Implementation and Evaluation of a Dilithium-Based Post-Quantum Blockchain Prototype

디지털 세계는 우리의 돈, 투표, 그리고 비밀을 안전하게 지키기 위해 자물쇠와 열쇠의 체계에 의존하고 있습니다. 수십 년 동안 이 자물쇠들은 인간이 풀기는 쉽지만 가장 강력한 컴퓨터조차 깨뜨리기는 거의 불가능한 수학적 퍼즐을 기반으로 구축되었습니다. 그러나 과학자들은 양자 역학의 기묘한 법칙을 사용하는 새로운 종류의 컴퓨터가 결국 이러한 자물쇠들을 몇 초 만에 부술 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 이러한 미래에 대비하기 위해, 연구자들은 양자 컴퓨터조차 해결할 수 없는 서로 다른 수학적 과제들을 기반으로 새로운 자물쇠를 설계하고 있습니다. 이 과정을 포스트 양자 암호학(post-quantum cryptography)이라고 부릅니다. 하지만 단순히 자물쇠를 교체하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 자물쇠는 그것이 달려 있는 문, 그것을 지탱하는 경첩, 그리고 언제 문을 열지 결정하는 사람들에 의해 그 가치가 결정됩니다. 문틀이 약하거나 사람들이 혼란스러워한다면, 세상에서 가장 강한 자물쇠라도 누구도 지켜낼 수 없습니다.

미스르 과학기술대학교(Misr University for Science and Technology)의 한 연구팀은 디지털 장부, 즉 투표와 거래를 기록하는 데 사용되는 블록체인이라 불리는 시스템의 작동 모델을 구축하여 이 아이디어를 테스트하기로 했습니다. 그들은 초기 버전의 새로운 양자 내성 자물쇠를 사용한 프로토타입으로 시작하여, 이를 공식적으로 표준화된 버전으로 교체했습니다. 그들의 목표는 단순히 새로운 자물쇠가 제대로 작동하는지 확인하는 것이 아니라, 그 변화가 일어날 때 전체 시스템이 어떻게 반응하는지 관찰하는 것이었습니다. 그들은 시스템의 나머지 부분들, 즉 신원을 확인하고, 투표를 집계하며, 데이터를 저장하는 부분들이 중단 없이 전환을 처리할 수 있는지 보고 싶었습니다. 그들이 발견한 것은 새로운 자물쇠가 기존의 것과 거의 동일하게 잘 작동했지만, 진짜 문제는 소프트웨어의 구석진 곳, 즉 데이터가 기록되는 방식과 시스템의 서로 다른 부분들이 서로 통신하는 방식에 숨어 있었다는 점이었습니다.

연구진은 먼저 새로운 자물쇠로 알려진 ML-DSA-44의 순수 속도를 기존에 사용하던 이전 버전과 비교 측정하기 시작했습니다. 그들은 시스템이 메시지에 서명하고 그 서명이 진본인지 검증하는 데 얼마나 빠른지 확인하기 위해 수천 번의 테스트를 수행했습니다. 결과는 새로운 자물쇠가 극적인 개선을 이루거나 재앙 수준인 것은 아니었으며, 약 5~8% 정도 약간 더 느렸지만, 실제 환경의 시스템을 늦출 만큼 큰 차이는 아니라는 것을 보여주었습니다. 이는 핵심적인 암호학적 변경이 관리 가능한 수준임을 의미했기에 안도할 만한 결과였습니다. 그러나 연구팀은 곧 자물쇠의 속도가 이야기에서 가장 흥러운 부분이 아님을 깨달았습니다. 더 중요한 발견은 자물쇠를 통과하는 메시지를 시스템이 어떻게 처리하는지를 관찰하는 과정에서 나왔습니다.

그들의 모델에서 시스템은 일련의 검증인들로부터 일정 수준의 신뢰가 모이면, 예를 들어 투표 블록을 승인하는 것과 같은 결정을 확정하도록 설계되었습니다. 연구진은 80%의 신뢰받는 검증인들이 실제로 깨지고 유효하지 않은 블록을 승인하는 데 동의하는 시나리오를 설정했습니다. 시스템은 서명을 신뢰하도록 설계되었기 때문에, 그 승인을 받아들여 잘못된 블록을 확정했습니다. 이는 그들이 수행한 2만 번의 테스트 모두에서 발생했습니다. 서명은 수학적으로 완벽했으며, 검증인들이 실제로 메시지를 보냈음을 증명했지만, 시스템은 메시지 자체가 타당한지를 확인하는 데 실패했습니다. 이는 방문자의 신분증은 완벽하게 확인하지만, 그 방문자가 들어갈 권한이 없는 방에 들어가려 한다는 사실을 알아차리지 못하는 보안 요원과 같았습니다. 자물쇠는 작동했지만, 문을 여는 규칙이 결함이 있었던 것입니다.

연구팀은 또한 시스템이 메시지를 보내는 사람이 누구인지 확인하는 과정에서 미묘하지만 위험한 오류를 발견했습니다. 기존 코드의 한 부분에서, 시스템은 메시지를 보내는 사람에게 "당신은 누구입니까?"라고 묻고, 그 대답을 사용하여 서명을 검증할 올바른 키를 찾습니다. 그런데 시스템은 메시지를 보낸 사람이 말한 이름이 그들이 보낸 봉인된 메시지 안에 적힌 이름과 실제로 일치하는지 확인하지 않았습니다. 통제된 테스트에서 연구진은 발신자가 특정 인물이라고 주장하지만 메시지는 다른 사람으로부터 온 것처럼 서명된 2만 개의 메시지를 보냈습니다. 기존 시스템은 이들을 모두 수용했습니다. 연구진이 두 이름을 비교하는 간단한 확인 절차를 추가한 후에야 시스템은 불일치하는 메시지를 거부하기 시작했습니다. 이는 시스템이 수학적으로는 안전할지라도, 결정을 내리기 위해 잘못된 정보를 신뢰한다면 여전히 취약할 수 있음을 보여주었습니다.

또 다른 주요 발견은 데이터가 저장되는 방식과 관련되었습니다. 연구진은 디지털 기록을 기록하는 세 가지 다른 방법을 비교했습니다. 한 방법은 일반적인 텍스트 형식을 사용하여 바이너리 데이터를 긴 문자열로 변환했는데, 이로 인해 파일 크기가 훨씬 커졌습니다. 다른 방법은 더 효율적인 형식을 사용하면서도 동일한 긴 문자열을 유지했습니다. 세 번째 방법은 효율적인 형식을 사용하면서 데이터를 컴퓨터가 자연스럽게 인식하는 방식인 로우 바이트(raw bytes) 형태로 저장했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 텍alog 중심의 버전과 비교했을 때, 로우 바이트 형식을 사용하면 기록의 크기가 거의 절반으로 줄어들었습니다. 이는 새로운 방식을 사용하는 시스템이 단순히 자물쇠가 더 좋아서가 아니라, 데이터를 패키징하는 방식이 더 스마트하기 때문에 훨씬 적은 저장 공간을 필요로 하고 데이터를 더 빠르게 이동할 수 있음을 의미했습니다.

마지막으로, 팀은 네트워크의 서로 다른 부분들이 별도의 컴퓨터 프로세스에서 실행되는 상황을 시뮬레이션하여, 실제 분산 네트워크를 구현하고 시스템이 어떻게 작동하는지 테스트했습니다. 그들은 메시지가 네트워크를 가로질러 이동하는 데 걸리는 시간을 흉내 내기 위해 작은 지연을 도입했습니다. 한 특정 테스트에서, 메시지가 시스템이 이미 결정을 내린 직후 아주 짧은 순간 뒤에 도착했습니다. 시스템은 해당 메시지를 늦었다고 정확히 표시했지만, 그럼에도 불구하고 이를 최종 결과에 포함시켰습니다. 이는 네트워크의 정확한 타이밍에 따라 결과가 달라질 수 있는 레이스 컨디션(race condition)을 생성했습니다. 연구진은 이 로직을 수정하고 테스트를 다시 실행하여, 시스템이 이제 늦게 도착한 메시지를 정확하게 무시한다는 것을 확인했습니다. 이는 설령 암호학이 완벽하더라도, 시스템이 듣기를 멈추는 타이밍이 메시지 자체의 보안만큼이나 중요하다는 점을 강조했습니다.

연구는 양자 내성 미래로 나아가는 것이 단순히 수학적 알고리즘을 교체하는 것만이 아니라는 결론을 내렸습니다. 그것은 데이터가 기록되는 방식부터 결정이 내려지는 규칙에 이르기까지 모든 계층을 점검해야 하는 복잡한 여정입니다. 새로운 자물쇠는 잘 작동했지만, 연구진은 진짜 위험이 애플리케이션 로직, 신원 확인, 그리고 시스템의 서로 다른 부분들 사이의 조정 과정에 있다는 것을 발견했습니다. 이 프로토타입의 경우, 마이그레이션의 성공은 새로운 서명 방식의 성능만큼이나 이러한 주변 문제들을 해결하는 것에 달려 있었습니다. 이 연구는 디지털 세계에서 강력한 자물쇠는 안전한 문의 한 부분일 뿐이며, 나머지 문틀 또한 그만큼 견고해야 한다는 점을 상기시켜 줍니다.