TPM-Free Post-Quantum Attestation for Legacy Industrial Control Devices Using Commodity-Hardware Trusted Execution

당신이 몰래 가져간 방 열쇠를 가진 비열한 룸메이트로부터 비밀 일기를 안전하게 지키려 한다고 상상해 보십시오. 컴퓨터 보안의 세계에서 이것은 궁극의 악몽입니다. 운영체제(방)가 침해되었고, "경비원"(보안 소프트웨어)이 그 방 안에 살면서 벽이 여전히 잘 서 있는지 확인하려 하는 상황입니다. 보통, 신뢰할 수 있는 확인을 얻는 유일한 방법은 집 안에 룸메이트가 손댈 수 없는 특수하고 강화된 금고(전용 보안 칩)를 만드는 것입니다. 하지만 문제는, 전력망이나 정수 처리 시설을 제어하는 것과 같은 수백만 대의 오래된 산업용 기계들이 수십 년 전에 만들어졌다는 점입니다. 이 기계들은 튼튼하고 신뢰할 수 있으며 밀봉되어 있지만, 이런 새롭고 화려한 금고를 넣을 공간이 없습니다.

이제, 미래의 "양자" 컴퓨터가 따낼 수 있는 새로운 종류의 자물쇠를 상상해 보십시오. 우리는 이 오래된 기계들을 이 새로운, 따낼 수 없는 자물쇠를 사용하도록 업그레이드해야 하지만, 새로운 하드웨어를 설치하기 위해 기계를 열 수는 없습니다. 여기서 논문이 등장합니다. 이 논문은 "원격 검증(remote attestation)"이라는 컴퓨터 과학의 까다로운 영역을 다룹니다. 이는 단순히 "멀리 떨어진 누군가에게 내 컴퓨터가 올바른 소프트웨어를 실행 중이며 해킹되지 않았음을 어떻게 증명할 것인가?"라는 뜻입니다. 이 논문은 대담한 질문을 던집니다. 해킹된 컴퓨터가 직접 검사를 수행하지 않고도, 그 컴퓨터의 건강 상태를 확인할 수 있을까? 그 답은 "최면(hibernation)"이라는 기능—보통 작업을 저장하고 컴퓨터를 껐다가 다시 시작할 때 그대로 이어갈 수 있게 해주는 기능—을 사용하는 영리한 트릭에 있습니다.

"잠자는 미녀" 보안 체크

이 논문은 오래된 산업용 컴퓨터가 이미 해킹되었더라도 안전한지 확인할 수 있는, 하드웨어가 필요 없는 영리한 방법을 제시합니다. 저자인 테자스바 자드하브(Tejasva Jadhav)는 컴퓨터의 "최면" 모드를 강력한 보안 체크포인트로 바꾸는 방법을 제안합니다.

이 마법이 어떻게 작동하는지 간단한 비유를 통해 설명하겠습니다. 컴퓨터를 바쁘고 혼란스러운 주방이라고 상상해 보십시오. "OS"(운영체제)는 헤드 셰프입니다. 만약 해커가 침입한다면, 그들은 변장을 한 셰프가 되어 팬트리에 훔친 식재료(악성코드)를 숨기고 직원(보안 요원)들에게 모든 것이 괜찮다고 말할 수도 있습니다. 보통, 당신은 직원들을 믿을 수 없습니다. 왜냐하면 그들은 가짜 셰프의 명령을 받고 있기 때문입니다.

논문의 해결책은 주방에 **최면(hibernate)**을 걸라고 지시하는 것입니다. 컴퓨터 용어로 최면이란 기계가 전체 메모리(주방의 전체 상태)의 완벽하고 얼어붙은 스냅샷을 하드 드라이브에 저장하고 스스로 꺼지는 것을 의미합니다.

트릭:

1. 동결(The Freeze): 컴퓨터가 최면에 빠질 때, "가짜 셰프"(해커)와 그들의 모든 속임수는 움직임을 멈춥니다. 그들은 하드 드라이브 위에 정적이고 얼어붙은 사진으로 변합니다. 그들은 더 이상 살아있지 않기 때문에 숨을 수도, 거짓말을 할 수도, 아무것도 바꿀 수도 없습니다.
2. 클린 룸(The Clean Room): 기계가 꺼지면, 컴퓨터의 펌웨어(컴퓨터의 BIOS나 기본 두뇌와 같은 UEFI)에 살고 있는 작고 매우 안전한 프로그램이 깨어납니다. 이 프로그램은 "클린 룸" 검사관과 같습니다. 이 프로그램은 주방 내부에서 실행되는 것이 아니라, 하드 드라이브에 있는 얼어붙은 사진을 외부에서 들여다봅 만큼 외부에서 실행됩니다.
3. 체크(The Check): 검사관은 얼어붙은 사진을 읽습니다. 해커는 지금 단순한 얼어붙은 이미지 상태이므로서 식재 liệu를 숨길 수 없습니다. 검사관은 얼어붙은 주방의 "지문(해시)"을 채취하고, 이를 새로운, 매우 강력한 "포스트 퀀텀(양자 내성)" 서명(미래의 양자 컴퓨터조차 깰 수 없는 디지털 인장)으로 서명합니다.
4. 깨우기(The Wake-Up): 검사관은 이 서명된 보고서를 원격 검증자(상사)에게 보내고, 그 후 컴퓨터는 깨어나 이전과 똑같은 상태로 주방을 복구합니다. 셰프와 직원들은 자신들이 검사받았다는 사실조차 모른 채, 그저 요리를 계속합니다.

이것이 왜 중요한가

이 논문은 이 방법이 "레거시(legacy, 구형)" 산업용 장치들의 거대한 문제를 해결한다고 주장합니다. 이 장치들은 전력 발전소나 정수 시스템과 같은 핵심 인프라를 실행합니다. 이들은 특수 보안 칩(TPM 등)을 갖추기에는 너무 오래되었고, 장시간 가동을 중단하기에는 너무 중요합니다.

• 새로운 하드웨어가 필요 없음: 저자들은 새로운 칩을 사거나 기계의 케이스를 열 필요가 없음을 보여줍니다. 이 방식은 특수한 보안 기능이 없는 표준적인 범용 하드웨어(commodity hardware)에서 작동합니다.
• "그때"가 아닌 "지금"을 체크함: 대부분의 보안 체크는 컴퓨터가 처음 켜졌을 때의 상태만을 확인합니다(부팅 시점). 하지만 해커들은 종로가 실행되는 동안까지 기다렸다가 공격하는 경우가 많습니다. 이 방법은 컴퓨터를 실행 중인 상태에서 (먼저 얼린 다음) 체크하므로, 현재 활동 중인 해커를 잡아낼 수 있습니다.
• 양자 내성(Quantum-Proof): 사용된 디지털 서명은 미래의 강력한 양자 컴퓨터에 대해서도 안전하도록 설계된 새로운 표준인 "CRYSTULS-Dilithium"을 기반으로 합니다.

논문이 실제로 발견한 것 (그리고 발견하지 못한 것)

저자들은 이 아이디어를 테스트하기 위해 표준 노트북에 작동하는 프로토타입을 구축했습니다. 여기서 그들은 다음과 같은 사실을 발견했습니다.

• 작동함: 그들은 컴퓨터가 최면에 빠지고, 펌웨어가 얼어붙은 메모리를 확인하며, 양자 내성 알고리즘으로 보고서를 서명한 뒤, 다시 컴퓨터를 깨우는 순환 과정을 성공적으로 구현했습니다.
• 속도: 보안 체크 자체(서명 및 해싱)는 매우 빨라서 1초도 걸리지 않았습니다. 그러나 전체 과정은 약 14초에서 27초가 소요되었는데, 이는 컴퓨터가 커다란 메모리 이미지(테스트에서 24GB)를 하드 드라이브에 쓰고 읽어야 했기 때문입니다. 이것이 이 방법의 "비용"입니다. 즉, 체크를 하기 위해 기계를 잠시 멈춰야 합니다.
• 한계점: 논문은 자신들이 하지 못하는 부분에 대해서도 매우 솔직합니다.
  • 이 방법은 컴퓨터의 펌웨어(OS가 시작되기 전의 "두뇌")를 이미 감염시킨 해커를 막을 수 없습니다. 만약 두뇌가 오염되었다면, 검사관은 거짓말을 하고 있는 것입니다.
  • 이 방법은 끊임없이 변하는 데이터(예: 실행 중인 카운터)만을 건드리는 해커를 잡을 수 없습니다. 왜냐데 체크는 변하지 않아야 할 "얼어붙은" 부분만을 보기 때문입니다.
  • 모든 장치를 위한 마법의 해결책은 아닙니다. 이 방식은 장치가 최면 기능을 지원해야 하며, 몇 초간 멈추는 것이 재앙(예: 심박 측정기나 원자력 발전소를 멈추는 것)을 초래하지 않을 만큼 견딜 수 있어야 합니다.

결론

이 논문은 까다로운 문제에 대한 아주 영리한 우회책을 제시합니다. 오래된 기계 안에 새롭고 비싼 보안 요새를 구축하는 대신, 기계 고유의 "수면" 모드를 사용하여 나쁜 놈들을 그 자리에 얼려버림으로써 검사할 수 있게 합니다. 이는 우리가 하드웨어를 교체하지 않고도 오래된 핵심 산업 장치들에 양자 내성 보안 업그레이드를 제공할 수 있음을 증证明합니다. 단, 우리가 그들을 잠시 멈추고 메모리의 "셀카"를 찍을 수 있다는 조건 하에 말입니다. 이는 미래의 컴퓨터가 지금보다 훨씬 더 강력해지는 시대에 우리의 전력망과 수자원 시스템을 안전하게 지키는 저비용의 영리한 방법입니다.