[논문]경량 블록 암호 PIPO의 화이트박스 구현 기법

함은지; 이영도; 윤기순

doi:10.13089/jkiisc.2022.32.5.751

경량 블록 암호 PIPO의 화이트박스 구현 기법
A White Box Implementation of Lightweight Block Cipher PIPO 원문보기

情報保護學會論文誌 = Journal of the Korea Institute of Information Security and Cryptology, v.32 no.5, 2022년, pp.751 - 763

함은지 (NSHC) , 이영도 (NSHC) , 윤기순 (NSHC)

초록
AI-Helper

최근 세계적으로 사물인터넷 부문의 지출 성장이 높아짐에 따라 이를 암호화하기 위한 경량 블록 암호의 중요성 또한 높아지고 있다. ICISC 2020에 제안된 경량 블록 암호 PIPO 암호화 알고리즘은 Unbalanced bridge 구조를 이용한 SPN 구조의 암호이다. 화이트박스 공격 모델은 공격자가 암호화 동작의 중간값까지 알 수 있는 상태를 의미한다. 이를 대응하기 위한 기법으로 2002년 Chow 등은 화이트박스 구현 기법을 제안하여 DES와 AES에 적용하였다. 본 논문에서는 경량 블록 암호 PIPO 알고리즘에 화이트박스 구현 기법을 적용한 화이트박스 PIPO를 제안한다. 화이트박스 PIPO는 Chow 등이 제안한 화이트박스 AES 대비 테이블의 크기는 약 5.8배, 연산 시간은 약 17배 감소하였다. 또한, 모바일 보안제품에 화이트박스 PIPO를 활용하였으며 적용 범위에 따른 테스트 케이스 별 실험 결과를 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the recent increase in spending growth in the IoT sector worldwide, the importance of lightweight block ciphers to encrypt them is also increasing. The lightweight block cipher PIPO algorithm proposed in ICISC 2020 is an SPN-structured cipher using an unbalanced bridge structure. The white box attack model refers to a state in which an attacker may know the intermediate value of the encryption operation. As a technique to cope with this, Chow et al. proposed a white box implementation technique and applied it to DES and AES in 2002. In this paper, we propose a white box PIPO applying a white box implementation to a lightweight block cipher PIPO algorithm. In the white box PIPO, the size of the table decreased by about 5.8 times and the calculation time decreased by about 17 times compared to the white box AES proposed by Chow and others. In addition, white box PIPO was used for mobile security products, and experimental results for each test case according to the scope of application are presented.

주제어

표/그림 (20)

표 Table 1. Block Cipher PIPO
그림 Fig. 1. PIPO Structure
그림 Fig. 2. PIPO S-Layer
그림 Fig. 3. PIPO R-Layer
그림 Fig. 4. WB-PIPO Structure
그림 Fig. 5. n-bit nonlinear encoding (Fisher-Yates Shuffle)
그림 Fig. 6. n-bit nonlinear encoding inverse
그림 Fig. 7. Table Lookup Encoding
그림 Fig. 8. 8 ×4_OP₄
그림 Fig. 9. 4 ×4_OP₄
그림 Fig. 10. 8 ×4_ROL₄
표 Table 2. Size by operation table
표 Table 3. Table size of WB-PIPO and Chow WB-AES
그림 Fig. 11. MT_16×16_OP₈
그림 Fig. 12. MT_8×16_ROL₈
그림 Fig. 13. UMT_16×8
그림 Table 4. Test environment
그림 Fig. 14. Performance of WB-PIPO 128 and WB-AES 128 (unit: CPB)
그림 Fig. 15. Performance of WB-PIPO (Key encryption, File encryption, Basic test) (unit: nano second)
표 Table 5. Test environment

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이러한 부채널 분석에 대응하는 기법으로는 마스킹 기법이 존재한다. 마스킹 기법은 암호화 회로의 중간값을 랜덤하게 생성하기 위한 기법으로, 본 절에서는 부채널 분석에 대응하기 위하여 마스킹 기법이 적용된 WB-PIPO를 제안한다. 앞서 제안한 WB-PIPO의 암호화 및 복호화 연산 중 비밀키가 수행되는 과정만을 고려하여 마스킹 기법을 적용한다.
본 논문에서는 ICISC 2020에 제안된 경량 블록 암호 PIPO를 대상으로 화이트박스 암호 기법을 적용한 WB-PIPO를 제안했다. WB-PIPO는 PIPO의 8비트 단위 비트 연산을 라운드 키가 포함된 두 개의 4비트 단위 비트 연산으로 변환하여 설계했다.
본 논문에서는 기존에 제안된 경량 블록 암호 PIPO 알고리즘에 화이트박스 구현 기법을 적용한 화이트박스 PIPO 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 화이트박스 구현 기법이 적용된 PIPO 알고리즘을 이하 WB-PIPO라 한다.
이러한 화이트박스 구현 방식은 소프트웨어 기술만으로 비밀키를 안전하게 보호하는 측면에서 유의미한 기술이다. 본 연구진은 WB-PIPO에 대한 실질적으로 유효한 공격과 고차마스킹 기법과 같은 대응 방안에 대해 분석 및 구현할 예정이며, 연산 최적화를 통한 기능 향상을 목표로 연구를 진행하고 있다. 이러한 화이트박스 구현 기법을 적용한 암호 기술의 연구 및 개발과 더불어 안전성 검증과 같은 기준 등의 연구가 활발히 이뤄져 차후 실제 산업화 제품에 적용될 것을 기대한다.
본 장에서는 화이트박스 암호 기법을 적용한 경량 블록 암호 PIPO 설계 과정과 설계 과정에서 생성된 테이블의 크기에 관하여 기술한다.

가설 설정

이러한 리버스 엔지니어링은 목적 코드 프로그램을 조사 및 분석하여 프로그램의 정보를 추출하고, 개발 원리를 파악하는 과정이다. 암호 회로 내부의 메모리 접근까지도 가능한 공격 모델을 가정한 화이트박스 공격 모델에서는 위와 같은 리버스 엔지니어링을 통한 공격이 가능하다. 리버스 엔지니어링에 대응하기 위하여 복잡하게 설계된 암호 알고리즘 회로에 비밀키를 주입하고 리버스 엔지니어링이 불가능하도록 난독화를 적용해야만 한다.
그러나 실제로는 알려지지 않은 화이트박스 암호에 대한 공격이 성공한 사례가 없고 키 관리의 어려움 등을 이유로 화이트박스 암호에 대한 수요는 꾸준히 증가하고 있다. 일반적으로 사용하고 있는 블록 암호의 경우 공격자는 입력과 출력만 관찰할 수 있다는 블랙박스 모델을 가정한다. 하지만 실제로 서비스를 제공하는 환경에서 공격자는 암호 알고리즘이 동작하고 있는 기기에 대한 전력정보를 취할 수 있을 뿐만 아니라 공격자가 기기를 점령하여 연산 중간값과 비밀키 정보를 탈취할 수 있다.

제안 방법

2장에서는 경량 블록 암호 PIPO와 화이트박스 공격 모델 및 암호에 관해 설명한다. 3장에서는 본 논문에서 제안하는 화이트박스 구현 기법이 적용된 WB-PIPO를 제시한다. 4장에서는 제안된 WB-PIPO에 대한 안전성 고려사항과 가능한 공격에 대한 대응 기법을 서술한다.
두 번째 테스트 케이스는 키가 아닌 정책 파일을 WB-PIPO를 이용해 서버에서 암호화하고 클라이언트에서 복호화한다. 첫 번째 테스트 케이스와 다른 점은 정책 파일을 SEED가 아닌 WB-PIPO를 이용해 암호화와 복호화를 진행하므로 서버와 클라이언트는 비밀키를 공유할 필요가 없다.
본 장에서는 본 논문에서 제안하는 WB-PIPO의 성능을 측정한 결과를 제시하고 이를 WB-AES와 비교한다. 또한 WB-PIPO를 N사에서 출시한 모바일 보안 소프트웨어 D제품에 적용한 결과를 제시한다.
5장에서는 WB-PIPO의 성능을 측정한 결과를 제시하고 Chow 등이 제안한 화이트박스 AES와 비교한다. 또한 모바일 보안제품에 WB-PIPO를 적용한 활용 사례를 기술한다. 마지막으로, 6장에서는 본 논문의 결론과 추후 연구를 기술한다.
또한 본 논문에서 제안한 WB-PIPO를 모바일 보안 소프트웨어 D제품에 적용한 결과를 제시한다. 화이트박스 암호는 연산에 필요한 데이터를 테이블에서 가져오기 때문에 기존 블록암호 대비 연산 시간이 더 소요됨으로 WB-PIPO를 이용해 동일한 정책 파일을 암호화했을 때 연산 시간이 약 3.
본 장에서는 WB-PIPO 구조에 대해 알려진 화이트박스 공격인 코드 리프팅, 부채널 분석, 리버스 엔지니어링 공격과 이에 대한 대응 기법을 기술한다.
본 절에서는 WB-PIPO의 성능을 측정하고 이를 Chow의 화이트박스와 비교한 결과를 제시한다. Table 4.
클라이언트는 공유한 비밀키를 이용해 SEED로 복호화한다. 본 절에서는 모바일 보안 소프트웨어 D제품에 WB-PIPO를 적용한 두 가지 케이스에 대한 성능을 측정한 결과를 기술한다.
첫 번째 테스트 케이스는 클라이언트에서 사용하는 비밀키를 WB-PIPO로 복호화하는 것이다. 앱 내에서는 암호화된 정책 파일을 SEED로 복호화할 때 비밀키를 사용하므로 비밀키가 메모리에 노출될 가능성이 높다.

대상 데이터

WB-PIPO 성능 측정에 사용한 운영모드는 CBC 모드이며 PKCS 7 패딩을 사용했다. D제품에 사용한 블록 암호 SEED의 키 길이는 128비트이고 정책 파일의 크기는 427바이트이다. 각 테스트 케이스의 시간 측정 범위는 다음과 같다.
PIPO의 블록 크기는 64비트이고 비밀키의 크기에 따라 PIPO-128과 PIPO-256으로 나눌 수 있으며 각각 13 라운드, 17 라운드를 사용한다. PIPO의 라운드 연산 과정에서 각 연산의 중간값은 64비트이다.

데이터처리

본 장에서는 본 논문에서 제안하는 WB-PIPO의 성능을 측정한 결과를 제시하고 이를 WB-AES와 비교한다. 또한 WB-PIPO를 N사에서 출시한 모바일 보안 소프트웨어 D제품에 적용한 결과를 제시한다.

이론/모형

WB-PIPO 성능 측정에 사용한 운영모드는 CBC 모드이며 PKCS 7 패딩을 사용했다. D제품에 사용한 블록 암호 SEED의 키 길이는 128비트이고 정책 파일의 크기는 427바이트이다.
본 논문에서는 기존에 제안된 경량 블록 암호 PIPO 알고리즘에 화이트박스 구현 기법을 적용한 화이트박스 PIPO 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 화이트박스 구현 기법이 적용된 PIPO 알고리즘을 이하 WB-PIPO라 한다.
마스킹 기법은 암호화 회로의 중간값을 랜덤하게 생성하기 위한 기법으로, 본 절에서는 부채널 분석에 대응하기 위하여 마스킹 기법이 적용된 WB-PIPO를 제안한다. 앞서 제안한 WB-PIPO의 암호화 및 복호화 연산 중 비밀키가 수행되는 과정만을 고려하여 마스킹 기법을 적용한다.

성능/효과

은 WB-PIPO의 암호화 및 복호화의 테이블 크기와 이를 Chow의 WB-AES의 테이블 크기를 정리한 것이다. 128비트 키 크기 기준으로 Chow의 WB-AES WB-AES와 비교했을 때 본 논문에서 제안한 WB-PIPO의 테이블의 크기가 약 5.8배 작은 것을 확인할 수 있다.
73이다. 성능 측정 결과로부터 WB-PIPO는 WB-AES 대비 약 17배 빠르다는 것을 알 수 있다.
또한 본 논문에서 제안한 WB-PIPO를 모바일 보안 소프트웨어 D제품에 적용한 결과를 제시한다. 화이트박스 암호는 연산에 필요한 데이터를 테이블에서 가져오기 때문에 기존 블록암호 대비 연산 시간이 더 소요됨으로 WB-PIPO를 이용해 동일한 정책 파일을 암호화했을 때 연산 시간이 약 3.7배 증가했고, 키를 보호하기 위해 WB-PIPO를 사용했을 때 연산 시간이 약 1.9배 증가한 것을 확인했다.

후속연구

본 연구진은 WB-PIPO에 대한 실질적으로 유효한 공격과 고차마스킹 기법과 같은 대응 방안에 대해 분석 및 구현할 예정이며, 연산 최적화를 통한 기능 향상을 목표로 연구를 진행하고 있다. 이러한 화이트박스 구현 기법을 적용한 암호 기술의 연구 및 개발과 더불어 안전성 검증과 같은 기준 등의 연구가 활발히 이뤄져 차후 실제 산업화 제품에 적용될 것을 기대한다.

참고문헌 (10)

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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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