[논문]암호화 AES Rijndael 알고리즘 적용 유도탄 점검 장비

정의재; 고상훈; 이유상; 김영성

doi:10.12673/jant.2019.23.5.339

초록
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정보통신 기술 발전에 따른 데이터 보안 위협의 상승에 대비하기 위하여 유도탄 점검 장비에 저장된 자료의 안전성을 보장할 수 있는 기술은 중요하다. 이를 위하여 자료가 누출 되더라도 복원할 수 없게 데이터 저장 시 암호화를 수행하여야 하고, 해당 데이터를 복호화한 후에도 무결성이 보장되어야 한다. 본 논문에서는 데이터 저장 시 대칭키 암호시스템인 AES 알고리즘을 유도탄 점검장비에 적용하고, 각 AES의 각 비트 별 데이터 양에 따른 암호화 복호화 시간을 측정하였다. 또한 기존 점검 시스템에 AES Rijndael 알고리즘을 구현하여 암호화 수행으로 인한 영향을 분석하였고 제안한 암호화 알고리즘을 기존 시스템에 적용하는 것이 적합한지 확인 하였다. 용량별 / 알고리즘 비트수별로 분석한 결과 제안한 알고리즘 적용이 시스템 운용에 영향 없음을 확인하였고, 최적의 알고리즘을 도출할 수 있었다. 추가로 복호화 결과를 초기 데이터와 비교하였고, 해당 알고리즘이 데이터 무결성을 보장할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to prepare for the rise of data security threats caused by the information and communication technology, technology that can guarantee the stability of the data stored in the missile test set is important. For this purpose, encryption should be performed when data is stored so that it canno...

In order to prepare for the rise of data security threats caused by the information and communication technology, technology that can guarantee the stability of the data stored in the missile test set is important. For this purpose, encryption should be performed when data is stored so that it cannot be restored even if data is leaked, and integrity should be ensured even after decrypting the data. In this paper, we apply AES algorithm, which is a symmetric key cryptography system, to the missile test set, and Encrypt and decrypt according to the amount of data for each bit of each AES algorithm. We implemented the AES Rijndael algorithm in the existing inspection system to analyze the effect of encryption and apply the proposed encryption algorithm to the existing system. confirmation of suitability. analysis of capacity and Algorithm bits it is confirmed that the proposed algorithm will not affect the system operation and the optimal algorithm is derived. compared with the initial data, we can confirm that the algorithm can guarantee data undulation.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. AES Rijndael 알고리즘 흐름도 [AES-128] Fig. 1. Flow chart of AES Rijndael algorithm.
그림 그림 2. 키 확장과정의 암호화 의사코드 Fig. 2. Key encryption pseudocode of extension process.
그림 그림 3. 키 확장과정의 복호화 의사코드 Fig. 3. Key description pseudocode of extension process.
표 표 1. 블록 길이와 키 길이에 따른 라운드 수 Table 1. Number of rounds according to block length and key length.
표 표 2. AES Rijndael 알고리즘 클래스 및 주요 함수 Table 2. Number of rounds according to block length and key length.
그림 그림 4. AES Rijndael 알고리즘 코드 흐름도 Fig. 4. Flow chart of AES Rijndael algorithm code.
그림 그림 5. 기존 유도탄 점검 장비 시스템 Fig. 5. Before missile test set.
그림 그림 6. AES Rijndael 알고리즘 적용 유도탄 점검 장비 Fig. 6. Missile assembly test set using encryption AES Rijndael algorithm.
그림 그림 7. AES Rijndael – 128 비트 연산 수행 시간 측정 Fig. 7. AES Rijndael – 128 bit measure operation execution time.
그림 그림 8. AES Rijndael – 192 비트 연산 수행 시간 측정 Fig. 8. AES Rijndael – 192 bit measure operation execution time.
그림 그림 9. AES Rijndael – 256 비트 연산 수행 시간 측정 Fig. 9. AES Rijndael – 256 bit measure operation execution time.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 유도탄 점검 장비에서 산출된 데이터를 대칭 키 암호화 AES(advanced encryption standard) Rijndael 알고리즘을 이용하여 보안 안정성 및 인증성이 적용된 효율적인 시스템 구조에 대해 제안하며, 구현한 AES Rijndael 알고리즘의 실행시간 분석 및 데이터 무결성 확인을 통해 향후 개발하는 점검 장비에의 적용에 대한 적합성을 분석 평가하였다.

제안 방법

AES Rijndael 알고리즘의 개요와 구조를 기술하고 암호화 AES Rijndael 적용 유도탄 점검 장비를 제안하기 전 AES Rijndael 알고리즘을 프로그래밍으로 코드 구현 및 기술 하였다.
본 논문에서 제안한 암호화 AES Rijndael 알고리즘을 유도탄 점검 장비에 맞게 구현하였고, 데이터 암호화 및 복호화 알고리즘 실행 후 처리속도를 시험하였다. 대상이 되는 평문과 AES Rijndael 알고리즘을 운영체제 커널 내부 암호화키와 함께 연산하여 AES Rijndael 알고리즘 비트길이와 데이터의 양에 따른 암호화 복호화 시간을 측정하였으며, 유도탄 점검 장비에 AES Rijndael 알고리즘 적용 시 적합성을 수치로 나타내고 적용가능 여부를 확인하였다. 분석을 위한 시스템 규격은 Intel core I7 4.
성능분석의 방법은 실시간 상태 데이터를 파일형태로 저장 후 AES Rijndael 알고리즘 키 128/ 196/ 256 비트 별 AddRoundKey횟수와 키 확장 과정을 수행하였고, 파일용량은 점검 장비 시스템에서 운용하는 1 Mbytes와 향후 확장성을 고려하여 5 Mbytes및 10 Mbytes를 대상으로 동일한 조건 하에 수행하였다. 또한 암호화 수행 시 데이터는 동일 데이터를 각 AES Rijndael 비트 별 10회 수행 결과 및 2-2 AES Rijndael 알고리즘 프로그램 코드 구현에 따라 함수를 적용하여 실행시간을 측정하였다. 그림 7 ~ 9는 각각 128/ 192/ 256비트 별 AES Rijndael 블록길이별로 측정한 결과이다.
본 논문에서 제안한 암호화 AES Rijndael 알고리즘을 유도탄 점검 장비에 맞게 구현하였고, 데이터 암호화 및 복호화 알고리즘 실행 후 처리속도를 시험하였다. 대상이 되는 평문과 AES Rijndael 알고리즘을 운영체제 커널 내부 암호화키와 함께 연산하여 AES Rijndael 알고리즘 비트길이와 데이터의 양에 따른 암호화 복호화 시간을 측정하였으며, 유도탄 점검 장비에 AES Rijndael 알고리즘 적용 시 적합성을 수치로 나타내고 적용가능 여부를 확인하였다.
본 논문에서는 암호화 AES Rijndael 알고리즘을 유도탄 점검 장비 적용하고 각 통신모듈에서 생성된 데이터를 각 1/ 5/ 10 Mbytes로 저장하여 AES Rijndael 알고리즘 적용 후 실시간 처리 속도를 시간으로 측정하였다. 평문 데이터가 커지면서 암호화 수행 시간을 확인하였고, 암호화 수행시간 보다는 평문 데이터를 메모리 처리 과정 시간이 암호화 수행시간 보다 영양을 준다는 것을 확인하였다.
0 GByte RAM, Windows 10 OS 환경으로 구성하였다. 성능분석의 방법은 실시간 상태 데이터를 파일형태로 저장 후 AES Rijndael 알고리즘 키 128/ 196/ 256 비트 별 AddRoundKey횟수와 키 확장 과정을 수행하였고, 파일용량은 점검 장비 시스템에서 운용하는 1 Mbytes와 향후 확장성을 고려하여 5 Mbytes및 10 Mbytes를 대상으로 동일한 조건 하에 수행하였다. 또한 암호화 수행 시 데이터는 동일 데이터를 각 AES Rijndael 비트 별 10회 수행 결과 및 2-2 AES Rijndael 알고리즘 프로그램 코드 구현에 따라 함수를 적용하여 실행시간을 측정하였다.

이론/모형

AES Rijndael 알고리즘을 프로그램 코드로 구현하기 위해서 는 필수적으로 AES Rijndael 알고리즘이 적용 된 클래스와 관련 함수가 필요하다. AES Rijndael 알고리즘 구현하기 위해서는 API(application programming interface)에서 제공된 AES Rijndael 암호화 알고리즘 클래스와 관련 함수로 AES Rijndael 알고리즘을 구현하였다. 위에서 기술된 알고리즘 분석을 AES Rijndael 알고리즘 코드로 구현 시, 제공된 API 클래스와 함수는 미사용 시 시스템 설계는 복잡도가 상승한다.
6. Missile assembly test set using encryption AES Rijndael algorithm.
AES Rijndael 알고리즘을 적용한 유도탄 점검 장치에서는 유도탄 점검 장비가 통신모듈을 통해 데이터를 대상 유도탄의 전자장치에 요청하고 응답 데이터와, 실시간 데이터를 유도탄 점검 장비 내부 암호화 키와 AES Rijndael 알고리즘 코드 연산을 통해 암호화된 데이터를 DBMS에 저장한다. 복호화 시 DBMS에 존재하는 데이터를 암호화 키와 AES Rijndael 알고리즘 키를 이용해 역산하여 전시한다. 관리소홀로 인한 암호화 키의 유실을 방지하기 위해여 암호화 키를 운영체제 내부 커널에 저장을 하였다.
위에서 기술된 알고리즘 분석을 AES Rijndael 알고리즘 코드로 구현 시, 제공된 API 클래스와 함수는 미사용 시 시스템 설계는 복잡도가 상승한다. 표 2 는 AES Rijndael 알고리즘을 코드구현에 필요한 주요 클래스, 함수, 속성, 인터페이스이며, 표 2 의 클래스와 주요 함수를 이용하여 그림 4 의 AES Rijndael 알고리즘을 코드로 구현하였다.

성능/효과

평문 데이터가 커지면서 암호화 수행 시간을 확인하였고, 암호화 수행시간 보다는 평문 데이터를 메모리 처리 과정 시간이 암호화 수행시간 보다 영양을 준다는 것을 확인하였다. 그리하여 점검 장비에 AES Rijndael 알고리즘을 적용하여 데이터 안전성을 보장할 수 있음을 확인하였고, 데이터 복호화 후 평문데이터와의 비교를 통하여 무결성이 보장됨을 확인하였다.
데이터의 길이를 1 Mbytes, 5 Mbytes, 10 Mbytes로 설정 후 AES Rijndael 알고리즘 적용한 결과 30회의 평균 처리 속도가 0.065 sec, 0.187 sec, 0.37 sec로 측정되었다. 점검 별 대기시간을 고려하면 충분히 짧은 시간으로 시스템 운용에 영향을 주지 않는다.
연산비트가 클수록 Round key 횟수가 증가하여 암호화의 안전성은 높아지는데, AES Rijndael 알고리즘의 각 비트별 처리속도 차이를 고려하지 않아도 되기에 시스템에 256비트 AES Rijndael 알고리즘을 적용하는 것이 타당하다. 또 다른 결과로는 1/ 5/ 10 Mbytes 데이터 길이에 처리속도 차이가 128 / 192 / 256 비트 알고리즘에 따른 차이 보다 더 큰 것을 확인 하였는데, 이러한 차이는 평문 데이터를 암호화 하는 시간보다 메모리에서 처리하는 시간이 암호화 연산시간에 더 큰 영향을 주기 때문에 파일 크기별 시간차가 더 큰 것 이다. 암호화 된 각 경우의 데이터를 복호 화한 결과, 평문 데이터와 일치함을 확인하였다.
또 다른 결과로는 1/ 5/ 10 Mbytes 데이터 길이에 처리속도 차이가 128 / 192 / 256 비트 알고리즘에 따른 차이 보다 더 큰 것을 확인 하였는데, 이러한 차이는 평문 데이터를 암호화 하는 시간보다 메모리에서 처리하는 시간이 암호화 연산시간에 더 큰 영향을 주기 때문에 파일 크기별 시간차가 더 큰 것 이다. 암호화 된 각 경우의 데이터를 복호 화한 결과, 평문 데이터와 일치함을 확인하였다.
본 논문에서는 암호화 AES Rijndael 알고리즘을 유도탄 점검 장비 적용하고 각 통신모듈에서 생성된 데이터를 각 1/ 5/ 10 Mbytes로 저장하여 AES Rijndael 알고리즘 적용 후 실시간 처리 속도를 시간으로 측정하였다. 평문 데이터가 커지면서 암호화 수행 시간을 확인하였고, 암호화 수행시간 보다는 평문 데이터를 메모리 처리 과정 시간이 암호화 수행시간 보다 영양을 준다는 것을 확인하였다. 그리하여 점검 장비에 AES Rijndael 알고리즘을 적용하여 데이터 안전성을 보장할 수 있음을 확인하였고, 데이터 복호화 후 평문데이터와의 비교를 통하여 무결성이 보장됨을 확인하였다.

후속연구

AES Rijndael 알고리즘 적용 시 유도탄 점검 장비에서 평문 데이터와 힙 메모리 연산속도를 개선을 위한 적합한 하드웨어 구현과 암호화 결과의 견고성에 대한 정량적인 분석결과를 도출하는 실험이 진행되어야한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 통신모듈에서 생성된 데이터량의 크기별 AES Rijndael 알고리즘 적용 후 실시간 처리속도에 영향은?	본 논문에서는 암호화 AES Rijndael 알고리즘을 유도탄 점검 장비 적용하고 각 통신모듈에서 생성된 데이터를 각 1/ 5/ 10 Mbytes로 저장하여 AES Rijndael 알고리즘 적용 후 실시간 처리 속도를 시간으로 측정하였다. 평문 데이터가 커지면서 암호화 수행 시간을 확인하였고, 암호화 수행시간 보다는 평문 데이터를 메모리 처리 과정 시간이 암호화 수행시간 보다 영양을 준다는 것을 확인하였다. 그리하여 점검 장비에 AES Rijndael 알고리즘을 적용하여 데이터 안전성을 보장할 수 있음을 확인하였고, 데이터 복호화 후 평문데이터와의 비교를 통하여 무결성이 보장됨을 확인하였다.
	AES Rijndael 알고리즘이란?	대칭 키 암호화 알고리즘의 종류 중 가장 보편적으로 쓰이는 암호화 방식은 현 미국 표준 방식은 AES Rijndael 알고리즘으로 암호화와 복호화 과정에서 동일한 키를 사용하는 대칭 키 알고리즘 이며 속도와 코드 효율성이 장점이다. AES Rijndael 알고리즘을 적용한 이유는 기존에 보편적으로 사용했던 DES(data encryption standard) 알고리즘의 보성성 취약에 대한 대체 요구로 신규 알고리즘에 대한 경쟁을 하게 되었고, 해당 기법이 최종 선정되었다[2].
	AES Rijndael 알고리즘의 장점은?	대칭 키 암호화 알고리즘의 종류 중 가장 보편적으로 쓰이는 암호화 방식은 현 미국 표준 방식은 AES Rijndael 알고리즘으로 암호화와 복호화 과정에서 동일한 키를 사용하는 대칭 키 알고리즘 이며 속도와 코드 효율성이 장점이다. AES Rijndael 알고리즘을 적용한 이유는 기존에 보편적으로 사용했던 DES(data encryption standard) 알고리즘의 보성성 취약에 대한 대체 요구로 신규 알고리즘에 대한 경쟁을 하게 되었고, 해당 기법이 최종 선정되었다[2].

참고문헌 (6)

E. Biham and A. Shamir, "Differential cryptanalysis of DES-like cryptosystem," Journal of cryptology, Vol.4, No.1, 1991.
M. S Hwang, “An elgamal-like cryptosystem for enciphering large messages,” IEEE Transactional on Knowledge and Data Engineering, Vol. 14, No. 2, pp. 445-446, 2002.

상세보기
M. N. Islam , M. Mia, M. Chowdhury, and M. A. Matin, "Effect of security increment to symmetric data encryption through AES methodology," in Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking, and Parallel/Distributed Computing, Phuket: Thailand, pp. 291-294, 2008.
B. Y. Choi, “Design of AES Rijndael cryptographic processor,” Journal of Korean Institute of Communication Sciences, Vol. 26, No. 10B, pp. 1491-1500, Oct. 2001.
J. Y Oh and Sun J. H Sun, " Experimental analysis of the AES encryption algorithm", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, Vol. 3, No. 2, Jun. 2010.
S. M. Kim, Cryptographic Algorithms Understand by Story, Seoul, Korea: Road Book, pp. 197-224, 2017

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