Chapter 4. AES(Advanced Encryption Standard)

1절. AES의 구조

개요

• 2001년 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 전자 데이터 암호화를 위한 규격으로 제정
• 벨기에의 두 암호학자인 조안 다멘(Joan Daemen)과 빈센트 리멘(Vincent Rijmen)이 개발한 Rijndael 암호 기반
• 미국 정부에 의해 채택되어 전 세계적으로 사용
• 1977년의 데이터 암호화 표준(DES) 대체

AES 일반적인 구조

$GF(2^8)$

• $m(x) = x⁸ + x⁴ + x³ + x + 1$ 이므로 $x⁸ = x⁴ + x³ + x + 1 = (00011011) =$ ${1B}$
• $A = (a_7a_6…a_1a_0)$와 $B = (b_7b_6…b_1b_0)$일 때, 합은 $A + B = (c_7c_6…c_1c_0)$
  • $c_i = a_i ⊕ b_i$ 성립
• 곱셈 ${02}$⋅A는 $a_7$이 $0$이면 $(a_6…a_1a_00)$, $a_7$이 $1$이면 $(a_6…a_1a_00)⊕(00011011)$

매개 변수(Parameter)

• 128비트 (16바이트)의 평문 블록 크기 사용
• 키 길이는 128, 192, 또는 256비트(16, 24, 또는 32바이트)
• 라운드 수는 10, 12, 또는 14
• 키 길이에 따라 AES-128, AES-192, 또는 AES-256

상태(State)

• 4x4 바이트 행렬로 나타내는 4개의 열과 4개의 바이트로 구성된 데이터 블록
• 키는 바이트 행렬

AES의 구체적인 구조

전체적인 구조

• 페이스텔(Feistel) 구조가 아닌 AES
• AES-128
  • AddRoundKey 변환으로 시작
  • 각 라운드마다 네 가지 변환을 포함한 9개의 라운드 진행
  • 세 가지 변환이 포함된 열 번째 라운드가 진행

4 - 변환(Transformation)

• SubBytes
• ShiftRows
• MixColumns
• AddRoundKey(Key를 사용하는 유일한 과정)

2절. SubBytes

SubBytes Transformation

• 상태(State)

  • 가장 왼쪽 4비트 : 행 값
  • 가장 오른쪽 4비트 : 열 값

• 예시) 16진수 값 {95}

  • S-box의 9행 5열 참조
  • 값 {2A} 포함
  • 즉 {95}는 {2A} 매핑

• SubBytes Transformation Process

3절. ShiftRows

ShiftRows Transformation

• 상태(State)

  • 첫 번째 행 : 불변
  • 두 번째 행 : 1바이트 왼쪽 순환 이동
  • 세 번째 행 : 2바이트 왼쪽 순환 이동
  • 네 번째 행 : 3바이트 왼쪽 순환 이동

• InvShiftRows

  • 반대 방향의 행 이동 변환
  • 마지막 세 개의 행 각각에 대해 오른쪽 순환 이동 수행
  • 두 번째 행은 1바이트 오른쪽 순환 이동
  • 나머지 행도 같은 방식으로 이동

4절. MixColumns

MixColumns Transformation

InvMixColumns Transformation

5절. AddRoundKey

AddRoundKey Transformation

• 첫 번째 행렬 : State

• 두 번째 행렬 : RoundKey

• 순방향 AddRoundKey 변환

  • State 128비트가 라운드 키 128비트와 비트별 XOR 연산 수행
• 역방향 AddRoundKey 변환
  • 순방향 AddRoundKey 변환과 동일
  • 이는 XOR 연산이 자기 자신의 역연산이기 때문