[논문]부정확한 암호문의 복호화를 방지한 알고리즘 설계

김상복; 구명모; 김규성

문제 정의

다자간 네트워크 전송에 있어서 기밀성을 요구하는 메시지는 인가된 사용자에게 정확한 메시지나 파일을 전송함을 목적으로 하고 있다. 따라서 본 논문에서는 인가된 사용자에게 정확한 메시지 및 파일을 전송하기 위하여 키 값에 어댑터 주소와 수신자의 ID 및 패스워드를 입력하여 암호화의 강도를 높이는 방법을 이용하였다.
전송함을 목적으로 하고 있다. 따라서 본 논문에서는 인가된 사용자에게 정확한 메시지 및 파일을 전송하기 위하여 키 값에 어댑터 주소와 수신자의 ID 및 패스워드를 입력하여 암호화의 강도를 높이는 방법을 이용하였다.
본 논문에서는 DES 암호화 알고리즘에서의 잘못된 암호문의 전송과 암호문의 내용이 손실되었을 경우나 네트워크 전송시 비트 오류가 발생했을 때는 손상된 내용에 관계없이 잘못된 암호문이 복호화되는 문제점을 개선하기 위하여 부정확한 암호문 복호화 방지 암호화 알고리즘을 설계하였다. 본 논문에서 설계한 암호화 알고리즘에서는 평문을 64비트 단위로 1차 암호화를 실행한다.
오류체크 플래그를 설정하였다. 이는 전송 도중에 발생할 수도 있는 암호문의 오류 및 악의적 인제 3 자로부터의 암호문의 탈취 및 수정으로 인한 잘못된 암호문의 오류를 조사하기 위한 것이다. 이때 오류체크 플래그 설정은 ASCII 코드로 문자를 입력할 경우 각 바이트는 최상위한 비트를 사용하지 않는 점을 이용하여 본 논문에서는 이 비트 자리를 패리티 비트로 사용하였다.
이 과정을 통하여 인증부분이 정확히 일치할 경우에는 복호화 처리가 행해지고, 일치하지 않올 경우에는 수신한 데이터를 복호화되지 않도록 설계하였다. 이로서부정확한 암호문의 복호화를 방지토록 하였다.
내용을 전달하기 위함에 있다. 특히 암호화 알고리즘 설계에 있어서 DES에서의 키 관리 둥 효율성이 떨어지는 문제점과 DES의 오류 조사를 하지 않는 문제로 인하여 부정확한 내용이 전달 될 수 있는 단점을 해결하기 위하여 설계한다.

제안 방법

암호화에 이용된 키는 고정된 비트가 아닌 가변적인 비트를 이용하였다.[9] 1차 암호화된 암호문에 강도를 높이기 위해 1차 암호문과 128비트 키를 적용시켜 2차 암호화를 하였다. 암호화 과정에서 오류 체크 플래그 설정 과정을 행하여 정확하게 전달되지 않은 데이터 경우는 복호화를 할 수 없게 하여 제3자로부터의 암호문의 유출 및 손상으로부터의 보안적인 측면의 강도를 보다 높이도록 하였다.
암호화 부분은 64비트 크기의한 블록을 대상으로 바이트 단위로 암호화를 진행하게 하였다. 각 블록을 바이트 단위로 암호화를 진행하여각 블록은 각기 서로 다른 서브키(subkey)를 사용하여 마스크(mask) 시켜 암호문의 강도를 높이고자 하였다.
통한 복호화 결과를 비교한다. 먼저 본 실험은 평문을 암호화시킨 암호문에 비트 에러를 적용하여 복호화한다’ 실험 조건으로는 3블록 주기로 1비트의에러를 적용한다. 비트의 에러 적용은 1비트 값을 평문과 상이한 값을 바꾸는 것으로 한다.
먼저, 실험은 DES알고리즘과 제안한 알고리즘을 통한 암호화된 암호문을 여러 실험 조건을 주어 비교 분석한다. DES알고리즘에서 발생할 수 있는 문제점에 대한 부분을 실험을 통하여 알아보고, 제안한 암호화 알고리즘의 실험결과를 통하여 DES 에서의 문제점을 해결한 결과를 보인다.
본 논문에서 설계하는 암호화 알고리즘에서는 실시간 처리 방식인 대화식 메시지 혹은 파일 전송 시 권한이 주어진 수신자만이 암호문을 복호화할 수 있도록 하였다. 분산 네트워크 환경에서는 전송되는 암호문이 완전하게 공개되는 것이나 다름이 없다.
그러나 에러가 발생한 블록에 대해서는 평문의 내용과 같이 복호화되지는 않았지만 복호화 과정 중에 비트열의 조합으로 인한 잘못된 의미의 글자가 발생할 수 있는 문제점이 발생하였다. 본 논문에서 설계한 암호화 알고리즘에서는 결과와 같이 암호문의 내용에 한 비트라도 비트 에러가 발생한 블록이 있다면 복호화를 하지 않았다. 이렇게 함으로써 잘못된 의미의 내용을 전달 할 수 있는 가능성을 없앴다.
방지 암호화 알고리즘을 설계하였다. 본 논문에서 설계한 암호화 알고리즘에서는 평문을 64비트 단위로 1차 암호화를 실행한다. 암호화에 이용된 키는 고정된 비트가 아닌 가변적인 비트를 이용하였다.
본 논문에서는 암호화가 진행될 첫 번째 블록에서 최하위 3비트를 주줄하여 사용하는 것으로 설계했다. 추출된 3비트 정보를 이용하여 현재 암호화가 진행되는 블록 내에서의 기준 바이트를 선택하는데, 예를 들어 3비트에 “100”이라는 값을 가지고 있다고 가정하면, 이는 10진수로 4를 의미한다.
본 논문에서는 암호화를 위하여 설정된 기준 바이트들의 비트열 16비트 중 최하위 4비트를 제외한 나머지 12 비트를 대상으로 2비트씩 하나의 그룹을 형성하여 각 그룹 당 암호화 알고리즘을 통하여 처리를 행하는 현재 블록의 각 바이트들의 포인터로 이용한다.
이렇게 입력된 코드와 전달된 키 값을 비교하여 인가된 사용자인가를 확인하게 된다. 본 논문의 시뮬레이션에서는 어댑터 주소를 편의상 IP 주소를 부여하였다. 먼저 세션에 참가하고 있는 수신자의 정보는 서버에서 각기 다른 IP 주소와 ID, 패스워드를 관리하기 때문에 이 정보를 본 논문의 시뮬레이션에서는 이용하였기 때문이다.
본 논문의 알고리즘에서는 암호화의 첫 번째 과정에서 오류체크 플래그를 설정하였다. 이는 전송 도중에 발생할 수도 있는 암호문의 오류 및 악의적 인제 3 자로부터의 암호문의 탈취 및 수정으로 인한 잘못된 암호문의 오류를 조사하기 위한 것이다.
암호화 과정에서 오류 체크 플래그 설정 과정을 행하여 정확하게 전달되지 않은 데이터 경우는 복호화를 할 수 없게 하여 제3자로부터의 암호문의 유출 및 손상으로부터의 보안적인 측면의 강도를 보다 높이도록 하였다. 암호화 부분은 64비트 크기의한 블록을 대상으로 바이트 단위로 암호화를 진행하게 하였다. 각 블록을 바이트 단위로 암호화를 진행하여각 블록은 각기 서로 다른 서브키(subkey)를 사용하여 마스크(mask) 시켜 암호문의 강도를 높이고자 하였다.
이 물리적인 주소가 정확한 경우 수신자는 자신의 ID와 패스워드를 입력하여 복호화를 위한 인증절차를 마치게 된다. 이 과정을 통하여 인증부분이 정확히 일치할 경우에는 복호화 처리가 행해지고, 일치하지 않올 경우에는 수신한 데이터를 복호화되지 않도록 설계하였다. 이로서부정확한 암호문의 복호화를 방지토록 하였다.
분산 네트워크 환경에서는 전송되는 암호문이 완전하게 공개되는 것이나 다름이 없다. 이 때문에 저】3자가 악의적으로 이 암호문을 입수하더라도 해독을 할 수 없도록 정보를 암호화하여 보호할 필요가 있기 때문에 [그림 2]와 같은 암호화 방법을 통하여 암호 강도를 높이도록 하였다.
이는 전송 도중에 발생할 수도 있는 암호문의 오류 및 악의적 인제 3 자로부터의 암호문의 탈취 및 수정으로 인한 잘못된 암호문의 오류를 조사하기 위한 것이다. 이때 오류체크 플래그 설정은 ASCII 코드로 문자를 입력할 경우 각 바이트는 최상위한 비트를 사용하지 않는 점을 이용하여 본 논문에서는 이 비트 자리를 패리티 비트로 사용하였다.
비트의 에러 적용은 1비트 값을 평문과 상이한 값을 바꾸는 것으로 한다. 이렇게 에러 비트를 적용했을 경우 DES 암호화 알고리즘 올 통하여 복호화한 결과와 본 논문의 알고리즘으로 처리한 복호화 내용을 비교하게 된다. [그림 기은 평문을 나타내었다.

대상 데이터

네트워크 환경은 10Mbps LAN상에서 구현하여 실험한다. 데이터 암호화 전송 및 복호화는 본 논문의 알고리즘을 적용하여 제작한 암호문 전송 시스템 시뮬레이터를 이용하였다.

데이터처리

DES 암호화 알고리즘과 제안한 암호화 알고리즘을 통한 복호화 결과를 비교한다. 먼저 본 실험은 평문을 암호화시킨 암호문에 비트 에러를 적용하여 복호화한다’ 실험 조건으로는 3블록 주기로 1비트의에러를 적용한다.

이론/모형

[그림 10]은 DES와 마찬가지로 암호화될 같은 암호문에 대하여 나타내었다. 본 논문의 암호화 실험 조건은 DES 알고리즘을 통하여 실험한 조건과 같이 적용한다. [그림 11]은 제안 알고리즘 암호화 과정을 통하여 복호화를 시킨 결과를 나타내었다.
오류체크 플래그 값은 흘수 패리티(odd parity) 방법을 이용하였다. 이것을 시작으로 암호화 과정을 통해 처리된 1차 암호문을 생성한다.

성능/효과

분석한다. DES알고리즘에서 발생할 수 있는 문제점에 대한 부분을 실험을 통하여 알아보고, 제안한 암호화 알고리즘의 실험결과를 통하여 DES 에서의 문제점을 해결한 결과를 보인다.
[2] 특히, DES는 공개키 암호화 방법에 비하여 암호화, 복호화시 계산량이 적어 암호 장치 구현이 용이한 장점이 있다.[3] 그러나 DES와 같은 공개키 암호화 방법은 송신자와 수신자가 동일한 하나의 비밀키를 가지고 있어 인터넷과 같은 개방형 시스템에서는 사용자들 간에 키의 안전한 사전분배에 따른 문제점으로 비밀키 암호화를 사용하기에는 어려움이 있으며, 네트워크를 통한 전송이나 제 3자로 인하여 암호문의 내용이 손상되었을경우 그 내용이 원문과 다르지만 복호화가 이루어져 잘못된 의미가 전달될 수 있다는 가능성이 있다.[7, 8]
각 문서에 대하여 비트에러를 적용하였는데, 비트에 에러를 적용하지 않았을 경우<0비트)에는 DES 와 제안 알고리즘 모두 100% 복호화가 이루어 졌다. 그러나 임의의 하나의 블록에 1비트 4개의 블록에 대하여 각각 1비트씩 모두 4비트 같은 방법으로 8 비트에 에러를 적용했을 경우 DES는 모두 에러에 무관하게 모두 복호화가 되었다.
본 논문에서 설계한 제안 알고리즘에서는 네트워크 통신을 통하여 전송할 경우에는 모든 패킷을 정상적으로 수신했을 경우에만 복호화가 이루어진다는 것을 의미한다. 또한 오프라인(offline)에서도 암호화된 문서상의 내용이 손상이 발생했을 경우와 내용이 변경되었을 경우에도 복호화가 이루어지지 않는다는 장점이 있음을 확인하였다. [그림 12]는 DES와 제안알고리즘의 암호화 수행시간을 비교한 그림을 나타내었다.
그러나 본 논문에서 설계한 제안 알고리즘에서는 한 비트라도 에러가 포함되어 있을 경우에는 복호화가 행해지지 않았다. 본 논문에서 설계한 제안 알고리즘에서는 네트워크 통신을 통하여 전송할 경우에는 모든 패킷을 정상적으로 수신했을 경우에만 복호화가 이루어진다는 것을 의미한다. 또한 오프라인(offline)에서도 암호화된 문서상의 내용이 손상이 발생했을 경우와 내용이 변경되었을 경우에도 복호화가 이루어지지 않는다는 장점이 있음을 확인하였다.
수 있는 문제점을 안고 있었다. 실험을 통하여 나타난 결과는 제 3자가 정상적인 방법으로 파일 및 메시지를 확보하여 암호화 및 복호화 키는 알고 있더라도 비밀 취급 등급과 어댑터 주소를 사용하여 신원확인을 받지 못하면 해독을 할 수 없었다. 인증이 되지 않은 사용자가 네트워크를 통하는 파일 및 메시지를 중간에 가로채었다면 DES는 키를 찾아서 해독할 수 있지만, 제안 알고리즘으로 처리된 메시지는 키를 가지고 있어도 어댑터 주소와 ID 및 패스워드를 알지 못하면 해독이 불가능하며, 또한 조금이라도 손상이 발생하였다면 암호화 테이블을 참조하지 못하고, 잘못된 정보를 가지고 있기 때문에 전혀 해독을 할 수 없는 결과僵 얻을 수 있었다.
암호화 때 데이터의 크기가 커짐에 따라 암호화의 수행 시간은 제안한 알고리즘이 다소 빠른 것으로 나타났다. DES에서의 이런 결과는 64비트의 블록 올 대상으로 16회 라운드를 거치는 과정의 시간과, 키 스케쥴(schedule)에 의해서 키 생성하는 수행하는 부분에서 비교적 많은 시간이 걸리게 된다는 것을 알 수 있다.
실험을 통하여 나타난 결과는 제 3자가 정상적인 방법으로 파일 및 메시지를 확보하여 암호화 및 복호화 키는 알고 있더라도 비밀 취급 등급과 어댑터 주소를 사용하여 신원확인을 받지 못하면 해독을 할 수 없었다. 인증이 되지 않은 사용자가 네트워크를 통하는 파일 및 메시지를 중간에 가로채었다면 DES는 키를 찾아서 해독할 수 있지만, 제안 알고리즘으로 처리된 메시지는 키를 가지고 있어도 어댑터 주소와 ID 및 패스워드를 알지 못하면 해독이 불가능하며, 또한 조금이라도 손상이 발생하였다면 암호화 테이블을 참조하지 못하고, 잘못된 정보를 가지고 있기 때문에 전혀 해독을 할 수 없는 결과僵 얻을 수 있었다. 향후에는 현재 64비트의 블록 암호화를 탈피하여 암호화하는 평문의 보안등급에 따라 가변적인 블록 암호화 알고리즘으로 변경하여 메시지, 파일암호화 뿐만 아니라 인증시스템에 적용될 수 있도록 연구되어야 할 것이다.
DES에서의 이런 결과는 64비트의 블록 올 대상으로 16회 라운드를 거치는 과정의 시간과, 키 스케쥴(schedule)에 의해서 키 생성하는 수행하는 부분에서 비교적 많은 시간이 걸리게 된다는 것을 알 수 있다. 제안 알고리즘에서는 서브키 생성 올 위하여 비트 연산을 하지 않으며, 64비트의 하나의 블록을 대상으로 라운드가 수행되지 않고 각 1바이트씩 암호화 테이블을 참조한 마스크 과정을 수행함으로써 시간이 단축되었다고 볼 수 있다.

후속연구

인증이 되지 않은 사용자가 네트워크를 통하는 파일 및 메시지를 중간에 가로채었다면 DES는 키를 찾아서 해독할 수 있지만, 제안 알고리즘으로 처리된 메시지는 키를 가지고 있어도 어댑터 주소와 ID 및 패스워드를 알지 못하면 해독이 불가능하며, 또한 조금이라도 손상이 발생하였다면 암호화 테이블을 참조하지 못하고, 잘못된 정보를 가지고 있기 때문에 전혀 해독을 할 수 없는 결과僵 얻을 수 있었다. 향후에는 현재 64비트의 블록 암호화를 탈피하여 암호화하는 평문의 보안등급에 따라 가변적인 블록 암호화 알고리즘으로 변경하여 메시지, 파일암호화 뿐만 아니라 인증시스템에 적용될 수 있도록 연구되어야 할 것이다.

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