ARM 기반 환경에서 희소 다항식 곱셈과 SIMD를 활용한 CRYSTALS-Dilithium 서명 알고리즘 최적화 및 성능 비교

초록

양자 컴퓨팅 발전에 따른 Shor 알고리즘 및 Grover 알고리즘의 등장으로 인해 기존 공개키암호 알고리즘이 위협받고 있다. 이에 따라 미국 국립표준기술연구소에서는 양자내성암호 표준화 공모전을 통하여, 양자 컴퓨팅 발전으로 인한 보안 위협에 대비하고 있다. 표준화 공모전을 통해 선정된 4종의 표준화 대상 양자내성암호들은 보안성 및 민첩성 측면에서 각기 다양한 방식으로 연구되고 있으며, 이 중 격자 기반의 전자서명 알고리즘인 CRYSTALS-Dilithium은 다항식 곱셈을 위하여 NTT 연산을 이용하고 있으나, 최근 희소 다항식 곱셈을 적용하여 알고리즘 성능을 향상시킬 수 있다는 연구 결과가 발표된 바 있다. 해당 논문에서는 Cortex-M4, Apple M2 기반 실험 환경을 구축하여 검증을 진행했으나, 다른 ARM 계열 CPU 환경에서도 속도를 향상시킬 수 있는지에 대한 성능 검증은 이루어지지 않았다. 이에, 본 논문에서는 다른 ARM 계열 CPU 환경에서도 희소 다항식 곱셈을 적용할 경우에 대한 CRYSTALS-Dilithium의 성능을 검증하고자 Dilithium2, Dilithium3, Dilithium5 알고리즘 각각에 대해 세 가지 코드(레퍼런스 코드, 희소 다항식 곱셈 알고리즘, SIMD를 적용한 희소 다항식 곱셈 알고리즘)를 구현하고 이에 대한 성능을 검증하였다.

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