형태보존암호를 이용한 보안 QR 코드 스캔 시스템 구현

Ⅰ. 서 론

1994년 덴소 웨이브에서 바코드의 한계점을 보완하여 QR 코드가 그림 1과 같이 개발되었다[1].

Fig. 1.

Evolution of the bar code

카메라 스캔 하나로 검색 과정 절차를 줄여 빠르게 검색할 수 있으므로 QR 코드 활용이 증가하여 다양한 분야에서 QR 코드가 활용되고 있다. 예를 들어 버스나 지하철의 광고 홍보물, QR 코드를 통한 결제, QR 정품 인증, 음악 CD, 로또 당첨 여부, 명함, 청첩장 등 다양한 곳에서 QR 코드가 활용된다[2]. QR 코드는 바코드와 달리 이미지, URL, 지도, 명함, 전화번호 등의 데이터를 하나의 코드로 표현할 수 있다. 또한, 코드 일부분이 오염되거나 손상되어도 데이터의 정보를 복원할 수 있다[3].

어느 방향에서나 삽입된 정보에 신속하게 스캔할 수 있으며 2차원으로 정보를 표현하여 바코드와 동일한 정보를 작은 공간에 표현한다. 하지만 QR 코드의 사용이 증가함에 따라 보안 문제 역시 증가하고 있다[4]. QR 코드는 단순히 눈으로 보는 것만으로는 정보 식별이 불가능하므로, 정보가 변형되더라도 즉시 알 수 없어 무결성 검증에 관련하여 피싱 가능성이 크다. 이 때문에 QR 코드 내에 무결성, 인증을 삽입하는 다양한 연구가 진행되었다[1][2][4].

본 논문에서는 QR 코드 정보를 암호화하는 방식[5]과 이를 이용한 스캔 시스템을 통하여 피싱에 대응하는 방법을 제안하였다. 암호화하는 방식에는 AES, DES 등 다양한 알고리즘이 있는데 기존 블록 암호는 암호 값이 블록 크기의 배수가 되기 때문에 정보의 양에 제한이 있는 QR 코드에서 사용하기 어렵다[6].

형태보존암호(Format-preserving encryption)는 암호문이 평문의 길이와 형태를 보존하는 암호로 길이가 일정하게 보존된다. 이는 암호화한 결과가 QR 코드의 이용 가능한 범위를 넘어가지 않으므로 기존 블록 암호 사용의 문제점을 해결할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 정보의 무결성과 기밀성을 보장하기 위해 형태보존암호를 이용하여 암호화하고, 암호화된 QR 코드를 스캔하여 피싱을 방지하는 새로운 QR 스캔 시스템을 제안한다.

2장에서는 QR 코드 및 QR 코드 보안 관련 연구와 본 논문에서 이용한 형태보존암호에 관해 설명하고 3장에서는 제안하는 QR 코드 스캔 시스템의 구성 요소에 관해 설명한다. 4장에선 QR 코드 스캔 시스템을 구현 및 검증하고, 5장에서 일반 스캐너와 제안하는 스캔 시스템의 수행시간을 비교하여 성능을 평가하고 결론을 맺는다.

Ⅱ. 관련 연구

2.1 QR 코드

QR 코드(Quick Response code)는 바코드 형태에서 단점을 보완한 흑백 격자무늬 패턴으로 정보를 나타내며 스캔을 통해 데이터를 빠르게 응답받을 수 있는 매트릭스 형식의 2차원 코드이다[7]. 가로 최대 20자의 숫자 정보만 넣을 수 있는 기존의 바코드와는 달리, 가로, 세로를 활용하여 최대 7,089자의 숫자와 최대 4,296자의 문자, 최대 2,953바이트의 정보를 넣을 수 있다[1]. 또한, URL이나 사진, 지도, 달력, 명함 등을 더불어 영숫자는 물론 한자, 일본어 등의 문자를 포함할 수 있어 다양한 정보를 담을 수 있다[8]. QR 코드는 그림 2와 같이 위치 찾기 심볼(Find pattern), 타이밍 패턴(Timing pattern), 버전 패턴(Version pattern), 얼라이먼트 패턴(Alignment pattern), 포맷 정보(Format information), 데이터(Data)로 구성된다[1].

Fig. 2.

Structure of QR code

2.3 형태보존암호

형태보존암호는 1997년 Michael Brightwell 등에 의해 제안되었다[9]. 형태보존암호는 암호문이 평문과 같은 길이와 형태를 갖도록 암호화한다. 기존 블록 암호[10]들과 달리 데이터들의 형태와 길이가 보존된다는 장점이 있다. 형태보존암호는 다양한 알고리즘이 있으며 그 중 FF1과 FF3-1은 Feistel 구조를 기반으로 만들어졌다[11]. FF1과 FF3-1은 AES-128 bit 기반 Feistel 구조를 바탕으로 하는 알고리즘이라는 점에서 유사하지만 각각 다른 구조적 특징을 갖는다. FF1은 10라운드, FF3-1은 8라운드를 사용하는데, 이 각각의 라운드 수 때문에 성능적 측면에서도 다른 특징이 나타난다. FF1은 보호된 포맷 데이터에 대해 더 넓은 범위의 길이를 지원하며, 조정 길이의 유연성을 자랑하는 반면, FF3-1은 FF1에 비해 처리량이 더 높다.

FF1과 FF3-1은 트윅을 사용하는 Feistel 구조를 지닌다. 그림 3은 FF3-1 암호화 알고리즘의 Feistel 구조를 나타낸다. 그림에서 u와 v는 알고리즘 과정에서 분리된 각각의 평문 A₀, B₀길이를, n은 전체 문자 수를, i는 라운드를 의미한다.

Fig. 3.

Feistel structure of FF3-1 encryption

다음 표 1은 알고리즘 공식에서 사용되는 요소의 정의이다[12].

Table 1.

Field definitions of FF3-1

FF3-1의 암호화 알고리즘은 키, 트윅, 평문 X를 입력으로 받는다. 트윅의 값은 56비트로 고정되며 암호화 알고리즘의 순서는 다음과 같다. 우선 평문 X를 A와 B 두 부분으로 나누는데, A와 B 의 길이는 n의 홀수, 짝수 여부에 따라 달라진다. 트윅은 왼쪽 트윅 T_L과 오른쪽 트윅 T_R로 분리된다. 그 후 라운드 숫자 i가 짝수인지 홀수인지에 따라 m과 W의 값이 결정되며, i, W, B를 사용하여 블록 P를 생성한다. 만들어진 블록 P는 라운드 함수를 거쳐 블록 S를 생성하고, S와 A가 결합되어 동일한 형태와 길이를 보존한 숫자 문자열 C를 생성한다.

이후 B는 A로, 수정된 A(C)는 B로 스왑된다. FF3-1은 이 과정을 8라운드 동안 반복해 값을 생성하며, 암호문은 A와 B 의 최종 연산 값이 된다[10].

FF3-1의 복호화 과정은 FF3-1 암호화 과정과 유사하나, 모듈러 덧셈을 이용하는 암호화 과정과 달리 모듈러 뺄셈을 이용한다는 차이점이 있다[10].

Ⅲ. 보안 QR 코드 스캔 시스템 설계 및 구성

제안한 보안 QR 코드 스캔 시스템을 통해 누구나 암호화된 QR 코드를 식별할 수 있다. 제안 시스템으로 생성된 QR 코드는 보안 QR 코드 스캐너로만 복호화할 수 있으므로 위변조되어도 사용자가 큐싱과 같은 악성 QR 코드를 식별할 수 없게 하는 것을 목표로 한다. 또한 QR 코드를 제공하는 사업자가 서로 다른 키를 사용함으로써 사업자만의 무결성 및 기밀성이 보장된 QR 코드를 제공 가능하다. 이는 같은 보안 스캐너여도 복호화하는 키에 따라 스캔 가능 여부가 달라지기 때문에 일반 QR 코드보다 민감한 정보 처리도 가능하다.

QR 코드 스캐너를 통해 사용자가 QR 코드를 스캔하여 디코딩한다는 점은 일반 스캐너와 같지만 암호화키가 저장된 DB가 기반인 스캔 서버를 이용해야 한다는 차이점이 존재한다.

스캔 서버에 암호화된 QR 코드를 보내면 QR 코드에 해당하는 키로 복호화하여 사용자에게 반환한다. 스캔 서버로 요청만 보낼 수 있다면 어느 기기에서도 보안 QR 코드를 이용할 수 있다.

3.1 시스템 설계

본 논문에서는 형태보존암호인 FF3-1 알고리즘을 이용해 데이터를 암호화하여 QR 코드를 생성한다. 암호키는 QR 코드를 생성하는 사업자가 설정한다. 이후 해당하는 암호키로 복호화해야 하므로 암호키는 QR 코드를 생성한 직후 복호화해주는 스캔 서버의 DB에 저장된다. 해당 시스템의 QR 코드 발행과 스캔은 한 서버 내에서 진행한 것으로 키 전달에 대한 무결성이 보장된다. 따라서 그림 4와 같은 시스템을 설계하였다.

Fig. 4.

Configuration of system

Ⅳ. 보안 QR 코드 스캔 시스템 구현

4.2 구현

4.2.1 암호화된 보안 QR 코드 발행 과정

형태보존암호 알고리즘의 암호화를 거쳐 보안 QR 코드를 생성한다. 본 연구의 암·복호화 알고리즘에서는 암호화 대상에 특수문자를 포함하지 않았기 때문에 평문에 포함된 특수문자를 처리 후 암호화를 진행하는 알고리즘을 추가하였다.

암호화된 QR 코드 생성 과정은 그림 5과 같다. 암호화하고자 하는 데이터를 평문으로 한다. 평문에서 특수문자를 제거한다. 이후 사용자가 설정한 키와 트윅 값으로 특수문자가 제거된 평문을 형태보존암호 알고리즘 FF3-1을 이용하여 암호화한다. 이때 암호화에 사용된 키와 트윅 값은 스캔 서버의 DB로 전달되며 암호화 이전에 제거한 특수문자를 암호문에 추가하여 QR 코드를 생성한다.

Fig. 5.

Secure QR code issuance process

그림 6은 URL, 휴대전화 번호, 이메일과 같이 다양한 정보를 형태보존암호 알고리즘을 거쳐 암호화된 QR 코드로 만들 수 있다는 것을 보인다. 이처럼 QR 코드에 담을 수 있는 모든 정보는 암호화된 QR 코드로 만들 수 있다.

Fig. 6.

Secure QR code with various forms of information

4.2.2 보안 QR 코드 서버 복호화 과정

암호화된 QR 코드 복호화 과정은 그림 7과 같다. 먼저 스캐너는 암호화된 QR 코드를 읽는다. 스캔 서버에서는 읽어 들인 QR 코드의 디코딩을 진행한 후 특수문자를 제거한다. 이후 발행 과정에서 DB로 저장된 키와 트윅 값을 이용해 복호화를 진행한 후 이전에 제거한 특수문자를 평문에 추가하여 사용자에게 반환한다.

Fig. 7.

Decryption process of secure QR code

Ⅴ. 실험 결과 및 평가

5.1.1 정상적인 QR 코드

그림 8은 암호화된 QR 코드를 사용자가 해당 시스템을 통해 스캔한 모습이다. 스캔에 이용된 QR 코드에는 “uVZ2://I7M.kluf.cMa/”라는 암호화된 URL 정보가 담겨 있다. 암호화된 QR 코드를 제안한 시스템으로 스캔하면 “http://www.test.xyz/”라는 정상적으로 복호화된 URL 정보를 나타낸다.

Fig. 8.

Scanned security QR code via scanner

5.1.2 악성 QR 코드

그림 9는 악성 QR 코드를 해당 시스템을 통해 스캔한 모습이다. 스캔에 이용된 QR 코드는 암호화가 되어있지 않으며 사용자의 로그인을 유도하는 “http://000.000.00.000/accounts/login/?C=” 형태의 피싱 URL 정보를 담고 있다. 해당 스캐너는 키와 트윅 값으로 암호화된 QR 코드를 복호화해서 값을 반환하기 때문에 암호화하지 않은 일반적인 QR 코드나 악성 QR 코드를 스캔할 시 원래의 값을 반환해주지 않는다. 따라서, 큐싱을 예방하고 위변조할 수 없음을 보여준다.

Fig. 9.

Scanned malicious QR code via scanner

5.2 수행 시간 비교

본 논문에서 제안한 시스템에서의 스캔은 일반 QR 코드 스캔에서 복호화 과정이 추가로 진행된다. 추가한 과정이 성능에 큰 영향을 주는지 확인하기 위해 오버헤드를 측정하였다. 오버헤드는 일반 스캐너에 추가된 복호화 과정에서 발생한다. 따라서 비교 대상이 되는 기존 스캐너의 오버헤드는 0초를 기준으로 한다.

측정에 사용된 데이터는 각각 영어, 숫자, 특수문자가 적절히 조합된 크기가 50 bytes, 200 bytes, 800 bytes, 2950 bytes인 총 4개의 데이터 셋을 사용했으며, 정확한 측정을 위해 스캔을 시작한 후 서버에서 암호문을 디코딩한 시점부터 복호화된 데이터를 반환해주기 전 시점까지의 시간을 측정하였다. 각 데이터 셋당 30번씩 측정을 진행했으며 측정한 값들의 평균을 내어 해당 값을 도출했다. 측정 결과는 그림 10와 같다.

Fig. 10.

Results of overhead measurement

먼저 그림 10에서 보듯이 QR 코드에 담을 수 있는 최대 2953 bytes의 정보를 암호화하는 것이 가능했다. 이는 형태보존암호는 타 블록암호들과 달리 정해진 범위를 전부 사용하며 암호화가 가능하다는 장점을 보인다. 암호화된 QR 코드를 제안한 스캔 서버를 거쳐 스캔했을 때, 일반 스캐너보다 각각 0.0005초, 0.001초, 0.005초, 0.019초의 오버헤드가 발생하였지만 모두 0.02초 미만의 오버헤드이기 때문에 사용자가 이용하는 데 차이를 느끼기 어렵다.

Ⅵ. 결 론

QR 코드는 많은 양의 정보를 담을 수 있고, 어디에서나 활용할 수 있다는 장점이 있지만, 활용성이 뛰어난 만큼 안전성이 보장되지 않는다. 또한, 육안으로 보기에는 해당 정보를 판별할 수 없어 위변조 및 큐싱과 같은 보안 문제가 발생한다.

본 논문에서는 위변조 및 큐싱 우려가 있는 QR 코드의 보안 문제를 해결하기 위해 보안 QR 코드 스캔 시스템을 제안하였다.

제안된 시스템은 형태보존암호 알고리즘으로 QR 코드 데이터를 암호화하여 발행한 QR 코드를 이용한다. 사업자가 설정한 키와 트윅 값으로 암호화된 QR 코드를 스캔하면 서버에 저장된 키와 트윅 값으로 해당 QR 코드를 복호화하여 사용자에게 반환한다.

QR 코드 스캔 시 복호화 과정을 필수적으로 진행하기 때문에 암호키를 모르는 공격자에 의한 위변조 공격이 불가능하며, 악성 QR 코드를 스캔하여도 비정상적인 값이 반환되어 악성 QR 코드가 동작하지 않아 보안에서 우수함을 보인다.

제안한 시스템은 기존 연구에서 보였던 단점을 보완하였다. 형태보존암호를 이용해 평문과 암호문의 길이를 유지 할 수 있다는 장점 및 URL 데이터 이외에 모든 데이터에 대한 위변조 QR 식별 불가라는 장점을 보였다. 또한 성능 부분에서 기존의 QR 코드 스캐너와 수행시간을 비교하였을 때 차이가 미미하여 보안 위협에 노출 가능성이 있는 QR 코드에 대해 제안한 보안 QR 코드 스캔 시스템을 통해 사용자의 부담 없이 보안이 강화된 QR 코드를 사용할 수 있다는 것을 증명하였다.

Acknowledgments

2018년 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.NRF2018R1D1A1B07047656)

References

• H. K. Yang, "A Study of Security Weaknesses of QR Codes and Its Countermeasures", The journal of the Institute of Internet Broadcasting and Communication, Vol. 12, No. 1, pp. 83-89, Feb. 2012.
• H. Park, et al., "Improvement of QR Code Access Control System Based on Lamport Hash Chain", International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing. Springer, Cham, pp. 824-833, Jun. 2019. [https://doi.org/10.1007/978-3-030-22263-5_79]
• S. J. Choi, M. J. Sim, and H. J. Seo, "The Blockchain Delivery System for Secure Privacy with QR Code and Smart Glasses", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 24, No. 5 pp. 630-637, May 2020.
• M. S. Ahamed and H. Asiful Mustafa, "A secure QR code system for sharing personal confidential information", 2019 International Conference on Computer, Communication, Chemical, Materials and Electronic Engineering (IC4ME2), IEEE, pp. 1-4, Jul. 2019. [https://doi.org/10.1109/IC4ME247184.2019.9036521]
• Y. Lee, "Security technology in areas where QR codes are used as intermediaries", Domestic Master's Thesis Pai Chai University Graduate School, 2021.
• D. W. Kim, Y. T. Jo, and J. M. Kim, "Cloud-based malware QR Code detection system", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 25, No. 9, pp. 1227-1233, Sep. 2021.
• S. H. Seo, et al., "QR Code Based Mobile Dual Transmission OTP System", The Journal of Korea Information and Communications Society, Vol. 38B, No. 5, pp. 377-384, May 2013. [https://doi.org/10.7840/kics.2013.38B.5.377]
• D. J. Cho and J. S. Koh, "A Study on Method to Improve Recognition Rate of Digital Watermark Using QR Code", The Journal of Korean Institute of Information Technology, Vol. 12, No. 10, pp. 173-179, Oct. 2014.
• W. Jang and S. Y. Lee, "Implementation and Performance Evaluation of the Format Preserving Encryption FEA Algorithm", The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 46, No. 3, pp. 420-429, 2021.
• D. Morris, "Recommendation for block cipher modes of operation: methods for format-preserving encryption", NIST Special Publication, Mar. 2016. [https://doi.org/10.6028/NIST.SP.800-38G]
• M. Bellare, T. Ristenpart, P. Rogaway, and T. Stegers, "Format-preserving encryption", Lecture Notes in Computer Science. Springer, Berlin, Heidelberg, pp. 295–312, Aug. 2009. [https://doi.org/10.1007/978-3-642-05445-7_19]
• W. Jang and S. Y. Lee, "A format-preserving encryption FF1, FF3-1 using lightweight block ciphers LEA and, SPECK", Proc. of the 35th Annual ACM Symposium on Applied Computing, pp. 369-375, Mar. 2020. [https://doi.org/10.1145/3341105.3373953]