시그널 프로토콜과 포스트-양자 래칫

• Signal이 Sparse Post Quantum Ratchet(SPQR, 희소 포스트 양자 래칫) 을 도입하여 Signal 프로토콜의 보안을 크게 향상시키며, 미래의 양자 컴퓨팅 위협에 대한 복원력을 강화하면서도 기존의 Forward Secrecy(FS) 와 Post-Compromise Security(PCS) 보장 유지
• Signal 프로토콜은 전 세계 수십억 명이 매일 주고받는 비공개 통신에 종단 간 암호화를 제공하는 암호학적 사양 세트이며, 2013년 발표 이후 Signal 앱뿐만 아니라 다른 주요 메시징 제품에서도 채택
• 이전에 발표한 PQXDH는 채팅 세션 설정 시 양자 저항 암호화 비밀을 통합하여 harvest-now-decrypt-later 공격으로부터 보호했지만, SPQR은 대화가 계속됨에 따라 손상을 최소화하고 복구하는 FS와 PCS 보장을 양자 안전 방식으로 달성
• SPQR은 Signal의 기존 Double Ratchet과 혼합되어 Triple Ratchet이라 불리는 조합을 형성하며, 사용자 경험은 변경되지 않고 모든 대화가 자동으로 새 프로토콜로 전환되며 현재와 미래의 통신을 모두 보호
• 학계 연구(Eurocrypt 25, USENIX 25 논문), erasure code 기반 청킹, 형식 검증(ProVerif, hax/F*)을 통해 프로토콜 정확성과 보안 속성을 기계적으로 검증하며, CI 파이프라인에서 매 변경마다 재검증하여 개발 프로세스의 동적 부분으로 유지함

개요

• Signal은 Sparse Post Quantum Ratchet(SPQR) 의 도입으로 Signal Protocol의 보안을 한 단계 올림
• SPQR은 기존의 강력한 보안성을 기반으로, 미래의 양자 컴퓨팅 위협에 대응하며 전방위 비밀성(Forward Secrecy, FS) 과 사후 복구성(Post-Compromise Security, PCS) 보장 구조를 한층 강화함
• 사용자는 변화를 느끼지 못할 정도로 시스템 전체에 자연스럽게 적용되며, 대화 내용이 양자컴퓨터가 실현되더라도 안전하게 보호받는 환경을 확보

기존 Signal Protocol의 현황

• Signal Protocol은 일상적으로 사용되는 종단간 암호화 메시지 표준임
• 기존 프로토콜 내 더블 래칫 구조는 해시 함수(양자 안전)로 전방위 비밀성을, 타원 곡선 디피-헬만(ECDH) 으로 사후 복구성을 구현해 옴
• ECDH는 현재 보안성이 높지만, 장차 양자컴퓨터에 의해 취약해질 위험 있음
• 래칫이란, 대화 중간마다 새로운 비밀키를 생성해 이전 또는 이후 메시지의 내용 노출을 막는 기술임
• Alice와 Bob이 주기적으로 새로운 ECDH 비밀 정보를 합의하며 세션을 갱신함

양자 보안 요소의 혼합 필요성

• 양자컴퓨터는 ECDH와 같은 기존 비대칭 암호화 방식을 무력화할 수 있음
• 이를 대비해 PQXDH라는 최초 도입 방식에서 세션 시작 시 양자 안전 비밀 정보를 혼합함
• 대화 중 지속적으로 양자 안전 알고리듬 기반의 Key Encapsulation Mechanism(KEM) 으로 키 교환 필요성이 부각됨
• KEM은 Diffie-Hellman처럼 공유 비밀을 생성하나, 정렬된 비대칭 메시지 교환이 필요함
• ML-KEM과 같은 표준화된 KEM을 활용해 세션 중 연속적, 양자 안전 비밀을 생성함

상태머신 및 대역폭 최적화

• KEM 방식은 키 교환 데이터 크기가 크기 때문에(약 1000바이트) 통신 대역폭 최적화가 중요 이슈임
• 상태머신(State Machine) 논리를 활용해 Alice와 Bob이 서로 어떤 데이터(Encapsulation Key, Ciphertext 등)를 언제 주고받을지 관리함
• 데이터 청크화 및 소거코드(Erasure Codes) 활용으로 큰 데이터를 작은 조각으로 나눠, 메시지 손실이나 유실 시 복구 용이하게 유지함
• 공격자가 선택적으로 키 교환 청크만을 드롭해 프로토콜 중단을 유발하는 것도 어렵도록 설계함
• 이로써 메시지 손실, 재정렬, 지연 등 실제 모바일 환경의 효과적 처리가 가능해짐

효율-안전 트레이드오프와 최적화

• 공유 비밀(Shared Secret) 생성 속도를 무조건 빠르게 하면 오히려 일정 시점의 모든 비밀 정보가 공격 시 노출될 위험 있음
• Signal은 다수의 상태머신 시뮬레이션을 수행해 병렬-직렬 전송 사이에서 안전성과 효율의 균형점을 찾음
• ML-KEM 세부 과정 분석 및 청크를 분할-동시 전송 등으로 대역폭 활용도를 극대화함
• 이 과정을 ML-KEM Braid라고 명명하고, 자체 프로토콜의 한 모듈로 활용함

트리플 래칫(Tiple Ratchet) 구조

• 더블 래칫(기존) 과 SPQR(신규, 양자 안전) 을 함께 동작시키고, 키를 결합하여 하이브리드 방식의 암호화 키를 생성
• Triple Ratchet 방식은, 두 알고리듬 다 뚫려야만 메시지 노출 위험이 있으므로, 보안성이 획기적으로 상승함
• 실제 구현은, 더블 래칫과 SPQR 각각에서 암호키를 받아 키 파생 함수로 한 번 더 결합하여 사용
• 트리플 래칫 구조는 과거와 미래 메시지에 대해 양자 및 기존 보안 모두를 보장함

이질적(이분화된) 도입 및 호환성 처리

• 업그레이드가 점진적으로 적용되기 때문에, SPQR 미적용 사용자와의 호환성 문제 발생 가능
• 초기 메시지 협상 과정 중 일시적으로 다운그레이드를 허용해 두 사용자가 서로 호환 가능한 방식으로 통신하도록 설계함
• 메시지 중 SPQR 데이터 부착 시, 인증코드로 보호되어 공격자에 의한 다운그레이드 강제 방어
• 일단 양측이 호환 협상을 완료하면, 이후에는 세션 전체에서 SPQR 사용 결정이 고정됨
• 모든 사용자가 SPQR 지원 버전으로 업그레이드되면, 구 세션은 보관/종료 및 신세션부터 완전 SPQR 적용 예정임

프로토콜의 안전성 검증 및 검증 도구

• 프로토콜 설계 단계부터 학계 연구진, PQShield, AIST, NYU 등과 활발히 협력 진행
• Eurocrypt 25, USENIX 25 등 학회 논문을 통해 프로토콜이 이론적으로 양자 안전성과 기존 보증 요건을 충족함을 증명
• 제안된 6가지 포스트-양자 래칫 프로토콜 중 SPQR과 Katana(KEM 활용 신규 프로토콜)가 생존
• 공식적 검증(Formal Verification) 은 Cryspen, ProVerif, hax, F* 등 도구와 CI 파이프라인에서 상시 자동화 관리
• Rust 구현과 검증 모델의 동기화를 통해, 설계와 실제 코드 일치성을 보장
• 구현 과정 중 불변조건(assertion)도 코드에 적극 도입, 오류 발생 시 앱이 중단되어 잠재적 취약점 미연 방지

검증과 지속적 개발의 병행

• 공식적 검증 절차는 일회성 작업이 아니라, 코드베이스 변경이 있을 때마다 자동으로 반복 실행
• 새 코드 병합 시 검증이 실패하면 빌드도 불가
• 실제 경험상, 경계값 오류나 사전/사후 조건만 명확히 관리하면 유지보수 용이, 프로토콜 완성도도 극대화 가능

요약 결론

• Signal은 신뢰성 높은 트리플 래칫(Double Ratchet + SPQR) 구조를 도입하여, 모든 메시지의 양자 내성 보안 제공을 추구함
• 프로토콜 전환은 단계적으로, 서비스 중단이나 사용자 불편 없이 이뤄질 예정
• 추가 데이터 전송량 최소화로 모바일 환경의 비용 부담 거의 없음
• 프로토콜은 공격자가 조작 시 서비스 거부 상태를 유발해야 하므로, 중간자(MITM) 공격에도 강함
• 코드와 설계는 체계적으로 공식 검증되며, 향후 계속해서 보안성을 유지
• Signal 사용자 입장에서는 프로토콜 변화나 양자컴퓨터 위협이 눈에 띄지 않게 보호받는 환경을 보장할 전망임