KR20000020410A - 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법에 관한 것으로, 배제하고자 하는 단말기의 관련 정보 및 공통 모듈러값을 키 관리 센터에서 기지국을 통해 그룹 내의 모든 단말기로 동보송신하고, 배제하고자하는 단말기의 관련 정보 및 공통 모듈러값과 이를 수신한 각 단말기의 관련 정보를 이용하여 이산대수문제에 기인한 방식으로 공통 모듈러값에 의한 공격법 및 유클리드 알고리즘에 의해 공유키를 경신하므로써, 제외되는 특정 사용자(단말기) 및 제 3자로부터의 불법이나 결탁 공격에 안전하면서도 효율적인 방법으로 키를 공유할 수 있고, 계속적인 그룹 공통키의 경신을 효율적이며 안전하게 이룰 수 있는 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법이 제시된다.

Description

디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법
본 발명은 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법에 관한 것으로, 특히 디지털 이동통신 시스템에서 시큐리티 서비스의 일환으로 제공되고 있는 인증이나 암호 기능을 제공하는데 기본적으로 필요한 통신 상대방 간의 비밀키 공유시, 통화의 도청이나 단말기의 불법 복사 등에 의한 위조 사용으로부터 안전성을 제공하기 위한 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신 시스템은 그룹 내에 속하는 모든 단말기의 통신을 제어하는 일종의 센터로 구성된 스타형 네트워크를 이루고 있다. 암호 기능을 제공할 경우, 센터와 단말기간에 비밀리에 사전 분배된 그룹 공통 비밀키를 이용하여 모든 정보를 암호화한 후 동시에 모든 단말들에게 전송하게 된다.
그런데, 단말기의 보급이 증대하고 이동 무선 통신이 확대됨에 따라 불법 사용, 복제 단말을 이용한 통화 도용이나 무선 통화의 도청 등이 크게 증가하고 있다. 이러한 불법 사용에 대한 대책으로 가입자의 인증(authentication) 절차를 마련하여 불법적인 사용자의 통화 도용을 막고 정당한 가입자를 보호하면서 이동통신 사업자의 손실을 최소화하는 기술들이 개발되고 있다. 미국의 코드분할 다중접속(Code Division Multiple Access; CDMA) 방식, 유럽의 이동통신 세계화 시스템(Global System for Mobile communication; GSM) 등과 같은 이동통신 표준방식에서는 이미 인증을 포함한 시큐리티(security) 서비스를 권고하고 있으며 현재 사용중에 있다. 또한, 차세대 이동통신인 IMT-2000 에서도 인증 및 암호를 포함한 시큐리티 서비스를 표준으로 다루고 있다.
단말기의 분실로 인한 불법 도청이나 위조 사용 등의 허위 통신을 배제하고자 할 경우 즉, 그룹 내의 특정 단말기(이동국)를 배제하고자 할 경우, 센터는 가능하면 빠른 시간 내에 배제하고자 하는 단말기를 제외한 다른 단말기들을 위한 새로운 그룹 공유키(공통 비밀키)를 생성하여야 한다. 이러한 공유키 경신은 현재 진행되고 있는 통신에 아무런 영향을 미치지 않으면서, 배제하고자 하는 단말기를 배제한 후 가장 빠른 시간 내에 이루어져야 한다. 또한, 재공유 시간 동안 불법 단말기가 새로운 그룹 공유키를 가지지 못하도록 하여야 한다.
그러나 특정 그룹 간의 비밀키 공유로 인한 암호 통신 기술은 널리 알려져 왔지만 특정 그룹 간에 공유하여 사용되고 있던 비밀키의 변경이 필요할 경우, 특히 그룹 내의 사용자가 키 분실을 하여 새로운 그룹 공유키를 분배하고자 할 때의 기술은 아직 발전되어 있지 않은 상태이다.
종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 키를 분실한 이동국을 제외한 모든 그룹 내의 이동국에게 새로운 공유키를 재분배하는 기술을 사용하였다. 키를 분배하는 센터는 각 사용자의 비밀키를 이용하여 키 분실 사용자를 제외한 모든 사용자에게 새로운 공유키를 안전하게 전송한다. 그러나 이 방법은 센터가 많은 회수의 키 분배를 수행하여야 하고, 새로운 공유키 전송에 많은 시간이 소요되어 정상적인 통신을 방해하는 비효율적 방법이다.
새로운 비밀키 공유를 위한 또다른 방법으로는 RSA(Rivest, Shamir, Adleman) 공개키 암호의 공통 모듈러를 이용한 공격법을 활용한 방식이 있다. 이는 공유키를 분실한 특정 단말에 한해서만 새로운 키의 공유를 배제하는 것이다. 이 방법은 모든 사용자에게 새롭게 비밀키를 전송하는 방법에 비해서는 전송 데이터량이 그룹의 크기에 의존하지 않으므로 효율적이며 편리하다. 그러나 한번 새로운 그룹 공유키가 설정되고 나면 다음 그룹 공유키를 분배하기 위해서는 처음부터 관련 정보를 다시 전달해야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이산대수문제(discrete logarithm problem)에 기인한 공통 모듈러에 의한 공격법 및 유클리드 알고리즘을 활용하여 공유키를 분실한 특정 단말을 배제한 다른 모든 단말에게 그룹 공유키를 재분배하며, 각 단말기에 저장된 정보의 인덱스를 이용하여 공유키 경신을 위한 준비단계를 수행하지 않고 공유키 경신을 계속하여 수행할 수 있는 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법은 배제하고자 하는 단말기의 관련 정보 및 공통 모듈러값을 키 관리 센터에서 기지국을 통해 그룹 내의 모든 단말기로 동보송신하는 단계와, 상기 배제하고자하는 단말기의 관련 정보 및 공통 모듈러값과 이를 수신한 각 단말기의 관련 정보를 이용하여 이산대수문제에 기인한 방식으로 공통 모듈러값에 의한 공격법 및 유클리드 알고리즘에 의해 공유키를 경신하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 디지털 이동통신 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 디지털 이동통신 시스템에서 공유키 경신을 위한 준비 단계를 설명하기 위해 도시한 기능 블럭도.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법을 설명하기 위해 도시한 기능 블럭도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
101 : 이동국 102 : 기지국
103 : 이동통신 교환기 104 : 인증센터
A : 무선통신구간 B : 유선통신구간
201 : 인증센터(키 관리 센터) 202-1 내지 202-n : 스마트 카드
203-1 내지 203-n : 이동국
301 : 인증센터(키관리 센터) 302 : 기지국
303-1 내지 303-n : 이동국 304-1 내지 304-n : 스마트 카드
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 디지털 이동통신 시스템의 개략적인 구성도이다.
디지털 이동통신 시스템은 이동국(101), 기지국(102), 이동통신 교환기(103) 및 인증센터(104)로 구성된다. 일반적으로는 주 위치 등록 레지스터나 방문 위치 등록 레지스터도 포함될 수 있으나 본 구성도에서는 도시하지 않았다.
이동국(101)과 기지국(102) 간은 무선통신 구간(A)이고, 그 외의 구간은 유선통신 구간(B)이다. 이동국(101)은 이동통신 가입자가 소유한 이동전화기로서, 휴대용과 차량 탑재용을 포함하며 단말기라고도 불리운다. 기지국(102)은 어느 한 장소에 설치되며 이동국과 이동통신 교환기(103) 사이를 무선으로 접속한다. 이동통신 교환기(103)는 고정 전화망과 연동하여 무선 주파수나 채널 등을 관리하고, 이동국의 위치 추적, 핸드오버 기능 등을 제공한다. 인증센터(104)는 이동국 인증을 위한 키를 관리하고 가입자 인증 업무의 전반적인 동작을 담당한다.
본 발명에 이러한 이동통신 시스템이 적용될 경우 인증센터(104)는 키의 발생, 분배, 소거 등의 암호 및 인증에 관련된 전반적인 키 관리 업무를 담당하는 키 관리 센터의 역할 또한 수행하게 된다.
도 2는 디지털 이동통신 시스템에서 공유키 경신을 위한 준비 단계를 설명하기 위해 도시한 기능 블럭도이다.
동일한 그룹 내에서 암호나 인증 서비스를 제공하기 위해서는 동일한 비밀키를 그룹 내의 모든 이동국(단말기)이 공유하여야 한다. 한편, 특정 단말기가 그룹 내의 공유 비밀키를 분실하였을 경우에는 더 이상 해당 비밀키를 그룹 내에서 사용할 수 없으므로 그룹 비밀키를 경신하여야 한다. 이 경우, 분실된 단말기는 새로운 그룹 비밀키를 공유하지 못하도록 하면서 그룹 내의 비밀키 경신이 완전히 이루어지도록 하여야 한다. 이러한 키 분배나 재분배(경신)를 위해서는 통신을 시작하기 전에 준비 단계를 수행하여야 하며, 그 과정은 다음과 같다.
각 이동국(203-1 내지 203-n)이 키 관리 센터(201)로부터 발생된 각각의 스마트 카드(202-1 내지 202-n)를 직접 또는 간적접으로 수령하여 자신의 단말기에 장착하면 모든 준비 절차는 완료된다. 키 관리 센터(201)는 공유키 경신에 필요한 모든 관련 정보를 발생한다. 관련 정보에는 150디지트 이상의 큰 소수(Prime number) Pj, GCD(Tij, Tik)=1인 Tij, j≠k인 랜덤한 정수 Kj및 Yij, Yij -1이 있다. 이때, Pj는 공통 모듈러로 사용되고, Pj의 크기와 j의 크기는 시스템 파라미터로 안전성과 효율성을 고려하여 사용자가 임의로 정할 수 있다. Tij는 i번째 사용자의 j번째 그룹 비밀 공유키 경신시 사용자 고유의 비밀 정보를 뜻한다. 또한, Yij는 그룹 공유키를 자신의 비밀 정보인 Tij로 암호화한 값으로, 다음의 [수학식 1]을 통해 얻어진다.
Yij≡Kj Tij mod Pj
그리고 Yij -1는 Yij의 역(inverse)값으로, 공유키 경신시 단말기에서 필요한 값을 단말기에서의 계산 부담을 최소화하기 위해 키 관리 센터(201)에서 사전에 계산하여 저장하는 값이다.
키 관리 센터(201)에서 이상과 같은 정보를 발생하면, 해당 사용자별로 관련 정보를 해당 사용자의 스마트 카드에 주입하여 안전하게 배포한다. 해당 사용자별 관련 정보는 사용자 번호를 i라 할 때 다음의 [표 1]과 같다.
공유키 경신순번 사용자별 관련 정보
1 Ti1, Yi1, Yi1 -1
2 Ti2, Yi2, Yi2 -1
3 Ti3, Yi3, Yi3 -1
4 Ti4, Yi4, Yi4 -1
5 Ti5, Yi5, Yi5 -1
6 Ti6, Yi6, Yi6 -1
: :
N TiN, YiN, YiN -1
[표 1]과 같은 관련 정보는 각 이동국마다 다르며, 그룹 공유키의 경신 회수는 시스템 파라미터인 N에 의해 결정된다. N은 예를 들어 100 또는 1000이 될 수 있다. 이러한 비밀 정보는 실제로 비밀키 경신이 일어날 경우 모두 사용되며 다른 사용자 또는 불법 사용자에게 누설되지 않아야 한다. 카드가 분실될 경우에 대비하여 카드 내의 정보를 암호화하여 두거나 외부에 노출되지 않도록 물리적인 조치가 이루어져야 한다.
키 관리 센터(201)는 Pj, Tij, Yij, Yij -1를 안전하게 관리하여야 하며, 스마트 카드(202-1 내지 202-n)배포시 해당 이동국(203-1 내지 203-n)의 신원을 확인한 후 배포하여야 한다. 스마트 카드(202-1 내지 202-n) 배포는 키 관리 센터(201)가 아니라도 담당 영업 창구에서 수행할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법을 설명하기 위해 도시한 기능 블럭도이다.
그룹 내의 최초 공유키(공통 비밀키)는 그룹 내의 모든 사용자에게 비밀 정보가 수록된 스마트 카드가 키 관리 센터로부터 안전하게 배포된 이후 공유되게 된다. 도 3은 최초의 그룹 공통 비밀키가 사용되고 있던 중, 그룹 내의 특정 사용자가 카드(또는 단말기)를 분실하였거나 다른 특별한 사유로 인하여 특정 사용자를 배제하고 새로운 그룹 비밀키를 공유하고자 할 때의 방법을 나타낸다. 각 이동국은 키 관리 센터로부터 스마트 카드를 수령하여 단말기에 장착하여 안전하게 사용중인 것으로 가정한다. 또한, 카드를 분실한 이동국을 이동국C(303-3) 라고 가정하고 이동국C(303-3)만을 배제한 상태에서 그룹 공유 비밀키를 경신하고자 한다.
인증 센터 또는 키 관리 센터(301)는 그룹 내의 공통 비밀키를 경신하기 위하여 카드 분실자의 카드 내에 수록된 비밀 정보인 TC1, YC1, YC1 -1및 공통 모듈러값(P1)을 그룹 내의 사용자에게 기지국(302)을 통하여 동보송신(broadcasting)한다.
이동국A(303-1)는 키 관리 센터(301)로부터 수신한 정보와 자신의 스마트 카드에 내장되어 있는 자신만의 비밀 정보를 이용하여 그룹 내의 새로운 공통 비밀키를 계산한다. 먼저, 이동국A(303-1)는 TC1과 TA1을 이용하여 다음의 [수학식 2]를 만족하는 a와 b를 유클리드 알고리즘(Euclidean Algorithm)을 이용하여 계산한다.
a ×TC1+ b × TA1= 1
계산된 결과인 a와 b는 어느 한쪽이 반드시 음의 정수가 된다. 만약 a가 음의 정수인 경우에는 다음의 [수학식 3]을 계산한다.
(YC1 -1)-a× YA1 bmod P1=K1 TC1×a× K1 TA1×bmod P1= K1mod P1
반면, b가 음의 정수인 경우에는 다음의 [수학식 4]를 계산한다.
YC1× (YA1 -1)-bmod P1=K1 TC1×a× K1 TA1×bmod P1= K1mod P1
이와 같이 계산하여 새로운 그룹 공통 비밀키 K1을 경신하게 된다.그러나 공유키(카드나 단말)를 분실한 이동국C(303-3)는 수신한 정보 TC1이 자신의 비밀 정보인 TC1과 동일하기 때문에, 유클리드 알고리즘을 이용하여도 a와 b를 계산할 수가 없다. 따라서 이동국C(303-3)는 그룹 내의 새로운 공통 비밀키 K1을 공유할 수가 없게 된다. 한편, 키를 분실하지 않은 다른 정상적인 사용자는 이동국A(303-1)와 마찬가지로 키 관리 센터(301)로부터 동보송신된 정보 즉, 분실된 이동국의 비밀 정보 TC1, YC1 -1, 공통 모듈러값 P1과 자신의 스마트 카드 내에 저장되어 있는 비밀정보 Ti1을 이용하여 1회째의 그룹 내 공통 비밀키 K1을 공유할 수 있게 된다.
j회째 그룹 내 공통 비밀키 Kj를 경신하는 경우도 이상에서 설명한 바와 같이 이루어진다. 키 분실 이동국이 이동국X라면, 키 관리 센터(301)로부터 수신되는 정보 TXj, YXj, YXj -1및 Pj와 각 사용자 카드 내의 비밀 정보 Tij, Yij, Yij -1를 이용하여 새로운 공유키를 계산한다.
이와 같은 방법에서는 공유키 경신을 위한 준비단계를 수행하지 않고 연속하여 별도의 그룹 내 공통 비밀키를 경신할 수 있다.
한편, 불법자에 의하여 허위의 공통 비밀키 경신 정보가 송신되는 것을 방지하기 위하여, 키 관리 센터가 송신하는 정보중 TXj의 디지털 서명을 추가하여 전송하면 비밀키 경신시 디지털 서명의 검증을 통하여 정당한 키 관리 센터로부터의 전송 정보임을 확인할 수 있다.
이와 같은 방법으로 공유키를 경신하는 경우, 제외되는 특정 사용자(단말기) 및 제 3자로부터의 불법이나 결탁 공격에 안전하면서도 효율적인 방법으로 키를 공유할 수 있고, 계속적인 그룹 공통키의 경신을 효율적이며 안전하게 이룰 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 디지털 이동통신 시스템에서의 공유키 경신시 동시 송신하는 정보의 양이 적으며, 이산 대수 문제에 기인한 방식으로 공통 모듈러에 의한 공격법을 사용하기 때문에 안전한 공통 비밀키의 경신이 이루어질 수 있다. 또한, 스마트 카드에 의한 각 사용자별 비밀 정보를 미리 분배하여 공유키 경신시 별도의 준비 단계를 필요로 하지 않으므로 계속하여 안전하고 효율적으로 사용할 수 있다. 그리고 필요한 경우, 키 관리 센터의 디지털 서명 기능을 이용하여 동시 송신하는 정보가 변경되지 않도록 함과 동시에 키 관리 센터로부터 송신되어진 정보라는 것을 입증할 수 있어 불법 키 경신에 대처할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 배제하고자 하는 단말기의 관련 정보 및 공통 모듈러값을 키 관리 센터에서 기지국을 통해 그룹 내의 모든 단말기로 동보송신하는 단계와,
    상기 배제하고자하는 단말기의 관련 정보 및 공통 모듈러값과 이를 수신한 각 단말기의 관련 정보를 이용하여 이산대수문제에 기인한 방식으로 공통 모듈러값에 의한 공격법 및 유클리드 알고리즘에 의해 공유키를 경신하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단말기의 관련 정보는 각 단말기에 장착되는 카드에 저장되는 것을 특징으로 하는 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단말기의 관련 정보는 공유키 경신 회수에 따른 각 단말기의 고유 정보와,
    상기 각 단말기의 고유 정보를 이용하여 그룹 공유키를 암호화한 정보와,
    상기 그룹 공유키를 암호화한 정보의 역(inverse) 정보로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 모듈러값은 소수인 것을 특징으로 하는 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 키 관리 센터가 그룹 내의 단말기로 동보송신하는 정보는 키 관리 센터의 디지털 서명을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 이동통신 시스템에 적합한 공유키 경신 방법.
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