KR101942530B1

KR101942530B1 - 오류정정부호 기반 암호화 시스템의 성능 개선 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101942530B1
Application number: KR1020110083211A
Authority: KR
Inventors: 명세호; 양현구
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2019-01-25
Anticipated expiration: 2031-08-22
Also published as: US20130051556A1; US9203608B2; KR20130020980A

Abstract

본 발명은 오류정정부호 기반 암호화 장치의 데이터 암호화 및 복호화 방법에 관한 것으로, 본 발명의 데이터 암호화 방법은 암호화할 데이터를 임의의 암호화 함수를 이용하여 변환하는 단계, 상기 변환된 데이터에 대해 오류정정부호 부호화 과정을 수행하여 부호어를 생성하는 단계, 상기 부호어에 포함된 상기 변환된 데이터 중 임의의 데이터를 천공하는 단계, 상기 천공된 부호어를 인터리빙하는 단계 및 상기 인터리빙된 부호어에 오류를 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

오류정정부호 기반 암호화 시스템의 성능 개선 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR ENHANCEMENT OF CRYPTO SYSTEM BASED ON ERROR CORRCTION CODE}

본 발명은 오류정정부호(Error Correction Code, ECC) 에 기반한 암호화 시스템의 성능 개선 방법에 관한 것으로, 부호화된 데이터의 일부를 천공 또는 반복하여 기존 암호화 시스템 보다 외부의 공격으로부터 더 강인한 특성을 가지는 암호화된 데이터의 생성 방법 및 장치에 관한 것이다.

오류정정부호(Error Correction Code, ECC)는 통상적으로 통신시스템의 송신기와 수신기 사이에서 발생하는 오류를 정정하기 위하여 사용한다. 이 과정을 살펴보면, 암호화를 적용할 길이가 K인 주어진 데이터 m이 오류정정부호의 부호화기에 입력된 후 상기 부호화기는 상기 데이터 m에 대한 길이가

인 패리티 p를 생성하여 1:1로 대응되는 길이가 N인 부호어 c = (m, p)를 구성한 다음 수신기로 전송한다. 이때 채널 상황에 따라 길이가 N인 오류 벡터(vector) e가 발생되어 수신기는 (c + e)를 수신하게 된다. 이 때 수신기에서 오류정정부호의 복호 과정을 진행하면 상기 오류 벡터 e가 제거되어 상기 부호어 c를 복원할 수 있기 때문에 상기 데이터 m 또한 복원할 수 있게 된다.

여기서 부호어 c는 오류 벡터 e에 의해 왜곡이 발생되었으므로 만일 오류정정능력이 없는 시스템의 경우에는 데이터 m을 복원하기가 어렵게 된다. 이러한 원리를 이용하여 오류정정부호를 암호화 시스템에 적용할 수 있다.

그런데 종래, 이러한 오류정정부호를 이용한 암호화 시스템에서, 허가 받지 않은 사용자가 동일한 데이터를 계속해서 관찰하는 경우 외부의 공격에 노출될 위험성이 크다.

따라서, 오류정정부호를 이용한 암호화 시스템에서 외부의 공격으로부터 더 강인한 특성을 가지는 암호화된 데이터를 생성하는 방법에 대한 고찰이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기존의 오류정정부호에 기반한 암호화 시스템보다 암호화 수준이 높은 암호화 데이터 생성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 부호화된 데이터의 일부를 천공 또는 반복하여 기존 암호화 시스템 보다 외부의 공격으로부터 더 강인한 특성을 가지는 암호화된 데이터의 생성 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 본 발명의 다른 목적은 오류정정부호에 기반한 암호화 시스템에서 효율적인 암호화 데이터 생성/복원 장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 본 발명은 오류정정부호 기반 암호화 장치의 데이터 암호화 방법은 암호화할 데이터를 임의의 암호화 함수를 이용하여 변환하는 단계, 상기 변환된 데이터에 대해 오류정정부호 부호화 과정을 수행하여 부호어를 생성하는 단계, 상기 부호어에 포함된 상기 변환된 데이터 중 임의의 데이터를 천공하는 단계, 상기 천공된 부호어를 인터리빙하는 단계 및 상기 인터리빙된 부호어에 오류를 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 오류정정부호에 기반하여 데이터를 암호화하는 암호화 장치는 암호화할 데이터를 임의의 암호화 함수를 이용하여 변환하는 변환부, 상기 변환된 데이터에 대해 오류정정부호 부호화 과정을 수행하여 부호어를 생성하는 부호화부, 상기 부호어에 포함된 상기 변환된 데이터 중 임의의 데이터를 천공하는 천공부, 상기 천공된 부호어를 인터리빙하는 인터리빙부 및 상기 인터리빙된 부호어에 오류를 삽입하는 오류 삽입부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 오류정정부호 기반 암호화 시스템에서 적어도 하나 이상의 블록으로 구성되는 암호화된 데이터의 복호화 방법은 암호화된 데이터를 수신하여 디인터리빙을 수행하는 단계, 상기 디인터리빙된 데이터에 대해 오류정정부호 복호 과정을 수행하여 부호어를 복원하는 단계 및 상기 복원된 부호어를 역변환하여 상기 암호화된 데이터를 복원하는 단계를 포함하며, 상기 복원 단계는 천공된 블록은 소실로 처리하고, 천공되지 않은 블록은 오류가 포함된 것으로 처리하여 복원하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 오류정정부호 기반 암호화 시스템에서 적어도 하나 이상의 블록으로 구성되는 암호화된 데이터를 복호화 하는 복호화 장치는 암호화된 데이터를 수신하여 디인터리빙을 수행하는 디인터리빙부, 상기 디인터리빙된 데이터에 대해 오류정정부호 복호 과정을 수행하여 부호어를 복원하는 복호부 및 상기 복원된 부호어를 역변환하여 상기 암호화된 데이터를 복원하는 역변환부를 포함하며, 상기 복호부는 천공된 블록은 소실로 처리하고, 천공되지 않은 블록은 오류가 포함된 것으로 처리하여 상기 부호어를 복원하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 오류정정부호에 기반한 암호화 시스템에서 오류정정부호의 부호화기로부터 생성된 부호어의 일부를 천공함으로써 암호화 수준을 높이는 효과를 얻는다.

또한 상기 천공된 부호어에 적절한 반복 과정을 적용하여 오류정정능력을 증가시킴으로써 암호화 데이터 생성시 더 많은 오류를 포함할 수 있어 암호화 수준이 높아지는 효과를 얻는다.

도 1은 오류정정부호 기반 암호화 시스템의 일반적인 부호화 과정을 도시하는 도면.
도 2는 오류정정부호 기반 암호화 시스템의 일반적인 복호 과정을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에서 제안하는 오류정정부호 기반 암호화 장치의 암호화 과정을 도시하는 블록도.
도 4는 본 발명에서 제안한 암호화 장치의 동작 흐름을 도시하는 순서도.
도 5는 본 발명에서 제안한 암호화 시스템에서 오류정정부호의 부호화기를 통행 생성된 부호어 내에서의 블록 구분의 예시를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명에서 제안한 암호화 시스템에서 천공된 부호어에 반복 과정을 적용한 예시를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명에서 제안한 암호화 시스템에서 복호화 과정을 도시하는 블록도.
도 8은 본 발명에서 제안한 암호화 시스템에서 복호화 과정의 동작 순서를 도시하는 순서도.
도 9는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명에서 제안한 암호화 시스템의 생성기의 구조를 도시하는 구성도.
도 11은 본 발명에서 제안한 암호화 시스템의 복원기의 구조를 도시하는 구성도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하에서 기술되는 오류정정부호는 패리티 검사 행렬에 기반한 대수적인 부호 (algebraic code) 또는 길쌈 부호와 인터리버(interleaver)에 기반한 터보류 부호(turbo-like code) 어느 것이든 상관없다. 통상적으로 대수적인 부호화 및 복호화 과정은 송신단에서 부호화에 사용한 패리티 검사 행렬에 대한 정보를 수신단에서 알고 있기 때문에 상기 패리티 검사 행렬을 이용한 복호를 수행할 수 있다. 여기서 패리티 검사 행렬이 크지 않을 경우에는 최적화 복호 알고리즘인 최대우도(maximum likelihood, ML) 복호를 적용할 수도 있으나, 패리티 검사 행렬이 비교적 큰 경우에는 ML 복호 복잡도가 너무 높아 통상적인 확률적인 복호(probabilistic decoding) 방법을 적용한다. 또한 통상적으로 터보류 부호는 RSC (Recursive Systematic Convolutional) 부호화기와 인터리버의 구조를 송/수신단에서 정보를 공유하고 있기 때문에 확률적인 복호를 반복적으로(iteratively) 적용하여 복호할 수 있다.

이하, 본 발명은 암호화 시스템에서, 오류정정부호에 기반한 부호화/복호화 방법 및 장치에 관해 설명하기로 한다. 특히, 오류정정부호의 출력을 변형하여 암호화 수준을 증대시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

암호화를 적용할 데이터 m이 오류정정부호의 부호화기에 입력된 후 상기 부호화기로부터 부호어 c를 구성한 다음에 인위적으로 랜덤(random)한 오류 벡터 e를 발생시켜 (c + e)를 암호화된 데이터로 사용한다고 가정해보자. 만일 상기 부호화기의 특성을 알지 못하면 복호를 진행할 수 없어 오류를 제거할 수 없기 때문에 암호화된 데이터로 생각할 수 있다. 물론 여기서 주의할 점은 상기 오류 벡터 e에서 오류정정부호의 정정 능력을 벗어날 정도의 오류를 포함할 경우에는 상기 부호화기의 특성을 알고 있다고 하여도 복호를 수행했을 때 잘못된 복호 결과가 나올 수 있기 때문에 오류 벡터 e에서 오류의 발생 범위는 상기 오류정정부호의 오류 정정 능력을 넘어서는 안 된다.

일반적으로 이러한 오류정정부호에 기반한 암호화 시스템은 암호화 수준을 증가 시키기 위해 도 1과 같이 나타난다. 먼저 데이터 m을 역변환이 가능한 변환기(110)에 입력한다. 여기서 역변환이 가능한 변환이란, 일종의 암호화를 수행하기 위한 과정으로 역행렬이 존재하는 행렬을 곱하는 과정 등이 그 예일 수 있다.

그 다음 변환된 결과를 오류정정부호의 부호화기(120)에 입력한 후 부호어 c를 생성하고, 상기 부호어를 다시 순서를 뒤 섞기 위해 인터리버(130)에 입력하여 인터리빙된 결과 s를 출력한다. 여기에 오류 생성기(140)에서 랜덤한 오류벡터 e를 발생시켜 더해진 결과 v = (s + e)가 최종적인 암호화된 데이터가 된다. 여기서 상기 오류벡터 e에서 총 오류의 개수는 상기 오류정정부호의 정정 능력 범위를 넘지는 않는다.

암호화된 데이터를 복원하는 과정은 도 2에서 도시된다.

도 2는 오류정정부호 기반 암호화 시스템의 일반적인 복호 과정을 도시하는 도면이다.

암호화된 데이터를 복원하기 위해서 수신 측에서는 먼저 디인터리버(210) 동작을 수행하여 암호화된 데이터를 재정렬한 후 오류정정부호의 복호(220)를 수행한다. 그 다음 역변환 기능(230)을 수행하여 얻어진 결과가 처음 보내고자 하였던 상기 데이터 m의 추정치 m'된다. 여기서 오류벡터의 오류 개수가 오류정정부호의 정정 범위 안에 들어올 경우 자명하게 m'= m이 된다.

결과적으로 허가 받지 않은 사용자가 상기 데이터 m을 복원하기 위해서는 상기 변환기(110), 부호화기(120), 인터리버(130)에 대한 정보를 추정하여 복원할 수 밖에 없기 때문에 3 단계의 걸친 암호화 수준을 가지고 있다고 여길 수 있다.

이러한 암호화 시스템은 오류 벡터 e에서 실제 포함되어 있는 오류 개수가 많으면 많을수록 왜곡이 심해지기 때문에 암호화 효과가 좋다. 반면 이러한 오류를 제거하기 위해서는 보다 우수한 오류정정부호를 사용해야 한다. 기존의 오류정정부호의 경우에는 데이터 m에 대해 패리티 p를 생성하여 부호어 c = (m, p)의 형태로 정의되는 구조적(systematic) 부호의 경우에 성능이 우수한 것으로 알려져 있기 때문에 오류정정부호에 기반한 암호화 시스템은 통상적으로 구조적 부호에 기반하여 설계된다. 또한 p를 많이 생성할수록 오류정정 능력이 높아지게 된다. 반면에 p를 너무 많이 생성하게 되면 오류정정부호의 부호율(code-rate)이 떨어지기 때문에 데이터의 전달 효율성 역시 떨어지게 된다.

다음으로 이러한 암호화 시스템의 한가지 큰 약점에 대해 살펴보자. 만일 허가 받지 않은 사용자가 동일한 데이터를 계속해서 관찰할 수 있다고 가정하자. 이런 경우 데이터 m에 대해 상기 허가 받지 않은 사용자는 다음 같은 암호화된 데이터를 관찰할 수 있게 된다.

1 번째 관찰: v ₁ = (s + e ₁)

2 번째 관찰: v ₂ = (s + e ₂)

D 번째 관찰: v _D = (s + e _D)

만일 상기 사용자가 위의 관찰 결과를 모두 누적하여 더하면 다음 <수학식1>과 같이 나타난다.

통상적으로 오류 벡터 내의 오류 비율은 50% 보다 작게 되는데 그 이유는 오류 비율이 50%가 되면 어떠한 오류정정부호로도 복원이 불가능하기 때문이다. 따라서 50% 보다 작은 오류 비율을 갖게 되는데 이럴 경우

의 값이 특정한 경향을 띄게 된다. 예를 들어 설명의 편의상 상기 오류 벡터들은 0과 1로 이루어진 이진(binary) 벡터라 하고, 50% 미만 비율의 1을 포함하고 있다고 가정할 경우에

를 구성하는 각 원소들은 모두 1/2 보다 작은 특성을 가진다. 이론적으로 상기 오류 벡터의 오류 비율이 X (< 1/2)라 하고, 관찰 회수를 무한대로 할 때, 즉 D 값이 무한대일 때

와 같이 나타난다. 따라서 관찰자는 많은 관찰을 통해 다음 <수학식 3>과 같은 과정을 거쳐

즉, 실질적으로 오류벡터로 인한 암호화 효과가 제거된다.

오류정정부호 기반의 이러한 약점 때문에 만일 도 1의 s가 쉽게 검출될 경우에는 만일 상기 도 1의 변환기(110)와 인터리버(130)이 다른 사용자에게 노출됐을 경우에 오류정정부호를 구조적인 부호를 사용함으로써 상기 데이터 m이 그대로 드러나게 된다. 즉, 암호화 시스템이 3단계로 구성되어 있지만 오류정정부호의 역할이 사라지게 되어 실제 암호화 수준은 2단계가 된다.

따라서 이러한 오류정정부호 기반 암호화 시스템의 암호화 수준을 높이기 위해서 새로운 오류정정부호의 부호화 기법 및 복호 기법이 필요하다. 도 1에 나타낸 기존의 오류정정부호 기반 암호화 시스템과 비교하여 본 발명에서 제안하는 암호화 장치(300)의 추가적인 기능은 도 3에 도시된 변환된 데이터의 일부를 천공시키기 위한 천공기(330)와 오류정정부호의 정정 능력 증대를 위한 반복기(340)이다.

상기 도 3에 나타낸 암호화 장치(300)의 암호화(encryption) 블록도를 도 4의 동작 흐름도를 통해 다음과 같이 설명할 수 있다.

먼저, 암호화 장치(300)는 암호화를 적용할 데이터를 S410 단계에서 생성한다. 그리고 상기 암호화 장치(300)는 상기 암호화를 적용할 데이터를 1:1 역변환이 가능한 변환기(310)에 입력하고, S420 단계에서, 변환된 데이터를 출력한다. 그리고 암호화 장치(300)는 상기 변환된 데이터를 S430 단계에서, 오류정정부호의 부호화기(320)에 입력하여 오류정정부호 부호화 과정을 수행하여 부호어를 생성한다.

그리고 암호화 장치(300)는 S440 단계에서, 상기 부호어에서 상기 변환된 데이터에 해당하는 부분의 일부를 천공부(330)를 통해 천공(puncturing)한다). 그리고 암호화 장치(300)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, S450 단계에서 천공된 부호어를 반복부(340)에 입력하여 반복(repetition)을 적용한다. 상기 반복부(340)에서 수행되는 반복은 단순 반복을 수행할 수도 있고 불규칙적인(irregular) 반복을 적용할 수도 있으며, 또는 시스템에 따라 생략될 수 있다.

그리고 암호화 장치(300)는 S460 단계에서, 천공 및/또는 반복된 데이터를 인터리버(350)에 입력하여 순서를 뒤섞어 준 후, S470 단계에서 오류 생성기(360)로부터 발생된 오류를 결합하여 암호화된 데이터로 출력한다.

상술한 본원발명 및 종래 기술을 비교 설명하면 다음과 같다.

기존 암호화 시스템에서 허가 받지 않은 사용자가 동일한 암호화 데이터를 계속해서 관찰할 수 있을 경우, 만일 변환기(310)와 인터리버(350)에 대한 정보가 노출되면 부호화기(320) 및 오류 생성기(360)와 무관하게 입력 데이터가 그대로 드러나는 문제점이 있었다. 이를 방지하기 위해 본 발명의 실시예에서와 같이, 부호화기(320)의 출력에서 입력 데이터에 해당되는 일부분을 상기 천공부(330)를 통해 삭제해 버리면, 상기 허가 받지 않은 사용자가 동일한 암호화 데이터를 계속해서 관찰하더라도 입력 데이터가 일부 삭제된 부분을 얻을 수 있는 방법이 없기 때문에 부호화기 또는 복호기 구조 및 삭제된 부분에 대한 정보를 추정해야만 복원할 수 있게 된다. 즉, 변환기(310)와 인터리버(350)가 허가 받지 않은 사용자에게 노출된다 해도 오류정정부호에 의한 암호화 효과는 여전히 남아있게 된다.

통상적으로 구조적인 오류정정부호에서 정보어(information)에 해당되는 부분을 천공하는 것은 패리티를 천공하는 것 보다 성능 열화가 심하다. 하지만, 저밀도 패리티 체크(low-density parity-check, 이하, LDPC) 부호의 경우에는 부호의 설계 방법 및 복호 방법에 따라 정보어 부분을 천공하는 것이 더 우수한 성능을 보이기도 한다. 특히 LDPC 부호의 패리티 검사 행렬 (parity-check matrix)에서 열무게(column weight)가 높은 열들에 대응되는 정보어들의 일부를 천공할 경우에 우수한 성능을 가지는 것으로 알려져 있다. 결과적으로 이러한 부호를 사용할 경우에 도 3에서 추가적으로 적용한 천공기가 오류정정 능력을 감소시키지 않을 수 있음을 알 수 있다. 또한, 열무게가 높은 열의 위치를 LDPC 부호의 패리티 검사 행렬 내에서 특정한 규칙에 따라 배치하고 해당 열에 대응되는 정보어 부분의 일부 또는 전체를 천공할 경우에는 상기 열무게가 높은 열의 위치 자체도 암호화 효과를 제공할 수 있다.

다음으로 반복부(340)의 역할에 대해 살펴보자. 본 발명에서 제안하는 반복부(340)의 반복 과정은 도 5와 도 6과 같이 나타낼 수 있다.

상기 도 5를 살펴보면, 본 발명의 암호화 장치(300)는 변환된 데이터 및 패리티로 구성된 부호어를 임의의 적절한 크기로 구분(또는 분할)한다. 시스템에 따라서는 부호어를 구분하지 않을 수도 있다. 도 5에서는 제시된 부호어를 6개의 블록 B1(530), B2(540), B3(550), B4(560), B5(570), B6(580)으로 구분한 실시예를 예시하였으며, 여기서 B1(530)은 편의상 천공이 적용되어 실제로 도 3의 반복기(340)에 적용되지 않는 변환된 데이터의 일부분이라 가정한다.

본 발명의 실시예에 따른 반복부(340)가 수행하는 반복의 예시는 도 6과 같이 나타낼 수 있다. 상기 도 6을 살펴보면, 블록(610)은 천공된 블록(B1)을 포함하는 부호어를 나타내며, 블록 (620)은 블록(610)의 단순 반복임을 알 수 있다. 또한 블록 (640), (650)은 블록 (630)의 불규칙한 반복의 예시를 나타낸 것이다. 불규칙한 반복에는 상기 도 6에 나타낸 것 외에 매우 다양한 경우가 있을 수 있음에 유의해야 한다.

이렇게 반복을 취하게 되면 일종의 반복 부호(repetition code)를 연접(concatenation)한 것과 동일한 효과를 얻게 되어 오류정정능력이 증가하게 되어 더 많은 오류를 삽입할 수 있게 되어 암호화 효과가 증가하게 되며, 또한 반복 패턴 자체도 하나의 암호화 기법으로 간주할 수 있다. 하지만 암호화를 적용할 최초 데이터에 비해 부가 정보가 너무 많아 효율성이 떨어지는 단점이 있기 때문에 시스템의 상황에 따라 적용하지 않을 수도 있다.

다음으로 암호화된 데이터의 복호(decryption) 과정에 대해 살펴보기로 한다. 설명의 편의를 위해 복호 과정에 대한 블록도와 동작 흐름도를 도 7 및 도 8에 각각 도시하였다.

도 7은 본 발명에서 제안한 암호화 시스템에서 복호화 장치(700)가 수행하는 복호화 과정을 도시하는 블록도이며, 도 8은 본 발명에서 제안한 암호화 시스템에서 복호화 장치(700)가 수행하는 복호화 과정의 동작 순서를 도시하는 순서도이다.

상기 도 7을 살펴보면, 본 발명의 복호화 장치(700)는 S810 단계에서, 암호화된 데이터를 수신한다. 그러면 복호화 장치(700)는 먼저 S820 단계에서 디인터리빙(710)(820)을 적용하여 데이터 순서를 재정렬한다.

그리고 복호화 장치(700)는 상기 도 3의 암호화 단계에서 반복(340)을 적용하였을 경우, S830 단계에서 과반수 결정부(720)를 통해 과반수 결정(Majority Decision) 을 수행한다. 만일 상기 반복(340)이 적용되지 않았을 경우에 과반수 결정 과정은 생략될 수 있다. 상기 과반수 결정 과정은 오류정정부호의 복호기의 입력을 결정하기 위한 과정으로서 이후 자세히 설명한다.

과반수 결정을 수행한 후, 복호화 장치(700)는 S840 단계에서, 그 결과를 오류정정부호의 복호기(730)에 입력하여 복호 과정을 수행하여 오류정정부호의 부호어를 복원한다. 여기서 과반수 결정을 수행한 이후 복호기(730)에 전달되는 입력은 상기 도 3의 천공부(330)를 통해 천공된 부호어에 대응되기 때문에 복호기(730)에서는 천공된 부분에 대해서 소실(erasure)됐다고 여기고 복호를 진행하게 된다. 즉, 복호기(730)는 천공된 부분은 소실로 처리하고, 천공되지 않은 부분은 오류가 포함되어 있는 것으로 처리하여 복호를 진행한다.

복호화 장치(700)는 S850 단계에서, 복호를 진행한 이후 복원된 부호어를 다시 역변환기(740)에 입력하여 역변환을 수행한다. 그러면 복호화 장치(700)는 암호화된 데이터를 최종적으로 복원할 수 있다.

다음으로 과반수 결정부(720)에 의해 상기 S830에서 수행된 과반수 결정 과정에 대해서 구체적으로 기술하도록 한다. 상기 과반수 결정 과정은 반복이 적용된 천공된 부호어에 포함된 오류를 감소시키는 역할을 하여 복호가 용이하도록 하는 역할을 한다.

설명의 편의를 위해 도 6에 도시된 반복을 예시로 설명하기로 한다. 상기 도 6에서 (610), (620)과 같은 반복을 D번 반복했다고 가정하자. 또한 암호화가 적용된 데이터도 비트 단위로 이루어진 이진 데이터이고, 도 3의 오류 생성기(360)에서 생성되는 오류들도 이진 오류라 하고, 오류의 비율을 A (< 1/2)라고 가정하자. (즉, 오류 벡터에서 1의 비율이 A)

오류 생성기(360)는 랜덤하게 오류를 발생시키기 때문에 반복이 많이 이루어질수록 상기 도 6에서 반복된 블록을 구성하는 각각의 비트들은 평균적으로 A 비율에 가깝게 오류가 발생하게 된다. 그런데 A는 1/2 보다 작기 때문에 반복이 많이 이루어질수록 오류율 역시 1/2 보다 작게 된다. 즉, 반복을 D번 적용했을 경우에 상기 블록을 구성하는 각각의 비트들은 평균적으로 D/2 보다 작은 오류가 발생한다. 따라서 상기 각각의 비트들은 과반수 결정에 의하여 상당부분 실제 값을 예측이 가능하다.

본 발명에서는 도 8의 S830 단계의 <과반수 결정 과정>을 다음과 같이 정의한다.

<과반수 결정 과정>

1) 블록을 구성하는 각각의 비트 값들에 대해 0은 제1 설정 값(+1)으로 1은 제2 설정 값(-1)으로 대응시킨다.

2) 동일 블록의 동일한 위치에 해당하는 비트들에 대해 각각 1)에서 대응시킨 값들을 모두 더한다.

3) 각 비트들에 대해 2)에서 얻어진 값을 제1 결과 값(E)이라 하고, 미리 정해진 임계치 TH에 대해 다음과 같이 결정한다. (TH 값은 시스템 요구에 따라 변경 가능)

E > TH; 해당 비트 값은 0

E < - TH; 해당 비트 값은 1

- TH ≤ E ≤ TH; 해당 비트는 소실됐다고 간주

한편, 오류 생성기(360)는 랜덤하게 오류를 생성하기 때문에 오류 비율 A 보다 더 높게 오류가 발생하는 비트들도 존재할 수 있다. 따라서 상기 <과반수 결정 과정>에서 단순히 과반수 여부를 가지고 결정할 경우에 잘못된 결정이 내려질 수도 있다. 따라서 결정 결과의 신뢰성이 낮다고 판단될 경우에는 잘못된 결정을 최대한 방지하기 위하여 임계치값 TH를 설정하여 고정된 값으로 판단하지 않고 소실로 간주함에 유의한다.

본 발멸의 실시에에 따르면, 상기 <과반수 결정 과정>을 통해 천공된 부호어를 구성하는 비트들의 값들을 일차적으로 추정한 다음, 이 결과와 부호어에서 천공된 비트들을 소실로 처리한 결과를 상기 도 7의 복호기(740)에 입력하여 복호를 수행하게 된다. 즉, 상기 복호기(740)은 오류와 소실을 포함한 형태로 복호를 진행하게 된다.

상술한 본 발명의 실시예의 이해를 위해 도 9에 하나의 실시 예를 도시하였다.

상기 도 9를 참조하여 설명하면, 암호화 장치는 먼저 데이터(910)로부터 변환기를 통해 변환된 데이터(920)를 획득할 수 있다. 여기서 데이터(910)과 변환된 데이터(920)의 크기는 자명하게 동일하다.

그리고 암호화 장치는 상기 변환된 데이터(920)으로부터 오류정정부호를 통한 부호어(930)를 생성한 뒤 천공을 적용하여 천공된 부호어(940)(950)를 생성한다. 여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 오류정정부호로서 LDPC 부호를 사용할 경우에 천공된 부호어(940)에서 천공을 적용하는 위치는 상기 LDPC 부호의 패리티 검사 행렬(990)에서 무게가 가장 높은 열에 대응될 수 있다.

그리고 암호화 장치는 천공된 부호에 대해 반복을 적절히 적용(960)한 이후 인터리빙을 적용(970)한 다음 마지막으로 오류를 삽입(980)하여 암호화된 데이터를 완성한다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 오류정정부호를 사용하는 암호화 시스템에서 암호화 데이터를 생성하는 암호화 장치(300)의 내부 구조를 도시하는 블록도이다.

상기 도 10을 참조하여 설명하면, 우선, 암호화할 데이터가 생성되고, 이는 변환부(1010)에 입력된다. 그러면 상기 변환부(1010)는 상기 암호화할 데이터를 임의의 암호화 함수를 이용하여 변환한다. 상기 암호화 함수는 역변환이 가능한 함수이다. 상기 변환부(1010)가 수행하는 변환은 일종의 암호화를 수행하기 위한 과정으로 역행렬이 존재하는 행렬을 곱하는 과정 등이 그 예일 수 있다.

상기 변환된 데이터는 ECC 부호화부(1020)에 입력된다. 그러면 ECC 부호화부(1020)는 상기 변환된 데이터에 대해 오류정정부호 부호화 과정을 수행하여 부호어를 생성한다. 상기 생성된 부호어는 변환된 데이터와 패리티가 연접된 형태일 수 있다.

그리고 상기 부호어는 천공부(1030)에 입력되고, 천공부(1030)는 상기 부호어에 포함된 상기 변환된 데이터 중 임의의 데이터를 천공한다. 즉, 변환된 데이터의 일부를 삭제한다. 이 때 천공 위치 및 크기는 암호화 시스템에 따라서 고정된 위치 또는 고정된 크기만큼 천공을 적용할 수도 있으나 제어부(1040)에 의해서 가변적으로 결정될 수도 있다.

천공된 부호어는 반복부(1050)에 입력된다. 그러면 반복부(1050)는 상기 천공부(1030)로부터 출력되는 천공된 부호어 전체 또는 일부를 반복한다. 여기서 상기 반복부(1050)는 사전에 미리 정해진 규칙대로 반복을 적용하거나, 또는 상기 제어부(1040)의 제어 하에 상기 반복을 가변적으로 적용할 수도 있다. 또한 시스템에 따라서 반복을 생략할 수도 있다.

반복을 적용한 천공된 부호어는 인터리빙부(1060)에 입력된다. 그러면 인터리빙부(1060)는 상기 반복이 적용된 천공된 부호어에 대해 인터리빙을 수행하고 오류 삽입부(1070)에 입력한다.

그러면 오류 삽입부(1070)는 오류를 생성하고, 상기 생성된 오류를 인터리빙된 부호어에 삽입하여 암호화 데이터 생성 과정을 종료한다. 여기서 오류 삽입부(1070)는 사전에 미리 정해진 규칙에 따라 유사랜덤(pseudo-random) 오류를 생성하여 삽입할 수도 있으며, 상기 제어부(1040)의 제어하에 가변적인 규칙을 적용하여 오류를 삽입할 수도 있다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 오류정정부호를 사용하는 암호화 시스템의 암호화 데이터 복호화 장치의 내부 구조를 도시하는 블록도이다. 상기 도 11을 참조하여 설명하면, 우선 주어진 암호화 데이터는 먼저 디인터리빙부(1110)에 입력된다. 자명하게 상기 디인터리빙부(1110)는 상기 도 10의 인터리빙부(1060)에 대응된다. 그러면 디인터리빙부(1110)는 상기 입력된 암호화 데이터에 대해 디인터리빙을 수행하여 데이터 순서를 재정렬한다.

그리고 디인터리빙된 암호화 데이터는 복호기 입력 결정부(1120)에 입력된다. 상기 복호기 입력 결정부(1120)는 오류정정부호의 복호부(1130)의 입력 여부를 결정한다. 즉, 복호기 입력 결정부(1120)는 상기 디인터리빙부(1110)로부터 출력되는 암호화 데이터에 반복이 적용되었는지 여부를 판단한다.

여기서 복호기 입력 결정부(1120)는 상기 도 10의 암호화 데이터 생성기의 반복부(1050)의 역할이 생략되었을 경우에는 디인터리빙된 결과를 그대로 상기 복호부(1130)에 전달하게 되므로 복호기 입력 결정부(1120) 역시 생략될 수 있다.

반면, 상기 도 10의 암호화 데이터 생성기의 반복부(1050)의 역할이 생략되지 않았을 경우에는 상기 복호기 입력 결정부(1120)는 암호화 데이터에 <과반수 결정 과정>을 적용하여 상기 복호부(1130)에 적합한 입력 값을 생성하여 전달한다. 이때 <과반수 결정 과정>은 미리 정해진 규칙에 따라 수행할 수도 있으며, 제어부(1140)의 제어하에 가변적인 임계치 값을 적용하여 수행할 수도 있다.

보다 구체적으로, 복호기 입력 결정부(1120)는 상기 암호화 데이터에 반복이 적용된 경우, 상기 블록을 구성하는 각각의 비트 값들에 대해 0은 제1 설정 값으로 설정하고 1은 제2 설정 값으로 설정한다. 그리고 복호기 입력 결정부(1120)는 동일 블록의 동일한 위치에 해당하는 비트들에 대해 상기 설정된 값들을 더하고, 상기 각 비트들에 대해 상기 더한 결과 값과 미리 정해진 임계치를 비교하여 상기 비트들의 최종 값을 결정한다. 그리고 복호기 입력 결정부(1120)는 상기 결정된 최종 값을 복호부(1130)에 입력한다.

상기 복호기 입력 결정부(1120)의 결과가 복호부(1130)에 전달되면 상기 복호부(1130)는 상기 도 10의 천공부(1030)에서 천공을 적용한 위치를 소실로 간주하여 복호를 진행하다. 여기서 소실로 간주할 위치가 사전에 미리 정해져 있을 수도 있으며, 상기 도 10의 천공부(1030)에서 가변적으로 천공을 적용할 경우에는 제어부(1140)의 제어하에 가변적으로 소실로 간주할 위치를 결정하게 된다. 복호를 마친 결과는 역변환부(1150)을 거쳐 최종적으로 데이터를 복원한 이후 과정을 종료한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

<암호화 장치>
310 : 변환기 320 : ECC 부호화기
330 : 천공부 340 : 반복부
350 : 인터리버 360 : 오류생성기
<복호화 장치>
710 : 디인터리빙부 720 : 과반수 결정부
730 : ECC 복호기 740 : 역변환부

Claims

오류정정부호 기반 암호화 장치의 데이터 암호화 방법에 있어서,
암호화할 데이터를 임의의 암호화 함수를 이용하여 변환하는 단계;
상기 변환된 데이터에 대해 저밀도 패리티 체크(Low Density Parity Check, LDPC) 부호를 이용한 부호화 과정을 수행하여 상기 변환된 데이터와 패리티(parity)가 연접된 형태인 부호어를 생성하는 단계;
상기 부호어에 포함된 상기 변환된 데이터 중 일부를 천공하는 단계;
상기 천공된 부호어를 인터리빙하는 단계; 및
상기 인터리빙된 부호어에 오류를 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 암호화 방법.
제1항에 있어서, 상기 천공 단계 이후에,
상기 천공된 부호어 전체 또는 일부를 반복하는 반복 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 암호화 방법.
제2항에 있어서, 상기 반복 단계는,
상기 천공된 부호어를 임의의 크기를 가지는 적어도 하나의 이상의 블록을 규칙 또는 불규칙적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 데이터 암호화 방법.
제1항에 있어서, 상기 천공 단계는,
상기 LDPC 부호의 패리티 검사 행렬에서 열무게(column weight)가 높은 열들에 대응하는 상기 부호어에 포함된 상기 변환된 데이터 중 일부를 천공하는 것을 특징으로 하는 데이터 암호화 방법.
오류정정부호에 기반하여 데이터를 암호화하는 암호화 장치에 있어서,
암호화할 데이터를 임의의 암호화 함수를 이용하여 변환하는 변환부;
상기 변환된 데이터에 대해 저밀도 패리티 체크(Low Density Parity Check, LDPC) 부호를 이용한 부호화 과정을 수행하여 상기 변환된 데이터와 패리티(parity)가 연접된 형태인 부호어를 생성하는 부호화부;
상기 부호어에 포함된 상기 변환된 데이터 중 일부를 천공하는 천공부;
상기 천공된 부호어를 인터리빙하는 인터리빙부; 및
상기 인터리빙된 부호어에 오류를 삽입하는 오류 삽입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 암호화 장치.
제5항에 있어서,
상기 천공부로부터 출력되는 천공된 부호어 전체 또는 일부를 반복하는 반복부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암호화 장치.
제6항에 있어서, 상기 반복부는,
상기 천공된 부호어를 임의의 크기를 가지는 적어도 하나의 이상의 블록을 규칙 또는 불규칙적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 암호화 장치.
제5항에 있어서, 상기 천공부는,
상기 LDPC 부호의 패리티 검사 행렬에서 열무게(column weight)가 높은 열들에 대응하는 상기 부호어에 포함된 상기 변환된 데이터 중 일부를 천공하는 것을 특징으로 암호화 장치.
오류정정부호 기반 암호화 시스템에서 적어도 하나 이상의 블록으로 구성되는 암호화된 데이터의 복호화 방법에 있어서,
암호화된 데이터를 수신하여 디인터리빙을 수행하는 단계;
상기 디인터리빙된 데이터에 대해 저밀도 패리티 체크(Low Density Parity Check, LDPC) 부호를 이용한 복호 과정을 수행하여 변환된 데이터와 패리티(parity)가 연접된 형태인 부호어를 복원하는 단계; 및
상기 복원된 부호어를 역변환하여 상기 암호화된 데이터를 복원하는 단계를 포함하며,
상기 복원 단계는 천공된 블록은 소실로 처리하고, 천공되지 않은 블록은 오류가 포함된 것으로 처리하여 복원하는 것을 특징으로 하는 암호화된 데이터의 복호화 방법.
제9항에 있어서, 상기 디인터리빙 수행 단계 이후에,
상기 암호화된 데이터 전체 또는 일부가 반복되어 있는지 판단하는 단계;
반복된 경우, 상기 블록을 구성하는 각각의 비트 값들에 대해 0은 제1 설정 값으로 설정하고, 1은 제2 설정 값으로 설정하는 단계;
동일 블록의 동일한 위치에 해당하는 비트들에 대해 상기 설정된 값들을 더하는 단계;
상기 각각의 비트 값들에 대해, 더한 결과 값과 미리 정해진 임계치를 비교하여, 상기 비트들의 최종 값을 결정하는 단계;
상기 결정된 최종 비트 값을 오류정정부호 복호 과정의 입력 값으로 입력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암호화된 데이터의 복호화 방법.
오류정정부호 기반 암호화 시스템에서 적어도 하나 이상의 블록으로 구성되는 암호화된 데이터를 복호화 하는 복호화 장치에 있어서,
암호화된 데이터를 수신하여 디인터리빙을 수행하는 디인터리빙부;
상기 디인터리빙된 데이터에 대해 저밀도 패리티 체크(Low Density Parity Check, LDPC) 부호를 이용한 복호 과정을 수행하여 변환된 데이터와 패리티(parity)가 연접된 형태인 부호어를 복원하는 복호부; 및
상기 복원된 부호어를 역변환하여 상기 암호화된 데이터를 복원하는 역변환부를 포함하며,
상기 복호부는 천공된 블록은 소실로 처리하고, 천공되지 않은 블록은 오류가 포함된 것으로 처리하여 상기 부호어를 복원하는 것을 특징으로 하는 복호화 장치.
제11항에 있어서,
상기 디인터리빙부로부터 출력되는 암호화 데이터에 반복이 적용되었는지 여부를 판단하는 복호기 입력 결정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복호화 장치.
제12항에 있어서, 상기 복호기 입력 결정부는,
상기 암호화 데이터에 반복이 적용되지 않은 경우, 상기 디인터리빙부로부터 출력되는 암호화 데이터를 상기 복호부에 입력하는 것을 특징으로 하는 복호화 장치.
제12항에 있어서, 상기 복호기 입력 결정부는,
상기 암호화 데이터에 반복이 적용된 경우,
상기 블록을 구성하는 각각의 비트 값들에 대해 0은 제1 설정 값으로 설정하고 1은 제2 설정 값으로 설정하며, 동일 블록의 동일한 위치에 해당하는 비트들에 대해 상기 설정된 값들을 더하고, 상기 각각의 비트 값들에 대해 더한 결과 값과 미리 정해진 임계치를 비교하여 상기 비트들의 최종 값을 결정하고, 상기 결정된 최종 값을 상기 복호부에 입력하는 것을 특징으로 하는 복호화 장치.
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