PQ3 and PQC 🗝️

Apple에서 조만간 iMessage에 PQ3라는 암호화 프로토콜을 적용할 예정이라고 발표했습니다.

개인적으로 PQC¹에 관심있었고, 일적으로도 접점이 있어 종종 찾아보곤 헀었는데, 이번 PQ3에 대한 내용은 PQC를 실제로 서비스에 적용하는 경우라서 재미있게 읽었습니다. 덤으로 PQC rekeyring에 대한 내용도 있어 흥미로웠습니다. 오늘은 PQC와 PQ3에 대한 내용으로 간단하게 글 작성해봅니다.

Post-quantum cryptography

Post-quantum cryptography (PQC)는 양자 컴퓨터의 등장으로 기존의 암호 체계가 깨질 가능성에 대비하여 개발된 암호화 방법입니다. 기존의 많은 암호화 방법들, 특히 공개키 암호화 방식은 큰 소수를 소인수분해하는 것이 어렵다는 수학적인 문제를 기반을 두고 있습니다.

이는 컴퓨팅 성능에 밀접하게 영향을 받는데, 양자 컴퓨터가 충분하게 발전한다면 소인수분해 문제를 포함해 기존의 암호화 방식을 깨뜨릴 수 있는 효율적인 알고리즘이 나타날 수 있고 이를 대비하여 개발하는 암호화 로직들을 지칭하는 용어입니다.

PQ3

Key Establishment & Hybrid design

PQ3는 대화 시작부터 PQC를 적용합니다. 초기 키 설정 메커니즘은 Kyber를 통해 발신자가 수신자의 공개 키를 획득하고, 첫 번째 메시지를 위한 post-quantum 암호화 키와 ECC(타원곡선기반) 키 세트를 생성합니다. 참고로 암호화 키 세트는 각 디바이스 별로 만든다고 하네요. (e.g iPhone, Macbook, iPad)

결과적으로 iMessage는 2개의 공개 키를 사용합니다.

• A post-quantum Kyber-1024 key encapsulation public key
• A classical P-256 Elliptic Curve key agreement public key

그리고 이를 통해 암호화 세션 설정 시 각각 공개키로 부터 언어낸 2개의 대칭 키를 모두 사용하여 세션의 암호화에 사용할 초기 키를 만들기 때문에 공격자 입장에선 ECC와 PQC 모두를 깨야 암호화된 데이터를 복호화할 수 있어 전통적인 공격과 양자 암호 공격에 대한 동시 대응이 가능하도록 합니다.

이외에도 ECDSA 서명, Contact Key Verification을 통해 통해 다운그레이드 공격을 방지하고 인증 키와 버전 정보를 검증하는 등 여러가지 보안 요소들이 고려되어 있습니다.

Rekeying Mechanism

PQ3는 rekeying 매커니즘을 가지고 있습니다. rekey를 이용하여 암호화키를 지속적으로 변경하고, 키가 탈취되어도 복호화할 수 있는 메시지의 범위가 제한되기 떄문에 메세지 보안성을 고려하면 높은 수준의 암호 로직을 고려했다고 생각합니다.

Rekeying은 매번 메시지 암호화 시 신규 키를 사용하고 송,수신 마다 암호키를 폐기하는 방식으로 구현된 것 같고, 메시지 사이즈 때문에 일정한 주기? 같은게 설정되어 있는 것 같습니다.

1. 송신자
  1-1. 송신자가 메시지 키를 생성한 후 메시지를 암호화하여 전송합니다.
  1-2. 메시지 송신 후 암호키를 삭제합니다.
2. 수신자
  2-1. 메시지 수신 시 키를 이용해 복호화합니다.
  2.2. 복호화 후 암호키를 삭제합니다.

제가 단순하게 표현하였지만 이 과정에선 메시지의 과거, 미래의 보안성을 보장하는 방법 등도 고려되어 있습니다.

Apple's roadmap?

Apple은 Messaging App에서의 암호화 관련해서 요구되는 내용을 기반으로 Level을 분리해서 관리하는 것 같습니다.

https://security.apple.com/blog/imessage-pq3/

Conclusion

대다수 엔지니어링이 그렇듯이 어떤 결과든 많은 고민과 지식이 함축되어 있다고 생각합니다. 직접적으로 알 수는 없지만 보안성을 위한 설계, 그리고 이를 서비스에 적용하기 까지 걸렸을 노력이 눈에 선하게 보이는 것 같습니다. 요약하다 보니 제 글에는 내용이 많이 빠지게 되었는데, 관심 있으시다면 공식 문서를 꼭 읽어보시는 것을 추천합니다.

References

• https://en.wikipedia.org/wiki/Post-quantum_cryptography
• https://en.wikipedia.org/wiki/Kyber
• https://en.wikipedia.org/wiki/Elliptic-curve_cryptography
• https://security.apple.com/assets/files/Security_analysis_of_the_iMessage_PQ3_protocol_Stebila.pdf