An Anonymous and Post-Quantum Secure Three-Party Authentication Scheme for Industrial IoT = 산업용 IoT를 위한 익명성과 양자 이후 보안을 제공하는 3자 인증 체계

국문 초록 (Abstract)

산업용 사물인터넷(IIoT)은 산업 제어 시스템과 IoT 기술을 결합하여 다양한 산업 분야에서 실시간 모니터링, 예측 유지보수, 에너지 관리 등 지능형 서비스를 제공한다. 그러나 무선 통신과 이기종·분산 구조로 인해 IIoT 장치는 무단 접근, 도청, 서비스 교란 등 다양한 보안 위협에 노출되며, 이는 운영 중단과 경제적 손실을 초래할 수 있다. 이러한 환경에서 IIoT 시스템의 신뢰성과 안전성을 확보하기 위해서는 기밀성, 무결성, 안전한 인증을 보장하는 효율적인 인증 및 키 합의(AKA) 체계가 필요하다. 기존 경량 해시 및 대칭 기반 AKA 체계는 낮은 연산 비용으로 자원 제약 장치에 적합하지만, 중앙 집중적 키 관리 구조로 인해 장치 수가 증가하면 확장성과 관리 효율성이 제한된다. 이를 보완하기 위해 공개키 기반 접근이 활용되지만, RSA와 ECC는 정수 분해·이산대수 문제의 난해성 가정에 기반하며, 양자 알고리즘의 발전으로 이러한 안전성이 약화될 수 있어 장기적 보안을 유지하기 어렵다. 이에 따라 IIoT 환경에 적합하면서 양자 공격에 안전한 효율적 인증 체계가 요구된다.

본 논문에서는 RLWE 기반 공개키 암호를 활용하여 IIoT를 위한 익명성과 양자 내성을 제공하는 3자 인증 체계를 제안한다. 제안한 인증 방식은 작업자와 장치 간 상호 인증과 안전한 세션 키 생성을 지원하며, 재전송·위장·중간자 공격 등 기존의 고전적 위협뿐 아니라 양자 알고리즘 기반 공격 환경에서도 안전성을 제공한다. 또한 정형 및 비정형 분석을 통해 보안 요구 사항 충족 여부를 검증하였으며, 기존 AKA 체계와의 성능 비교를 통해 IIoT 환경에서의 실효성과 적용 가능성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1 Contribution 4
• 1.2 Paper Organization 5
• II. Related Works 6
• III. System Model 9
• 3.1 Network Model 9
• 3.2 Adversary Model 11
• IV. Preliminaries 12
• 4.1 Ring Learning With Errors 12
• 4.2 Discrete Gaussian Distribution 13
• 4.3 Error Reconciliation Mechanism 14
• V. Proposed Scheme 16
• 5.1 Setup Phase 16
• 5.2 Registration Phase 16
• 5.3 Login and Authentication Phase 21
• 5.4 Password Change Phase 24
• 5.5 Correctness Proof 26
• VI. Security Analysis 27
• 6.1 ROR Model 27
• 6.2 AVISPA simulation 31
• 6.3 Informal Analysis 38
• VII. Performance Analysis 45
• 7.1 Computation Cost 45
• 7.2 Communication Cost 47
• 7.3 Security Features 50
• VIII. Conclusion 51
• References 52