Chapter 3 대칭키 암호

1. Chapter 3 Symmetric Key Crypto Chapter 3대칭키 암호

2. 주요 내용 • 스트림 암호(Stream cipher) • A5/1 • RC4 • 블록 암호(Block cipher) • Data Encryption Stantard(DES): relatively simple, • Advanced Encryption STD(AES) • International Data Encrytption Alg.(IEDA) • Blowfish, • RC6 • Tiny Encryption Algorithm • 블록 암호 모드 • Electronic codebook (ECB) • Cipher-block chaining (CBC) • Counter (CTR) • 대칭키 암호와 무결성(Integrity)

3. Chapter 3 Symmetric Key Crypto 이 장의 목표 • 대칭키 암호를 소개 • 대칭키 암호 알고리즘이 내부적으로 어떻게 동작하고 있는지를 이해한다. • “why”보다는 “how”에 초점을 맞춘다. • ”why”를 이해하기 위해서는 cryptanalysis를 이해해야 한다.(6장)

4. Chapter 3 Symmetric Key Crypto 스트림 암호(stream cipher)

5. Chapter 3 Symmetric Key Crypto 스트림 암호 • 최근에는 블록 암호 처럼 많이 쓰이지 않는다. • n 비트의 키를 긴키 스트림(long keystream)으로 확장해서 사용한다. • 스트림 암호의 기능 • StreamCipher(K) = S where K:키, S:키 스트림 • S는 일회성 암호(one-time pad)와 같이 사용한다. • c0 = p0  s0, c1 = p1  s1, c2 = p2  s2, … • p0 = c0  s0, p1 = c1  s1, p2 = c2  s2, … • 송신자와 수신자는 동일한 스트림 암호 알고리즘을 사용하고 모두 키 K를 알고 있다.

6. Chapter 3 Symmetric Key Crypto 스트림 암호 • 두 가지 스트림 암호를 소개한다. • A5/1 • linear feedback shift registers에 기초 • GSM mobile phone system에서 사용 • A5/1은 유럽과 미국에서 사용 • A5/2는 강력한 암호를 갖고 있다고 신뢰할 수 없는 나라에서 사용 • RC4 • changing lookup table에 기초 • 여러 응용에서 사용 – SSL

7. Chapter 3 Symmetric Key Crypto A5/1

8. Chapter 3 Symmetric Key Crypto A5/1 • A5/1는 H/W로 구현되는 대표적인 스트림 암호 • 3개의 Linear feedback shift registers로 구성 • X: 19 bits (x0, x1, x2,…, x18) • Y: 22 bits (y0, y1, y2,………, y21) • Z: 23 bits (z0, z1, z2,………….,z22) • X+Y+Z = 64 bits

9. Chapter 3 Symmetric Key Crypto A5/1 • At each step: m = maj(x8, y10, z10) • Examples: maj(0,1,0) = 0 and maj(1,1,0) = 1 • If x8 = m then X steps • t = x13 x16  x17  x18 • xi = xi1 for i = 18, 17, …, 1 and x0 = t • If y10 = m then Y steps • t = y20 y21 • yi = yi1 for i = 21, 20, …, 1 and y0 =t • If z10 = m then Z steps • t = z7 z20  z21  z22 • zi = zi1 for i = 22, 21, …, 1 and z0 = t • Keystream bit is x18 y21  z22

10. Chapter 3 Symmetric Key Crypto A5/1 X • 매 사이클의 결과는 한 비트(single bit)이다. • 키는 3개의 레지스터를 채우는데 사용한다. • 매번 레지스터 단계를 수행할 지 않할지 (x8, y10, z10)의 값에 의해 결정된다. • 키 스트림 비트는 레지스터들의 맨 오른쪽 비트의 XOR 값이다.  Y   Z 

11. Chapter 3 Symmetric Key Crypto From Wikipedia

12. Chapter 3 Symmetric Key Crypto A5/1 X • 위의 예에서, m = maj(x8, y10, z10)= maj(1,0,1) = 1 • Register X와 Z단계가 수행되고 , Y단계는 수행되지 않는다. • 키 스트림 비트는 레지스터의 맨 오른쪽 비트의 XOR 값이다. • keystream bit : 0  1  0 = 1  Y   Z 

13. Chapter 3 Symmetric Key Crypto RC4

14. Chapter 3 Symmetric Key Crypto RC4 • RC4는 소프트웨어로 구현하도록 최적화되었다. • 반면에 A5/1은 하드웨어로 구현 • RC4는 매 단계에서 키 스트림 바이트(a keystream BYTE)를 만들어낸다. • 반면에 A5/1는 키 스트림 비트(a single keystream bit)를 만들어낸다.

15. Chapter 3 Symmetric Key Crypto RC4 • RC4는 아주 간단하다. • 이것은 단지 256(28)-byte 값의 순열을 포함하는 lookup table이기 때문이다. • 매번 바이트 키 스트림이 만들어질 때, {0,1,2,…255}의 순열을 포함하도록 변경된다.

16. Chapter 3 Symmetric Key Crypto RC4 초기화 • S[] is permutation of 0,1,…,255 • key[] contains N bytes of key for i = 0 to 255 S[i] = i K[i] = key[i (mod N)] next i j = 0 for i = 0 to 255 j = (j + S[i] + K[i]) mod 256 swap(S[i], S[j]) next j i = j = 0 • 첫단계 – 키를 사용하여 lookup table을 초기화한다. • Key: key[i] for i=0,1,…,N-1 where key[i] is a byte • Lookup table: S[i] is a byte • Key의 길이는 0부터 255 바이트 사이 • 키는 오직 S를 초기화하는데 사용된다.

17. Chapter 3 Symmetric Key Crypto RC4 키 스트림(keystream) • 다음 단계 – 키 스트림 바이트는 다음의 알고리즘에 의해서 발생된다. i = (i + 1) mod 256 j = (j + S[i]) mod 256 swap(S[i], S[j]) t = (S[i] + S[j]) mod 256 keystreamByte = S[t] • 키 스트림 바이트를 일회성 암호(a one-time pad)와 같이 사용한다. • 주의:처음의 256 바이트는 반드시 폐기한다. • 그렇지않으면 공격자가 키를 회복할 수 있다.

18. Chapter 3 Symmetric Key Crypto 스트림 암호 • 스트림 암호는 과거에 많이 사용되었다. • 하드웨어로 구현하는데 효율적 • 음성 등과 같이 속도를 따라가는데 적절 • 하지만 최근에 CPU의 성능이 향상되어 소프트웨어 기반의 암호 방식도 충분히 빠르다. • 스트림 암호의 미래는? • Shamir: “스트림 암호의 사망” • 과장된 얘기인지도 모른다…