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비트 슬라이스 대합 S-박스에 의한 대칭 SPN 블록 암호
Symmetric SPN block cipher with Bit Slice involution S-box 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.6 no.2, 2011년, pp.171 - 179  

조경연 (부경대학교 IT 융합응용공학과) ,  송홍복 (동의대학교 전자공학과)

초록
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블록 암호는 Feistel 구조와 SPN 구조로 나눌 수 있다. Feistel 구조는 암호 및 복호 알고리즘이 같은 구조이고, SPN 구조는 암호 및 복호 알고리즘이 다르다. SPN 구조에서의 암호 및 복호 라운드 함수는 키 합산층과 S-박스에 의하여 혼돈을 수행하는 치환층 및 확산층의 세 단계로 구성된다. AES, ARIA 등 많은 SPN 구조에서 8 비트 S-박스를 사용하므로 Square 공격, 부메랑 공격, 불능 차분 공격 등이 유효하다. 본 논문에서는 암호와 복호 과정이 동일한 SPN 구조 블록 암호 알고리즘을 제안한다. SPN 구조 전체를 짝수인 N 라운드로 구성하고 1 라운드부터 N/2 라운드까지는 정함수를 적용하고, (N/2)+1 라운드부터 N 라운드까지는 역함수를 적용한다. 또한 정함수단과 역함수단 사이에 대칭 블록을 구성하는 대칭단을 삽입한다. 대칭단은 간단한 비트 슬라이스 대합 S-박스로 구성한다. 비트 슬라이스 대합 S-박스는 Square 공격, 부메랑 공격, 불능 차분 공격 등의 공격을 어렵게 한다. 본 논문에서 제안한 SPN 블록 암호는 제한적 하드웨어 및 소프트웨어 환경인 스마트카드와 전자칩이 내장된 태그와 같은 RFID 환경에서 안전하고 효율적인 암호 시스템을 구성할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Feistel and SPN are the two main structures in a block cipher. Feistel is a symmetric structure which has the same structure in encryption and decryption, but SPN is not a symmetric structure. Encrypt round function and decrypt round function in SPN structure have three parts, round key addition and...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 암호와 복호 과정이 상이한 SPN 구조 블록 암호 알고리즘을 암복호 과정이 동일한 SPN 구조로 변형시키는 방식을 제안한다. 즉, 제안하는 블록 암호 알고리즘은 짝수 N 라운드로 구성하고, 1 라운드부터 N/2 라운드까지의 전반부 라운드 함수는 키합산층(Key addition layer)과 치환층 (Substitution layer) S 및 확산층(Permutation layer) P의 세 단계로 구성하고 이를 정함수단이라 가칭한다.
  • 본 논문에서는 암호와 복호 과정이 상이한 SPN 구조 블록 암호 알고리즘을 암복호 과정이 동일한 SPN 구조로 변형시키는 방식을 제안했다. 즉, 1 라운드부터 N/2 라운드까지의 전반부 라운드 함수는 키합산층(Key addition layer)과 치환층(Substitution layer) S 및 확산층(Permutation layer) P의 세 단계로 구성하고 이를 정함수단이라 칭했으며, 후반부 (N/2) + 1 라운드부터 N 라운드까지는 역확산층 (Inverse Permutation layer) P-1과 역치환층(Inverse Substitution layer) S-1 및 키합산층(Key addition layer)의 세 단계로 구성하고 이를 역함수단이라 칭했다.
  • [9]에서는 대칭단으로 대합 행렬식을 사용하였는데, 이는 MDS(Maximum Distance Separated)가 아니며 또한 라운드간 바이트 전달 특성에 영향을 주지 않는다. 본 논문에서는 이를 개선하기 위하여 대칭단으로 비트 슬라이스 대합 S-박스를 적용하여서 안전성을 높였다.

가설 설정

  • AddRoundKey() 함수는 라운드 키 덧셈 함수이 다.
  • 이는 MixColumn()가 MDS 행렬을 이루기 때문이다. 따라 서 공격이 가장 용이한 경우로 대각선 위치에 있는 오직 한 개의 S-박스만이 활성화되는 경우를 가정하였다.
  • MixColumn() 함수를 수행하면 한 개의 S-박스 만이 활성화된다. 이는 공격이 가장 용이한 경우를 가정한 것이다. 3 라운드와 4 라운드와 같은 경우가 실제로 발생하는 입력을 찾지 못했으나 공격이 가장 용이한 패스로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Feistel 구조의 장단점은? Feistel 구조에서 라운드 함수는 입력을 둘로 나누고, 나누어진 반쪽에 라운드 키를 적용하여 비선형변환을 하고, 이를 나머지 반쪽과 배타적 논리합 즉 XOR 연산을 수행한 후에 서로 치환한다. Feistel 구조는 암호와 복호 알고리즘이 동일하므로 하드웨어 및 소프트웨어 구현이 쉬운 장점이 있는 반면에 한 라운드에서 입력의 반만이 비선형 변환되므로 충분한 안전성을 얻기 위해서는 라운드 수가 증가되며, 따라서 하드웨어 구현시 동작 속도가 느려 지는 단점이 있다. AES[4], ARIA[5] 등은 SPN 구조이다.
비밀키 블록 암호는 라운드 함수의 구조에 따라서 어떻게 나눌 수 있나? 이러한 비밀키 블록 암호의 암호 및 복호 알고리즘은 암호 및 복호 함수를 여러 라운드 반복 수행하는 구조이다. 비밀키 블록 암호는 라운드 함수의 구조에 따라서 Feistel 구조[1]와 SPN(Sub stitution Permutation Network) 구조로 나눌 수 있다.
SPN 구조는 어떤 장점을 가지고 있나? SPN 구조는 암호와 복호 알고리즘이 다르므로 구현이 복잡해지지만 각 라운드에서 입력이 전부 비선형변환되므로 라운드의 수가 적어진다. 따라서 하드웨어의 동작 속도가 빠른 장점을 가진다. 1970년대에 개발되어 산업계표준으로 사용되던 DES는 안전성에 문제가 있어 미국을 비롯한 유럽 및 선진국들은 자국의 표준 블록 암호 개발에 주력하고 있다.
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참고문헌 (17)

  1. H. Feistel, "Cryptography and Computer Privacy", Scienti- fic American, Vol. 228, No. 5, pp. 15-23, 1973. 

  2. National Bureau of Standards, Data Encryption Standard, FIPS-Pub. 46. National Bureau of Standards, U.S. Depart- ment of Commerce, Washington D.C., January 1977. 

  3. SEED, http://www.ietf.org/rfc4269.txt. 

  4. Federal Information Processing Standards Publication 197, "Announcing the Advanced Encryption Standard(AES)," Nov. 2001, csrc.nist.gov/publications/fips/ fips197/ fips- 197.pdf. 

  5. Daesung Kwon, et. al., "New block cipher : ARIA," Information security and cryptology - ICISC 2003, 6th international, pp. 432-445, 2003. 

  6. C.E. Shannon, "Communication Theory of Secrecy System" Bell System Technical Journal, Vol. 28, No. 4, pp. 656-715, 1949. 

  7. "Report on the Development of the Advanced Encryption Standard(AES)", http://www.csrc.nist.gov/archive/ace/round2/r2report.. 

  8. J. J. Daemen, and V. Rijmen, "AES Proposal: Rijndael," http://www.csrc.nist.gov /archive/aces/rijndael/Rijindael.pdf. 

  9. 조경연, 송홍복, "암복호가 동일한 변형 AES," 한국산업정보학회논문지, 제15권, 제2호, pp. 1-10, 2010년 6월. 

  10. E. Biham and A. Shamir, "Differential Cryptanalysis of the Full 16-Round DES", LNCS 537, pp. 2-21, 1990. 

  11. M. Matsui, "Linear Cryptanalysis Method for DES", LNCS 765, pp. 386-397, 1994. 

  12. J. Daemen, L. Knudsan, and V. Rijmen, "The Block Cipher Square," Proceeding of FSE`97, LNCS Vol.1267, pp. 149-165, 1997. 

  13. A. Birynkov, "The Boomerang attack on 5 and 6-round reduced AES", LNCS 3373, pp. 42-57, 2005. 

  14. J. Cheon, M. Kim, K. Kim, J. Lee and S. Kang, "Improved impossible differential cryptanalysis of Rijndael and Crypton", LNCS 2288, pp. 39-49, 2001. 

  15. L. R. Knudsen, "Truncated and higher order differential," Fast Software Encryption-Second International Workshop, LNCS Vol. 1008, pp. 196-211, 1995. 

  16. A. M. Youssef, S. Mister, and S. E. Tavares, "On the Design of linear Transformation for Substitution and Permutation Encryption Networks," in the Workshop Record of the Workshop on Selected Areas in Cryptography (SAC `97), pp. 40-48, Aug. 1997. 

  17. S. Hong, S. Lee, J. Lim, J. Sung, and D. Cheon, "Provable security against differential and linear crypta- nalysis for the SPN structure," In Fast Software Encryp- tion 2000, LNCS Vol. 1978, pp. 273-283, 2001. 

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