KR100894330B1 - Method and apparatus for supporting encryption/decryption function of aes and aria - Google Patents
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Abstract
본 발명은 AES(Advanced Encryption Standard) 및 ARIA(Academy, Research Institute, Agency) 암호화/복호화 알고리즘을 지원하는 연산 방법 및 장치에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 입력 키를 이용하여 라운드 키를 생성하는 키스케듈러; 및 입력 데이터 및 상기 라운드 키를 이용하여 암호화/복호화된 데이터를 생성하는 라운드함수연산부를 포함하되, 상기 라운드함수연산부는 AES 및 ARIA 알고리즘을 모두 수행할 수 있는 통합치환계층 및 통합확산계층을 포함하는 것을 특징으로 하는 AES 및 ARIA의 암호화/복호화 기능을 지원하는 통합 연산 장치를 제공한다.The present invention relates to an operation method and apparatus for supporting an advanced encryption standard (AES) and an academic, research institute, agency (ARIA) encryption / decryption algorithm. To this end, the present invention provides a key scheduler for generating a round key using an input key; And a round function operator configured to generate encrypted / decrypted data using the input data and the round key, wherein the round function operator includes an integrated substitution layer and an integrated diffusion layer capable of performing both AES and ARIA algorithms. An integrated computing device supporting the encryption / decryption functions of AES and ARIA is provided.
AES, ARIA, 암/복호화, 통합 연산기 AES, ARIA, Encryption / Decryption, Integrated Computers
Description
도 1은 AES 알고리즘의 암호화 과정.1 is an encryption process of the AES algorithm.
도 2는 ARIA 알고리즘의 암호화 과정.2 is an encryption process of the ARIA algorithm.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 AES 및 ARIA 통합 하드웨어 연산 장치의 블록도.3 is a block diagram of an AES and ARIA integrated hardware computing device in accordance with one embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 통합 치환 계층의 내부 블록도.4 is an internal block diagram of a unified replacement layer according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 SA S-Box 블록의 내부 블록도.5 is an internal block diagram of the S A S-Box block according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 SU S-Box 블록의 내부 블록도6 is an internal block diagram of a S U S-Box block according to an embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통합 확산 계층의 내부 블록도7 is an internal block diagram of an integrated spreading layer in accordance with an embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawings
310: AES 및 ARIA 통합 하드웨어 연산 장치의 라운드 함수 연산부.310: Round function calculator of AES and ARIA integrated hardware computing unit.
320: AES 및 ARIA의 치환 연산을 수행하는 통합 치환 계층.320: Unified substitution layer that performs substitution operations of AES and ARIA.
330: AES 및 ARIA의 확산 연산을 수행하는 통합 확산 계층.330: Unified spreading layer for spreading operations of AES and ARIA.
340: 128-비트 데이터 저장용 레지스터.340: Register for storing 128-bit data.
350: AES 및 ARIA 통합 하드웨어 연산 장치의 키스케줄러.350: Key scheduler for AES and ARIA integrated hardware computing units.
360: AES 키스케줄링을 담당하는 블록.360: Block responsible for AES key scheduling.
370: ARIA 키스케줄링을 담당하는 블록.370: Block responsible for ARIA key scheduling.
380: ARIA의 Wo 키 저장용 및 AES 키 저장용으로 사용되는 레지스터.380: Register used for storing Wo key and AES key of ARIA.
410: AES S-Box 역할을 수행하는SA S-Box 블록.410: S A S-Box block to play the role of AES S-Box.
420: AES 및 ARIA S-Box 역할을 수행하는 SU S-Box 블록.420: S U S-Box block serving as AES and ARIA S-Box.
710: 통합 확산 계층의 중간항 A.710: Middle term of the unified spread layer A.
720: 통합 확산 계층의 중간항 B.720: Middle term of the unified spread layer B.
730: 통합 확산 계층의 중간항 C.730: middle term of the unified spread layer C.
740: 통합 확산 계층의 중간항 D.740: middle term of the unified spreading layer D.
750: 통합 확산 계층의 중간항 E.750: Middle term of the unified spread layer E.
760: 통합 확산 계층의 AES MixColumns 연산 결과값 Y.760: AES MixColumns operation result value Y of the unified diffusion layer.
770: 통합 확산 계층의 AES InvMixColumns 연산 결과값 Z.770: AES InvMixColumns operation result Z of the unified spread layer.
780: 통합 확산 계층의 ARIA 확산 연산 결과값 W.780: ARIA spread operation result of the unified spread layer W.
790: 통합 확산 계층의 최종 결과값 U를 선택적으로 결정하는 MUX.790: MUX optionally determining the final result U of the unified spread layer.
본 발명은 AES(Advanced Encryption Standard)와 ARIA(Academy, Research Institute, Agency) 암호화/복호화 알고리즘을 지원하는 연산 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an operation method and apparatus for supporting an advanced encryption standard (AES) and an academic, research institute, agency (ARIA) encryption / decryption algorithm.
AES 블록 암호 알고리즘은 지난 2001년 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)에 의해 미국 표준으로 채택되었다. 또한 ARIA 블록 암호 알고리즘은 한국산업규격 표준으로 채택되었다. 이러한 AES와 ARIA, 두 개의 국내외 표준 블록 암호 알고리즘은 스마트카드, 전자여권, 서버급 암호 장비 등 다양한 암호 분야에서 널리 사용되고 있다.The AES block cipher algorithm was adopted as the American standard by the National Institute of Standards and Technology (NIST) in 2001. ARIA block cipher algorithm is also adopted as the standard of Korean industry standard. Two domestic and international standard block cipher algorithms such as AES and ARIA are widely used in various cipher fields such as smart card, ePassport, and server class cipher equipment.
암호화 연산은 일반적으로 처리 속도가 느리기 때문에 하드웨어로 구현하는 경우가 대부분이다. AES나 ARIA의 하드웨어 구현 분야는 초기에 주로 고성능 구현 기법이나 구현 방법별로 그 성능을 비교 분석하는 연구가 주로 이루어졌다. 하지만 점차 휴대폰, RFID(Radio Frequency IDentification)와 같은 소형 무선 기술이 발전하면서 최근에는 소형화, 저전력화 구현에 관한 연구가 발표되었다. Encryption operations are generally slow, so they are often implemented in hardware. In the hardware implementation field of AES or ARIA, research was mainly conducted to compare and analyze the performance by high performance implementation method or implementation method. However, with the development of small wireless technologies such as mobile phones and radio frequency identification (RFID), recent research on miniaturization and low power implementation has been published.
두 개 이상의 암호 알고리즘을 지원하는 통합 하드웨어 암호 연산 장치에 대한 연구는 단일 암호 알고리즘에 대한 연산 장치에 대한 연구에 비해 활발하지 못하다. 그 이유는 하드웨어 구현은 소프트웨어의 경우와 달리, 두 가지 알고리즘을 구현하기 위해서는 일반적으로 두 배의 하드웨어 자원이 소모되기 문제점이 있기 때문이다. 하지만, 도 1과 도 2에 각각 나타내었듯이, AES와 ARIA 알고리즘은 라운드 함수가 둘 다 SPN(Substitution Permutation Network) 구조로 서로 많은 공통점 을 가지고 있다. 먼저 치환 계층의 기반 연산인 S-Box의 경우, 두 알고리즘은 동일한 유한체(Finite Field) GF(28)을 사용한다. 또한 확산 계층에서 사용하는 상수배 행렬 연산에서는 두 알고리즘이 공통으로 사용하는 항들을 추출할 수 있다.The research on integrated hardware cryptographic computing devices that support more than one cryptographic algorithm is less active than the research on computing devices for a single cryptographic algorithm. The reason is that hardware implementation, unlike software, generally requires twice as much hardware resources to implement two algorithms. However, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, the AES and ARIA algorithms have a lot in common with each other in a round permutation structure (SPN) structure. First, in the case of S-Box, which is the base operation of the substitution layer, both algorithms use the same finite field GF (2 8 ). In addition, in the constant matrix operation used in the spreading layer, terms common to both algorithms can be extracted.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 AES 및 ARIA 알고리즘간의 공통요소에 대한 하드웨어 자원 공유 기법을 사용하여, AES 및 ARIA 암호화/복호화 기능을 모두 지원하는 통합 하드웨어 연산 방법 및 장치를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method and apparatus for integrated hardware operation that supports both AES and ARIA encryption / decryption functions by using hardware resource sharing techniques for common elements between AES and ARIA algorithms.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 입력 데이터 및 라운드 키를 입력받는 단계와; 상기 입력 데이터 및 라운드 키를 이용하여 AES 및 ARIA의 통합치환계층에서 AES 및 ARIA에 공통으로 사용되는 S-Box 연산을 수행하는 단계와; 상기 S-Box 연산이 수행된 데이터를 이용하여 AES 및 ARIA의 통합확산계층에서 확산 연산을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 AES 및 ARIA의 암호화/복호화 기능을 지원하는 연산 방법을 제공한다.The present invention to achieve the above object, the step of receiving input data and round key; Performing S-Box operations commonly used for AES and ARIA in an integrated exchange layer of AES and ARIA using the input data and the round key; It provides a calculation method for supporting the encryption / decryption function of the AES and ARIA comprising the step of performing a spread operation in the integrated diffusion layer of AES and ARIA using the data on which the S-Box operation is performed.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 입력 키를 이용하여 라운드 키를 생성하는 키스케듈러; 및 입력 데이터 및 상기 라운드 키를 이용하여 암호화/복호화된 데이터를 생성하는 라운드함수연산부를 포함하되, 상기 라운드함수연산부 는 AES 및 ARIA 알고리즘을 모두 수행할 수 있는 통합치환계층 및 통합확산계층을 포함하는 것을 특징으로 하는 AES 및 ARIA의 암호화/복호화 기능을 지원하는 통합 연산 장치를 제공한다. In addition, to achieve the above object, the present invention, a key scheduler for generating a round key using the input key; And a round function operator configured to generate encrypted / decrypted data using the input data and the round key, wherein the round function operator includes an integrated substitution layer and an integrated diffusion layer capable of performing both AES and ARIA algorithms. An integrated computing device supporting the encryption / decryption functions of AES and ARIA is provided.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우는 해당되는 발명의 상세한 설명 부분에서 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 한다.The terms used in the present invention are selected as general terms that are widely used at present, but in some cases, the term is arbitrarily selected by the applicant, in which case the meaning is described in the detailed description of the invention, The present invention should be understood as meanings of terms rather than names.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention that can specifically realize the above object will be described.
도 3은 본 발명에서 제안하는 AES 및 ARIA 통합 하드웨어 장치의 블록도이다. 상기 라운드 함수 연산부(310)는 입력 데이터와 라운드 키를 입력받아 통합 치환 계층(320)과 통합 확산 계층(330)을 중심으로 128-비트 데이터 저장용 레지스터(340), 데이터 경로 선택을 위한 MUX(Multiplexer) 등으로 구성되며, 한 라운드 연산을 수행하는 역할을 한다. 또한 상기 키 스케줄러(350)는 AES 키 스케줄러 블록(360)과 ARIA 키 스케줄러 블록(370)으로 구성되며 매 라운드마다 필요한 라운드 키를 "on-the-fly"방식으로 계산할 수 있다. 이때 하드웨어 자원 절약을 위해 ARIA의 라운드 키 저장 공간 중 하나인 128-비트 레지스터 Wo(380)를 AES의 라운드 키 저장용 레지스터와 공용으로 사용할 수 있다.3 is a block diagram of the AES and ARIA integrated hardware device proposed in the present invention. The
도 4는 상기 통합 치환 계층의 구조를 나타내는 블록도이다. 도 4를 참조하 면 통합 치환 계층은 SA(AES S-Box, 410)와 SU(Unified S-Box, 420)로 구성된다. 먼저 SA는 AES와 ARIA에 공통으로 사용되는 S-Box인 아래의 [수학식 1]과 같은 Sl과 Sl-1기능을 선택적으로 수행한다.4 is a block diagram showing the structure of the integrated substitution layer. Referring to FIG. 4, the unified replacement layer is composed of S A (AES S-Box 410) and S U (Unified S-Box 420). First, SA selectively performs Sl and Sl- 1 functions such as
도 5는 SA의 내부 구조를 나타내는 블록도이다. 여기서 δA는 GF(28)상의 8-비트 입력을 GF(((22)2)2)상의 원소로 매핑시키는 동형(Isomorphism) 함수이고, AffS1은 아래의 [수학식 1]에 나타낸 아핀 변환 함수이다. 또한 AffS1 -1*δA와 δA -1*AffS1은 δA와 아핀 변환 함수의 결합(Combined) 함수이다. 이러한 SA는 AES에서 사용하는 S-Box와 그 기능이 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.5 is a block diagram showing the internal structure of S A. Where δ A is an isomorphism function that maps an 8-bit input on GF (2 8 ) to an element on GF (((2 2 ) 2 ) 2 ), and Aff S1 is shown in
한편 SU는 S1, S1 -1, S2, S2 -1의 네 가지 기능을 선택적으로 수행한다. 여기서 S2는 x-1 대신 x247을 사용하는데, 유한체 GF(28)상의 임의의 원소 x에 대해 는(i는 임의의 정수)는 적당한 8x8 이진 정칙 행렬 Mi를 사용하여Mi*x로 정리될 수 있다. 따라서 S-Box S2와 S2 -1는 아래의 [수학식 2]와 같이 정리될 수 있다. 도 6은 SU의 내부 구조를 나타내는 블록도이다. 여기서 δU는 동형 함수이고 AffS2는 아래의 [수학식 2]에 나타낸 아핀 변환 함수이다. 이때 하드웨어 면적을 최적화하기 위해 가능한 동형 함수 δU를 모두 조사하여, δU, δU -1, AffS1 -1*δU, δU -1*AffS1, AffS2 -1*δU, δU -1*AffS2의 6개 함수에서 각각 사용하는 8x8 이진 행렬의 "1"의 개수가 가장 작은 동형 함수 δU를 결정하고 이에 따라 나머지 함수들도 계산한다.Meanwhile, S U selectively performs four functions: S 1 , S 1 -1 , S 2 , and S 2 -1 . Where S 2 uses x 247 instead of x -1 , for any element x on the finite field GF (2 8 ) (I is any integer) can be summed into M i * x using the appropriate 8x8 binary regular matrix M i . Therefore, S-Box S 2 and S 2 -1 can be summarized as in [Equation 2] below. 6 is a block diagram showing the internal structure of S U. Where δ U is an isomorphic function and Aff S2 is the affine transformation function shown in
AES의 확산 계층은 MixColumns 연산 및 InvMixColumns 연산을 암호화와 복호화 시에 각각 수행한다. 이러한 AES의 확산 계층에서는 32-비트 데이터 단위로 행렬 곱셈 연산을 수행하게 된다. 반면에 ARIA의 확산 계층은 128-비트 전체 데이터 에 대해 바이트 단위로 16x16 이진 행렬 곱셈을 수행한다. 본 발명에 따른 연산 방법 및 장치는 이러한 AES 및 ARIA의 확산 계층에서 사용되는 공통항을 축출하여 128-비트 단위로 동작하는 AES 및 ARIA의 통합 확산 계층을 가진다. The spreading layer of AES performs MixColumns and InvMixColumns operations at the time of encryption and decryption, respectively. In the spreading layer of the AES, matrix multiplication is performed on 32-bit data units. ARIA's spreading layer, on the other hand, performs 16x16 binary matrix multiplication by byte for all 128-bit data. The computing method and apparatus according to the present invention has a unified spreading layer of AES and ARIA operating in 128-bit units by evicting the common term used in the spreading layer of AES and ARIA.
먼저 AES 알고리즘에서 128-비트 입력 [X0, X1, X2, X3]에 대한 MixColumns 연산의 128-비트 결과값 [Y0, Y1, Y2, Y3]는 아래의 [수학식 3]과 같이 정리될 수 있다. 여기서, Xi, Yi는 32-비트 단위 데이터를 나타낸다.First, the 128-bit result [Y 0 , Y 1 , Y 2 , Y 3 ] of the MixColumns operation on the 128-bit input [X 0 , X 1 , X 2 , X 3 ] in the AES algorithm is given by 3] can be summarized as follows. Here, X i , Y i represent 32-bit unit data.
여기서 4x4 행렬 M0, M0', M0"는 아래 식과 같다.Where the 4x4 matrix M 0 , M 0 ', M 0 "is given by
또한 InvMixColumns 연산의 128-비트 결과값 [Z0, Z1, Z2, Z3]은 같은 방식으로 아래의 [수학식 4]와 같이 정리된다. 여기서, Zi는 32-비트 단위 데이터를 나타낸다.In addition, the 128-bit result [Z 0 , Z 1 , Z 2 , Z 3 ] of the InvMixColumns operation is summarized in the same manner as shown in
여기서, 4x4 행렬 M1, M1', M1"는 아래 식과 같다.Here, the 4x4 matrix M 1 , M 1 ′, M 1 ″ is as shown below.
한편 ARIA 알고리즘에서 128-비트 입력 [x0, x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8, x9, x10, x11, x12, x13, x14, x15]에 대한 확산 연산 결과값 [w0, w1, w2, w3, w4, w5, w6, w7, w8, w9, w10, w11, w12, w13, w14, w15]는 아래의 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다. 여기서, xi 및 wi 는 8-비트 단위 데이터를 나타낸다. [수학식 5]를 32-비트 단위 연산으로 다시 표현하면 아래의 [수학식 6]과 같이 정리될 수 있다. 여기서,Wi 및 Xi는 32-비트 단위 데이터를 나타낸다.On the other hand, in the ARIA algorithm, 128-bit input [x 0 , x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 , x 7 , x 8 , x 9 , x 10 , x 11 , x 12 , x 13 , x 14 , x 15 ] result of diffusion operation [w 0 , w 1 , w 2 , w 3 , w 4 , w 5 , w 6 , w 7 , w 8 , w 9 , w 10 , w 11 , w 12 , w 13 , w 14 , w 15 ] may be expressed as
여기서 4x4행렬 A, B, C, D, E, F, G는 아래 식과 같다. 여기서, , , 는 원래 행렬의 비트별 역원으로 구성된 행렬이다.Where 4x4 matrices A, B, C, D, E, F, G are given by here, , , Is a matrix of bitwise inverses of the original matrix.
따라서 128-비트 입력 [x0, x1,...,x15}에 대해 AES의 MixColumns 연산 결과 [y0, y1,...,y15]와 InvMixColumns 연산 결과 [z0, z1,...,z15], 그리고 ARIA의 확산 연산 결과 [w0, w1,...,w15]는 공통항을 사용하여 아래의 [수학식 7]과 같이 정리될 수 있다.Therefore, the result of MixColumns operation in AES [y 0 , y 1 , ..., y 15 ] and the InvMixColumns operation [z 0 , z 1 for 128-bit input [x 0 , x 1 , ..., x 15 } , ..., z 15 ], and the result of ARIA's spreading operation [w 0 , w 1 , ..., w 15 ] can be summarized as Equation 7 below using a common term.
여기서 사용된 중간항 Ai, Bi, Ci, Di, Ei는 아래와 같다.The intermediate terms A i , B i , C i , D i , and E i used here are as follows.
도 7은 상기 통합 확산 계층의 구조를 나타내는 블록도이다. 도 7을 참조하면, 통합 확산 계층은 128-비트 입력 X로부터 공통항 A(710), B(720)를 생성하고, B(720)로부터 C(730), D(740), E(750)를 생성한 다음 이들로부터 AES의 MixColumns 결과값 Y(760), InvMixColumns 결과값 Z(770), ARIA의 확산 결과 W(780)를 각각 생성한다. 최종적으로 MUX(790)를 거쳐서 128-비트 결과값 U를 선택적으로 결정하게 된다.7 is a block diagram illustrating the structure of the integrated spreading layer. Referring to FIG. 7, the unified spreading layer generates a
지금까지 본 발명에 대하여 몇몇 실시예들을 들어 구체적으로 설명하였으나, 상기 실시예들은 본 발명을 이해하기 위한 설명을 위해 제시된 것이며, 본 발명의 범위가 상기 실시예에 제한되는 것은 아니다. 당업자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않고도 다양한 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 해석되어야 할 것이다.Although the present invention has been described in detail with reference to some embodiments, the above embodiments are presented for the purpose of understanding the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the above embodiments. Those skilled in the art will understand that various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea of the present invention, and the scope of the present invention should be interpreted by the appended claims.
본 발명은 효율적인 AES 및 ARIA 암호화/복호화 알고리즘은 지원하는 연산 방법 및 장치를 제시한다. 본 발명에 따른 연산 방법 및 장치는 AES 및 ARIA 암호화/복호화 기능을 모두 지원하면서도 통합 치환 계층과 통합 확산 계층을 사용하여 하드웨어 면적을 최소화하였다. 따라서 AES 및 ARIA 두 가지 암호화 알고리즘을 필요로 하는 스마트카드, 전자여권, 서버급 암호장비 등에 용이하게 사용될 수 있다.The present invention provides an operation method and apparatus that support efficient AES and ARIA encryption / decryption algorithms. The calculation method and apparatus according to the present invention support both AES and ARIA encryption / decryption functions while minimizing hardware area by using an integrated substitution layer and an integrated diffusion layer. Therefore, it can be easily used for smart cards, ePassports, server-class cryptographic equipment that require two encryption algorithms such as AES and ARIA.
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