Earticle

The advent of quantum computing raises concerns about data security, a core feature of blockchain technology. This study refines and extends existing analyses by separating the encapsulation mechanism (KEM) and the digital signature algorithm (DSA), thereby conceptualizing correctness. Using the Open Quantum Safe (OQS) library, this study benchmarked Kyber (KEM), Dilithium, FALCON, and SPHINCS+ (DSA), quantifying on-chain impacts such as signature size, gas costs, and verification latency on an Ethereumcompatible testnet. The results of this study demonstrate that Dilithium offers a balanced tradeoff between security and throughput, while SPHINCS+ remains impractical in high-transaction-per-second environments. Kyber demonstrates superior KEM efficiency, making it suitable for session key distribution in hybrid blockchain architectures.

양자 컴퓨터 기술의 발전에 따라 현재 사용되고 있는 암호 알고리즘과 시스템들이 위협받고 있다. 이러한 시대적 흐름에 따라 양자 컴퓨터로도 쉽게 해결할 수 없는 양자내성암호의 개발이 요구되고 있으며, 미국 NIST 에서는 양자내성암호의 표준화를 위한 공모전을 진행하고 있다. 본 논문에서는 공모전 최종 후보 중 하나인 NTRU 알고리즘을 가속화하기 위한 성능 분석을 진행하였다.

양자컴퓨터 시대가 눈앞에 도래한 지금 차세대 암호로 주목받고 있는 양자 내성 암호는 다양한 수학적 알고리즘에 안전성을 기반하고 있으나 이 안전성을 위협하는 대표적인 공격 기법 중 하나인 부채널 분석 공격에 대응하기 위한 노력들이 계속되어 왔다. 이 논문에서는 코드 기반 양자 내성 암호를 중심으로 알고리즘에 위협적인 부채널 분석 공격에 대한 연구 동향을 분석하였다. 그리고 NIST 에서 PQC 표준화를 위해 Round 를 진행 중인 후보 중 하나인 코드 기반 알고리즘 MEDS 에 대해 소개하고, MEDS 알고리즘의 최적화를 위해 기존에 연구되었던 코드 기반 암호에 대한 부채널 분석 공격 대응 측면에서의 알고리즘의 안전성 확보라는 보안 비용과 하드웨어 가속 등을 통한 성능 향상이 적절한 조화를 이룰 수 있도록 설계하기 위한 방안에 대해 알아보았다.

최근 양자 내성 암호 표준화 사업을 진행 중인 미국의 국립표준기술연구소는 표준화가 확정된 4개의 알고리즘을 발표하였다. 본 논문에서는 PKE/KEM 분야에서 표준화가 확정된 CRYSTALS-KYBER 알고리즘의 복호화 과정 중 비프로파일링 기반 전력 분석 공격인 CPA(Correlation Power Analysis)와 DDLA(Differential Deep Learning Analysis)에 의해 개인 키가 노출될 수 있음을 보이고자 한다. 실험 결과 개인 키의 일차 다항식 계수복구에 성공하였으며, 특히 DDLA에서는 중간 값의 해밍 웨이트(Hamming Weight)를 라벨로 사용하는 모델에서 평가 기법인 NMM(Normalized Maximum Margin)의 값이 13.0으로 가장 높은 값을 가져 개인 키를 복구할 수 있는 것을 확인하였다. 또한, 복호화 과정 중 암호문을 랜덤하게 분할하고 계수별 곱셈 연산의 시작 지점을 랜덤화하는 방어 기법을 적용하면 상기한 공격을 방어하는 것을 확인하였다.

Recently, the National Institute of Standards and Technology (NIST) announced four cryptographic algorithms as a standard candidates of Post-Quantum Cryptography (PQC). In this paper, we show that private key can be exposed by a non-profiling-based power analysis attack such as Correlation Power Analysis (CPA) and Differential Deep Learning Analysis (DDLA) on CRYSTALS-KYBER algorithm, which is decided as a standard in the PKE/KEM field. As a result of experiments, it was successful in recovering the linear polynomial coefficient of the private key. Furthermore, the private key can be sufficiently recovered with a 13.0 Normalized Maximum Margin (NMM) value when Hamming Weight of intermediate values is used as a label in DDLA. In addition, these non-profiling attacks can be prevented by applying countermeasures that randomly divides the ciphertext during the decryption process and randomizes the starting point of the coefficient-wise multiplication operation.

NIST(National Institute of Standards and Technology)에서는 2016년부터 양자컴퓨팅 환경을 대비하여 양자내성암호 표준화 사업을 진행하고 있다. 현재 3라운드가 진행 중이며, 대부분 후보자(5/7)는 격자기반 암호이다. 격자기반 암호는 효율적인 연산 처리와 적절한 키 길이를 제공하여 다른 기반의 양자내성 암호보다 리소스가 제한적인 임베디드 환경에서도 적용이 가능하다는 평가를 받고 있다. 그중 SABER KEM은 효율적인 모듈러스와 연산 부하가 큰 다항식 곱셈을 처리하기 위해 Toom-Cook 알고리즘을 제공한다. 본 논문에서는 ARMv8-A 환경에서 ARM/NEON을 활용하여 SABER의 Toom-Cook 알고리즘에서 평가와 보간 과정에 대한 최적화 구현 방법을 소개한다. 평가과정에서는 ARM/NEON의 효율적인 인터리빙 방법을 제안하며, 보간 과정에 서는 다양한 임베디드 환경에서 적용 가능한 최적화된 구현 방법론을 소개한다. 결과적으로 제안하는 구현은 이전 레퍼런스 구현보다 평가과정에서는 약 3.5배 보간과정에서는 약 5배 빠른 성능을 달성하였다.

Since 2016, National Institute of Standards and Technology (NIST) has been conducting a post quantum cryptography standardization project in preparation for a quantum computing environment. Three rounds are currently in progress, and most of the candidates (5/7) are lattice-based. Lattice-based post quantum cryptography is evaluated to be applicable even in an embedded environment where resources are limited by providing efficient operation processing and appropriate key length. Among them, SABER KEM provides the efficient modulus and Toom-Cook to process polynomial multiplication with computation-intensive tasks. In this paper, we present the optimized implementation of evaluation and interpolation in Toom-Cook algorithm of SABER utilizing ARM/NEON in ARMv8-A platform. In the evaluation process, we propose an efficient interleaving method of ARM/NEON, and in the interpolation process, we introduce an optimized implementation methodology applicable in various embedded environments. As a result, the proposed implementation achieved 3.5 times faster performance in the evaluation process and 5 times faster in the interpolation process than the previous reference implementation.