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ARIA/AES 기반 GCM 인증암호를 지원하는 암호 프로세서
A Cryptographic Processor Supporting ARIA/AES-based GCM Authenticated Encryption 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.22 no.2, 2018년, pp.233 - 241  

성병윤 (School of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology) ,  김기쁨 (Pixelplus Incorporated) ,  신경욱 (School of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

초록
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블록암호 알고리듬 ARIA, AES를 기반으로 GCM (Galois/Counter Mode) 인증암호를 지원하는 암호 프로세서를 경량화 구현하였다. 설계된 암호 프로세서는 블록암호를 위한 128 비트, 256 비트의 두 가지 키 길이와 5가지의 기밀성 운영모드 (ECB, CBC, OFB, CFB, CTR)도 지원한다. 알고리듬 특성을 기반으로 ARIA와 AES를 단일 하드웨어로 통합하여 구현하였으며, CTR 암호연산과 GHASH 연산의 효율적인 동시 처리를 위해 $128{\times}12$ 비트의 부분 병렬 GF (Galois field) 곱셈기를 적용하여 전체적인 성능 최적화를 이루었다. ARIA/AES-GCM 인증암호 프로세서를 FPGA로 구현하여 하드웨어 동작을 확인하였으며, 180 nm CMOS 셀 라이브러리로 합성한 결과 60,800 GE로 구현되었다. 최대 동작 주파수 95 MHz에서 키 길이에 따라 AES 블록암호는 1,105 Mbps와 810 Mbps, ARIA 블록암호는 935 Mbps와 715 Mbps, 그리고 GCM 인증암호는 138~184 Mbps의 성능을 갖는 것으로 평가되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper describes a lightweight implementation of a cryptographic processor supporting GCM (Galois/Counter Mode) authenticated encryption (AE) that is based on the two block cipher algorithms of ARIA and AES. It also provides five modes of operation (ECB, CBC, OFB, CFB, CTR) for confidentiality a...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 일반적으로, IoT 디바이스는 제한된 하드웨어/ 소프트웨어 자원을 가지므로, IoT 보안 시스템의 구현을 위해서는 경량화, 저전력이 중요한 요소가 된다. 본 논문에서는 우리나라 블록암호 표준인 ARIA 알고리듬과 국제 표준인 AES 알고리듬을 동시에 지원하며, 5가지 기밀성 운영모드와 GCM 인증암호 운영모드를 지원하는 ARIA/AES-GCM (AA-GCM) 인증암호 프로세서를 경량화에 초점을 맞추어 설계하고 FPGA 구현을 통해 하드웨어 동작을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
정보보안의 필요성과 중요성이 증대됨으로써 무엇이 사용되나? 사용자 혹은 사물에서 수집되는 정보를 네트워크를 통해 전송, 공유, 저장하는 사물인터넷 (Internet of Things)은 보안에 취약한 무선네트워크를 기반으로 하므로, 보안 위협에 대응하기 위한 정보보안의 필요성과 중요성이 증대되고 있다 [1]. 다양한 형태의 보안 위협으로부터 정보의 기밀성 (confidentiality), 무결성 (integrity) 등을 보장하기 위해서는 대칭키 (symmetric key) 암호, 공개키 (public key) 암호, 해시 (hash) 함수 등 다양한 보안 알고리듬을 기반으로 하는 정보보안 시스템이 사용된다. 정보의 기밀성 보장을 위해 사용되는 대칭키 암호 알고리듬으로는 AES (Advanced Encryption Standard)[2], ARIA (Academy, Research Institute, Agency)[3], LEA [4] 등이 사용 된다.
대칭키 방식의 블록암호의 특징은? 해시 함수는 무결성 (integrity), 전자서명 (digital signature), 인증 (authentication) 등에 사용되며, 대표적으로 SHA (Secure Hash Algorithm)[6] 알고리듬이 있다. 대칭키 방식의 블록암호는 기밀성 향상, 무결성 검증 등을 위해 운영모드 (mode of operation)가 사용되며, 기밀성 운영모드, 인증 운영모드, 인증 암호 (authenticated encryption) 운영모드로 구분 된다. 기밀성 운영모드는 블록암호의 기본 모드인 ECB (Electronic Code Book)와 CBC (Cipher Block Chaining), OFB (Output FeedBack), CFB (Cipher FeedBack), CTR (Counter) 이 있다.
ARIA이란? ARIA는 우리나라 전자정부 안전성 강화를 목적으로 국가보안기술연구소에 의해 개발된 블록암호 알고리듬이며, 2004년에 국가 표준으로 채택되었다. 국제적으로 널리 사용되고 있는 블록암호 표준 AES와 동일한 인터페이스를 갖도록 설계되었으며, 128 비트의 평문(암호문) 블록을 암호(복호)화 하여 128 비트의 암호문(평문)을 생성하며, 경량 하드웨어 구현을 위해 최적화된 Involutional SPN 구조를 갖는다.
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참고문헌 (16)

  1. C. Maple, "Security and Privacy in the Internet of Things," Journal of Cyber Policy, vol. 2, no. 2, pp. 155-184, 2017. DOI:10.1080/23738871.2017.1366536 

  2. Advanced Encryption Standard, NIST Standard FIPS 197, 2001. 

  3. 128 bit Block Encryption Algorithm ARIA, KS X 1213:2004, 2004. 

  4. 128-Bit Block Cipher LEA, TTA Standard TTAK.KO-12.0223, 2013. 

  5. Digital Signature Standard (DSS), NIST Standard FIPS PUB 186-4, 2013.DOI:10.6028/NIST.FIPS.186-4 

  6. Secure hash standard (SHS), NIST Standard FIPS PUB 180-4, 2012. DOI:10.6028/NIST.FIPS.180-4 

  7. Morris Dworkin,"Recommendation for Block Cipher Modes of Operation-Methods and Techniques,"NIST Special Publication 800-38A, Dec, 2001. DOI:SP 800-38A 

  8. D. McGrew and J. Viega, "The Galois/Counter Mode of Operation (GCM )," Submission to NIST Modes of Operation Process, 2004. 

  9. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Media Access Control (MAC) Security, 2006. DOI:10.1109/IEEESTD.2006.245590 

  10. Part 22: Cognitive Wireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Policies and Procedures for Operation in the TV Bands, IEEE Standard 802.22-2011, pp. 1-672, 2011. 

  11. V. P. Hoang, V. T. Nguyen, A. T. Nguyen, C. K. Pham, "A low power AES-GCM authenticated encryption core in 65nm SOTB CMOS process," Proceedings of 2017 IEEE 60th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), pp. 112-115, Boston, 2017. DOI:10.1109/MWSCAS.2017.805287 

  12. J. Vliegen, O. Reparaz, and N. Mentens "Maximizing the Throughput of Threshold-protected AES-GCM Implementations on FPGA," Proceedings of 2017 IEEE 2nd International Verification and Security Workshop (IVSW), pp. 140-145, Thessaloniki, Greece, 2017. DOI:10.1109/IVSW.2017.8031559 

  13. K.M. Abdellatif, R. Chotin-Avot, and H. Mehrez, "Improved Method for Parallel AES-GCM Cores Using FPGAs," Proceedings of 2013 International Conference on Reconfigurable Computing and FP GAs (ReConFig), Cancun, 2013. DOI:10.1109/ReConFig.2013.6732299 

  14. K.B. Kim, B.Y. Sung and K.W. Shin "An Implementation of GCM Authenticated Encryption based on ARIA Block Cipher," in Proceeding of conference on korea information and communication engineering, Pusan, pp.111, 2017. 

  15. B.S Koo, G.H. Ryu, T.J. Chang, and S. Lee, "Design of an Efficient AES-ARIA Processor using Resource Sharing Technique," Journal of The Korea Institute of Information Security and Cryptology, vol. 18, no. 6A, pp. 39-49, 2008. 

  16. K.B. Kim and K.W. Shin, "A Unified ARIA-AES Cryptographic Processor Supporting Four Modes of Operation and 128/256-bit Key Lengths," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 21, No. 4, pp. 795-803, 2017. DOI:10.6109/jkiice.2017.21.4.795 

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