암호학 5주차 - AES

0. 서론

AES(Advanced Encryption Standard)

: 연산 능력의 향상으로 DES가 안전하지 않게 되자 2001년에 새롭게 표준으로 선정된 블록 암호 알고리즘

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AES는 내부적인 논의만으로 표준으로 선정된 DES와 다르게 전세계에서 암호 알고리즘을 공모받고 심사를 거쳐 선정된 것이다.

Vincent Rijmen, Joan Daemen 이 제안한 Rijndael 구조가 채택되었다.

표준 선정 이후 취약점이 발견되지 않았고 현대에 대칭키 암호 알고리즘을 사용할 때 AES 를 사용한다.

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1. AES

: SPN(Substitution Permutation Network)이라는 암호 구조를 사용

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• 라운드마다 입력 전체에 라운드 함수를 적용해서 페이스텔 구조보다 두 배로 암호학적 안전성을 갖는다.
• SPN: 곱암호. S-BOX를 사용하는 치환과 P-BOX를 사용하는 순열을 여러 라운드에 걸쳐 반복한다.

 

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2. AES 구조

AES: 라운드마다 128비트 크기의 블록을 암호화하는 블록 암호

키의 길이는 128, 192, 256비트 중 하나를 택하고 라운드 수는 키의 길이에 따라 10, 12, 14로 결정된다.

ex. 키의 길이가 128비트->AES-128

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• AES 암호화

1. 암호화 할 때 각 블록을 4행 4열의 상태 배열로 재구성한다.

- 배열의 각 칸에는 8비트가 저장된다. 배열을 state 라고 한다.

ex. 입력 1F3CF203B211C5AA6EB27A45E4D98130 이면

 

1F	3C	F2	03
B2	11	C5	AA
6E	B2	7A	45
E4	D9	81	30

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2. 재구성된 입력에 대해 ADDRoundKey 함수를 적용하고

매 라운드 전까지 라운드마다 SubBytes, ShiftRows, MixColumns, AddRoundKey 함수를 반복하여

적용한다. 단 마지막 라운드에서는 MixColumns 는 실행하지 않는다.

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• AES 복호화

라운드 함수들은 역함수가 존재하므로 역함수를 이용하여 복호화가 이루어진다.

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3. AES 라운드 함수

• SubBytes

: state의 각 바이트를 S-Box를 참조하여 치환하는 함수

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• 바이트의 상위 4비트가 행, 하위 4비트가 열을 결정한다.

 

 

 

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• ShiftRows

: state의 각 행을 구성하는 바이트들을 쉬프트하는 함수

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- 순열의 역할을 한다.

- 2행은 왼쪽으로 1칸, 3행은 왼쪽으로 2칸, 4행은 왼쪽으로 3칸 민다.

- 복호화는 반대로 오른쪽으로 민다.

ex.

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• MixColums

: 열 단위로 치환을 수행하는 함수

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- 갈루아 필드 내에서의 행렬 연산으로 구해진다.

- 치환방법, 복호화 방법, 예시

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• AddRoundKey

: 키 생성 함수(key schedule)로 생성된 라운드 키의 state를 각 바이트별로 XOR한다.

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- 복호화: 동일한 키를 state에 xor한다.

 

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• Key Schedule

: 입력된 키로부터 각 라운드에 쓰일 라운드 키를 생성한다.

 

- AES 는 암호화와 복호화를 시작할 때 매 라운드마다 addroundkey를 적용한다.

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• RotWord

: 열을 위로 한 번 회전시킨다.

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• SubWord

: SubBytes에서 사용한 것과 동일한 S-Box를 사용해서 각 바이트를 치환한다.

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• Rcon

: R=[01,02,04,08,10,20,40,80,1B,36]인 R에 대해 Wi의 최상위 바이트를 R[i/4-1]R[i/4−1]과 XOR한다.