DIT: A Decentralized Identity and Trust Protocol for Post-Quantum CA-Free Web Authentication

인터넷을 모든 상점, 은행, 집들이 자신의 신원을 증명할 수 있는 안전한 방법이 필요한 거대하고 북적이는 도시라고 상상해 보십시오. 현재 이 도시는 인증 기관(CA)이라고 불리는 거대한 중앙 집중식 "공증인" 시스템에 의존하고 있습니다. 이 CA들을 상점의 신분증에 도장을 찍을 수 있는 유일한 사람들로 생각해보십시오. 만약 공증인이 해킹을 당하거나 실수를 한다면, 도시 전체의 보안이 위험에 처하게 됩니다. 이를 해결하기 위해 도시는 상점들의 신분증이 매우 빠르게, 때로는 50일 미만으로 만료되도록 만들기 시작했습니다. 이는 지붕 자체를 고치는 대신 매주 지붕 타일을 교체하여 누수되는 지붕을 막으려는 것과 같습니다. 진짜 문제는 이 시스템이 이러한 중앙 집중식 공증인들에게 너무 의존하고 있다는 것이며, 강력한 양자 컴퓨터가 이 신분증의 자물쇠를 완전히 부술 수 있는 미래를 맞이할 준비가 되어 있지 않다는 것입니다.

이 논문은 DIT(탈중앙화된 신원 및 신뢰, Decentralized Identity and Trust)라는 새로운 디지털 신원 관리 방식을 소개합니다. DIT는 중앙 집중식 공증인에 의존하는 대신, 모든 상점이 자신만의 마스터 키를 보유하고 이를 도시의 공공 디렉토리(DNS 시스템)에 게시하며, 독립적이고 정직한 증인 그룹이 이를 확인하도록 제안합니다. 이 시스템은 양자 컴퓨터조차 깨뜨릴 수 없는 "미래 대비형" 수학을 사용하여 이 키들에 서명합니다. 저자들은 이 시스템의 작동 모델을 구축했으며, DIT가 현재의 시스템만큼 빠르게 신원을 증명하고 비밀을 유지할 수 있지만, 중앙 공증인 없이도 가능하다는 것을 발견했습니다. 그러나 그들은 또한 마스터 키를 분실할 경우, 복구 프로세스가 여전히 양자 컴퓨터가 깨뜨릴 수 있는 오래된 수학에 의존하고 있으며, 이 시스템 전체가 도시의 공공 디렉토리가 이미 안전하다는 전제하에 작동한다는 점을 인정합니다.

핵심 아이디어: 공증인 없애기

현재 웹이 보안을 유지하는 방식은 낯선 사람을 보증하기 위해 사람들의 연결 고리를 믿어야 하는 "전화기 게임(telephone)"과 비슷합니다. 당신은 브라우저를 믿고, 브라우저는 방문 중인 웹사이트를 보증하는 큰 기업(CA)을 믿습니다. 만약 이 큰 기업이 해킹을 당하면, 그들은 누구든 사칭할 수 있습니다. 논문은 이 연결 고리가 끊어졌다고 주장합니다. 해결책은 연결 고리를 짧게 만들거나 카드의 만료를 앞당기는 것이 아니라, 중간 관리자를 아예 제거하는 것입니다.

DIT는 웹사이트의 신원이 인터넷의 전화번호부(DNS)에 직접 연결되는 시스템을 제 제안합니다. CA가 인증서를 찍어주는 대신, 웹사이트는 자신의 전화번호부 항목에 "마스터 키"를 게시합니다. 이 항목은 전화번호부 자체의 보안 시스템(DNSSEC)에 의해 서명되며, 이것이 궁극적인 진실의 전달자 역할을 합니다.

3단계 보안 성채

중앙의 통제자 없이 이 시스템을 작동시키기 위해, 저자들은 세 층의 키로 이루어진 성채를 설계했습니다.

1. 신원 키 (마스터 키): 이것은 웹사이트의 영구적인 오프라인 마스터 키입니다. 집의 권리증과 같습니다. 이것은 거의 변하지 않으며 매우 안전한 금고(또는 신뢰할 수 있는 사람들의 그룹)에 보관됩니다. 이것은 미래의 양자 컴퓨터로도 뚫을 수 없다고 믿어지는 특수한 "양자 내성" 자물쇠(ML-DSA-65)를 사용합니다.
2. 에포크 키 (일일 통행증): 매 24시간마다 웹사이트는 완전히 새로운 임시 키를 생성합니다. 이것은 건물에 단 하루 동안만 출입할 수 있게 해주는 일일 통행증과 같습니다. 마스터 키는 이 일일 통행증이 진짜임을 확인하기 위해 여기에 서명합니다. 만약 해커가 일일 통행증을 훔치더라도, 그것은 단 하루 동안만 유효하며 그 후에는 스스로 파괴됩니다.
3. 세션 키 (악수): 당신이 웹사이트를 방문할 때, 당신과 서버는 특정 대화만을 위한 비밀 코드를 만들기 위해 악수를 합니다. 이는 누군가가 오늘 당신의 대화를 녹음하더라도, 나중에 키를 훔쳤을 때 내일 그 내용을 읽을 수 없도록 구형과 신형 수학(X25519 및 ML-KEM-768)을 혼합하여 사용합니다.

"정직한 증인" 시스템

마스터 키가 해커에 의해 전화번호부에서 바뀌지 않았음을 어떻게 알 수 있을까요? DIT는 신뢰 증인(Trust Witnesses) 시스템을 사용합니다. 일곱 명의 독립적인 감사인(배심원과 같은) 그룹이 웹사이트의 활동을 지켜본다고 상상해 보십시오. 웹사이트가 마스터 키를 변경할 때마다, 이들은 변경 사항에 동의하기 위해 일곱 명 중 최소 다섯 명의 서명을 받아야 합니다.

웹사이트 또한 모든 키 변경 사항이 기록되는 유리 벽으로 된 일기장과 같은 공공 "투명성 로그"를 유지합니다. 만약 해커가 증인들의 승인 없이 키를 바꾸려 한다면, 대중은 이를 즉시 볼 수 있습니다. 저자들은 일곱 명의 증인 중 적어도 세 명이 정직하다면 해커가 시스템을 속일 수 없음을 수학적으로 증명했습니다.

"양자 내성"의 약속

DIT의 가장 흥미로운 점은 미래를 위해 구축되었다는 것입니다. 저자들은 양자 컴퓨터의 공격을 견디도록 설계된 새로운 유형의 수학(격자 기반 암호학)을 사용했습니다.

• 인증: 신원을 검증하는 데 사용되는 서명은 양자 내성이 있습니다.
• 비밀 유지: 비밀을 교환하는 방식 또한 양자 내성이 있습니다.

하지만 논문은 한 가지 약점에 대해 매우 솔직합니다: 바로 **복구(Recovery)**입니다. 만약 마스터 키를 분실하거나 도난당하면, 웹사이트는 새로운 키를 얻을 방법이 필요합니다. 현재의 복구 방식은 양자 컴퓨터에 취약한 구형 수학(FROST-Schnorr)을 사용합니다. 저자들은 이 복구 경로가 양자 내성이 아님을 명시적으로 밝히며, 더 나은 양자 내성 복구 도구가 마련되면 이를 수정하기 위한 미래의 업데이트가 필요하다고 제안합니다.

이것이 실제로 작동하는가?

저자들은 단순히 이론만 쓴 것이 아니라, 작동하는 프로토타입을 구축하고 테스트했습니다.

• 속도: 사용자가 이전에 방문했던 사이트를 방문할 때("웜 패스", warm path), DIT는 현재 시스템만큼 빠르며 검증에 약 6 KB의 데이터만 사용합니다.
• 첫 방문: 사용자가 새로운 사이트를 처음 방문할 때("콜드 패스", cold path)는 증인 서명과 로그 기록을 다운로드해야 하므로 약간 더 많은 데이터(~34 KB)가 필요합니다. 하지만 이 비용은 한 번만 지불하면 되며, 이후의 모든 방문은 빠릅니다.
• 효율성: 일일 키가 자동으로 교체되기 때문에, 웹사이트는 일 년에 수천 번씩 인증서를 갱신할 필요가 없습니다. 저자들은 1,000개의 도메인을 가진 회사를 기준으로, 이를 통해 연간 8,000건의 갱신을 줄여 그 횟수를 0으로 만들 수 있다고 계산했습니다.

걸림돌: 보안된 전화번호가 필요함

논문은 결론적으로 중요한 현실 점검을 제시합니다. DIT는 훌륭한 새로운 엔진이지만, 달리기 위해서는 특정한 종류의 도로가 필요합니다. DIT는 인터넷의 전화번호부(DNS)가 DNSSEC로 보호되어야 합니다. 현재 웹의 아주 작은 부분만이 이 보안을 사용하고 있습니다. 만약 전화번호부 자체가 안전하지 않다면, 전체 DIT 시스템은 무너집니다.

또한, 이 시스템은 브라우저와 웹사이트가 이러한 새로운 표준을 채택해야 합니다. 저자들은 단계별 도입을 제안합니다: 먼저 브라우저 확장 프로그램으로, 그다음에는 내장 기능으로, 마지막에는 웹이 작동하는 기본 방식이 되는 순서입니다.

요약하자면, DIT는 당신이 단 하나의 중앙 권위체를 믿을 필요가 없고, 당신의 비밀이 미래의 양자 컴퓨터로부터 안전하며, 웹사이트가 끊임없이 신분을 갱신할 필요가 없는 웹을 만드는 방법을 제공합니다. 하지만 이것은 마법 지팡이가 아닙니다. 인터넷의 기초 인프라가 따라와야 하며, 키를 복구할 때 여전히 하나의 "클래식한" 약점을 가지고 있습니다. 저자들은 그것이 가능함을 보여주었지만, 이것이 새로운 표준이 되기 위한 여정은 이제 막 시작되었습니다.