기술 요약: Witnessd: 적대적 붕괴를 통한 프로세스 증명 (Proof-of-Process)

1. 문제 정의

현재의 디지털 증거 시스템은 **소유권(ownership)**과 프로세스(process) 사이의 근본적인 간극으로 인해 어려움을 겪고 있다. 디지털 서명은 키의 소유와 콘텐츠의 인증을 증명하지만, 인간이 실제로 해당 콘텐츠를 생성했는지는 검증하지 못한다. 공격자는 언어 모델을 사용하여 텍스트를 생성하고, 사후에 중간 문서 상태를 구성한 뒤 각 해시에 서명함으로써, 내용의 기원에 대해 아무것도 증명하지 못하는 유효한 서명 체인을 만들어낼 수 있다.

기존의 접근 방식들은 적대적 환경에서 이 문제를 해결하는 데 실패한다:

• **탐지 시스템(Detection systems)**은 경합 상황에서 존재하지 않는 '그라운드 트루스 오라클(ground truth oracle)'에 의존한다. 95%의 정확도를 가진 탐지기도 공격자가 목표로 하는 5%의 사례를 통제하고 있다면 무용지물이다.
• **인증(Certification)**은 제3자에 대한 사회적 신뢰에 의존하며, 이는 타협되거나 강요될 수 있다.
• **암호학적 무결성(Cryptographic integrity, 서명)**은 서명 이후에 비트가 수정되지 않았음을 증명할 뿐, 해당 비트가 특정 물리적 프로세스에 의해 생성되었음을 증명하지는 않는다.

본 논문은 증거 시스템이 탐지 정확도나 인증 기관에 의해 평가되는 것이 아니라, **그럴듯한 대안적 설명의 공간을 붕괴(collapse the space of plausible alternative explanations)**시키는 능력에 의해 평가되어야 한다고 주장한다.

2. 방법론

적대적 붕패 원칙 (The Adversarial Collapse Principle)

핵심적인 이론적 기여는 적대적 붕괴 원칙이다. 본 논문은 견고한 증거 시스템이 모든 도전자를 막연한 의구심에서 **구체적 혐의(Specific Allegations)**로 이동하게 만든다고 상정한다.

• 구체적 혐의 기준: 증거를 반박하려는 공격자는 구체적인 메커니즘을 명시하고, 제한된 시간 범위를 식별하며, 특정 능력 수준을 암시하고, 독립적으로 테스트 가능한 주장을 제시해야 한다.
• 적대적 붕괴: 증거는 반박하기 위해 **독립적인 신뢰 가정(independent trust assumptions)**을 가진 여러 구성 요소에 대한 구체적인 혐의의 결합을 요구할 때 "붕괴"를 달성한다. 하나의 구성 요소를 반박하는 것만으로는 불충분하며, 전체를 반박하려면 서로 다른 신뢰 경계(예: 커널, 하드웨어, 제3자 앵커)에 걸친 조율된 침해를 혐의로 제기해야 한다.

지터 실 (The Jitter Seal: 프로세스 증명 프리미티브)

**지터 실(Jitter Seal)**은 문서 생성 중에 실제 물리적 키보드 상호작용이 발생했음을 증명하기 위해 설계된 암호학적 프리미티브이다.

• 메커니즘: 시스템은 문서 생성 과정 중에 인지할 수 없는 마이크로초 단위의 지연(500–3000 $\mu$s)을 주입한다.
• 암호학적 결합: 각 지터 값은 세션 비밀값($S$)과 여섯 가지 결합 구성 요소로부터 HMAC-SHA256을 통해 유도된다:
  1. 키스트로크 순서 ($i$)
  2. 문서 해시 ($H_i$)
  3. 타임스탬프 ($t_i$)
  4. 존 전환 ($Z_i$): 특정 키를 드러내지 않고 키보드 영역 전환(8개 존)을 인코딩함.
  5. 인터벌 버킷 ($B_i$): 키 간격(inter-keystroke intervals)을 10개의 빈(bin)으로 양자화함.
  6. 이전 지터 ($J_{i-1}$): 체인 무결성을 보장함.
• 보안성: 세션 비밀값이 없다면 공격자는 일련의 지터 값을 위조할 수 없다. $n$개의 샘플에 대해 유효한 지터 값을 추측할 확률은 $(1/R)^n$이며, 여기서 $R$은 지터 범위이다.

Witnessd 아키텍처

Witnessd는 적대적 붕괴 원칙을 강제하기 위해 지터 실을 다섯 가지 독립적인 검증 체크포인트와 통합한다:

1. 레이어 0 (Jitter Seal): 물리적 프로세스를 증명한다.
2. 레이어 1 (Verifiable Delay Functions - VDF): Pietrzak VDF를 사용하여 체크포인트 사이의 최소 경과 시간을 증명함으로써 시간 압축 공격을 방지한다.
3. 레이어 2 (외부 앵커): 타임스탬프를 공공 제3자 소스(OpenTimestamps를 통한 비트코인 블록체인 또는 RFC 3161 TSA)에 고정하여 로컬 시계 조작을 방지한다.
4. 레이어 3 (이중 소스 검증): 애플리케이션 레벨 스트림(예: CGEventPost)과 하드웨어 레벨 스트림(USB/Bluetooth HID)을 교차 참조하여 키스트로크를 검증한다. 유효한 키스트로크는 50ms 이내에 양쪽 모두에서 나타나야 한다.
5. 레이어 4 (TPM/Secure Enclave): 플랫폼 상태 및 단조 카운터(monotonic counters)를 위한 선택적 하드웨어 어테스테이션을 제공하여 재생 공격을 방지한다.
6. 레이어 5 (해시 체인): 추가 전용(append-only) 무결성을 보장하기 위해 머클 산맥 트리(Merkle Mountain Range, MMR)에 증거를 저장한다.

3. 주요 기여

1. 적대적 붕괴 원칙: 막연한 의구심보다 테스트 가능한 구체적 혐의를 강제하는 것을 우선시하는 증거 시스템의 새로운 평가 기준.
2. 지터 실 (Jitter Seal): 물리적 타이핑 역학(타이밍, 존 전환)을 문서 상태에 암호학적으로 결합하는 공식적인 프로세스 증명 프리미티브.
3. Witnessd 아키텍처: 지터 실, VDF, 외부 앵커 및 이중 소스 검증을 결합하여 독립적인 신뢰 경계를 생성하는 다층 구조 시스템.
4. 보안 분석: 잔여 공격을 공식화하여, 시스템을 무력화하기 위해서는 일반적인 위조가 아닌 특정 고수준의 능력(예: 커널 침해, 제3자 공모)이 필요함을 입증함.
5. 경험적 평가: 수천 번의 실험을 통한 시스템 구현 및 테스트.

4. 결과 및 평가

본 논문은 31,000회의 지터 실 실험과 700회 이상의 시스템 테스트 결과를 보고한다:

• 검증 성공: 1,000개의 유효한 증명이 성공적으로 검증됨 (성공률 100%).
• 위조 실패: 30,000회의 공격 실험(조작된 지터, 불일치하는 문서, 잘못된 비밀값)이 검증에 실패함 (실패율 100%).
• 위조 확률: 50개의 샘플 시퀀스에 대해 약 $(1/2500)^{50} \approx 10^{-170}$으로 계산됨.
• 성능:
  • 지터 계산: 샘플당 약 286 ns.
  • 지터 주입: 500–3000 $\mu$s (인간에게 인지되지 않으며, 인지 임계값보다 5~27배 낮음).
  • VDF 검증: 약 50 ms (백그라운드 프로세스).
  • MMR 추가: 1 ms 미만.

5. 의의 및 주장

본 논문은 Witnessd가 충분히 강력한 공격자(특히 캡처 전부터 존재했던 커널 레벨의 공격자 $C_3$)에 의한 위조를 방지하지 못한다고 겸허히 주장한다. 공격자가 커널을 제어한다면 세션 비밀값을 덤프하여 증거를 위조할 수 있다.

그러나 본 시스템의 의의는 증명의 책임을 변화시키는 것에 있다:

• 그것은 막연한 회의론("이것은 조작되었을 수도 있다")을 반박 가능한 혐의("커nel이 14:00–14:47 기간 동안 CVE-XXXX를 통해 침해되었다")로 전환한다.
• 이 시스템은 내용의 인지적 기원(아이디어의 출처)이 아니라, 타이핑이라는 물리적 프로세스를 증명한다. 즉, 내용이 AI에 의해 생성된 텍스트라 할지라도, 그것을 타이핑하는 '과정' 자체를 증명한다.
• 독립적인 신뢰 경계(하드웨어, OS, 제3자 앵커)에 걸친 조율된 침해를 요구함으로써, 시스템은 성공적인 공격에 필요한 비용과 구체성을 현재의 서명 기반 출처 증명보다 훨씬 높게 만든다.

저자들은 결론적으로, 적대적 맥락에서 유효한 증거를 위해서는 물리적으로 내용을 타이핑하는 인간이 필요하며, 시스템의 능력은 "가짜를 탐지하는 것"에서 "그럴듯한 부인 가능성을 붕괴시키는 것"으로 패러다임을 전환하는 데 있다는 점을 강조한다.