[논문]스마트폰에서의 하이브리드 암·복호화 기반 데이터 통신 방법

조성환; 김성훈; 한기태; 이효승

스마트폰에서의 하이브리드 암·복호화 기반 데이터 통신 방법
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조성환 (가천대학교 컴퓨터공학과) , 김성훈 (가천대학교 컴퓨터공학과) , 한기태 (가천대학교 컴퓨터공학과) , 이효승 ((주)네오와인)

스마트폰의 활용 범위가 점점 확장됨에 따라 데이터 통신량도 증가되어 가고 있으며, 데이터 유출을 방지하기 위해 다양한 암 복호화 알고리즘을 필요로 하고 있다. 본 논문에서는 기존의 비대칭 알고리즘과 대칭 알고리즘을 이용한 하이브리드 암 복호화 기반 데이터 교환방법을 제안한다. 비대칭 알고리즘은 RSA방법을 사용하여 상호간에 대칭키의 절반인 반키(Half Key)를 교환할 수 있도록 하였으며, 대칭 알고리즘은 AES를 사용하여 데이터를 암 복호화 할 수 있도록 하였다. 또한 기존의 AES 알고리즘의 S-Box와 키 스케쥴링 과정을 변형하여 무차별 대입 공격에 대해 방어할 수 있도록 하였다. 그 결과 기존의 비대칭 또는 대칭 알고리즘을 단독으로 사용하는 방법보다 안전하고 빠른 보안수준을 보장할 수 있음을 확인하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 암‧복호화 방법에서 비대칭 알고리즘인 RSA와 대칭 알고리즘인 AES를 결합한 하이브리드 암‧복호화를 통해 스마트폰에서의 데이터 보안성을 향상시키는 방법을 제안하였다. 기존의 스마트폰에서는 단일 암‧복호화 알고리즘을 이용할 때 키 공유 시 보안 문제와 연산속도가 느리다는 단점이 존재하였다.
본 논문의 실험은 Android 기반의 스마트폰에서 제안한 하이브리드 암‧복호화 알고리즘을 이용하여 결과를 테스트하였다. 또한 어플리케이션 구현 시 달빅VM의 제한적인 속도를 개선하기 위해 Android NDK를 사용하였으며, 사용자 A가 사용자 B에게 간단한 문자열을 전달하였을 때, 아래 표 1과 같은 결과를 나타내었다.
이러한 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 모바일 디바이스 간 데이터 통신 시 하이브리드 암호화를 통해 안전한 통신을 할 수 있는 방법을 제안한다.

제안 방법

문자열을 수신하기 전 64bit의 임의의 반키를 생성한다. 그리고 RSA 알고리즘을 이용하여 공개키와 개인키를 생성한 뒤 공개키를 상대방에게 송신하며, 수신된 상대의 공개키를 이용하여 자신의 반키를 암호화 하여 상대방에게 넘겨준다. 수신한 암호키를 복호화 한 뒤 자신의 반키와 연결하여 대칭키를 만들어낸다.
하지만 공격자가 무차별 대입 공격으로 데이터의 복호화를 시도한다면 데이터가 복호화 될 가능성이 있다. 따라서 AES알고리즘을 변형하여 보안성을 향상시켰다.
본 논문의 실험은 Android 기반의 스마트폰에서 제안한 하이브리드 암‧복호화 알고리즘을 이용하여 결과를 테스트하였다. 또한 어플리케이션 구현 시 달빅VM의 제한적인 속도를 개선하기 위해 Android NDK를 사용하였으며, 사용자 A가 사용자 B에게 간단한 문자열을 전달하였을 때, 아래 표 1과 같은 결과를 나타내었다.
또한 해커가 송수신자 양측의 키를 얻었다면 송신자의 데이터를 탈취하여 복호화가 가능하게 되므로 키를 교환하기 전에 RSA 알고리즘의 암호화를 이용하여 반키를 암호화하여 송신하는 방법을 사용하였다.
아래의 표 2는 기존의 AES 및 RSA 알고리즘과 제안하는 방법을 비교한 표이다. 먼저 AES와 RSA를 결합함으로써 키의 개수 증가 및 유지관리가 안전하여 보안이 향상되었음을 알 수 있으며, 기존 AES 알고리즘을 변형하여 AES알고리즘을 이용하여 모든 키가 유출되더라도 복호화가 어렵도록 하였다.
본 논문에서는 키 교환의 보안을 강화하기 위해 하이브리드 암호화와 반키(Half Key) 교환방식을 결합하였다.
기존의 스마트폰에서는 단일 암‧복호화 알고리즘을 이용할 때 키 공유 시 보안 문제와 연산속도가 느리다는 단점이 존재하였다. 제안하는 방법은 RSA의 공개키를 사용하여 반키(Half Key)를 교환할 수 있도록 하였으며, AES의 보안성을 향상시키기 위해 알고리즘을 개선하였다. 그 결과 기존의 방법보다 키 교환의 안정성이 향상되었으며, 무차별 대입공격에 대해 방어할 수 있을 것으로 예상된다.
제안하는 방법의 흐름도는 아래 그림 4와 같이 양쪽 송수신자는 RSA알고리즘을 통해 공개키와 개인키를 생성한 뒤 생성된 공개키를 서로에게 송신해준다. 상대측의 공개키를 받으면 자신이 생성한 64bit의 키를 공개키를 이용해 암호화하여 전송해주고, 암호화된 키를 수신하게 되면 개인키를 이용하여 복호화 한다.
첫 번째로 AES 알고리즘에서 일정한 수식을 통해 항상 같은 결과를 나타내는 S-box를 랜덤한 결과를 나타내도록 수정하였고, 다음으로 키스케쥴링 과정에서 마지막 워드를 왼쪽 회전 순환이 아닌 오른쪽 회전 순환을 하였으며, 치환테이블을 S-box 가 아닌 Inverse S-box를 사용하여 치환하였으며, 또한 XOR 연산을 수행하는 라운드 상수 또한 랜덤으로 생성된 상수를 사용하였다. 그 결과 아래 그림 5와 같이 같은 키를 사용하여도 표준의 AES 알고리즘으로 복호화 했을 때 평문을 얻을 수 없는 결과를 얻었다.

성능/효과

제안하는 방법은 RSA의 공개키를 사용하여 반키(Half Key)를 교환할 수 있도록 하였으며, AES의 보안성을 향상시키기 위해 알고리즘을 개선하였다. 그 결과 기존의 방법보다 키 교환의 안정성이 향상되었으며, 무차별 대입공격에 대해 방어할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 알고리즘의 개선은 기존 알고리즘의 많은 단점을 보완하고 보안성이 크게 향상 될 수 있음을 알 수 있었다.
그 결과 기존의 방법보다 키 교환의 안정성이 향상되었으며, 무차별 대입공격에 대해 방어할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 알고리즘의 개선은 기존 알고리즘의 많은 단점을 보완하고 보안성이 크게 향상 될 수 있음을 알 수 있었다.

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