KR100596392B1 - Ｓｂｏｘ 엔트리 값의 기록 및 독출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Sbox 엔트리 값의 기록 및 독출 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 4 바이트 길이의 레지스터를 가지는 시스템에서의 DES 구현과 관련된 것으로, DES에 사용되는 Sbox 엔트리 값을 효율적으로 검색하기 위한 엔트리 값 저장 방법 및 검색 방안에 대한 것이다.

본 명세서에서 개시하는 DES에 의한, 4 바이트 레지스터에 8개 Sbox의 개별 엔트리 값을 기록/독출하는 방법은 (a)다수의 개별 엔트리 값의, 상기 다수의 개별 엔트리 값이 포함된 각 Sbox 에서의 2차원 위치 인덱스 [ROW, COLUMN]와 상기 각 Sbox의 번호를 판단하는 단계; 및 (b)상기 다수의 개별 엔트리 값을, 상기 위치 인덱스가 동일한 것끼리, 상기 각 Sbox 의 번호순에 따라 상기 4 바이트 레지스터에 기록/독출하는 단계를 포함하여 본 발명의 목적 및 기술적 과제를 달성한다.

Description

Ｓｂｏｘ 엔트리 값의 기록 및 독출 방법{Method for looking-up and recording of Sbox entry value}

도 1은 48 비트 입력값이 Sbox를 통과하여 32 비트로 변환된 결과값이 획득되는 것을 보여주는 도면이다.

도 2는 DES 표준에서 사용하는, 6 비트 입력값으로부터 해당 Sbox의 엔트리 값을 기록/독출하기 위한 위치 인덱스 값을 도출하는 과정의 예를 도시한 도면이다.

도 3은 DES에서 사용하는 8 개의 Sbox 들(Sbox 1 ~ Sbox 8)의 엔트리 값들의 일례를 도시한 도면이다.

도 4는 4 바이트 단위의 레지스터를 가진 시스템에, 도 3에 나타낸 Sbox 엔트리 값들의 배열을 2차원 배열의 형태로 저장하였을 때의 그 저장 형태를 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4에 제시된 저장 형태에 따라 도 3에 나타낸 Sbox1의 엔트리 값을 저장하였을 때의 값의 배치의 일례가 제시된 도면이다.

도 6은 본 발명에서 제안한 Sbox 엔트리 값 저장 방식에 의한 레지스터의 형태를 나타내는 도면이다.

도 7은 도 6에 제시된 형태에 따라 최초의 8개의 레지스터에 저장되는 엔트 리 값의 실제 예를 제시한 도면이다.

도 8a은 본 발명에서 제안한 방식에 의해 Sbox 값이 저장되었을 경우, Sbox 검색 과정의 흐름도를 나타내는 도면이다.

도 8b는 도 8a에 제시된 S82 단계의 구체적 흐름을 나타낸 도면이다.

본 발명은 Sbox 엔트리 값의 기록 및 독출 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 4 바이트 길이의 레지스터를 가지는 시스템에서의 DES 구현과 관련된 것으로, DES에 사용되는 Sbox 엔트리 값을 고속으로 검색하기 위한 엔트리 값 저장 방법 및 검색 방안에 대한 것이다.

DES(Data Encryption Standard)는 1970년대 초기에 IBM에서 개발된 LUCIFER를 바탕으로 수정, 보완된 것으로 미국 연방표준(Federal Information Processing Standard, 이하 FIPS)에서 FIPS-46으로 채택되어 사용되는 것으로 64비트의 평문(plain text)을 동일한 길이의 암호문(cipher text)으로 변환한다. DES는 세계적으로 널리 활용되면서 다양한 시스템에서 암호화 방안으로 널리 사용되고 있다.

그러나, DES는 8 비트 혹은 32 비트와 같이 일반적인 시스템에서 사용하는 메모리 사이즈에 일치하지 않는 크기의 값들을 사용한다. 다양한 크기의 메모리 확보가 자유로운 PC나 워크스테이션(Workstation)과 같은 시스템에서는 문제가 되지 않지만, 최근의 네트워크 보안 시스템에 널리 사용되는 NP(Network Processor)처럼 내부 레지스터들이 4 바이트의 크기를 가지고 있는 경우, 4 바이트 크기의 단위로만 데이터의 저장과 연산의 구현이 가능하므로 연산 과정의 증가 혹은 메모리의 낭비가 초래되기도 한다.

특히 DES의 핵심을 이루는 Sbox(Substitution box)의 경우 DES의 처리 방식에 따라 4 비트 길이의 엔트리 값들이 4(row)×16(column) 형태의 2차원 배열로 8 묶음(8개의 Sbox)으로 저장되는데, 레지스터가 비교적 큰 시스템에서는 8 비트 길이의 단위 레지스터를 이러한 2차원 배열 형태로 확보하고 4 비트 값을 8 비트 레지스터에 하나씩 저장하는 것이 일반적이다.

이 때, 소정의 최적화 처리를 통하여 4 비트 두 개를 하나의 8비트 레지스터에 저장할 수도 있으나, Sbox의 하나의 가로 길이 16에 해당하는 16개의 엔트리 값을 저장하기 위해서는 4 비트*16=64 비트가 요구되므로 최소한 8 바이트의 폭을 가지는 레지스터가 요구되며, 위에서 언급한 바와 같이 NP는 내부 레지스터의 크기가 4 바이트이므로 하나의 레지스터에 엔트리 값을 매핑(mapping)할 수 없게 된다. 현재까지 이러한 경우, 레지스터 크기를 넘어설 경우를 확인하는 부가적인 연산 혹은 조건 검사를 추가하여 Sbox 엔트리 값을 검색할 수 있도록 하는 것이 대부분이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적 및 이루고자 하는 기술적 과제는 4 바이트 크기의 레지스터를 가지는 시스템에서 NP와 같이 동적 메모리 할당 기능이 지원되지 않은 시스템을 사용할 경우, Sbox 엔트리 값의 저장 및 검색의 효율적 실현을 위한 Sbox 엔트리 값의 기록 및 독출 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적 및 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 명세서에서 개시하는 DES에 의한, 4 바이트 레지스터에 8개 Sbox의 개별 엔트리 값을 기록/독출하는 방법은 (a)다수의 개별 엔트리 값의, 상기 다수의 개별 엔트리 값이 포함된 각 Sbox 에서의 2차원 위치 인덱스 [ROW, COLUMN]와 상기 각 Sbox의 번호를 판단하는 단계; 및

(b)상기 다수의 개별 엔트리 값을, 상기 위치 인덱스가 동일한 것끼리, 상기 각 Sbox 의 번호순에 따라 상기 4 바이트 레지스터에 기록/독출하는 단계를 포함하여 본 발명의 목적 및 기술적 과제를 달성한다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 명확화하기 위해, 본 발명의 실시예에 근거하여 그 구성 및 동작을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.

본 발명이 제공하는 기술적 사상은 4 바이트 크기의 레지스터를 구비한 장비와 레지스터 크기의 동적 할당이 지원되지 않는 프로그램 언어(대표적으로 assembler language)를 사용하는 시스템에서 DES의 Sbox 엔트리 값의 고속 검색 및 저장을 가능하게 하는 것이다.

도 1은 DES에서 8개의 Sbox 엔트리 값 기록/독출을 위해 입력되는 48 비트 입력값의 6 비트씩이 순서대로 각각의 Sbox 엔트리 값의 기록/독출을 위한 입력값으로 사용되고 각 Sbox 기록/독출의 결과 값인 4 비트 엔트리 값들을 순서대로 나열함으로써 48 비트로부터 변환된 32 비트의 결과 값이 획득되는 것을 보여주는 도면으로, 변환의 구체적인 과정은 DES에 자세히 소개되어 있으므로 설명을 약한다.

도 2는 DES 표준에서 사용하는, 6 비트 입력값으로부터 해당 Sbox의 엔트리 값을 기록/독출하기 위한 위치 인덱스 값을 도출하는 과정의 예를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 6 비트 입력값 중 최상위 비트값(Most Significant bit, 이하 MSB)과 최하위 비트값(Least Significant Bit, 이하 LSB)을 연접한 두 비트로부터 얻어진 값을 ROW 라하고 나머지 네 비트로부터 얻어진 값을 COLUMN 이라 할 때 Sbox 배열 즉, Sbox[row][column]에 ROW와 COLUMN을 각각 대입한 Sbox[ROW][COLUMN] 위치의 값 [ROW, COLUMN]이 Sbox 검색을 위한 위치 인덱스 값이 된다. 그리고 Sbox n에서 n은 Sbox의 번호를 나타내는 것으로 도 2에 제시된 것은 그 값이 1인 경우이며, DES에 의할 경우 n은 1 내지 8의 값을 취한다.

도 3은 DES에서 사용하는 8 개의 Sbox 들(Sbox 1 ~ Sbox 8)의 엔트리 값들의 일례를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 각각의 Sbox가 가지는 엔트리 값들은 모두 4 비트 단위의 이진수로 표현 가능한 값임을 알 수 있다. 각 Sbox 의 하나의 row 는 16개의 엔트리 값을 가지므로 하나의 row를 저장하기 위해서는 최소한 4[비트] * 16 = 64[비트] 크기의 레지스터가 요구됨을 알 수 있다.

도 4는 4 바이트 단위의 레지스터를 가진 시스템에, 도 3에 나타낸 Sbox 엔트리 값들을 일반적인 시스템에서와 같이 2차원 배열의 형태로 저장하였을 때의 그 저장 형태를 나타낸 도면이다.

개개 Sbox의 번호를 n, 각 Sbox에서 엔트리 값의 순서 값을 m이라 하면, 개별 엔트리 값은 Sⁿ _m으로 표현할 수 있다. m은 DES에 의할 경우 0~511이며 각 엔트리 값을 저장하는 레지스터 어드레스에 해당하는 값이다. 본 발명에 의한 레지스터 어드레스를 구하는 방식은 후술한다. 아울러 m은 2차원 값으로 바꾸어 표현할 수 있는데, 엔트리 값의 각 Sbox에서의 row와 column 을 [r, c]라 정의할 때, 개별 Sbox의 엔트리 값 Sⁿ _m은 결국 Sⁿ _[r,c]로 표현될 수 있다.

따라서 도 4에서의 첫 번째 레지스터에 저장된 엔트리 값의 집합은 {S¹ _[0,0], S¹ _[0,1], S¹ _[0,2], S¹ _[0,3], S ¹ _[0,4], S¹ _[0,5], S¹ _[0,6], S ¹ _[0,7]}, 두 번째 레지스터에 저장된 엔트리 값의 집합은 {S¹ _[0,8], S¹ _[0,9], S¹ _[0,10] , S¹ _[0,11], S¹ _[0,12], S¹ _[0,13] , S¹ _[0,14], S¹ _[0,15]}이다. 도 4를 참조하면, 엔트리 값들이 Sbox 1부터 그리고 엔트리 값의 순서 값(m)의 차례대로 저장/독출됨을 알 수 있다. 도 5에는 도 4에 제시된 저장 형태 및 방식에 따라 도 4에 나타낸 Sbox1의 엔트리 값을 저장하였을 때의 값의 배치가 제시되어 있다.

한 편, 도 4에 제시된 방식에 따라서 4 바이트 레지스터 크기를 가지는 시스템에 이차원 배열 형태로 Sbox 엔트리 값을 저장할 경우 도 2에서와 같은 방식으로는 정확한 Sbox 엔트리 값을 취할 수 없다. 왜냐하면, 4 바이트 단위의 메모리를 4 비트 단위로 분할할 경우에는 모두 8개의 구역만이 지정되므로 4 바이트 레지스터에 어떤 Sbox의 동일한 row에 속하는 16개의 엔트리들을 모두 저장하는 것이 불가능하기 때문이다. 물론 C 언어와 같이 가변크기의 배열지정이 가능한 프로그래밍 언어라면 문제가 없지만, 본 발명이 적용되는 NP와 같이 고정크기의 배열지정만이 가능한 어셈블러 언어를 사용하는 시스템에서는 이와 같은 가변크기의 배열지정이 지원되지 않으므로 도 2의 검색 방식을 직접적으로 사용할 수 없다.

따라서, 두 개의 4 바이트 레지스터에 하나의 row에 속하는 값들이 저장되므로 이러한 경우 COLUMN이 7을 초과하는 경우와 초과하지 않는 경우에 따라 서로 다른 레지스터 어드레스를 구할 수 있도록 처리 루틴이 구현되어야 하며, 또한 7보다 큰 COLUMN에 대한 8의 모듈로(modulo) 연산을 취해야만 레지스터에 기록된 값들 중, 실제 필요한 4 비트 개별 Sbox의 엔트리 값을 취할 수 있게 된다. 이는 Sbox 엔트리 값의 기록 및 독출에 지연을 초래하는 문제점을 야기시킨다.

도 6은 4 바이트 단위의 레지스터를 가진 시스템에, Sbox 엔트리 값들을 2차원 배열의 형태로 본 발명에서 제안하는 방식으로 저장하였을 때의 그 저장 형태를 나타낸 도면이다.

기존의 엔트리 값 저장 방식과는 달리 본 발명에서는, 상기한 모듈로(modulo) 연산을 없애고 단 한번의 간단한 연산으로 엔트리 값 기록 및 독출을 실 시하기 위해, 도 4에 나타낸 것처럼 Sbox의 엔트리 값들을 2차원 배열의 형태로 엔트리 값의 순서 값(m)의 차례대로 기록하는 것이 아니라, 하나의 4 바이트 레지스터에, 8개 Sbox 의 동일한 순서 값(m)에 해당하는 엔트리 값끼리 Sbox의 번호(n)순에 따라 기록한다. 따라서 도 6에서, 첫 번째 레지스터에 저장된 엔트리 값의 집합은 {S¹ _[0,0], S² _[0,0], S³ _[0,0], S ⁴ _[0,0], S⁵ _[0,0], S⁶ _[0,0], S ⁷ _[0,0], S⁸ _[0,0]}, 두 번째 레지스터에 저장된 엔트리 값의 집합은 {S¹ _[0,1], S² _[0,1], S³ _[0,1], S⁴ _[0,1], S⁵ _[0,1], S⁶ _[0,1], S⁷ _[0,1], S⁸ _[0,1]}, ···로 표현될 수 있으며, 이는 결국 2차 위치 인덱스가 동일한 값끼리 레지스터에 기록된다는 의미이다.

도 7은 도 6에 제시된 방식에 따라 Sbox 엔트리 값을 저장할 경우 최초의 8개의 레지스터에 저장되는 엔트리 값의 실제 예이다. 이 경우 register 8에 저장된 엔트리 값의 집합은 {S¹ _[0,7], S² _[0,7], S³ _[0,7], S⁴ _[0,7], S⁵ _[0,7], S⁶ _[0,7] , S⁷ _[0,7], S⁸ _[0,7]}임을 알 수 있다.

도 8a은 본 발명에서 제안한 방식에 의해 Sbox 값이 저장되었을 경우, Sbox 검색 과정의 흐름도를 나타내며 도 8b는 도 8a의 S82 단계의 구체적 흐름을 나탄낸 도면이다.

우선, 다수의 개별 엔트리 값의, 상기 다수의 개별 엔트리 값이 포함된 각 Sbox 에서의 2차원 위치 인덱스 [ROW, COLUMN]와 상기 각 Sbox의 번호를 판단하게 되는데(S81), 이는 위에서 언급한 도 2에 제시된 방식에 의해서 할 수 있다.

다음으로, 다수의 개별 엔트리 값을, 도 6에 제시된 배열의 형태에 기록/독출하는 과정(S82)이 진행되는데, 이는 엔트리 값이 저장될 레지스터 어드레스를 산출함으로써 이루어진다.

위에서 언급한 본 발명에서 제안하는 방식으로 저장되는 경우의 레지스터 어드레스의 산출(S821)은 다음과 같은 수학식에 의하여 이루어짐이 바람직하다.

레지스터 어드레스 = 8*[(ROW * 16) + COLUMN] + [Sbox의 번호 - 1]

레지스터 어드레스가 산출되면, 그 어드레스에 해당하는 엔트리 값이 기록/독출된다(S822).

이와 같이 본 발명은 기존의 기록/독출 과정과 비교하였을 때, COLUMN 값에 따른 모듈로(modulo) 연산과 같은 별도의 연산 조건 없이 단 한 번의 연산으로 레지스터 어드레스를 산출할 수 있으므로 보다 빠른 Sbox 검색이 가능해진다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 4 바이트 고정크기 레지스터를 가지는 시스템에서 어셈블리어와 같이 임의 크기의 배열 처리가 지원되지 않은 프로그래밍 언어를 사용할 경우, 한 번의 연산을 통해 일반적인 DES의 Sbox 저장 방식에 비해 보다 고속으로 Sbox 엔트리 값을 기록 및 독출할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. DES에 의한, 4 바이트 레지스터에 Sbox의 개별 엔트리 값을 기록/독출하는 방법에 있어서:

   (a)다수의 개별 엔트리 값의, 상기 다수의 개별 엔트리 값이 포함된 각 Sbox 에서의 2차원 위치 인덱스 [ROW, COLUMN]와 상기 각 Sbox의 번호를 판단하는 단계; 및

   (b)상기 다수의 개별 엔트리 값을, 상기 위치 인덱스가 동일한 것끼리, 상기 각 Sbox 의 번호순에 따라 상기 4 바이트 레지스터에 기록/독출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 Sbox 엔트리 값의 기록 및 독출 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 독출은

   상기 2차원 위치 인덱스를 참조하여, 상기 다수 개별 엔트리 값이 저장된 레지스터 어드레스를 산출하여 이루어짐을 특징으로 하는 Sbox 엔트리 값의 기록 및 독출 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 레지스터 어드레스는 아래의 수학식에 의하여 산출됨을 특징으로 하는 Sbox 엔트리 값의 기록 및 독출 방법.

   레지스터 어드레스 = 8*[(ROW * 16) + COLUMN] + [Sbox의 번호 - 1]

Images