 잡음원은 방사선 동위원소에서 방출하는 알파(α) 또는 베타(β) 또는 감마(γ) 입자를 이용할 수 있으며, 광자를 이용할 수도 있다. 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 각각 암호 시스템 또는 블록체인(150)에 필요한 일회용 양자 비밀번호(QTP) 또는 일회용 양자 비밀번호의 발급내역을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 암호알고리즘 처리하여 양자 난수를 생성하고 생성한 양자 난수를 일회용 비밀번호 즉, QTP로 제공할 수 있다. 여기에서, 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 양자 난수를 특정 자리수의 숫자 또는 바코드나 QR코드 등의 형태로 변환하여 일회용 비밀번호를 제공할 수 있다.
블록체인(150)은 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)로부터 생성된 일회용 양자 비밀번호의 발급 내역을 블록체인 상의 노드에 저장할 수 있다. 여기에서, 블록체인(150)은 일반적으로, 관리 대상 데이터를 '블록'이라고 하는 소규모 데이터들이 P2P(peer to peer) 방식을 기반으로 생성된 체인 형태의 연결고리 기반 분산 데이터 저장환경에 저장하여 누구라도 임의로 수정할 수 없고 누구나 변경의 결과를 열람할 수 있는 분산 컴퓨팅 기술 기반의 데이터 위변조 방지 기술을 의미할 수 있다. 즉, 블록체인(150)은 누구나 열람할 수 있는 장부에 거래 내역을 투명하게 기록하고, 여러 대의 컴퓨터에 이를 복제해 저장하는 분산형 데이터 저장기술이다. 블록체인(150)에 연결된 사용자 단말(110)은 일회용 난수 비밀번호 생성 장치(130)를 통해 저장된 일회용 난수 비밀번호의 저장 위치를 획득할 수 있다.
도 2는 도 1에 있는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치의 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 프로세서(210), 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)를 포함할 수 있다.
프로세서(210)는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 과정을 수행할 수 있고, 이러한 과정에서 읽혀지거나 작성되는 메모리(230)를 관리할 수 있으며, 메모리(230)에 있는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리 간의 동기화 시간을 스케줄 할 수 있다. 프로세서(210)는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)의 동작 전반을 제어할 수 있고, 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)와 전기적으로 연결되어 이들 간의 데이터 흐름을 제어할 수 있다. 프로세서(210)는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)의 CPU(Central Processing Unit)로 구현될 수 있다.
메모리(230)는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), SSD(Solid State Disk) 또는 HDD(Hard Disk Drive)와 같은 비휘발성 메모리로 구현되어 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)에 필요한 데이터 전반을 저장하는데 사용되는 보조기억장치를 포함할 수 있고, RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리로 구현된 주기억장치를 포함할 수 있다.
사용자 입출력부(250)은 사용자 입력을 수신하기 위한 환경 및 사용자에게 특정 정보를 출력하기 위한 환경을 포함하고, 예를 들어, 마우스, 트랙볼, 터치 패드, 그래픽 태블릿, 스캐너, 터치 스크린, 키보드 또는 포인팅 장치와 같은 어댑터를 포함하는 입력장치 및 LED 표시기 또는 모니터 등과 같은 어댑터를 포함하는 출력장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 사용자 입출력부(250)은 원격 접속을 통해 접속되는 컴퓨팅 장치에 해당할 수 있고, 그러한 경우, 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 서버로서 수행될 수 있다.
네트워크 입출력부(270)은 사용자 단말(110) 및 블록체인(150) 중 적어도 하나와 연결하기 위한 UART, SPI, I2C 등의 하드웨어 인터페이스 환경을 포함하고, LAN(Local Area Network) 통신을 위한 어댑터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 네트워크 입출력부(270)를 통해 사용자 단말(140)과 연동할 수 있다.
도 3은 도 1에 있는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치의 기능적 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 양자 엔트로피 생성부(310), 암호화 시드 추출부(330), QTP 생성부(350) 및 제어부(370)를 포함할 수 있고, 별도의 독립적인 칩셋으로 구현될 수 있다.
양자 엔트로피 생성부(310)는 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 발생하여 아날로그 잡음을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 양자 엔트로피 생성부(310)는 방사선동위원소가 붕괴하며 나오는 방사선이나 하나의 광자가 양자역학적으로 물리현상을 보일 때 발생하는 무작위선을 아날로그 잡음원으로 사용할 수 있다. 하나의 광자를 이용한 신호 추출은 온도나 전원 등 외부 요인에 영향을 받지만, 방사선동위원소 붕괴는 외부 영향과 관계가 없으므로 여기에서 양자 엔트로피 생성부(310)는 방사선을 아날로그 잡음으로 생성할 수 있다.
양자 엔트로피 생성부(310)는 알파(α), 베타(β) 또는 감마(γ) 방출 방사선 동위원소 중 하나의 방사선 동위원소에서 방출되는 방사선을 사용할 수 있다. 예컨대, 양자 엔트로피 생성부(310)는 아메리슘-241에서 나오는 알파(α)선 또는 니켈-63에서 나오는 베타(β)선을 사용할 수 있다. 알파선 및 베타선은 매우 불규칙한 시점과 위치에서 끊임없이 방출되며 특히 알파선은 종이 한장으로 차폐할 수 있고 베타선은 플라스틱으로 차폐할 수 있어 방사선 위험도 없다. 양자 엔트로피 생성부(310)에서 생성되는 양자 방사선의 아날로그 잡음은 예측 불가능한 암호화 시드를 생성하기 위해 충분한 엔트로피를 가지도록 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 양자 엔트로피 생성부(310)는 방사선 동위원소에서 방출하는 방사선 입자의 파형을 아날로그 잡음으로 생성할 수 있다. 양자 엔트로피 생성부(310)는 이에 한정되지 않고 소프트웨어로 구현된 잡음원 운영체제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양자 엔트로피 생성부(310)는 안드로이드, 리눅스 또는 윈도우 운영체제를 통해 아날로그 잡음을 생성할 수 있다. 또한, 양자 엔트로피 생성부(310)는 하드웨어로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 양자 엔트로피 생성부(310)는 제너(Zener) 다이오드의 산탄 잡음, 반도체 회로의 내재적인 열 잡음 등 전자회로 상의 비결정론적 현상들을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 양자 엔트로피 생성부(310)는 소프트웨어와 하드웨어로 결합하여 하이브리드 형태로 구현될 수도 있다.
암호화 시드 추출부(330)는 아날로그 잡음에 대해 디지털화를 통해 암호화 시드를 추출할 수 있다. 일 실시예에서, 암호화 시드 추출부(330)는 양자 방사선의 아날로그 잡음에 대한 디지털화를 통해 임의의 시점에 순간적으로 발생되는 디지털 잡음을 제공할 수 있다. 여기에서, 암호화 시드 추출부(330)는 양자 엔트로피 생성부(310)로부터 생성된 아날로그 잡음을 수신하여 디지털화를 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 암호화 시드 추출부(330)는 잡음원인 아날로그 잡음의 디지털화를 통해 임의의 시점에서 순간적으로 발생되는 디지털 잡음을 제공할 수 있다. 암호화 시드 추출부(330)는 양자 방사선의 입자가 검출되는 임의의 시점마다 동일한 진폭을 가지는 순간적인 펄스를 생성하여 해당 펄스를 디지털 잡음으로 결정할 수 있다.
암호화 시드 추출부(330)는 디지털 잡음의 검출을 통해 임의의 시점을 획득하여 임의의 시점을 암호생성을 위한 암호화 시드로 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 암호화 시드 추출부(330)는 디지털 잡음의 펄스간의 시간간격을 샘플링해서 그것을 암호화 시드로 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 암호화 시드 추출부(330)는 디지털 잡음의 펄스 수를 일정 시간마다 카운트하여 이 펄스 수를 암호화 시드로 결정할 수도 있다.
일 실시예에서, 암호화 시드 추출부(330)는 동일 진폭보다 적은 진폭을 가지는 기준 잡음을 주기적으로 발생시킨 후 주기마다 디지털 잡음과 기준 잡음을 비교하여 디지털 잡음의 발생시점을 검출하고 기준 잡음의 발생 카운트를 기초로 임의의 시점을 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 암호화 시드 결정부(330)는 기준 잡음의 발생 주기를 변화시킴으로써 디지털 잡음의 발생시점을 가변적으로 검출하고 가변되는 기준 잡음의 발생시점을 카운트하여 그에 따라 임의의 시점을 유동적으로 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 암호화 시드 추출부(330)는 기준 잡음의 발생 카운트에 따른 임의의 시점 및 이전 기준 잡음의 발생 카운트에 따른 임의의 시점 간의 비트 연산을 수행하여 암호화 시드를 결정할 수 있다. 예를 들어, 암호화 시드 추출부(330)는 복수의 임의의 시점간 비트 단위로 XOR 논리 연산을 수행하여 암호화 시드를 결정할 수 있다.
QTP 생성부(350)는 암호화 시드에 기초하여 일회용 양자 비밀번호인 QTP를 생성하고 QTP의 발급 내역을 블록체인(150) 상의 노드에 저장할 수 있다. 보다 구체적으로, QTP 생성부(350)는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)와 별도로 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)에 포함되어 구현되는 난수발생기에 암호화 시드를 제공하여 난수로서 일회용 양자 비밀번호인 QTP를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, QTP 생성부(350)는 양자 난수를 특정 자리수의 숫자, 바코드 또는 QR코드 등의 형태로 변환하여 사용자 단말(110)에 QTP로서 제공할 수 있다. 또한, 생성된 QTP는 암호화 시스템 또는 인증 시스템에 적용될 수 있다. 일 실시예에서, QTP 생성부(350)는 생성된 QTP의 발급 내역을 블록체인(150)에 저장할 수 있다. 예를 들어, QTP 생성부(350)는 블록체인(150)에 QTP의 발급 내역을 저장하여 블록체인(150)의 보안에 활용될 수 있다.
일 실시예에서, QTP 생성부(350)는 난수 발생기, 전자서명 생성기 또는 암호화 키 생성기에 암호화 시드를 제공하여 난수, 전자서명 또는 암호화 키를 획득할 수 있다. 예를 들어, QTP 생성부(350)는 결정론적 난수 생성기(DRBG, Deterministic Random Bit Generator)에 암호화 시드를 제공하여 난수를 획득할 수 있다. 여기에서, 결정론적 난수 생성기는 초기값인 암호화 시드로부터 비트 열을 생성하는 암호 알고리즘으로 구성될 수 있다. 결정론적 난수 생성기는 비결정론적 난수 생성기로부터 잡음원을 얻어 암호화 시드로 사용할 수 있다. 예를 들어, QTP 생성부(350)는 타원곡선을 이용한 전자서명 알고리즘으로 타원곡선 DSA(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm, ECDSA) 또는 타원곡선 암호를 이용한 키 교환 방식에 해당하는 타원곡선 디피-헬만(Elliptic Curve Diffie-Hellman, ECDH)을 통해서 각각 전자서명이나 암호화 키를 획득할 수 있다.
일 실시예에서, QTP 생성부(350)는 난수를 일회용 비밀번호 형태, 예컨대 6자리의 숫자 또는 바코드나 QR코드로 표현하여 QTP로서 제공할 수 있다. 일 실시예에서, QTP 생성부(350)는 난수를 통해 비밀키를 설정하여 설정된 비밀키와 시간값을 입력으로 암호화하여 QTP를 생성할 수도 있다.
일 실시예에서, QTP 생성부(350)는 QTP가 생성되면 발급시점, 접근코드 및 발급자를 기초로 QTP의 발급 내역을 생성하여 블록체인(150)에 저장할 수 있다. 보다 구체적으로, QTP 생성부(350)는 생성된 QTP를 QTP의 발급시점, 접근 가능한 코드 및 발급자에 대한 정보를 기초로 해당 QTP의 발급 내역을 생성하고 블록체인(150)에 저장하여 복수의 사용자 단말에게 확인하도록 할 수 있다.
제어부(370)는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)의 동작 전반을 제어할 수 있고, 양자 엔트로피 생성부(310), 암호화 시드 추출부(330) 및 QTP 생성부(350)간의 데이터 흐름을 제어할 수 있다.
여기에서, 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 단일 칩셋으로 구현될 수 있고, 암호화 시드 추출부(330)와 QTP 생성부(350)는 펌웨어로 구현되어 암호화 시드에 대한 암호학적 안전성을 보장하고 외부 장치와의 QTP를 소통하도록 할 수 있다.
도 4는 도 3에 있는 일회용 양자 비밀번호 생성 장치에서 펌웨어의 기능적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 일회용 양자 비밀번호 생성 장치(130)는 양자 엔트로피 칩(QEC)(410), 펌웨어(430) 및 UART 인터페이스(450)를 포함하는 단일 칩셋으로 구현될 수 있다.
양자 엔트로피 칩(이하, QEC 라 함)(410)은 양자난수 엔트로피 소스(잡음원)를 생성하여 펌웨어(430)에 아날로그 잡음을 제공할 수 있다. 이때, 아날로그 잡음은 예측 불가능한 암호화 시드를 생성하기 위해 충분한 엔트로피를 가지도록 생성될 수 있다. 일 실시예에서, QEC(410)는 안드로이드, 리눅스 또는 윈도우 등의 소프트웨어로 구현된 잡음원 운영체제에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, QEC(410)는 제너(Zener) 다이오드의 산탄 잡음, 반도체 회로의 내재적인 열 잡음 등 전자회로 상의 비결정론적 현상들을 이용하거나 물리적 현상인 방사선 붕괴 등을 이용하여 하드웨어로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, QEC(410)는 소프트웨어와 하드웨어로 결합하여 구현될 수도 있다. 여기에서, QEC(410)는 양자 엔트로피 생성부(310)에 해당할 수 있고, 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 생성하여 펌웨어(430)에 아날로그 잡음을 제공할 수 있다.
펌웨어(430)는 QEC(410)로부터 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 전송받아 암호알고리즘 처리과정을 수행하여 난수를 생성하고 생성된 난수를 일회용 비밀번호인 QTP로 발급할 수 있다. 펌웨어(430)는 QTP를 UART 인터페이스(450)로 제공할 수 있다.
펌웨어(430)는 보안기능 처리부(431), 암호알고리즘 처리부(432), 중요 보안매개변수 처리부(433), 유한 상태 처리부(434), 명령 집합 기반 보안 에이전트 프로토콜 처리부(435) 및 입출력 데이터 처리부(436)를 포함할 수 있다.
보안기능 처리부(431)는 인증, 키제로화 등의 역할을 수행한다.
암호알고리즘 처리부(432)는 ARIA, LEA, HiGHT, SEED, AES 등의 블록암호, SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512 등의 해시함수, HMAC, CMAC, GMAC 등의 메시지 인증코드, DBRG 난수발생기, DH, ECDH 등의 키설정, ECDSA 전자서명 등의 암호기능을 수행한다.
중요 보안매개변수 처리부(433)는 다음의 표 1과 같은 보안역할을 수행한다.
[표 1]
Figure 112022037828602-pat00001
중요 보안매개변수 처리부(433)는 블록암호용 암/복호화에 사용되는 비밀키, 메시지 인증 코드에 사용되는 인증키, 공개키 암호 및 전자서명용 개인키 등의 중요 보안매개변수를 처리하는 계층으로서, 키 제로화 처리를 수행한다.
유한상태처리부(434)는 암호모듈의 동작 상태와 오류 상태, 임의의 상태에서 다른 상태로의 천이, 천이를 일으키는 입력 사건, 천이 결과로 얻어지는 출력 사건, 대기모드 상태의 상태천이, 암호기능 동작 상태의 상태천이, 전원인가 시험 상태의 상태천이, 조건부 시험 상태의 상태천이 등에 대하여 상태와 입력을 출력에 매핑하는 처리를 수행한다.
보안에이전트 처리부(435)는 암호모듈의 상대 장치와의 보안수트, 보안정책 관리 등의 역할을 수행한다.
입력, 출력 데이터 처리부(436)는 외부장치와의 평문, 키, 정책 등의 핵심 데이터의 입출력 포맷을 설정 및 확인하는 입출력 기능을 수행한다.
UART 인터페이스(450)는 암호 관리자 및 사용자의 데이터 입력을 펌웨어(430)에 제공하며 펌웨어(430)로부터 생성된 QTP를 외부 장치와 통신을 통해 소통하도록 제공할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 방법의 QTP 생성 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4에서, 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 방법은 양자 엔트로피 생성부(310)를 통해 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 발생하여 아날로그 잡음을 제공할 수 있다(단계 S510).
양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 방법은 암호화 시드 추출부(330)를 통해 아날로그 잡음에 대한 디지털화를 통해 암호화 시드를 추출할 수 있다(단계 S530).
양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 방법은 QTP 생성부(350)를 통해 난수발생기에 암호화 시드를 제공하여 일회용 비밀번호로서 QTP를 생성하고 QTP의 발급 내역을 블록체인(150)에 저장할 수 있다(단계 S550).
일 실시예에 따른 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치 및 방법은 5G, 6G, 위성보안, 무인이동체 보안, 사물인터넷(IoT, Internet of Things), 스마트그리드, 지능형 에너지망 등에서 기기와 시스템 사이의 상호 인증처리를 위한 일회용 비밀번호 사용이 필수적인 환경에서 안전성, 저전력, 저가, 초소형의 크기를 갖는 양자 엔트로피 소스를 확보하여 양자 엔트로피 기반 양자 비밀번호 생성기를 구동케 할 수 있으며, 이를 통하여 IoT 기반의 블록체인 시장 확보가 가능한 계기가 될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 시스템
110: 사용자 단말 130: 일회용 양자 비밀번호 생성 장치
150: 블록체인
210: 프로세서 230: 메모리
250: 사용자 입출력부 270: 네트워크 입출력부
250: 양자난수 엔트로피 생성기
310: 양자 엔트로피 생성부 330: 암호화 시드 추출부
350: QTP 생성부 370: 제어부
410: 양자 엔트로피 칩(QEC) 430: 펌웨어
431: 보안기능 처리부 432: 암호알고리즘 처리부
433: 중요 보안매개변수 처리부 434: 유한 상태 처리부
435: 명령 집한 기반 에이전트 프로토콜 처리부
436: 입력 및 출력 데이터 처리부
450: UART 인터페이스

Claims (9)

  1. 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 발생하여 아날로그 잡음을 제공하는 양자 엔트로피 생성부;
    상기 아날로그 잡음에 대한 디지털화를 통해 상기 양자 방사선의 입자가 검출되는 임의의 시점마다 순간적으로 발생되는 디지털 잡음을 제공하여 상기 디지털 잡음의 검출을 통해 상기 임의의 시점을 획득하여 상기 임의의 시점을 암호생성을 위한 암호화 시드로 추출하는 암호화 시드 추출부; 및
    상기 암호화 시드에 기초하여 일회용 양자 비밀번호(QTP)를 생성하고 상기 일회용 양자 비밀번호(QTP)의 발급 내역을 블록체인 상의 노드에 저장하는 QTP 생성부를 포함하되,
    상기 양자 엔트로피 생성부는
    알파(α), 베타(β) 또는 감마(γ) 방출 방사선 동위원소 중 하나의 방사선 동위원소에서 방출되는 방사선 입자의 파형을 상기 아날로그 잡음으로 제공하고,
    상기 QTP 생성부는
    난수발생기에 상기 암호화 시드를 제공하여 양자 난수를 생성하고 상기 양자 난수를 특정 자리수의 숫자 또는 바코드 또는 QR코드 형태로 변환하여 상기 일회용 양자 비밀번호인 QTP로서 제공하며, 상기 암호화 시드에 대해 암호학적 안전성을 보장하고 외부 장치와의 상기 QTP를 소통하는 펌웨어를 포함하고,
    상기 펌웨어는
    블록암호, 해시함수, 메시지 인증코드, DBRG 난수발생기, 키설정 및 ECDSA 전자서명의 암호기능을 수행하는 암호알고리즘 처리부; 및
    상기 블록암호에 사용되는 비밀키, 상기 메시지 인증코드에 사용되는 인증키 및 상기 전자서명에 사용되는 개인키의 보안매개변수를 키제로화 처리하는 중요 보안매개변수 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 암호화 시드 추출부는
    상기 임의의 시점마다 동일한 진폭을 가지는 순간적인 펄스를 생성하여 해당 펄스를 상기 디지털 잡음으로 결정하고, 상기 디지털 잡음의 펄스간의 시간간격을 샘플링해서 상기 암호화 시드로 결정하는 것을 특징으로 하는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 암호화 시드 추출부는
    상기 디지털 잡음의 펄스 수를 일정 시간마다 카운트하여 카운트한 펄스 수를 암호화 시드로 결정하는 것을 특징으로 하는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 암호화 시드 추출부는
    상기 동일한 진폭보다 적은 진폭을 가지는 기준 잡음을 주기적으로 발생시킨 후 각 주기마다 상기 디지털 잡음과 상기 기준 잡음을 비교하고, 상기 비교를 통해 상기 디지털 잡음의 발생 시점을 검출하고 상기 기준 잡음의 발생 카운트를 기초로 상기 임의의 시점을 결정하여 상기 임의의 시점을 상기 암호화 시드로 추출하는 것을 특징으로 하는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 펌웨어는
    양자 엔트로피 칩(QEC)에서 생성되는 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 전송받아 암호알고리즘 처리과정을 수행하여 난수를 생성하고 생성된 난수를 일회용 비밀번호인 QTP로 발급하여 발급된 QTP를 UART 인터페이스를 통해 외부 장치와 통신을 통해 소통하도록 하는 것을 특징으로 하는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 장치.
  9. 양자 방사선의 아날로그 잡음원을 발생하여 아날로그 잡음을 제공하는 양자 엔트로피 생성단계;
    상기 아날로그 잡음에 대한 디지털화를 통해 상기 양자 방사선의 입자가 검출되는 임의의 시점마다 순간적으로 발생되는 디지털 잡음을 제공하여 상기 디지털 잡음의 검출을 통해 상기 임의의 시점을 획득하여 상기 임의의 시점을 암호생성을 위한 암호화 시드로 추출하는 암호화 시드 추출단계; 및
    상기 암호화 시드에 기초하여 일회용 양자 비밀번호(QTP)를 생성하고 상기 일회용 양자 비밀번호의 발급 내역을 블록체인 상의 노드에 저장하는 QTP 생성단계를 포함하되,
    상기 양자 엔트로피 생성단계는
    알파(α), 베타(β) 또는 감마(γ) 방출 방사선 동위원소 중 하나의 방사선 동위원소에서 방출되는 방사선 입자의 파형을 상기 아날로그 잡음으로 제공하고,
    상기 QTP 생성단계는
    난수발생기에 상기 암호화 시드를 제공하여 양자 난수를 생성하고 상기 양자 난수를 특정 자리수의 숫자 또는 바코드 또는 QR코드 형태로 변환하여 상기 일회용 양자 비밀번호인 QTP로서 제공하는 단계; 및
    상기 암호화 시드에 대해 암호학적 안전성을 보장하고 외부 장치와의 상기 QTP를 소통하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 엔트로피 기반 일회용 양자 비밀번호 생성 방법.
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