SIGSALY
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1. 개요
SIGSALY는 제2차 세계 대전 중 개발된 최초의 실용적인 암호화된 음성 통신 시스템이다. 벨 연구소에서 개발되었으며, 음성 신호를 보코더로 압축하고 일회용 패드 방식으로 암호화했다. 12개의 채널로 분리된 음성 신호는 6단계로 양자화되었고, 암호 키는 진공관 잡음을 녹음한 레코드를 사용하여 생성했다. 이 시스템은 1943년 7월부터 운용되었으며, 런던, 워싱턴 D.C., 북아프리카 등에 설치되어 고위급 통신에 사용되었다. SIGSALY는 양자화된 음성 전송, PCM, FSK-FDM 등 다양한 기술의 최초 적용 사례로 기술적 의의가 크다. 섀넌과 튜링 등 관련 인물들의 연구에도 영향을 미쳤으며, 이후 음성 암호화 기술 발전에 기여했다.
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SIGSALY | |
---|---|
개요 | |
종류 | 보안 음성 통신 시스템 |
개발 시기 | 제2차 세계 대전 |
개발 국가 | 미국 |
사용 시기 | 제2차 세계 대전 |
별칭 | 그린 호넷 (Green Hornet) M-1 프로젝트 (Project M-1) |
설계자 | 벨 연구소 |
생산 | 웨스턴 일렉트릭 |
총 생산 대수 | 약 55대 |
대당 무게 | 55톤 |
주요 기능 | 음성 암호화 및 복호화 |
기술 정보 | |
암호화 방식 | 주파수 마스킹 |
사용 진공관 수 | 555개 |
최초 사용 | 1943년 |
해체 시기 | 1946년 |
보안 수준 | 당시 최고 수준 |
후속 기술 | 더 발전된 디지털 암호화 시스템 |
역사 | |
개발 배경 | 보안 통신의 필요성 증대 |
주요 사용 목적 | 고위급 군사 및 외교 통신 보호 |
배치 지역 | 주요 군사 기지 및 정부 시설 |
관련 사건 | 제2차 세계 대전 중 주요 작전 지휘 종전 후 기밀 해제 |
기타 | |
관련 인물 | 앨런 튜링 (암호 해독 연구에 간접적 영향) |
참고 자료 | 암호학, 통신 보안 |
2. 개발 배경
제2차 세계 대전 이전, 장거리 전화 통신에는 웨스턴 일렉트릭에서 개발한 "A-3" 음성 스크램블러가 사용되었다. A-3 스크램블러는 음성 반전 원리를 이용해 통신 내용을 암호화했지만, 보안 수준이 낮아 도청에 취약했다. 실제로 독일은 네덜란드 해안에 청취 기지를 설치하여 A-3 통신을 가로채고 해독했다.[2]
당시 사용되던 전화 스크램블러는 대부분 보안 수준이 높지 않았고, 스펙트럼 분석기를 사용하면 스크램블 기술의 단서를 쉽게 얻을 수 있었다. 이러한 취약점 때문에 일회용 패드 원리에 기반한 더 안전한 스크램블러 개발이 필요했다.
벨 연구소는 A. B. 클라크의 지휘 아래, 영국의 수학자 앨런 튜링의 지원을 받아 새로운 암호화 시스템 개발에 착수했다.[2][3] 1942년, 미국 육군은 벨 연구소의 프로토타입 시연에 깊은 인상을 받고 두 시스템에 대한 계약을 체결했다.
1940년, 미국이 제2차 세계 대전에 참전하기 전, 중요한 음성 통신에는 단파를 이용한 무선 통신이 사용되었고, 도청을 피하기 위해 벨 연구소가 개발한 A-3 아날로그 방식의 스크램블러가 사용되었다.[24]
A-3 스크램블러는 음성을 5개의 서브 밴드로 나누어 주파수를 반전시키거나 서브 밴드의 배치를 바꾸는 방식이었으며, 36개의 패턴을 1주기로 하여 20초마다 반전/배치 변경 패턴을 바꾸는 것이었다.[24] 그러나 이러한 방식은 전문가가 스펙트로그램 등으로 처리 방식을 분석하기 어렵지 않았기 때문에, 미국의 전문가들은 도청 위험성을 경고했다.[10]
실제로 독일은 네덜란드에 수신국을 설치하여 신호를 분석하고, 1941년 가을에는 처칠 수상과 루스벨트 대통령 간의 대화를 포함한 많은 통신을 실시간으로 도청했다.[25]
미국 육군의 도청 위험성에 대한 인식 증가를 배경으로, 1940년 벨 연구소에서 "프로젝트 X"라는 코드네임으로 더 우수한 비밀 통화 장치에 대한 검토가 시작되었다.[26]
SIGSALY는 다음과 같은 기존의 기술들을 조합하여 만들어졌다.
기술 | 설명 |
---|---|
보코더 (vocoder, voice coder의 약자) | 음성 신호 압축 기술. 음성의 주파수 스펙트럼을 여러 채널로 나누어 분석하고, 수신 측에서는 그 결과로부터 음성을 합성한다. |
버넘 암호 (Vernam cipher) | 디지털 신호 암호화 기술. 충분히 긴 난수를 공통 키로 하여 통신문과 키를 XOR하여 암호화한다. |
주파수 분할 다중화 (FDM) | 여러 개의 회선을 하나의 회선으로 공유하는 기술. 공유 회선의 주파수 대역을 분할하여 전송한다. |
주파수 편이 변조 (FSK) | 디지털 신호의 0/1을 서로 다른 주파수로 표현하는 변조 방식. |
SIGSALY는 보코더를 사용하여 음성 신호를 압축하고, 일회용 패드 방식으로 암호화했다. 음성 신호는 12개의 채널로 분리되었고, 각 채널의 진폭은 6단계로 양자화되었다. 암호 키는 진공관에서 발생하는 노이즈를 녹음한 레코드를 사용하여 생성되었으며, 일회용 패드 방식으로 사용 후 폐기되었다. 암호화된 신호는 주파수 편이 변조(FSK)와 주파수 분할 다중화(FDM)를 결합한 방식으로 전송되었다.[1]
1940년 8월, 프로젝트 시작 직후 음성 암호화에 관한 과거의 다양한 특허에 대한 조사가 이루어졌다.[27] 조사 결과 80여 건의 특허는 단순히 음성을 복잡하게 처리하는 정도였으며, 충분한 시간과 분석 장비만 있으면 쉽게 원래의 음성을 복원할 수 있는 것들이었다.
벨 연구소의 Homer Dudley가 발명한 보코더의 출력 주파수 범위는 수십 Hz 정도였고 전신이나 텔레타이프와 비슷했으며, 당시 텔레타이프용 해독 불가능한 암호로 알려진 버넘 암호와 아날로그 방식의 보코더를 조합할 수 있다면 해독 불가능한 음성 암호화 시스템을 만들 수 있었기 때문에 많은 검토가 이루어졌다.
처음에는 보코더로부터의 채널별 아날로그 출력을 특정 임계값을 기준으로 0/1로 바꾸고, 그 출력을 직접 버넘 암호로 암호화하는 방식이 고안되었다.[29] 실험 결과 음질이 나빠 실용성이 없는 것으로 밝혀졌지만, 방식 결정의 첫걸음이 되었다.
최종적으로, 보코더의 아날로그 신호를 여러 개의 이산적인 값으로 양자화하고, 그 결과에 같은 여러 레벨로 표현된 암호 키(난수열)를 더하는 방식이 고안되었다. 실험 결과 양자화는 6단계로 진행하기로 했다. 이 방식의 고안에는 나이퀴스트가 관련되었다.[13]
1941년 말 가설 설계와 브레드보드에서의 시험이 이루어졌고, 이듬해 8월에는 프로토타입이 제작되었으며, 미 육군에 대한 시연과 대서양 간 무선 통신 실험을 포함한 다양한 시험이 진행되었다. 시험 결과에 만족한 미국 육군은 1942년에 벨 연구소와 계약을 체결했다.
3. 작동 원리
음성 인코딩은 목소리의 구성 요소 움직임에 따라 음성이 느리게 변한다는 사실을 이용했다. SIGSALY는 초당 50번(20밀리초마다) 음성 신호 정보를 추출했다.[4]
각 신호는 20밀리초마다 한 번 진폭에 대해 샘플링되었다.[4] 대역 진폭 신호는 0에서 5까지 6개의 진폭 레벨 중 하나로 변환되었다. 진폭 레벨은 비선형 스케일로, 진폭이 높을수록 단계가 넓고 낮을수록 좁았다. (컴팬딩 또는 압축-확장 방식) 음높이 신호는 36개 레벨을 제공하는 한 쌍의 6 레벨 값(거친 값과 미세한 값)으로 인코딩되었다.
암호화 키는 6개 레벨 세트의 무작위 값으로 구성되어, 전송 전 각 샘플링된 음성 진폭 값에서 빼는 방식으로 암호화했다. 빼기는 모듈식 산술을 사용하여 "회전" 방식으로 수행되었다. 예시는 다음과 같다.
:
샘플링된 값은 주파수 편이 변조(FSK) 방식으로 전송되었으며, 수신 측에서는 주파수 값을 읽고 샘플로 변환 후 키 값을 다시 더하여 해독했다. 더하기는 "모듈로" 방식으로 수행되었으며, 5보다 큰 값에서 6을 뺐다.
:
샘플을 다시 음성 파형으로 변환하기 위해 먼저 12개의 저주파 보코딩된 신호로 변환했다. 백색 잡음 소스(무성음) 또는 고조파 생성 신호 발생기(유성음, 기본 주파수는 음높이 신호로 제어) 중 하나를 선택하고, 선택된 소스를 입력으로 사용하여 이득이 대역 진폭 신호로 제어되는 증폭기가 있는 필터 세트를 통과시켰다.
암호화 키 노이즈 값은 수은 증기 정류 진공관으로 생성되었고 축음기 레코드에 저장되었다. 레코드는 SIGSALY ''일회용 패드'' 역할을 했으며, 각 쌍이 하나만 생성되어 엄격하게 통제되었다. 축음기에서 재생되었지만, 두 SIGSALY 터미널 간 시계 동기화가 정확해야 했으므로, 턴테이블 회전 속도는 신중하게 제어되었으며, 레코드는 정밀한 시간별 시계 표준에 따라 구체적인 시간에 시작되었다. 각 레코드는 12분 키만 제공하여 각 SIGSALY에는 두 개 턴테이블이 있었다.
3. 1. 보코더
SIGSALY에서 음성 분석에 사용된 보코더는 음성 신호를 압축하는 기술이다. 음성의 주파수 스펙트럼을 여러 채널로 나누어 분석하고, 수신 측에서는 그 결과로부터 음성을 합성하는 방식이었다.[1]
SIGSALY에서는 250Hz부터 2950Hz까지의 주파수 스펙트럼을 10개의 다른 주파수를 가지는 대역 통과 필터로 분석하여 각각에 1채널을 할당하고, 유성음·무성음의 구별과 더 세밀한 정보가 필요한 피치 주파수에는 2개의 채널을 별도로 사용했다. 12채널의 아날로그 신호는 저역 통과 필터를 통과하여 25Hz 이하의 성분만 사용되었다.[4]
수신 측에서는 유성음의 경우 지정된 피치 주파수에서의 성대음을 모방한 부저와 같은 소리, 무성음의 경우에는 백색 잡음을 음원으로 사용하여, 성도에 대응하는 필터를 통과시켜 원래의 음성을 재합성했다. 필터는 10개의 대역 통과 필터로 구성되었으며, 주파수 스펙트럼을 나타내는 10채널의 신호로 제어되었다.[4]
당시 보코더의 음질은 좋지 않아 기계적인 소리가 나는 단점이 있었다.
3. 2. 양자화 및 암호화
보코더에서 나온 12개의 아날로그 신호는 암호화를 위해 각 20ms 주기로 샘플링되어 6단계로 양자화(quantization)되었다. 양자화라는 단어는 당시 일반적이지 않았기 때문에, 양자화 회로는 스테퍼(stepper)라는 명칭으로 불렸다.[10]
적은 단계 수로 음질을 좋게 하기 위해 보코더 출력의 양자화는 비선형으로 이루어졌다. 인간 청각의 로그적인 특성에 맞춰 신호의 진폭이 커질수록 양자화의 단계 폭도 커지도록 하였는데, 이는 현재 전화 등에서 사용되는 μ-law 알고리즘 등과 유사한 방식이다.
양자화에는 사이라트론이 사용되었다. 이는 진공관과 유사한 외관과 구조를 가진 전자관으로, 일종의 전자적인 스위치로 작동하며, 입력이 일정 전압 이상이 되면 켜진다. 켜지는 전압을 양자화 레벨에 맞춰 바꾼 회로를 병렬로 배치함으로써, 아날로그 신호를 양자화할 수 있었다. 한 대의 SIGSALY에 "GL-2051"형 사이라트론이 총 384개 사용되었다.[10]
이어서 암호화가 진행되었다. 암호 키가 되는 턴테이블 서브 시스템으로부터의 신호도, 보코더로부터의 신호 양자화와 병행하여 동일한 20ms 주기로 0부터 5까지 6단계로 양자화되었다.
암호화는 신호와 암호 키 각각의 샘플 값의 덧셈으로 이루어졌다.[13] 여기서 사용된 덧셈은 모듈러 계산을 사용한 "6을 법으로 하는 덧셈"으로, 예를 들어 5에 3을 더한 결과가 2가 되는 것처럼, 6으로 나눈 나머지가 결과가 된다. 당시 이 처리는 리엔트리(reentry, 재진입)라고 불렸다.[13]
신호 값을 ''M'' , 암호 키를 ''K'' , 리엔트리 값을 ''R'' 이라고 하면, 암호화 결과인 리엔트리 값은 다음 식으로 계산할 수 있다.
:
이러한 덧셈은 당시 진공관을 사용한 아날로그 회로로 비교적 쉽게 계산할 수 있었다.[37]
이 처리를 통해, 암호 키가 0부터 5까지의 균등한 분포를 가진 무작위 숫자라면, 신호를 더한 결과도 무작위적인 0부터 5까지의 신호가 되었다.[38]
암호 해독 시에는 동일한 암호 키를 사용하여 "6을 법으로 하는 뺄셈"을 수행했다. 예를 들어 2에서 3을 뺀 결과가 5가 되는 것처럼, 원래의 신호 값을 복원할 수 있었다.[13]
3. 3. 암호 키
SIGSALY영어의 암호 키는 진공관에서 발생하는 잡음을 샘플링하여 생성된 균등 난수를 레코드에 기록하여 사용했다.[10][39] 레코드 한 장에는 12분 길이의 암호 키를 녹음할 수 있었으며, 여러 장의 레코드를 준비하여 사용 후 폐기함으로써 몇 시간 동안 반복되지 않는 암호 키를 생성했다.
레코드 재생에는 고정밀 턴테이블 두 대를 사용했고, 12분마다 교체했다.[10][39] 송신 측과 수신 측은 수 밀리초(ms) 이하의 오차로 장시간 동기화되어야 했다. 이를 위해 턴테이블은 15kg 정도의 무거운 동기 모터를 사용했으며, 100kHz 수정 발진기의 클럭을 분주한 신호로 직접 구동되었다.[39] 주파수 표준은 100만 분의 1(10-6)의 정밀도로 유지되었다. 전 세계에 설치된 SIGSALY의 주파수 표준 교정은 단파 표준 전파 (미국의 WWV)를 사용했다.
송신 측과 수신 측의 동기화는 시각을 기준으로 이루어졌다.[10][39] 회의 시작 시각(예: 1200GMT)을 미리 정해두고, 그 시각에 맞춰 양측의 턴테이블을 동시에 기동시켜 암호 키의 동기를 맞췄다. 턴테이블은 상당한 무게가 있었기 때문에 처음에는 스프링 장치로 일정 속도까지 가속한 후, 턴테이블과 동기 모터 사이의 클러치를 연결하여 정속 회전시켰다.
운영자는 수동으로 회전 타이밍을 미세 조정할 수 있었다. 초기 동기화 시와 통신에 사용되는 단파 전파 경로 변화에 따른 타이밍 오차는 대화를 모니터하면서 조정했다.[10][39]
이 턴테이블 방식의 암호 키 시스템에서 염화 비닐 레코드를 사용하는 것은 ''SIGGRUV'', 개량판의 아세테이트와 알루미늄을 사용한 것은 ''SIGJINGS''라는 코드네임으로 불렸다.[10][39]
의사 난수를 생성하는 AK(Alternate Key, 대리 키) 서브 시스템도 있었지만, 복잡하고 신뢰성이 낮아 주로 유지보수에 사용되었다. 이것은 ''SIGBUSE''라는 코드네임으로 불렸다.[10][39]
3. 4. 변조
SIGSALY는 암호화된 12채널 6단계 신호를 FSK(주파수 편이 변조)와 FDM(주파수 분할 다중화)를 결합한 방식으로 변조하였다. 당시에는 여러 전신의 다중 전송에 이 방식이 이미 사용되고 있었고, 특성도 잘 알려져 있었기 때문에, 이를 다치화(多値化)한 방식이 채용되었다. 암호 키 레코드 기록에도 같은 방법을 사용했다.
이 방식은 12채널 분량의 서로 다른 주파수의 반송파에 대해 0부터 5까지의 단계에 따라 주파수 변조를 수행하는 방식(다치 FSK)이었다. SIGSALY의 통신에 사용되는 단파대처럼 페이딩과 잡음이 많은 환경에서 비교적 성능이 좋은 특징이 있었으며[40], 당시로서는 뛰어난 방법이었다.
당시에는 다치 펄스 신호에 대한 지식이 부족하여, 샘플링 주기와 최적의 필터 특성에 대한 문제를 해결하기 위해, 현재 디지털 신호 처리에서 사용되는 아이 패턴을 사용한 측정 방법이 처음 사용되었다[40].
4. 운용
SIGSALY는 매우 크고 복잡하여 최고 수준의 음성 통신에만 사용되었다. 전 세계에 12개의 SIGSALY 터미널이 설치되었다.[5] 첫 번째 터미널은 펜타곤에 설치되었고, 프랭클린 D. 루즈벨트 미국 대통령의 요청으로 백악관에도 확장 회선이 설치되었다.[31] 두 번째 터미널은 런던 옥스퍼드 스트리트의 셀프리지 백화점 지하에 설치되었으며, 그로스브너 광장의 주 영국 미국 대사관, 10번가 다우닝가, 내각 전쟁 회의실에도 확장 시설이 설치되었다.[2] 1943년 7월 15일에 첫 회의가 열렸고, 드와이트 D. 아이젠하워 장군과 윈스턴 처칠 총리가 사용했다.[2]
더글러스 맥아더 장군은 배에 설치된 SIGSALY를 사용하여 오세아니아에서 작전을 지휘했다.[2] 제2차 세계 대전 동안 SIGSALY는 총 3,000건의 고위급 전화 회의를 지원했다.[2]
SIGSALY는 1943년 7월 워싱턴 D.C.와 런던 간 운용 개시 이후 북아프리카, 파리, 하와이, 괌, 오스트레일리아, 맥아더 장군의 사령부가 있던 선상, 마닐라 등지에 설치되었다. 종전 후에는 베를린, 프랑크푸르트, 도쿄에도 설치되어 1946년까지 사용되었다.[7]
SIGSALY의 설치 및 유지 보수는 미국 육군 통신대 제805통신대대가 담당했다.[2] 이들은 전 세계에 배치되어 24시간 체제로 SIGSALY를 관리했다. SIGSALY는 1,000개가 넘는 진공관을 정기적으로 점검하고, 전원 장치를 미세 조정하는 등 세심한 유지 보수가 필요했다.[33]
SIGSALY는 극비 시스템이었기 때문에, 정보 유출을 막기 위해 암호의 공통 키가 되는 난수는 레코드(음반)에 기록되어 배포되었다. 처음에는 진공관의 자연 잡음으로 생성된 난수를 16인치 왁스 플래터에 기록하여 마스터 레코드를 만들고, 이를 바탕으로 3장의 염화 비닐 레코드를 제작했다. 이후에는 알루미늄과 아세테이트를 접합한 레코드 2장에 난수를 직접 동시 기록하는 방식으로 개선되었다.[32]
연합군이 독일을 침공했을 때, 독일군이 SIGSALY 트래픽을 상당량 기록했지만 복잡한 전신 부호화 시스템으로 오인했다는 사실이 밝혀졌다.[2]
5. 기술적 의의
SIGSALY는 다음과 같은 여러 "최초" 기록을 세웠다.[10][11]
- 최초의 암호화된 전화 통신 실현
- 최초의 양자화된 음성 전송
- 최초의 펄스 부호 변조(PCM)에 의한 음성 전송[12]
- 최초의 비선형 PCM 사용[12]
- 최초의 다단계 주파수 편이 방식(FSK)의 예
- 최초의 유용한 음성 압축 실현
- 페이딩 매체에서 FSK-주파수 분할 다중화(FDM)을 실현 가능한 전송 방식으로 최초 사용
- 샘플링 간격을 조정하기 위한 다단계 "아이 패턴" 최초 사용
벨 연구소의 우수한 연구자와 기술자들이 협력하여 개발한 SIGSALY는, 당시로서는 매우 선진적인 시스템이었다. 또한 스펙트럼 확산 기술의 초기 성공 사례로도 평가받는다.[10][11]
6. 관련 인물
클로드 섀넌은 정보 이론의 창시자로, SIGSALY 암호화 방식 검증에 참여했다.[14] 섀넌은 SIGSALY 관련 연구를 통해 암호 이론과 정보 이론을 발전시켰다.[17] 1945년에 벨 연구소 내의 기밀 보고서 "암호의 수학적 이론"(A Mathematical Theory of Cryptography)을 발표했는데,[16] 이는 그가 개인적으로 연구하던 정보 이론의 생각을 SIGSALY에서 사용된 일회용 패드 방식 등의 암호에 적용하여 수학 이론으로 일반화한 것이었다.[17]
앨런 튜링은 영국의 수학자이자 암호학자로, 제2차 세계 대전 중 블레츨리 파크의 암호 해독 부서에서 독일군의 에니그마 암호 해독에 핵심적인 역할을 했다. 1942년 미국으로 건너가 SIGSALY 관련 정보를 받아 분석하고,[14] 이때 벨 연구소의 섀넌도 만났다.[21] 튜링은 이 정보를 이용하여 비밀 통화 장치 델릴라(Delilah) 개발을 시작했다.[22]
7. SIGSALY 이후
SIGSALY는 매우 복잡한 시스템으로, 운용이 어렵고 비용이 많이 들었기 때문에 1946년에 사용이 중단되었다.[41] 그러나 음성 암호화 시스템 자체의 수요는 높았고, 이후 1949년 미국 정부와 벨 연구소가 협력하여 암호화 장치 KO-6가 개발되었다.[41] KO-6는 SIGSALY의 기술을 응용하여 음성 이외의 암호화도 가능하도록 범용화한 것으로, 냉장고 3대 정도의 크기였다.
1953년에는 음성 암호화 장치 KY-9가 개발되었다. KY-9는 12채널 보코더와 수제 트랜지스터를 사용했으며, 무게는 SIGSALY의 55톤에서 256kg (565 파운드)으로 줄었다.[41] 1961년에 개발된 HY-2 16 채널 보코더는 모듈화된 회로를 사용하여 45kg (100 파운드)까지 가벼워졌다.[41] 이들은 SIGSALY와 마찬가지로 아날로그 방식의 채널 보코더를 사용했기 때문에 음질이 좋지 않았다.
그 후 디지털 신호 처리 기술의 발전으로 다양한 음성 부호화 기술과 암호화 기술이 개발되었으며, 미국을 중심으로 STU-III|STU-III영어와 Secure Terminal Equipment|STE영어 등 많은 음성 암호화 장치가 사용되고 있다.
참조
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