대칭키 암호

S-box(치환) : 혼돈, P-box(전치) : 확산
Susitutation , Permutation

혼돈은 Key를 찾기 어렵게, 확산은 평문을찾게 만드는 개념

Feistel 암호 ( 블록 )
평문 블록의 길이는 64bit 이상, 키 길이는 64bit 내외 s,p box 두가지의 합성 암호 방법 사용

— 1 라운드 —————————————————————————————————

좌우 블록을 나눠 R을 f(R^1 , K^1)방식의 라운드 함수로 치환 하여 L과 xor 연산 이후 Swap

——————————————————————————————————————

SPN 구조 ( 블록 )
평문을 소블록으로 나눠 S-box → P-box로 라운드

스트림암호
스트림 암호는 평문을 비트(또는 바이트) 단위로 처리하며, 같은 길이의 키 스트림을 생성해서 XOR 연산으로 암호화
암호문 = 평문 ⊕ 키스트림 ⭐

여기서 키스트림은 암호 시스템이 내부 상태(Seed, 키, 레지스터 등)를 바탕으로 생성하는데,
“어떻게 생성할지”는 알고리즘마다 다르고 추상적

1) 동기식 스트림암호
키 스트림이 평문과 관계 없이 생성 되는 것

(1) one-time-pad
키스트림이 각 비트에 랜덤하게 작용됨, 이론적으로 해결 불가

(2) FSR ( Feedback Shift Register )
시프트 레지스터에 초기 상태(Seed)를 넣고, 피드백 함수로 새로운 비트를 만들어냄. 각 평문의 비트를 통를 함수를 통해 키스트림을 생성하여 암호화

(3) LFSR ( Linear Feedback Shift Register )
선형적으로 비트를 xor하여 스트림암호 생성, 구현이 쉽지만 취약함 취약한 이유는 시프트 + xor만 하기 때문

(4) 비선형 귀환 시프트 레지스터 NLFSR
LFSR의 선형성의 취약점을 개선한 방식

2) 비동기식 스트림암호 ( 자기 동기식 스트림 암호 )
키 스트림이 평문 또는 암호문에 관계 갖음, 체인형식임 (seed + 평문) → 암호화 → 다음 → 이전 암호화(키스트림으로 사용 )

DES
Feistel 구조를 사용하는 블록 암호의 초기 표준. 평문 64bit, 키 56bit, 16 라운드로 구성되며 현재는 AES를 사용합니다. (중요: 페이스텔은 블록 암호 구조입니다.)

3DES
DES를 3번 적용하여 보안을 강화한 방식으로 처리 속도가 느립니다. 2개 또는 3개의 키를 사용하며 키 크기는 112bit 또는 168bit입니다.

AES (Rijndael)
DES를 대체한 현 시대 표준 블록 암호. SPN 구조(Non-Feistel)를 사용합니다. 평문은 128bit로 고정되며, 키 길이에 따라 라운드 수가 10(128bit), 12(192bit), 14(256bit)로 결정됩니다.

IDEA
DES 대체를 위해 스위스에서 개발한 알고리즘. 64bit 블록, 128bit 키를 사용하며 LAI-MASSEY : Feistel + Spn 구조

RC5 (로널드 리베스트가 설계한 "Rivest Cipher"의 약자를 따온 이름)
1994년 RC4를 대체하기 위해 개발된 블록 암호. 가변 블록(32/64/128bit), 가변 키(최대 2040bit), 가변 라운드를 지원하는 것이 가장 큰 특징, DES보다 10배 빠름

국내 암호 알고리즘

SEED
정의: 한국 표준 블록 암호 알고리즘 (1999년)
구조: 128비트 블록, 128/256비트 키 , 16라운드, Feistel 구조 기반

ARIA ( NSRI - 국가 보안기술연구소) 주도로 학계
한국 표준 블록 암호 (2004년)
구조: 128비트 블록, 128/192/256비트 키, 12/14/16라운드 (키 길이에 따라), SPN(Substitution-Permutation Network) 구조

HIGHT
정의: 경량 블록 암호 (2006년)
구조: 64비트 블록, 128비트 키 , 32라운드, RFID, 센서 등 저사양 환경

LEA
정의: 경량 블록 암호 (2013년)
구조: 128비트 블록, 128/192/256비트 키 , 24/28/32라운드, ARX 구조, 소프트웨어 최적화

ECB (Electronic Codebook)
핵심: 가장 단순한 모드. 각 평문 블록을 독립적으로 동일한 키로 암호화합니다. 평문 패턴이 암호문에도 그대로 드러나는 보안 취약점이 있습니다.
암호화: Ci=EK(Pi)
복호화: Pi=DK(Ci)
CBC (Cipher Block Chaining)
핵심: 이전 암호문 블록을 다음 평문 블록과 XOR 연산한 후 암호화하는 '연쇄' 방식입니다. IV가 사용되며, 현재 가장 널리 사용됩니다.
암호화: Ci=EK(Pi⊕Ci−1) (단, C0=IV)
복호화: Pi=DK(Ci)⊕Ci−1) (단, C0=IV)
CFB (Cipher Feedback)
핵심: 이전 암호문을 암호화한 결과를 평문과 XOR하여 스트림 암호처럼 동작하게 만든 모드입니다. 복호화 시에도 암호화 함수(EK)를 사용합니다.
암호화: Ci=EK(Ci−1)⊕Pi (단, C0=IV)
복호화: Pi=EK(Ci−1)⊕Ci (단, C0=IV)
OFB (Output Feedback)
핵심: IV를 계속 암호화하여 생성된 키 스트림(keystream)을 평문과 XOR합니다. 블록 암호를 스트림 암호처럼 사용하며, 전송 중 비트 오류가 전파되지 않는 장점이 있습니다.암호화: Ci=Pi⊕EK(IV)
복호화: Pi=Ci⊕EK(IV) (IV는 매 단계마다 이전 암호화 결과로 갱신)
CTR (Counter)
핵심: 1씩 증가하는 카운터 값을 암호화하여 키 스트림을 만들고, 이를 평문과 XOR합니다. 블록의 순서와 상관없이 암/복호화가 가능하여 병렬 처리에 가장 유리합니다.
암호화: Ci=Pi⊕EK(Counter + nonce)
복호화: Pi=Ci⊕EK(Counter + nonce)

해시함수

해시함수란 입력 메세지를 받아 128bit ~ 512bit의 고정된 길이를 갖는 N비트 문자를 반환한다.

일 방향성을 가지며 계산된 해시 값은 역산이 불가한다라는 성질을 가지며,

다대일 대응 함수로 동일한 해시값을 가진 평문이 존재한다. (해시충돌)

충돌저항성

1) 프리이미지 저항성 ( 역상 저항성 )

y=H(M)을 보고 y=H(M’)를 만족하는 M’를 찾아낸다는 것이 매우 힘들어야 하나는 성질

2) 제2 프리이미지 저항성 ( 약한 충돌 내성 )

공격자는 (M)만 알지만, (M’) = (M)의 만족하는 M’을 찾음 다만 위험성이 낮음

무차별 공격

3) 충돌 저항성 ( 강한 충돌 내성 )

두 값을 모르지만 가장 위험도가 높음,

생일 패러독스 공격

전용해시함수

해시함수는 SHA-1, RIPEMD , RIPEMD-128 , RIPEMD-160 , HAVAL 등은 모두 MD4를 기초로 디자인함

메세지 다이제이스트(해시 값 ) MD2→MD4→MD5의 MD 알고리즘이 있으며 , RSA와 함께 개발함

SHA

DSS에 사용하기 위해 NSA가 설계, NIST에 의해 배포됨

SHA-1, SHA-2(4종류는 ) Merkel-Damgard 방식을 사용하며 SHA-3이후론 스펀지,듀플렉스 방식의 구조의 반복 해시함수를 사용

MDC ( 무결성 , 키 X)

MD5, SHA-1, HAS160

해시함수 사용

MAC ( 무결성 + 인증 )

메세지와 비밀키(대칭키) 방식을 이용한 해시 값

해시함수 사용 + 대칭키

전자서명 ( 무결성 + 인증 + 부인방지 )

해시함수 + 비대칭키 ( 송신자의 개인키 ) - 공개키 암호화

암호화 : y=E^k(H(M)) / Message와 송신자의 공개키 전달

복호화 : h′=DK(y) ?= h′′=H(M) / 송신자 메세지 해시하여 비교

nested MAC

키 + Message = 1차 해시

1차해시 + KEY = 2차해시 ( MAC)

HMAC

키를 해시 블록 크기에 맞춰 0으로 패딩하고,

내부 패딩(ipad=0x36), 외부 패딩(opad=0x5C)과 XOR 연산을 적용해 두 번 해시를 수행 ,

nested MAC이랑 패딩처리 차이가 명확함

MAC으로 해결 할 수 없는 문제

제3자에 대한 증명

MAC은 대칭키를 공유하기 때문에 송신자, 수신자 누가 복호화 하였는지 증명이 되지않는다 .

부인방지

송신자는 대칭키를 쓰기에 송신자가 수신자가 보냈다고 우길수 있음

때문에 비대칭키를 써서 고유키를 써 부인방지 할 수 있음.

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