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Research

효율성과 안전성 높인 광학기반의 데이터 암호화 기법 개발

  • 조회. 952
  • 등록일. 2020.05.13
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 문인규 교수팀, 기존의 암호화 알고리즘을 광학적으로 구현하는 방법 고안

파형을 통해 이미지 크기의 비밀키를 제작·공유해... 향후 빅데이터 고속 암호화에 활용 기대

 

<로봇공학전공 문인규 교수(왼쪽뒤) ,로봇공학전공 박성환 석박사통합과정생(왼쪽앞), 로봇공학전공 정온지 석박사통합과정생(오른쪽뒤), 로봇공학연구소 김유현 연구원 (오른쪽앞)>
<로봇공학전공 문인규 교수(왼쪽뒤), 로봇공학전공 박성환 석박사통합과정생(왼쪽앞), 정온지 석박사통합과정생(오른쪽뒤), 로봇공학연구소 김유현 연구원(오른쪽앞)>
 
 DGIST 로봇공학전공 문인규 교수팀은 다양한 비정형 빅데이터의 암호화에 필요한 대용량 비밀키를 빠르고 안전하게 공유할 수 있는 랜덤위상키 교환 기법을 개발했다. 개발된 기술은 효율적인 빅데이터 암호화에 활용 가능한 핵심적인 원천기술로, 향후 관련분야 기술개발에서의 다양한 적용이 기대된다.

 네트워크상에서의 데이터 공유·전송의 보안을 위해서 사용자들은 데이터 암호화나 이를 해제하기 위한 ‘비밀키’를 이용한다. 기존 암호화에는 ‘디피-헬만 비밀키 교환(Diffie–Hellman Key Exchange) 알고리즘’이 많이 사용됐는데, 이는 생성하는 비밀키 용량에 한계가 있었다. 또한 단순한 문서나 형식이 있는 데이터의 암호화에 최적화돼 있어, 홀로그램이나 영상, 일정한 형식이 없는 비정형 데이터를 암호화하기엔 연산이 복잡해지고 처리속도가 증가하는 단점이 있었다.

 이에 로봇공학전공 문인규 교수팀은 기존 암호화 방식을 광학(光學)적인 원리로 작동하는 새로운 방식을 고안했다. 이는 기존보다 큰 용량의 비밀키 생성이 가능하다. 또 기존의 암호화 방식은 비밀키의 용량이 커지면 안전성을 보장할 수 없었지만 이번 문 교수팀이 개발한 방식은 이중랜덤위상인코딩(DRPE, Double Random Phase Encoding)1)을 통해 비밀키의 용량에 관계없이 안정성을 보장한다. 또한 달리 홀로그램이나 영상처럼 고용량의 정보나 비정형 데이터의 효율적이고 신속한 암호화와 이를 효과적으로 공유할 수 있는 장점이 있다.

 특히 이번에 고안된 기술은 사용자들끼리 복소수 정현파 파형의 형태로 비밀키의 정보를 주고받고, 개인이 소유한 비밀지수로 파형을 풀어 비밀키를 제작하거나 공유할 수 있도록 했다. 이는 파형을 전달하는 과정에서 해커가 가로채더라도 물결처럼 반복되는 파형에서 암호해독에 필요한 정보가 숨겨진 위상을 찾고 비밀키를 생성해야하기 때문에 해킹이 매우 어렵다.

 이처럼 문인규 교수팀이 고안한 암호화 기법은 사용자간의 안전성과 더불어 대용량의 빅데이터를 안전하게 암호화·공유할 수 있는 가능성을 보여줬다. 이는 향후 의료계에서 환자를 촬영한 고해상도의 촬영 이미지나 금융권에서 관리하는 개인정보처럼 굉장히 민감하지만 용량이 매우 큰 정보를 빠르게 암호화하고 이를 안전하게 공유하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 로봇공학전공 문인규 교수는 “이번 연구는 정형화된 데이터나 비정형의 빅데이터를 고속으로 암호화하는데 기존의 블록암호기술이 갖는 근본적인 한계를 극복하는 새로운 암호체계 개발 연구가 필요하다고 판단해 시작했다”며 “향후 연구를 더 진행해 이번에 고안한 암호시스템이 차세대 암호체계의 주요 핵심기술로 활용될 수 있도록 더 노력하겠다”고 밝혔다.

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1) 이중랜덤위상인코딩(DRPE, Double Random Phase Encoding): 2차원 이미지를 암호화시킬 때 한번, 공간주파수 영역에서 한번, 두 개의 서로 다른 일반적인 랜덤위상 마스크를 사용해서 그 이미지를 위상-인코딩함으로서 암호화하는 방식

 

 

    연구결과개요 

Secure Random Phase Key Exchange Schemes for Image Cryptography
(Youhyun Kim, Minwoo Sim, Inkyu Moon*, and Bahram Javidi published on December, 2019) 


 종래의 디피-헬만 비밀키 교환 기법은 기존 블록암호체계에서 정형화된 데이터를 암호처리 하는데 유용하지만 영상이나 비정형 데이터를 처리하기에는 연산이 과도하게 복잡해지는 등의 한계점이 있다. 또한 -π에서 π 까지의 범위로 주어진 위상을 다루는 광학기반 이미지 암호화 시스템에 효율적으로 적용할 수 없는 한계점이 있다. 그래서 푸리에 광학기반으로 이미지를 암호화하기 위해 광학적으로 비밀키를 사용자간에 안전하게 교환할 수 있는 디피-헬먼 키교환 알고리즘의 광학 버전인 랜덤위상키 교환 기법을 제시하였다.

 제안된 기법은 기존의 디피-헬먼 키교환 알고리즘이 갖고 있는 비밀키 크기의 제한 및 연산속도 등의 근본적인 한계를 극복하는 매우 중요한 연구결과물이다.

 제안된 기법에서는 두 명의 사용자가 자신의 비밀지수와 -π에서 π 까지의 범위로 주어진 무작위 위상분포를 갖는 2차원 무작위 위상 마스크(RPM)를 사용하여 복소수 정현파 파형을 생성해서 상대방에게 전송한다. 한 사용자가 상대방 사용자로부터 전송받은 복소수 정현파 파형에 자신의 비밀지수를 적용함으로서 이미지 크기의 비밀키 생성 및 공유를 할 수 있게 된다. 제안된 기법에서는 공격자가 통신채널을 통해 사용자로부터 복소수 파형을 중간에서 가로챈다하더라도 2π 위상 주기성 때문에 가로챈 파형으로부터 각 사용자의 비밀지수 더 나아가 비밀키를 찾아내는 것은 쉽지 않다.

 사용자간에 공유된 비밀키를 이중랜덤위상인코딩(DRPE)과 같은 광학기반의 암호체계에 적용하여 영상, 홀로그램뿐만 아니라 비정형 데이터를 암호화시킬 수 있다. 이러한 개념을 확장시키면 특정한 그룹의 다중 사용자들 간의 상호인증, 비밀키 공유 및 비밀키를 이용한 다중 사용자들의 데이터를 효율적으로 암호화를 수행할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. DOI : 10.1109/JIOT.2019.2942048

 

 

    연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존의 디피-헬먼 키교환 알고리즘이 갖고 있는 비밀키 크기의 제한 및 연산속도 등의 근본적인 한계를 극복할 수 있는 이미지 크기의 비밀키 생성 및 사용자 상호간에 이 생성된 비밀키를 안전하게 공유할 수 있도록 하며, 이미지 크기의 공유키를 이중랜덤위상인코딩(DRPE)과 같은 광학기반의 암호시스템에 적용함으로서 영상, 홀로그램 뿐 아니라 비정형 데이터 등을 효율적으로 암호화 시킬 수 있다

Q. 어디에 쓸 수 있나?
의료 및 금융권 등 다양한 분야에서 발생하는 개인정보를 안전하게 처리할 필요가 있다. 이처럼 병원의 의사와 환자 사이에 인터넷을 통하여 중요한 개인 정보들을 교환할 경우, 제안된 기법은 안전하게 공유된 비밀키를 사용하여 데이터 암호처리를 제공해 줄 것으로 기대된다. 확장하여 특정 그룹의 사용자들 사이의 비밀키 공유 및 공유된 비밀키를 기반으로 특정 사용자 그룹 사이에서 데이터의 암호화를 수행할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
이미지 크기의 비밀키를 이용하여 빅데이터를 더욱더 효과적으로 암호화할 수 있는 기술 개발이 필요하며, 또한 단지 한 개의 영상데이터 암호화 뿐만이 아니라 다중의 영상데이터를 효과적으로 암호화하고 다중화할 수 있는 광학 기반의 암호시스템 개발에 대한 연구가 선행되어야 한다. 더 나아가 대용량의 이미지(예로 병원에서 환자의 특정 부위를 촬영한 이미지)들을 인터넷을 통해 안전하게 교환하는 동시에 데이터 무결성 보증을 동시에 수행할 수 있는 기법 개발이 필요한 상황이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
기존의 블록암호기술로는 정형화된 데이터뿐만 아니라 비정형 빅데이터를 고속으로 암호처리하기에는 연산속도, 블록크기 및 비밀키크기의 한계로 인하여 근본적인 한계점이 있으므로 푸리에 광학을 기반으로 하여 생성된 대용량의 이미지(예로 병원에서 환자의 특정 부위를 촬영한 이미지)들을 인터넷을 통해 안전하게 암호처리 하는 동시에 사용자간의 상호인증 및 데이터의 무결성을 보증하는 새로운 광학기반의 암호체계 개발에 대한 연구가 필요하다고 판단하였다.  

Q. 어떤 의미가 있는가?
기존의 디피-헬만 알고리즘과 대칭키 기반 암호 시스템이 갖고 있는 연산속도, 블록크기 및 비밀키 크기의 한계 등의 근본적인 문제점을 해결할 수 있는 차세대 암호체계에서 매우 중요한 핵심기술로 활용될 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
본 연구에서 제시된 기법을 확장하여 사람과 사람 사이뿐만 아니라 사람과 사물, 더 나아가 사물과 사물 사이에서도 정형 데이터를 포함한 다양한 유형의 정보 데이터들을 안전하게 교환할 수 있는 광학기반의 정보보호 시스템 개발 연구에 도움이 되었으면 한다.

 
 

    그림 설명 

[그림 1] 이미지 크기의 비밀키 교환 기법의 개략도

관련사진2.이미지 크기의 비밀키 교환 기법의 개략도

(그림설명) 사용자 A에 의해 생성된 복소수 정현파 파형인 (ejθ)a를 사용자 B에게 전송시켜 사용자 B의 비밀키인 [(ejθ)a]b를 생성시키는 개략도(a)와 사용자 A의 비밀키인 [(ejθ)b]a를 생성시키는 개략도(b).

양 사용자 동일한 비밀키를 생성하기때문에 안전하게 비밀키를 공유 할 수 있음. 여기서 RPM은 무작위 위상 마스크, FR 및 FR-1은 각각 프레넬 및 역 프레넬 변환을 나타내고, λ는 전파광의 파장를 d는 전파거리이다. {λA,dA}B는 사용자 B의 공개키를 사용하여 (λA,dA)를 암호화시킨 것을 의미하고 [{λA,dA}B]B는 사용자 B의 개인키를 사용하여 {λA,dA}B를 해독한 것을 의미한다.

 

[그림 2] 광학 기반 암호화 개략도(좌) 및 적혈구의 홀로그램을 이용한 암호화 및 복호화 결과(우)
관련사진3.광학 기반 암호화 개략도(좌) 및 적혈구의 홀로그램을 이용한 암호화 및 복호화 결과(우)

(그림설명) 좌측 모식도는 공유된 비밀키를 적용한 광학기반 이미지의 암호화 개략도이다. 여기서 I는 홀로그램, RPM은 무작위 위상 마스크, SSK는 대칭 비밀키, FT는 푸리에 변환, E는 암호화된 이미지를 나타낸다.
우측 그림은 적혈구의 홀로그램을 이용한 암호화 및 복호화 결과들이다. 각각 적혈구 홀로그램(a), 암호화된 이미지의 진폭 및 위상 분포((b) 와 (c)), 올바른 SSK를 사용하여 복원된 홀로그램(d), 잘못된 SSK를 사용하여 복원된 홀로그램(e), 사용자가 복소수 정현파 파형을 이용하여 복원된 홀로그램(f), 25% 및 50%만이 정확한 SSK를 사용하여 복원된 홀로그램((g) 와 (h)).

 


 

 

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