In this thesis, we present an efficient secret key generation system without resorting to a key management infrastructure. The proposed secret key generation system extracts cryptographic keys from the random fluctuation of channels. In time division duplexing (TDD), the channel between two legitimate parties can be exploited as common randomness which is not available at the attacker who tries to eavesdrop the communication between the legitimate parties at a different location. A novel quantization scheme is proposed and adopted in the secret key extraction, and we achieve a lower probability of bit error than those of conventional quantization schemes. When we increase quantization levels to obtain more bits from channel estimates, the probability of bit mismatch also increases. To resolve this problem, a binary BCH code is employed to correct errors from the quantization process. We also optimize the pair of the quantization level and code rate, which maximizes the secret key rate.
The secret key generation system is implemented on the IEEE 802.11a wireless LAN system, and extensive experiments are carried out in a real environment. In particular, RSSI (received signal strength indicator) values measured at each legitimate user are used as common random source. Various statistical random-ness tests are applied to the bit sequences from the experiments. We show that secret bit rate more than 1 bit per second is achievable in indoor channel environments.
본 논문에서는 공개키 기반구조의 도움 없이 적법한 두 사용자간에 보안키를 생성하고 공유하는 시스템을 구성하고 보안키율을 증대시키기 위한 새로운 양자화기법을 제안하였다. 기존 양자화 방식을 통해서 얻은 비트 시퀀스의 비트간 불일치 확률이 신호 대 잡음 비 증가에 대해서 선형적으로 감소하는 것에 반해 제안된 양자화 방식에서는 지수적으로 감소하는 결과를 얻었다. 따라서 동일한 비트간 불일치 확률을 달성하면서도 기존 방식에 비해 더 많은 비트로 양자화가 가능하며 이러한 결과는 보안키율을 증가시키는데 기여한다. 또한 주어진 보안키 불일치 확률을 만족하는 최적화된 양자화레벨과 오류정정부호를 결정하는 기법을 제안하였다. 그 결과 제안된 양자화 기법을 통해서 얻을 수 있는 보안키율의 상한과 2.5dB 차이를 두고 신호대 잡음비 대비 동일한 기울기의 보안키율을 달성하였다.
실제적인 실내 무선 랜 환경에 제안된 보안키 생성 시스템을 적용하였다. 실험을 통해서 얻은 비트 시퀀스가 암호학적인 키로 활용되기에 충분한지를 검증하기 위해서 다양한 통계적인 무작위성 검사를 수행하였다. 실험결과 통계적인 무작위성 검사들을 통과한 보안키를 초당 1비트 이상 확보할 수 있다는 것이 검증되었다. 제안된 보안키 생성 시스템은 무선랜 환경에서 펌웨어 갱신을 통해서 구현 가능하며 기존 암호학에서의 키분배 문제를 효과적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
