본 논문에서는 암호와 복호 과정이 동일한 SPN 구조 256 비트 블록 암호 알고리즘인 가칭 XSB(eXtended SPN Block cipher)를 제안한다. XSB는 짝수 N 라운드로 구성하고, 1 라운드부터 N/2-1 라운드까지는 전함수를 적용하고, N/2+1 라운드부터 N 라운드까지는 후함수를 적용한다. 각 라운드는 키 합산층, 치환층, 바이트 교환층 및 확산층의 네 단계로 구성한다. 또한 전함수단과 후함수단 사이에 대칭 블록을 구성하는 대칭단을 삽입한다. 대칭단은 간단한 비트 슬라이스대합 S-박스로 구성한다. 비트 슬라이스 대합 S-박스는 Square 공격, 부매랑 공격, 불능차분 공격 등의 공격을 어렵게 한다.
본 논문에서는 암호와 복호 과정이 동일한 SPN 구조 256 비트 블록 암호 알고리즘인 가칭 XSB(eXtended SPN Block cipher)를 제안한다. XSB는 짝수 N 라운드로 구성하고, 1 라운드부터 N/2-1 라운드까지는 전함수를 적용하고, N/2+1 라운드부터 N 라운드까지는 후함수를 적용한다. 각 라운드는 키 합산층, 치환층, 바이트 교환층 및 확산층의 네 단계로 구성한다. 또한 전함수단과 후함수단 사이에 대칭 블록을 구성하는 대칭단을 삽입한다. 대칭단은 간단한 비트 슬라이스 대합 S-박스로 구성한다. 비트 슬라이스 대합 S-박스는 Square 공격, 부매랑 공격, 불능차분 공격 등의 공격을 어렵게 한다.
In this paper, we propose a SPN 256 bit block cipher so called XSB(eXtended SPN Block cipher) which has a symmetric structure in encryption and decryption. The proposed XSB is composed of the even numbers of N rounds where the first half of them, 1 to N/2-1 round, applies a pre-function and the last...
In this paper, we propose a SPN 256 bit block cipher so called XSB(eXtended SPN Block cipher) which has a symmetric structure in encryption and decryption. The proposed XSB is composed of the even numbers of N rounds where the first half of them, 1 to N/2-1 round, applies a pre-function and the last half of them, N/2+1 to N round, employs a post-function. Each round consists of a round key addition layer, a substiution layer, a byte exchange layer and a diffusion layer. And a symmetry layer is located in between the pre-function layer and the post-function layer. The symmetric layer is composed with a multiple simple bit slice involution S-Boxes. The bit slice involution S-Box symmetric layer increases difficult to attack cipher by Square attack, Boomerang attack, Impossible differentials cryptanalysis etc.
In this paper, we propose a SPN 256 bit block cipher so called XSB(eXtended SPN Block cipher) which has a symmetric structure in encryption and decryption. The proposed XSB is composed of the even numbers of N rounds where the first half of them, 1 to N/2-1 round, applies a pre-function and the last half of them, N/2+1 to N round, employs a post-function. Each round consists of a round key addition layer, a substiution layer, a byte exchange layer and a diffusion layer. And a symmetry layer is located in between the pre-function layer and the post-function layer. The symmetric layer is composed with a multiple simple bit slice involution S-Boxes. The bit slice involution S-Box symmetric layer increases difficult to attack cipher by Square attack, Boomerang attack, Impossible differentials cryptanalysis etc.
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문제 정의
본 논문에서는 암호와 복호 과정이 동일한 SPN 구조 블록 암호 알고리즘인 가칭 XSB를 제안했다. XSB는 짝수 N 라운드로 구성하고, 1 라운드부터 N/2-1라운드까지의 라운드 함수는 치환층(Substitution layer) S, 바이트를 교환하는 교환(Exchange) 계층, 확산층(Permutation layer) P와 키합산층(Key addition layer)의 네 단계로 구성하고 이를 전함수단이라 가칭한다.
암복호가 동일한 SPN 블럭 암호 알고리즘은 조경연 등의 연구[8-10]가 있다. 본 논문에서는 이들 연구를 확장하여 256 비트 블록과 키를 가지는 암복호가 동일한 SPN 블럭 암호 알고리즘 XSB(eXtended SPN Block cipher)를 제안한다.
가설 설정
4 라운드의 입력에는 24개의 S-박스가 활성화되는데, 다음 라운드에서 활성화되는 최소 S-박스의 수는 16개이다. 이는 공격이 가장 용이한 경우를 가정한 것이다. 3 라운드와 4 라운드와 같은 경우가 실제로 발생하는 입력을 찾지 못했으나 공격이 가장 용이한 패스로 설정하였다.
키는 256 비트이며 14 라운드를 수행한다. 키 길이 및 라운드 수는 변경이 가능한데, 본 논문에서는 설명의 편의상 256 비트와 14 라운드를 가정한다.
제안 방법
GNU-C 컴파일러를 사용하였으며 Windows XP, 셀러론 2.8GHz, 2G RAM 환경에서 16억 바이트에 대하여 XSB와 14 라운드 AES, 16 라운드 ARIA 및 64라운드 SHACAL-2를 비교하였다. XSB는 AES에 비하여 6% 정도 소프트웨어 속도가 느리며, ARIA에 비하여 3.
대상 데이터
이들 공격은 AES, ARIA 등에 유효한 공격 방법이다. 본 논문에서 제안한 XSB의 대칭단은 64개의 비트 슬라이스 4 비트 S박스로 구성되어 있다. 즉, 대칭단에서 바이트 패턴이 완전히 바뀌므로 이들 공격은 XSB의 효율적인 공격방법이 아니다.
스테이트는 CPU 워드에 따라서 16개의 16 비트 워드, 8개의 32 비트 워드 또는 4개의 64 비트 워드로 구성한다. 32비트 워드의 구성은 SWn = {s0,n , s1,n ,s2,n ,s3,n}, n = {0,1,⋯ 7}과 같다.
SPN 구조는 C. E Shannon의 혼돈(Confusion)과 확산(Diffusion)[2] 이론을 바탕으로 하였다. AES[3-4], ARIA[5] 등이 SPN 구조로 블록 크기는 128 비트, 키 길이는 128-256 비트이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비밀키 블록 암호의 암호 및 복호 알고리즘은 어떤 구조인가요?
비밀키 블록 암호는 암호 알고리즘 E에 비밀키 K 를 적용하여 평문 P로부터 암호문 C = EK(P)를 생성하며, 복호는 복호 알고리즘 D에 동일한 비밀키 K 를 적용하여 암호문 C로부터 평문 P = DK(C)를 얻는다. 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(Substitution Permutation Network) 구조로 나눌 수 있다.
SPN 구조는 어떤 장점이 있나요?
복호 라운드 함수는 역확산층(Inverse Permutation layer P-1과 역치환층(Inverse Substitution layer) S-1 및 키합산층(Key addition layer)의 세 단계로 구성한다. SPN 구조는 암호와 복호 알고리즘이 다르지만 각 라운드에서 입력이 전부 비선형변환되므로 Feistel 구조에 비하여 라운드의 수가 적어지므로 하드웨어의 동작 속도가 빠른 장점을 가진다.
AES, ARIA 등에 유효한 공격 방법에는 무엇이 있나요?
부정차분공격, 불능차분공격, Square 공격 및 부매랑 공격 등은 S-박스의 크기가 모두 동일하고 바이트 패턴이 각각의 라운드 사이에서 전파되는 특성이 동일한 경우에 유용한 공격이다. 이들 공격은 AES, ARIA 등에 유효한 공격 방법이다.
참고문헌 (20)
H. Feistel, "Cryptography and Computer Privacy." Scientific American, Vol.228, No.5, pp. 15-23, 1973.
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L. R. Knudsen, "Truncated and higher order differential," Fast Software Encryption-Second International Workshop, LNCS Vol.1008, pp. 196-211, 1995.
S. Hong, S. Lee, J. Lim, J. Sung, and D. Cheon, "Provable security against differential and linear cryptanalysis for the SPN structure," In Fast Software Encryption 2000, LNCS Vol.1978, pp. 273-283, 2001.
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