3. 대칭키 암호

2023.07.25 - [컴퓨터 보안] - 2. 암호학 개요

2. 암호학 개요

 

1. 현대 대칭키 암호

1-1. 현대 블록 암호

확산과 혼돈을 만족시키기 위해 전치 요소와 치환 요소를 결합해 블록 암호를 설계함

 

• P-박스 (전치 요소)
  
  • 단순, 확장, 축소 P-박스로 나뉨
  • 단순 P-박스는 역함수가 존재하나 축소와 확장은 존재 X

 

• S-박스 (치환 요소)
  • 역함수가 존재할 수도, 존재하지 않을 수도 있음
  • 역함수가 존재하려면 입력과 출력 비트 수가 동일해야 함

 

• 합성 암호 (Product Ciphers)
  • 치환, 전치, 그 밖의 구성 요소를 결합한 복합적인 암호
  • 확산: 암호문과 평문 관계를 숨김 (통계 테스트 저항)
  • 혼돈: 암호문과 키의 관계를 숨김 (키의 단일 비트가 변하면 거의 모든 암호문 비트가 변화)
  • 라운드: 반복적으로 사용되는 합성 암호

합성 암호 종류	특징	암호화와 복호화
Feistel 암호	- 좌우 블록을 교환  - 블록, 키, 라운드 수가 강도 결정 블록: 64비트 이상 키: 64비트, 최근은 128비트 라운드 수: 16회 이상 (짝수)	동일 (보조키 입력이 역순)
SPN 구조	- Shannon의 이론에 근거해 치환과 전치 암호를 중첩 - 입력을 소블록으로 나눠 S-box에 입력, 출력을 P-box로 전치  - 역함수 존재 요소만 사용 - 병렬 처리 가능	역변환되어야 함

출처:https://www.researchgate.net/figure/Feistel-cipher-versus-SP-network_fig3_2997961

 

• 블록 암호 구현 요소
  • 블록 크기: 클수록 보안 ↑, 암호화 속도 ↓
  • 키 길이: 길수록 보안 ↑, 암호화 속도 ↓
  • 라운드 수: 라운드 수를 증가시켜 보안 강화 가능 (Feistel 암호의 핵심)
  • 서브키 생성 알고리즘: 복잡할수록 보안  ↑
  • 라운드 함수: 복잡할수록 보안 ↑

 

• 블록 암호 공격

차분 분석 (Differential Cryptanalysis)	선택 평문 공격 대응되는 암호문 블록의 비트 차이를 분석
선형 분석 (Linear Cryptanalysis)	마츠이에 의해 개발된 기지 평문 공격 알고리즘의 비선형 구조에서 근사적 선형 관계식을 찾음으로써 선택평문 공격 수행
전수공격법 (Exhaustive Key Search)	모든 경우의 수 조사 경우의 수가 많으면 실현 불가능
통계적 분석 (Statistical Analysis)	빈도 자료와 더불어 통계적 자료로 해독
수학적 분석 (Mathematical Analysis)	수학적 이론으로 해독

 

 

1-2. 현대 스트림 암호

• 고려사항
  1. 암호화의 연속이 긴 주기를 가져야 함
  2. 키 스트림이 진 난수 스트림과 최대한 비슷해야 함
  3. 키가 충분히 길어야 함 (적어도 128비트)

 

• 동기식 스트림 암호
  • 키스트림과 암호문의 독립적 (정보 유출 가능성 ↓)

One-Time Pad (Vernam 암호)	샤논에 의해 무조건 안전하다고 증명됨 암복호화 시 배타적 논리합 연산을 사용, 따라서 알고리즘이 서로 역관계
귀환 시프트 레지스터 (Feedback Shift Register)	One-Time Pad의 절충안으로, 하드웨어 구현 용이 시프트 레지스터와 귀환 함수로 구성
선형 귀환 시프트 레지스터 (LFSR)	하드웨어로 쉽게 구현됨
비선형 귀환 시프트 레지스터 (NLFSR)	선형성을 가지면 공격에 취약할 수 있어 더 안전 (= 키스트림값을 알아내도 키 값 유추가 어려움)

 

• 비동기식 스트림 암호 (자기 동기식 스트림 암호)
  • 평문이나 암호문으로부터의 함수 관계에 의해 키 스트림이 생성 (종속성)
  • 암호문 비트가 손상되어도 오류의 전파가 유한함 (ex. CFB 모드)

 

 

 

2. DES (Data Encryption Standard)

2-1. 구조

출처: https://www.tutorialspoint.com/cryptography/data_encryption_standard.htm

• 목적: 데이터 암호화
• 블록: 입출력 64-bit
• 키: 56-bit (64-bit에서 parity drop), 16개의 48-bit 서브키를 생성함
• 라운드 함수: Feistel 구조, 16개
• 안전성: 8개의 S-Box (비선형성)
• 복호화: 암호화의 역순

 

 

2-2. 취약점

• 쇄도 효과가 크고 완비성이 높아 암호문으로부터 평문 추론이 어려움
• 그러나 전사 공격에 의해 해독됨

 

 

2-3. 다중 DES

	DES	2DES	3DES
키 길이	n	2n	3n
수행 횟수	$2^{n}$	$2^{n+1}$ (중간 일치 공격)	$2^{2n}$

 

• 3DES-EDE2
  
  • KPA 가능성 존재
• 3DES-EDE3
  • PGP 등에서 사용 중
• 3DES는 모든 키를 동일하게 하면 DES와 같아지는 상호보완성을 가짐

 

 

 

3. AES (Advanced Encryption Standard)

NIST에서 DES의 대체로 레인달(Rijndael)을 채택 (경쟁 방식에 의해 표준화됨)
안전성, 비용, 구현 효율성을 충족하는 알고리즘

출처: https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=ilikebigmac&logNo=221667440378

• 블록: 입출력 128-bit
• 라운드 함수: SPN 구조, 10 / 12 / 14 라운드 
• 키: 라운드 수에 따라 128 / 192 / 256 비트의 키 
• 안전성: 8개의 S-Box (비선형성)
• 복호화: 라운드 함수를 역변환
• 라운드 함수 구성
  • SubBytes()
  • ShiftRows()
  • MixColumns(): 확산 제공, 마지막 라운드에서 수행하지 않음
  • AddRoundKey()
• 특징: 경량화, S/W와 H/W 구현 용이

 

 

 

4. 기타 대칭키 암호 알고리즘

4-1. 국제 암호 알고리즘

• IDEA: DES 대체용으로 개발됨, PGP(Pretty Good Privacy)로 채택
• RC5: 입출력, 키, 라운드 수 등이 가변이며 매우 빠름

 

4-2. 국내 암호 알고리즘

• SEED: DES와 유사, 한국인터넷진흥원이 개발
• ARIA: AES와 유사, 국가보안기술연구소(NSRI)가 개발, ISPN의 구조
• HIGHT: 저전력, 경량화
• LEA: NSRI가 개발한 경량 고속 알고리즘

 

 

 

5. 현대 대칭키 암호를 이용한 암호화 기법

NIST에서 모든 블록 암호에 적용 가능한 5가지 운영 모드 정의

모드	암호화
ECB (Electronic CodeBook)	$C_{i} = E_{k}(P_{i})$
CBC (Cipher Block Chaining)	$C_{i} = E_{k}(P_{i} \oplus C_{i-1})$
CFB (Cipher FeedBack)	$C_{i} = P_{i} \oplus E_{k}(C_{i-1})$
OFB (Output FeedBack)	$C_{i} = P_{i} \oplus O_{i}$
CTR (CounTeR)	$C_{i} = P_{i} \oplus E_{k}(T_{i})$

 

모드	패딩	스트림	특징
ECB	O	X	독립성 패턴 분석에 취약 DB 암호화 시 병렬 처리에 활용
CBC	O	X	연산 중 메모리 필요 암호 블록이 이전 평문까지 영향을 받아 생성됨 평문 블록의 오류: 모든 암호문에 영향 암호문 블록의 오류: 2개 블록에 영향 (j: 대부분, j+1: 오류 비트와 대응되는 위치) CBC-MAC, IPSec, Kerberos version 5 등에서 사용
CFB	X	O (비동기)	스트림 방식 모드는 복호화 시 암호화 함수 사용 재전송 공격 가능 평문 블록의 오류: 모든 암호문에 영향 암호문 블록의 오류: 2개 블록에 영향 (j: 오류 비트와 대응되는 위치, j+1: 대부분)
OFB	X	O (동기)	출력이 평문과 무관해서 오류 전파가 발생하지 않음 사전 준비 가능 초기치(IV)가 바뀌면 암호문이 모두 바뀜
CTR	X	O (동기)	카운터를 사용해 피드백이 불필요 (병렬 처리 가능)