KR100850348B1 - 시적 비결정성 암호 알고리즘 구현방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 시적 비결정성 암호 알고리즘 구현방법은, 입력된 암호대상문과 암호화 키값을 이용하여 구현되는 암호화 알고리즘을 구성하는 라운드 함수가 시적 비결정성을 가지도록 하는 암호 알고리즘 구현방법에 있어서, 상기 라운드 함수마다 동일하지 않은 실행완료시간을 가지는 무작위 시간 지연 함수를 추가하고 상기 추가된 무작위 시간 지연 함수가 상기 라운드 함수의 실행시 함께 실행되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의하면, 암호화 알고리즘을 구현하는 라운드 함수가 실행될 때마다 수행완료시간이 동일하지 않은 수정 알고리즘을 적용하거나 무작위 시간 지연 함수(예를 들어 딜레이 함수)가 함께 병행하여 수행됨으로써 각각의 라운드 함수의 총 수행시간이 동일하지 않도록 구성할 수 있어 차후 차분전력분석(DPA: Differential Power Analysis), 수행시간분석(timing attack) 등과 같은 암호공격에 더욱 효과적으로 대처할 수 있는 효과를 창출한다.

시적 비결정성, 암호 알고리즘, 라운드 함수, 딜레이 함수, 무작위 시간 지연 함수, 전력분석공격, 수행시간분석공격, 시간차공격, DPA

Description

시적 비결정성 암호 알고리즘 구현방법{Method for realizing non-time determined encryption algorithm}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 대칭 키 암호 알고리즘의 기본 구조를 나타내는 도면,

도 2는 암호화 알고리즘의 각각의 라운드 함수 수행 시간을 나타내는 도면,

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 암호 알고리즘의 시적 비결정성을 도시하는 도면이다.

본 발명은 암호화 알고리즘에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 암호화 과정에 수반되는 함수의 실행시간을 동일하지 않도록 구성함으로써 차후 암호 공격에 견고성을 유지할 수 있도록 하는 시적 비결정성 암호 알고리즘의 구현방법에 관한 것이다.

비교적 간단한 문장의 숨김을 위하여 고대에서부터 시작된 암호화는 컴퓨터의 보급과 인터넷 및 통신선로의 확충에 따라 대량정보가 멀티미디어를 통하여 소통되고 있는 현대에서 정보의 기밀성, 무결성 및 인증 등을 위한 도구로서 더욱 중요성이 높아지고 있다.

현대에서 금융, 전자상거래, 신용카드 등의 비밀번호 및 개인정보 등은 아무에게나 알려 줄 수 없는 중요한 정보로 부각되고 있으며, 이러한 정보의 소통은 유/무선 통신선로를 통하여 빈번하게 이루어지고 있으며 이는 그만큼의 원하지 않는 타인에게로의 노출될 기회를 의미하기도 한다.

타인에게 노출될 수 있는 만큼 암호화 및 복호화 과정에서 정보의 안전한 운용의 필요성이 더욱 커지고 있다고 할 수 있으며, 이에 정보의 안정성 등에 대한 많은 노력과 성과가 이루어지고 있다.

이러한 일련의 암호화 과정은 암호화의 대상이 되는 데이터를 암호화하는 암호화 부분 및 암호화된 정보를 복호화하는 복호화 부분으로 이루어져 있으며, 암호화 과정은 통상적으로 암호화 키(encrytion key)를 이용하여 암호화 및 복호화를 수행한다.

암호화 및 복호화 알고리즘은 일종의 함수에 해당하는 것으로서, 각기 암호화 키와 평문(암호화 대상이 되는 문장이나 데이터 등)을 입력으로 받아 암호문을 생성하게 되고, 복호화 알고리즘은 상기 암호화에 이용되는 키와 대응되는 키를 이용하여 상기 생성된 암호문을 다시 평문 등으로 복호화하는 과정을 의미한다.

이러한 암호화 키를 이용하는 방식으로 크게 대칭키 방식과 비대칭키 방식으 로 나눌 수 있으며, 대칭키 방식은 암호화 키와 이를 푸는 복호화 키가 동일한 것을 의미하고, 이를 비밀키(secret key)라고 한다.

또한, 비대칭 키 방식의 경우, 암호화 키와 복호화 키가 동일하지 않으며, 통상적으로 암호화 키는 공개 키(public key)에 해당하고, 복호화 키는 비밀 키(private key)에 해당한다.

다양하게 발전되는 암호화 알고리즘은 대칭키 방식의 DES(Data Encrytion Standrd), 비대칭키 방식의 RSA(Rivest, Shamir, Adleman) 및 ECC(Elliptic Curve Cryptosystem) 등이 더욱 비약적으로 발전되고 있다.

이러한 다양한 암호화 방법에 의한 암호화 알고리즘은 암호화의 강력성이 추구되는 만큼 이를 무력하게 하는 다양한 공격이 논리적, 물리적으로 존재할 수 있다. 프로토콜 상의 공격으로는 방해(interruption), 가로채기(interception), 변조(modification), 변조/위장(fabrication) 등이 있다. 특히, 암호화 과정은 앞서 설명한 바와 같이 일종의 함수를 실현하는 알고리즘으로 운용되므로, 비정상적인 접속 등의 방법으로 상기 운용되는 알고리즘의 실행 특성(시간, 전력 등)을 반복적으로 조사하여 알고리즘의 특성을 발견할 수 있다. 이러한 대표적인 예로서 DPA(Differential Power Analysis : 차분전력분석), timing attack, fault attack 등을 들 수 있다.

이와 같은 공격방법들은 기존의 논리적, 이론적 분석 및 공격에 비해 매우 효과적이다. 이론적 분석은 기존의 분석 방법에 강인한 구조를 가지도록 설계하여 현실적으로 적용하기 어려운 방법이다. 그러나, DPA, Timing attack, fault attack 은 매우 실전적인 공격방법으로 암호의 키값을 해킹하는데 수시간에서 수일이면 키 값을 획득할 수 있다.

스마트 카드와 같은 개인 정보 및 금융 정보를 다루는 보안 토큰과 금융 정보보안 등에 사용되는 HSM(Hardware Security Module)과 같은 물리적인 기기를 상기의 방법으로 분석하여 사용되는 키값을 획득하는데 적용할 수 있으며 실제로 스마트 카드에서 키 값의 해킹이 성공되었다.

이러한 다양한 공격 방법에 대처하기 위하여 더욱 정교화된 장비와 더욱 복잡한 논리연산 수행을 위한 방법 등이 이용되고 있으나, 이러한 방법들은 복잡해지는 메카니즘 만큼 그 비용과 시간의 비경제성을 가질 수 밖에 없다.

그러므로 기존의 다양한 암호화 방법을 이용하면서 간단하면서도 효과적인 공격 방어 알고리즘에 대한 요구가 크다고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 배경에서 안출된 것으로서, 암호 공격에 간단하면서도 효과적인 암호화 알고리즘 구현방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 시간 비결정성 암호 알고리즘 구현방법은, 입력된 암호대상문과 암호화 키값을 이용하여 구현되는 암호화 알고리 즘을 구성하는 라운드 함수가 시적 비결정성을 가지도록 하는 암호 알고리즘 구현방법에 있어서, 상기 라운드 함수마다 동일하지 않은 실행완료시간을 가지는 무작위 시간 지연 함수를 추가하고 상기 추가된 딜레이 함수가 상기 라운드 함수의 실행시 함께 실행되도록 구성한다.

또한, 상기 무작위 시간 지연 함수는 실행될 때마다 실행완료시간이 동일하지 않도록 구성되는 것이 바람직하며, 해당하는 라운드 함수의 실행에 관한 입출력 연산수행과는 독립적인 루틴을 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.

추가적으로, 상기 무작위 시간 지연 함수는, 상기 라운드 함수를 구성하는 하나 이상의 서브 라운드 함수마다 추가되도록 구성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 대칭 키 암호 알고리즘의 기본 구조를 나타내는 도면으로서, 본 발명 의 실시예를 설명하기 위한 일 예시일 뿐, 본 발명이 상기 대칭 키 암호 알고리즘에 국한되어 실현된다고 이해되어서는 안된다.

도 1을 참조하면, L₀, R₀은 암호화의 대상이 되는 입력된 평문의 왼쪽 절반과 오른쪽 절반을 의미하며, K_i(i=1,2,3.....)는 키 스케줄링 알고리즘에 의해 생성된 라운드 키에 해당한다. F로 표현되는 것이 라운드 함수에 해당하는 것으로서, 입력된 R₀데이터를 라운드 함수에 의하여 함수값으로 표현하고 이를 다시 L₀와 배타적 논리합 연산을 수행한다.

상기 F로 표현되는 것은 암호화 알고리즘을 수행하는 함수문을 의미하는 것으로서 상기와 같이 라운드 함수로 표현되는 것이 일반적이나, 다른 명칭이나 표현 등이 사용되더라도 상기와 같은 암호화 알고리즘의 수행에 대한 함수문을 총칭하는 것으로 이해되어야 한다.

상기 연산이 수행된 값(R₁)이 다시 F₂의 입력값에 해당되어 두번째 라운드 함수(F₂)를 수행하게 되며 이러한 과정을 정해진 회수만큼 반복 수행함으로써 암호문이 완성되게 된다.

이 과정에서 각각의 라운드 함수의 알고리즘의 수행완료시간은 도 2에 도시된 바와 같이 각각의 F1, F2 등은 서로 다를 수 있어도 F1, F2 그 자체 라운드 함수의 수행완료시간은 동일하므로 시간적으로 결정적인 형태로 운용된다.

이러한 시간적 결정성에 연유하여 앞서 설명한 바와 같은 차후 시간적 공격 등의 암호공격에 약점으로 노출될 가능성이 발생한다. 즉, 상기 종래의 알고리즘으로 운용되는 경우, 반복적인 공격을 통하여 상기 각각의 라운드 함수의 시간적 특성에 관한 공통점이 노출되는 위험성이 존재하게 된다.

본 발명은 상기와 같이 암호화 과정에서 운용되는 라운드 함수의 시간 결정적인 수행완료시간을 시간 비결정성으로 구현하는 방법에 관한 것이다.

즉, 상기 라운드 함수마다 동일하지 않은 실행완료시간을 가지는 무작위 시간 지연 함수(예를 들어, 딜레이 함수 등)를 추가하고 상기 추가된 시간 지연 함수가 상기 라운드 함수의 실행시 함께 실행되도록 구성한다. 하나의 라운드 함수가 수행될 때, 라운드 함수마다 실행완료시간이 동일하지 않은 추가적인 무작위 시간 지연 함수(딜레이 함수)를 구성하고, 각각의 라운드 함수를 구현하는 알고리즘에 상기 무작위 시간 지연 함수가 함께 구동되도록 구성함으로써, 라운드 함수의 전체 실행완료시간이 변경되도록 구성한다.

라운드 함수마다 추가되는 무작위 시간 지연 함수 자체의 실행완료시간이 동일하지 않도록, 추가되는 무작위 시간 지연 함수의 루틴 구성을 각각 구별되도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 무작위 시간 지연 함수는 상기 해당하는 라운드 함수의 실행에 관한 입출력 연산수행과는 독립적인 루틴을 가지도록 구성되어 암호화 과정에서 라운드 함수의 기본적인 알고리즘의 변형을 초래하지 않도록 구성한다.

즉, 라운드 함수를 구성하는 루틴 내부에서 상기 딜레이 함수가 구동되도록 구성하며, 상기 무작위 시간 지연 함수(딜레이 함수)는 특정한 동작수행에 관한 명 령문으로 이루어지는 것 보다 시간적 소요가 필요한 명령문, 구체적인 예를 들어, for문으로 구성하되 카운트를 증가시켜 카운트 값이 기준값에 해당하게 되는 경우 딜레이 함수의 루틴을 벗어나도록 하는 구성 등이 상기 딜레이 함수에 대한 바람직한 예에 해당한다.

또한, 직접적으로 라운드 함수의 입출력 연산수행과는 독립적인 루틴이라면, 상기 시간 소요만을 도모하는 루틴뿐만이 아니라 다양한 명령문이 가능하다. 즉, 암호화 과정과는 무관한 동작수행에 관한 명령문이라면 당업자간에 다양한 변형례가 가능함은 물론이다.

여기에서 만약 for문 등의 명령문으로 이루어진다면, 상기 for문의 수행시간을 실행될 때마다 실행완료시간이 동일하지 않도록 구성하기 위하여 상기 카운트가 완료되는 기준값을 난수 발생 함수를 통하여 매번 동일하지 않도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 암호 알고리즘의 시적 비결정성을 도시하는 도면이다. 상기와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 암호화 알고리즘 구현방법에 의하는 경우, F₁', F₂', F₃'...의 수행완료시간은 변함이 없으나, F₁', F₂', F₃'... 각각에 추가되는 D₁', D₂', D₃'...에 의하여 외부 공격에 노출되는 f₁', f₂', f3'...등은 매번 수행 시마다 변경되므로 상기와 같이 수행완료시간의 공통점이 노출될 가능성을 현저히 낮출 수 있게 된다.

상기 딜레이 함수 D₁', D₂', D₃'...는 단순히 수행완료시간이 산술적으로 더 해지는 것이 아니라 라운드 함수 내부에서 상기 라운드 함수의 수행과 함께 수행되는 것이므로 타임 공격 등의 외부 공격에 노출되는 것은 F₁', F₂', F₃'...와 D₁', D₂', D₃'...이 각각 더해진 f₁', f₂', f3'...이 된다.

종래의 방법에 의하는 경우, 상기 F₁, F₂, F₃ 는 항상 동일한 즉, 결정된 수행완료시간을 가지게 되므로, 반복적인 공격에 의한 공통점 노출이 가능함에 반해, 상기와 같은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방법에 의하는 경우, 외부공격에 노출되는 f₁', f₂', f3'...등은 수행시마다 다른 완료시간 길이를 가지게 되므로 상기와 같은 시간 공격 등에 강인성을 가지게 된다.

또한, 상기와 같은 시간 비결정성을 더욱 높이기 위하여, 상기 라운드 함수를 구성하는 하나 이상의 서브 라운드 함수마다 상기 딜레이 함수가 추가되도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

라운드 함수는 하나 이상의 명령문인 서브 라운드 함수의 집합체로 구성될 수 있으므로 라운드 함수를 구성하는 각각의 서브 라운드 함수마다 상기와 같은 구성의 딜레이 함수가 추가되어 함께 수행됨으로써, 시간적 비결정성을 더욱 높일 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따른 시간 비결정성 암호 알고리즘 구현방법에 의하는 경우, 암호 알고리즘을 구현하는 라운드 함수의 수행완료시간을 시간 비결정성으로 운용할 수 있어 공통된 물리적 시간 특성 등의 유추를 통한 암호 공격의 대상인 공통된 시간적 결정성을 극복할 수 있어 시간 공격 등의 암호화 공격에 강인성을 가지는 효과를 창출할 수 있다.

Claims (4)

1. 입력된 암호대상문과 암호화 키값을 이용하여 구현되는 암호화 알고리즘을 구성하는 라운드 함수가 시적 비결정성을 가지도록 하는 암호 알고리즘 구현방법에 있어서,

   상기 라운드 함수마다 동일하지 않은 실행완료시간을 가지는 무작위 시간 지연 함수를 추가하고 상기 추가된 무작위 시간 지연 함수가 상기 라운드 함수의 실행시 함께 실행되도록 하는 것을 특징으로 하는 시적 비결정성 암호 알고리즘 구현방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 무작위 시간 지연 함수는,

   실행될 때마다 실행완료시간이 동일하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시적 비결정성 암호 알고리즘 구현방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 무작위 시간 지연 함수는,

   해당하는 라운드 함수의 실행에 관한 입출력 연산수행과는 독립적인 루틴을 가지는 것을 특징으로 하는 시적 비결정성 암호 알고리즘 구현방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 무작위 시간 지연 함수는,

   상기 라운드 함수를 구성하는 하나 이상의 서브 라운드 함수마다 추가되는 것을 특징으로 하는 시적 비결정성 암호 알고리즘 구현방법.

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