[논문]모바일 멀티미디어 데이타를 위한, 의사난수생성기와 순열 기법을 결합한 효율적인 암호화 기법

한정규; 조유근

[국내논문] 모바일 멀티미디어 데이타를 위한, 의사난수생성기와 순열 기법을 결합한 효율적인 암호화 기법
An Efficient Encryption Scheme Combining PRNG and Permutation for Mobile Multimedia Data 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KIISE. 시스템 및 이론, v.34 no.11, 2007년, pp.581 - 588

한정규 (NTT 정보유통플랫폼연구소) , 조유근 (서울대학교 전기컴퓨터공학부)

초록
AI-Helper

디지털 저작권 관리 기법은 계산비용의 경감을 목적으로 컨텐츠 암호화를 위해 대칭 키 암호화 기법을 채택하였으며 데스크탑 환경에서는 강한 보안성과 적절한 암호화 속도를 가지는 AES를 주로 사용하고 있다. 그러나 낮은 성능의 프로세서와 제한된 전력환경에서 동작하는 모바일 기기에서는 더욱 낮은 계산 비용 실현과 에너지 소모 경감을 요구한다. 이에 본 논문에서는 모바일 기기에서 사용 가능한 효율적인 스트림 암호화 기법을 제안한다. 제안 기법은 의사 난수 생성기를 사용하여 원본 키 스트림을 생성한 다음 이에 동적 생성한 순열을 적용하여 확장 키 스트림을 생성한다. 확장 키 스트림을 평문과 논리 합하여 암호문을 생성한다. 순열을 이용하여 키 스트림 생성에 사용되는 의사 난수 생성기의 사용 횟수를 줄였기 때문에 일반 스트림 암호화 기법에 비해 멀티미디어 데이타의 암/복호화 속도가 빠르며 에너지 소모를 줄였다. 특히 제안 기법은 멀티미디어 파일의 임의 접근 시 일반 스트림 암호화 기법에 비해 약 2배의 속도향상을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In Digital Right Management, symmetric cipher is used for content encryption to reduce encryption cost, AES, advanced encryption standard is usually used to multimedia encryption under desktop environment because of its reasonable security level and computation cost. But mobile handheld device often uses slow speed processor and operates under battery-powered environment. Therefore it requires low computation cost and low energy consumption. This paper proposes new stream cipher scheme which combines pseudo random number generator(PRNG) and dynamically generated permutations. Proposed scheme activates PRNG and generates original key streams. Then it generates extended key streams by applying permutation to original sequence. These extended key streams are XORed with plaintext and generate ciphertext. Proposed scheme reduces the usage of PRNG. Therefore this scheme is fast and consumes less energy in comparison with normal stream cipher. Especially, this scheme shows great speed up (almost 2 times) than normal stream cipher scheme in random access.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 의사 난수 생성기와 동적 생성된 순열을 결합한 스트림 암호화 기법을 제안한다. 제안 기법은 의사 난수 생성기를 사용하여 원본 키 스트림을 생성한 후 이에 동적 생성한 순열을 적용하여 데이타 암호화에 필요한 키 스트림을 생성한다.
멀티미디어 데이타는 매우 큰 크기를 가지므로 임의 시퀀스 생성에 필요한 비용을 감소시킬 수 있다면 전체적인 계산 비용 및 에너지 소모를 줄일 수 있을 것이다. 본 논문에서는 임의 시퀀스의 생성 비용을 줄이기 위해 순열(Permutation)과 의사 난수 생성기를 결합한 암호화 기법을 제안한다.
본 논문은 기존의 스트림 암호화 기법에 비해 빠른 응답속도와 낮은 에너지 소모율을 가지며 임의 접근에 효율적인 스트림 암호화 기법을 제안하였다. 제안 기법은 평문을 암호화 하는데 필요한 키 스트림의 절반 길이의 원본 시퀀스를 의사 난수 생성기를 사용하여 생성한 다음 동적 생성된 순열을 적용하여 필요 길이의 확장 시퀀스를 생성한다.

가설 설정

2. 랜덤 키, 순열 키를 유추 할 수 없어야 한다.

제안 방법

Ppk에서 순열 색인 PI를 이용하여 두 개의 순열 Pm, Pn2를 추출. PI에는 추출할 순열의 색인이 추출할 순서대로 명시되어 있으며 PI의 원소, 즉 순열의 색인은 0에서 iT까지의 범위 값을 가져 모든 순열을 지시할 수 있다.
그림 8의 (a)에 1메가 바이트에서 5메가 바이트까지 복호화에 필요한 최소한의 순열 풀의 크기를 나타내었으며 (b)에 전체 파일 크기에 대한 순열 풀의 크기의 비율을 %로 나타내었다. 일반적인 크기인 5메가 바이트의 MP3파일을 암호화 하는데 제안 기법은 약 36킬로바이트의 메모리 공간을 필요로 한다. 하지만 일반적인 모바일 휴대 기기의 메모리 용량(아이팟 나노는 약 28 메가 바이트)에 비해 그리 큰 크기가 아니므로 무시할 수 있으며 필요한 경우 파일을 좀 더 작은 순열 풀 적용 단위로 분할하여 각 단위마다 순열 풀을 생성하면 복호화할 때 필요로 하는 최소 메모리 크기를 줄일 수 있다.
권리 객체에는 암호화된 컨텐츠객체를 복호화 하기 위한 키가 포함되어 있다. 제안 기법으로 암호화 된 데이타를 복호화 하기 위해서는 랜덤키 (PRNG Key) 와 순열 7] (Permutation Key) 두 개가 필요하다. 랜덤 키는 임의 시퀀스를 생성하기 위해 사용하고 순열 키는 순열을 생성하기 위해 사용된다.
본 논문은 제안 기법이 순열과 의사 난수 생성기를 결합하여 사용함으로써 암호화 단독 공격 및 알려잔/선택 평문 공격에 안전함을 보였다. 제안 기법은 멀티미디어 데이타 압축 독립적인 암호화 알고리즘으로써 특정 멀티미디어 데이타 압축 알고리즘에 의존하지 않는다. 따라서 멀티미디어 파일 종류와 관계없이 적용할 수 있어 선택적 암호화 기법에 비해 활용 범위가 넓으며 표준 모바일 디지털 저작권 관리 구조에 쉽게 포함시킬 수 있다.
제안 기법은 순열 풀을 암/복호화 동안 유지하여야한다. 따라서 순열 풀의 크기가 곧 추가 메모리 사용량이 된다.
결합한 스트림 암호화 기법을 제안한다. 제안 기법은 의사 난수 생성기를 사용하여 원본 키 스트림을 생성한 후 이에 동적 생성한 순열을 적용하여 데이타 암호화에 필요한 키 스트림을 생성한다. 순열을 이용하여 키 스트림 생성에 사용되는 의사 난수 생성기의 사용 횟수를 줄였기 때문에 일반 스트림 암호화 기법에 비해 멀티미디어 데이타의 암/복호화 응답 속도가 빠르며 에너지 소모를 줄였다.
스트림 암호화 기법을 제안하였다. 제안 기법은 평문을 암호화 하는데 필요한 키 스트림의 절반 길이의 원본 시퀀스를 의사 난수 생성기를 사용하여 생성한 다음 동적 생성된 순열을 적용하여 필요 길이의 확장 시퀀스를 생성한다. 제안 기법이 의사 난수 생성기의 사용을 줄임으로써 결과적으로 키 스트림 생성에 드는 비용이 줄어 일반 스트림 암호화 기법보다 빠르고 에너지를 적게 소모함을 보였다.
제안 기법의 성능을 측정하기 위해 애플 사의 아이팟나노(ipod nano)를 사용하여 복호화 속도를 측정하였다. 아이팟 나노의 운영체제로는 리눅스 2.
않아야 한다. 평문의 암호화에 L개의 확장 시권스가 필요하다면 제안 기법은 L개의 확장 시퀀스를 생성하기 위해 L/2개의 순열 쌍을 필요로 한다. 따라서 암호화에 L개의 확장 시퀀스를 필요로 하는 평문을 안전하게 암호화하기 위해서 [는

대상 데이터

본 논문에서는 순열 생성에 RC₄의 S 박스 스냅샷 값을 이용하였으며 의사 난수 생성기로는 RC₄를 사용하였다.
이때 i는仲)W 를만족한다. 의사 난수 생성기로 생성한 길이 N인 임의시퀀스 L/2개에 순열 풀에서 추출한 두 개의 순열을 적용하여 길이 N인 임의 시퀀스 L개를 새로 생성한다. 필요로 하는 임의 시퀀스를 절반의 미리 생성해 놓은 임의 시퀀스에 순열을 적용하여 생성하기 때문에(그림 1) 난수 생성기의 사용 횟수를 줄여 일반 스트림 암호화 기법에 비해 적은 비용으로 임의 시퀀스를 생성할 수 있다.

이론/모형

본 절에서는 제안 기법의 에너지 소비를 측정하기 위해 무트레쟈(Anish Muttreja)의 fsim 시뮬레이터를 사용하였다. Fsime 명령어 단계(Instruction Level Based) 기반 시뮬레이션과 복합 시뮬레이션(Hybrid)을 제공하는 시뮬레이터이다[11, 12].

성능/효과

계산 시간만 측정하였으며 파일 입출력에 소요된 시간은 측정하지 않았다. 그림 6을 보면 제안 기법은 의사 난수 생성기로 RC₄를 사용하였을경우, 일반 RC₄를 사용해 복호화하는 것에 비해 약 27%의 속도가 개선되었다.
의사 난수 생성기로 RC4를사용했을 경우 제안 기법은 일반 RC₄에 비해 약 27% 의 응답속도 단축과 약 30%의 에너지 소모 감소율을 보인다. 또한 멀티미디어 데이타 임의 접근시 의사 난수 생성기를 사용하여 생성해야 할 키 스트림이 기존 스트림 암호화 기법의 절반에 지나지 않아 임의 접근 속도가 향상되었다. 본 논문은 제안 기법이 순열과 의사 난수 생성기를 결합하여 사용함으로써 암호화 단독 공격 및 알려잔/선택 평문 공격에 안전함을 보였다.
또한 멀티미디어 데이타 임의 접근시 의사 난수 생성기를 사용하여 생성해야 할 키 스트림이 기존 스트림 암호화 기법의 절반에 지나지 않아 임의 접근 속도가 향상되었다. 본 논문은 제안 기법이 순열과 의사 난수 생성기를 결합하여 사용함으로써 암호화 단독 공격 및 알려잔/선택 평문 공격에 안전함을 보였다. 제안 기법은 멀티미디어 데이타 압축 독립적인 암호화 알고리즘으로써 특정 멀티미디어 데이타 압축 알고리즘에 의존하지 않는다.
시뮬레이션에서 에너지의 단위는 줄(J)이며 에너지 측정에서 파일 입출력은 제외하였다. 시뮬레이션 결과에 따르면 5 메가 바이트의 파일을 복호화 할 경우 RC4는 약 27.68줄의 에너지가 소비되고 제안 기법은 19.25줄의 에너지가 소비된다. 이는 RC₄로 암호화 하는 것과 비교해서 제안 기법이 약 30%의 에너지를 절약할 수 있음을 보이고 있다.
25줄의 에너지가 소비된다. 이는 RC₄로 암호화 하는 것과 비교해서 제안 기법이 약 30%의 에너지를 절약할 수 있음을 보이고 있다.
제안 기법은 의사 난수 생성기를 사용한 임의 시퀀스생성이 RC₄의 절반에 지나지 않으므로 임의 접근속도에서는 RC₄에 비해 약 50%의 속도 향상을 보인다.
제안 기법은 평문을 암호화 하는데 필요한 키 스트림의 절반 길이의 원본 시퀀스를 의사 난수 생성기를 사용하여 생성한 다음 동적 생성된 순열을 적용하여 필요 길이의 확장 시퀀스를 생성한다. 제안 기법이 의사 난수 생성기의 사용을 줄임으로써 결과적으로 키 스트림 생성에 드는 비용이 줄어 일반 스트림 암호화 기법보다 빠르고 에너지를 적게 소모함을 보였다. 의사 난수 생성기로 RC4를사용했을 경우 제안 기법은 일반 RC₄에 비해 약 27% 의 응답속도 단축과 약 30%의 에너지 소모 감소율을 보인다.

후속연구

따라서 평문의 크기가 클수록 스트림 암호화 기법의 전체 비용에서 임의 시퀀스 생성 비용의 비율이 커진다[7]. 멀티미디어 데이타는 매우 큰 크기를 가지므로 임의 시퀀스 생성에 필요한 비용을 감소시킬 수 있다면 전체적인 계산 비용 및 에너지 소모를 줄일 수 있을 것이다. 본 논문에서는 임의 시퀀스의 생성 비용을 줄이기 위해 순열(Permutation)과 의사 난수 생성기를 결합한 암호화 기법을 제안한다.
한다. 보안성과 성능을 유지하면서 필요 메모리 요구량을 감소시키는 것이 차후의 연구 과제이다.

참고문헌 (14)

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상세보기
B.Macq and J.j.Quisquater, 'Cryptology for digital tv broadcasting,' in IEEE, Vol.83, No.6, 1995, pp. 944-957e

상세보기
C. P. Wu and J. Kuo, 'Design of integrated multimedia compression and encryption systems,' in IEEE Transactions on Multimedia, Vol.7, No.5, 2005
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J. Soto, 'Statistical Testing of Random Number Generators,' NIST 2000
A. Muttreja, A. Raghunathan, S. Ravi, and N. K.Jha, 'Automated energy/performance macromodeling of embedded software,' in the 41st Design Automation Conference(DAC04), 2004
A. Muttreja, A. Raghunathan, S. Ravi, and N. K.Jha, 'Hybrid simulation for embedded software energy estimation,' in the 42th Design Automation Conference (DAC05), 2005
W.Stallings, 'Cryptography and Network Security: principles and practices,' 3rd edition Pearson Education Ince
D. Xie and C. J. Kuo, 'Multimedia data encryption via random rotation in partitioned bit streams,' 2005

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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