양자 컴퓨팅 시대 국가 핵심 시설 보안 고도화 전략

5. AMI 양자내성암호 전환 1
: 하이브리드 PKI 인증 시스템

PQC 알고리즘은 키 및 서명 크기, 연산량, 보안성 측면에서 상이한 특성을 갖는다. 특히 높은 보안 수준이 요구되는 Root CA 및 CA 인프라와 처리 효율이 중요한 AMI 현장 기기는 요구되는 성능 조건이 다르다. 환경적 차이로 인해 모든 구성 요소에 동일한 PQC 알고리즘을 일괄 적용하기보다는, 각 계층의 운영 특성에 맞는 알고리즘을 선택적으로 적용하는 방식이 더 현실적인 전환 전략으로 고려된다.

저사양 AMI 기기(PLC 모뎀, DCU)에 PQC를 적용할 경우, 기존 공개키 암호 대비 인증서 및 서명 크기 증가에 따른 통신 오버헤드가 발생하며, 연산 처리 시간 또한 크게 증가하는 한계가 확인된다. 일부 환경에서는 연산 성능 저하가 수백 배 이상 나타나는 사례도 보고되어, 단순한 암호 알고리즘 교체만으로는 안정적인 서비스 운영을 보장하기 어렵다. 더불어 PQC 알고리즘은 국제 표준화와 기술 검증이 지속적으로 진행 중이지만, 대규모 상용 인프라에서의 장기적 안정성과 운용 경험은 아직 충분히 축적되지 않은 상황이다. 이와 같은 기술적·운영적 여건을 종합적으로 고려할 때, 현재의 전통적 공개키 기반 보안 위협과 향후 양자 컴퓨팅 기반 위협에 동시에 대응할 수 있는 단계적 전환 전략이 요구된다.

이에 본 연구에서는 Pure PQC, Hybrid Composite, Hybrid Extension의 세 가지 유형의 X.509 인증서를 지원하는 하이브리드 PKI 인증 구조를 설계하고 시범적으로 구현하였다. 특히 제안한 구조는 기존 공개키 암호와 PQC 알고리즘을 병행 적용함으로써, 암호 전환 과정에서의 상호 운용성 확보와 운영 안정성 유지를 동시에 달성할 수 있도록 설계되었다. 이를 통해 양자내성암호 체계로의 점진적이고 실효성 있는 전환 가능성을 제시한다.

전자서명 알고리즘으로는 ML-DSA, SLH-DSA, AIMer, HAETAE 등 총 4종의 PQC 지원하도록 구현하였다. 특히 인증서 계층별로 서로 다른 PQC 알고리즘을 조합하는 ‘혼합 인증서 체인(Mixed Certificate Chain)’ 구조를 구현하여, 보안 수준과 처리 효율 간 균형을 고려한 암호 조합이 가능하도록 하였다. 이는 향후 표준 변경이나 신규 알고리즘 도입 시에도 구조 변경 없이 대응할 수 있도록 하여, AMI 환경에서 요구되는 암호 민첩성(Crypto Agility)을 확보할 수 있는 구조적 기반을 마련하였다.

6. AMI 양자내성암호 전환 2
: PQC 보안 통신 라이브러리

전자서명(ML-DSA 등 4종)과 키 교환(KEM 기반, ML-KEM 등 3종) 알고리즘을 포함하는 통합 암호 모듈을 구성하고, OpenSSL 기반의 TLS 1.3 PQC Provider를 적용하여 DTLS, TLS(EAP-TLS), OCSP 등 주요 보안 프로토콜에 양자내성암호를 연계하였다. 이를 통해 기존 공개키 기반 보안 통신 구조를 유지하면서도, PQC 알고리즘을 선택적으로 적용할 수 있도록 설계하였다.

또한 서버와 임베디드 기기 간 이기종 환경에서도 동일한 암호 라이브러리를 기반으로 상호 운용이 가능하도록 설계하였으며, PLC 모뎀과 DCU, 보안 서버를 포함하는 AMI 인프라 전 구간에서 PQC 기반 통신 동작을 확인하였다. 특히 런타임 키 파라미터 선택 기능을 도입해 운영 환경에 따라 보안 수준을 조정할 수 있도록 함으로써, 환경별 요구 사항을 반영한 유연한 적용이 가능하도록 하였다.

초저사양 임베디드 환경을 고려하여 PQC 연산을 경량화하고 메모리를 최적화하였다. DCU 플랫폼에서는 추가적인 구조 변경 없이도 PQC 기반 TLS 1.3 통신이 안정적으로 동작함을 확인하였다. 반면 가용 메모리가 20KB 미만인 PLC 모뎀과 같은 초저사양 환경에서는 자원 제약으로 인해 모든 PQC 알고리즘을 적용하기 어려웠으며, ML-KEM 기반 DTLS 통신에 한해 제한적으로 양자내성암호를 적용하였다. 이를 위해 메모리 구조를 재설계하고 불필요한 연산 경로를 제거함으로써, 제한된 자원 환경에서도 실질적인 PQC 적용 가능성을 검증하였다.

이와 같은 통합 보안 통신 라이브러리 구조는 AMI 인프라 내 각 장비의 성능 특성을 고려한 차등 적용 전략을 구현할 수 있게 한다. 즉 모든 구간에 동일한 암호 알고리즘을 일괄 적용하는 것이 아니라, 운영 환경에 맞추어 단계적으로 PQC를 확장할 수 있는 기반을 제공한다.

7. AMI 양자내성암호 전환 3
: 암호 전환 정책관리 시스템

양자내성암호 전환을 체계적으로 관리하기 위해, DCU와 보안 서버 간 트래픽을 미러링하여 수집하는 환경을 구성하고, 로우 패킷(PCAP) 기반 연속 저장 체계를 적용하였다. 이를 통해 운영 중인 통신 세션에서 사용되는 암호 알고리즘과 프로토콜 현황을 실시간으로 확인할 수 있도록 하였다.

수집된 PCAP 데이터를 기반으로 세션을 재구성하고, 메타데이터를 추출하여 IP, 프로토콜, TLS 버전, 서명 알고리즘, 키 교환(KEM) 그룹, PQC 확장 영역 등 정책 관리에 필요한 정보를 식별하였다. 추출된 데이터는 데이터베이스에 저장한 후 웹 기반 뷰어와 연계하여, TLS/JA3 계열 정보와 PQC 관련 항목을 시각화하였다.

또한 암호 및 서명 정책에 따른 판정 규칙을 등록하고, 세션 단위 자동 점검 기능을 적용하였다. 보안 서버와 DCU 기기의 등록, 전환 정책 생성·배포, 에이전트 적용 기능에 대해서는 기본 동작 여부를 확인하였다.

End-to-End 연동 체인을 구성하여 트래픽 수집, PCAP 저장, 메타데이터 추출, 데이터베이스 및 뷰어 연동, 정책 판정, 전환 정책 배포 및 적용 과정의 단계별 동작을 점검하였다. 또한 전환 전후 세션의 PQC 메타데이터와 판정 결과를 비교함으로써, 정책 적용에 따른 변화 여부를 확인하였다.

8. 테스트베드 구축 및 검증

AMI 환경에서의 PQC 시범 전환 적용 가능성을 검증하기 위해, AMI 품질시험센터 내 테스트베드를 구성하고 성능 시험을 수행하였다. 또한 서버, DCU (LTE 모뎀), PLC 모뎀, 전력량계를 포함한 AMI 전 구성 요소를 실제 장비 기반으로 배치하여 PQC 인증, 보안 통신, 정책 관리 기능을 통합 환경에서 검증하였다.

첫 번째로, 총 130개 조합의 인증서 체인, 키 강도, 알고리즘 조합에 대한 시험을 수행하였다. DCU–보안 서버 구간에서는 Pure PQC와 Hybrid 방식별 동작 특성을 비교하였다. 또 Pure PQC(ML-DSA/HAETAE 체인 기준)의 경우, 기존 레거시 대비 패킷 크기가 약 8~10배 증가하였으며, LTE 환경에서 TLS 지연은 약 300~400ms 수준으로 측정되었다. Composite 방식은 약 600ms 수준의 지연을 보였고, Extension 방식은 패킷 크기 증가에 따른 추가 지연이 발생하였으나 300ms 이내 범위에서 안정적으로 동작함을 확인하였다.

두 번째로, PLC 모뎀과 같이 자원이 제한된 환경에서는 전자서명과 키 교환을 모두 PQC로 구성하는 Full PQC 적용이 어려웠다. 이에 따라 본 연구에서는 Hybrid DTLS(ECDSA + ML-KEM) 기반 보안 채널에 한해 PQC(KEM)를 적용하였다. 적용 결과 패킷 크기 증가는 관찰되었으나, 초저사양 PLC 모뎀 환경에서도 Hybrid PQC 기반 DTLS 통신이 안정적으로 동작함을 확인하였다.

세 번째로, 총 32개 인증서 및 키 길이 조합에 대한 OCSP 처리 성능을 시험하였다. 시험 대상에는 ML -DSA, HAETAE 단일 알고리즘뿐만 아니라 SLH-DSA 기반 Root 혼합 인증서 체인까지 포함되었으며, 이를 통해 응답 메시지 크기와 처리 시간을 비교하였다. 그 결과 응답 메시지 크기는 기존 ECDSA 대비 5~10배 증가하였으며, 응답 시간은 시험 환경 기준에서 큰 변동 없이 유지되는 것으로 관찰되었다.
이상의 시험을 통해 AMI 주요 구간에서 PQC 기반 인증 및 보안 통신의 적용 가능성을 확인하였다. 다만, 패킷 크기 증가와 일부 구간에서 나타난 지연 특성은 운영 환경에 따라 추가적인 최적화와 세부 적용 전략이 필요함을 시사한다.

9. 결론 및 향후 과제

양자 컴퓨팅 기술의 발전은 공개키 기반 신뢰 체계 전반에 구조적 변화를 요구하고 있으며, 장기간 운영을 전제로 하는 에너지 인프라에서는 그 파급 효과가 더욱 크게 작용할 수 있다. 특히 HNDL(Harvest Now, Decrypt Later) 관점에서 생성·저장되는 통신 데이터가 미래에 복호화될 가능성이 존재한다는 점은, 암호 체계 전환을 단순한 기술 교체가 아닌 전략적 인프라 전환 과제로 재정의하게 한다.

본 시범 전환은 이러한 위협 인식을 기반으로 추진되었으며, 대규모 분산 단말과 공개키 기반 인증 구조를 갖는 AMI 환경을 대상으로 양자내성암호 전환의 실질적 적용 가능성을 검증하였다. 전환은 알고리즘 단위의 교체가 아니라 PKI 인증 체계, 보안 통신 프로토콜, 암호 정책 관리 기능을 포함하는 구조적 전환 모델로 설계되었으며, 기존 인프라와의 호환성을 유지하면서 단계적으로 적용이 가능한 하이브리드 기반 모델을 적용하였다.

또한 실기기 기반 연동 시험을 통해 초저사양 PLC 모뎀 환경에서도 PQC 기반 키 교환이 가능함을 확인하였고, 인증서 크기 증가와 통신 지연이라는 현실적 부담 요소 역시 정량적으로 분석함으로써 운영 환경에서 허용 가능한 적용 범위를 도출하였다.

이러한 결과는 양자내성암호 전환이 단순한 이론적 논의에 그치지 않고, 실제 에너지 ICT 환경에서도 기술적으로 구현 가능함을 보여준다. 또한 모든 구간에 일괄적으로 PQC를 적용하는 방식이 아니라, 성능, 보안, 호환성을 종합적으로 고려한 하이브리드 전환 전략이 현실적인 적용 방안이 될 수 있다. 아울러 암호 정책을 중앙에서 식별·관리·배포할 수 있는 구조를 마련함으로써, 알고리즘 재선정이나 보안 취약점 발생 시에도 유연하게 대응할 수 있는 운영 기반을 제시하였다.

향후에는 ADMS, SCADA, EVCI 등 다양한 에너지 ICT 시스템으로 단계적 확장이 가능하며, 이를 통해 AMI를 넘어 에너지 ICT 전반에 적용할 수 있는 양자내성 전환 체계를 구축할 필요가 있다. 비록 양자 위협이 완전히 현실화되지는 않았지만, 에너지 인프라는 장기 설계 및 장기 운영을 전제로 하는 구조적 특성을 가지므로, 선제적 대응 전략이 요구된다.

본 시범 전환 사례는 에너지 인프라의 양자내성 전환을 위한 초기 실증 단계로서, 기술적 구현 가능성과 단계적 전환 아키텍처를 제시했다는 점에서 의미가 있다. 향후 단계적 확산을 통해 에너지 인프라의 신뢰 체계를 양자 환경에 적합한 구조로 전환해 나가야 할 것이다.

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