국가과학기술연구망의 통신 보안을 강화할 양자키 관리 기술을 소개합니다.

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이번에 소개드리는 기술은 고성능의 확장형 양자암호 통신망을 실현시킬 필수 기술이라 설명드릴 수 있습니다.

안녕하세요, 양자통신연구단의 이찬균입니다.

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우수 기술 인터뷰 KISTI 양자암호통신 서비스를 위한 핵심기술 : 양자키 관리기술

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양자키 관리기술은 양자암호통신망의 양자키 관리 계층에서 키를 다루는 방법과 시스템

양자암호통신의 성능을 좌우하는 핵심 기술입니다.

양자암호통신망은 양자키를 데이터 암호화에 활용하는 통신 네트워크를 의미하며

그 역할과 기능에 따라 양자 계층, 양자키 관리 계층, 그리고 서비스 계층으로 나뉘는데요,

양자 계층은 양자키분배 프로토콜을 통해 이웃노드 간 양자키를 공유하고, 양자키 관리 계층으로 전달합니다.

양자키 관리계층에서는 양자키 자원을 관리, 릴레이, 조합하고 서비스 계층에 제공합니다.

서비스 계층은 양자키를 데이터 암호화에 적용하여 안전한 데이터 전송 서비스를 실현합니다.

소개드릴 기술은 양자키 관리계층에서 키 현황만을 참고하여 릴레이 경로를 결정하는 키 개수 차분 기반 양자키 릴레이 알고리즘입니다.

제안하는 알고리즘은 양자키 현황에 따라 동적으로 릴레이 경로를 계산하고,

양자키 관리계층의 키 개수 분포를 공평하고 안정적으로 유지하게 합니다.

또한 양자암호통신망의 교차계층 최적화 기반 동적 양자키 관리 시스템으로

양자자원을 보다 효율적으로 할당하게 합니다.

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기술을 개발하게 된 배경

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KISTI 과학기술연구망센터는 국가과학기술연구망 크레오넷을 운영하며 

양자암호통신을 적용해 완벽히 안전한 연구망을 갖추고자 노력하고 있는데

이때 양자키 관리기술은 연구망에 양자암호통신을 적용하기 위한 필수 기술이자

KISTI가 보유한 네트워크 연구역량 강점을 발휘할 수 있는 분야이면서

제가 가진 연구지식과 역량과 상통하는 분야였어서 이번 기술을 개발하기 시작했습니다.

즉, 세계 최고 성능의 표준 준용 양자암호통신망을 달성하기 위해 KISTI 양자암호통신망에 적용할 기술로 본 기술을 개발하게 됐다고 말씀드릴 수 있습니다.

국가과학기술연구회의 발표에 따르면 양자키 관리기술은 양자암호통신의 실질적 서비스를 위한 필수 기술임에도 불구하고

관련 특허 출원은 약 4%, 100건 수준에 그친다고 합니다.

저희 연구단은 선택과 집중 전략을 통해 지난 2년간 양자키 관리기술과 관련한 총 13건의 국내외 특허를 출원했습니다.

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기술의 핵심 역할과 기능

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기존 양자키 관리기술과 대비되는 본 연구의 핵심은 양자키 요청 응답 지연을 최소화하는 사전대응형 키 릴레이를 구현했다는 점입니다.

양자암호통신에서는 양자키 요청에 대한 응답 지연이 발생할 수 있으며, 이렇게 되면 서비스 성능이 감소하지만

저는 사전 대응형 키 생성 방법을 통해 양자키 요청 지연을 최소화하는 기술을 구현했습니다.

이 기술은 양자암호통신의 서비스 요청 발생 전이라도, 특정 조건이 만족되는 경우 

키 릴레이 기능을 통해 단대단 양자키를 사전에 생성하고

양자 계층에서 이웃 노드로 연결되어 있지 않은 단대단 노드쌍 간의 양자암호 서비스 요청이 발생한 경우에도

보다 빨리 양자키를 지원하게 해서 서비스 성능을 높게 유지해 줍니다.

또한 소모되는 양자키 수는 최대이고 생성되는 양자키 수는 최소인 양자키 관리노드를 반복적으로 선택하는 그리디 알고리즘을 통해

양자키 관리 계층의 양자키 개수 분포를 최대한 균등하게 유지해서 양자암호서비스의 공정성을 달성합니다.

유연한 알고리즘 종료 조건을 통해 알고리즘의 계산 시간과 키 분배 성능 간의 중요도에 따라 키 관리 용이성을 높입니다.

그리고 28개 노드 규모의 실질적 백본 토플로지에서 이론적 최적화 대비 0.1% 수준의 계산 시간만 요구하는 동시에

99% 이상의 최소 양자키 개수를 보장합니다.

현재의 제한된 양자키분배 기술 수준 하에서도 효율적인 양자키 활용을 가능하게 함을 보인 것입니다.

또한 보다 큰 규모 48개의 노드의 양자암호통신망에서도 원활하게 동작함을 확인하였으며

이를 통해 미래의 대규모 연구망, 국가 규모의 연구망에도 적용될 수 있으리라 판단됩니다.

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기술을 개발하며 느낀 점

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이번 기술을 연구하고 개발한 데에는 2년 정도가 소요됐는데요,

개발할 때는 정보통신공학 전공자로서 양자라는 과학적 현상을 이해하는 게 어려웠었는데

다행히도 저희 양자통신연구단 동료 분들이 물리학, 전산학 등 다양한 분야의 전문가였어서

팀원들과 소통하면서 부족한 점을 해결할 수 있었습니다.

또 양자키 관리 휴리스틱 알고리즘의 성능 분석을 위해서 혼합정수선형계획법(MILP) 기반의 최적 양자키 관리 방법과 비교해야 했고

이때 큰 규모의 컴퓨팅 자원과 문제 해결 패키지가 필요했는데

다행히 우리 기관에서 지원해 주셔서 성능 분석을 잘 마칠 수 있었습니다.

기술을 개발한 후에는 제안한 시스템의 시뮬레이션 결과가 이론적 예측치와 매우 유사했을 때 가장 기뻤습니다.

개발 시뮬레이션의 계산 시간을 최적해 도출을 위한 계산 시간 대비 0.1% 수준으로 감소시켰지만

양자키 개수 성능 결과로는 큰 차이가 없다는 성능 결과를 확인했을 때가 가장 보람을 느낀 경험이었습니다.

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향후 계획, 연구자로서의 꿈

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현재 저희 연구단에서 구축 중인 양자암호통신망 테스트베드를 통해 본 기술의 성능을 분석하고 개선 방안을 찾을 계획이고요,

저는 최적화 이론, 게임 이론, 기계학습 등 네트워크 통신 분야에서 널리 활용되고 있는 기법을 양자키 관리 기술에 적용하는 연구를 계획하고 있습니다.

이번에 소개드린 기술과 저희 연구단에서 개발하는 양자보안기술이 국가 주요 데이터 서비스에 적용되어

국가과학연구망을 발전시킬 수 있기를 소망합니다.

연구자로서 희망하는 것은 지금처럼 KISTI가, 그리고 누군가가 필요로 하고 또 개인적으로 흥미로운 연구를 하루하루 수행해 나가는 것입니다.

제가 열심히 연구개발해서 얻은 결과가 누군가에게 어떤 형태로든 도움이 될 수 있다면 더없이 행복하겠습니다.