Earticle

초경량 LEA 128비트 블록 암호화 아키텍처는 자원이 제약된 유비쿼터스 장치에 보안성을 높일 방법으 로, 국가보안기술연구소에서 개발되고 국제표준화기구와 국제전기기술위원회에서 암호 분야 국제 표준으로 제정된 보안 알고리즘인 128비트 Lightweight Encryption Algorithm 알고리즘을 하드웨어 환경에서 설계하여 내부 레지 스터 재사용, 리소스 공유를 통해 LEA 암호화/복호화 모듈을 저 면적으로 구현하였다. Xilinx ISE 14.7 Virtex-5 를 이용하여 합성한 결과, 최대 주파수는 190.88MHz를 달성했으며 최대 128Mbps의 처리 속도를 가진다. 또한, 301개의 Flip-Flop, 1151개의 Look-Up-Table, 485개의 슬라이스로 구현되어 128비트 LEA 알고리즘을 저면적으 로 구현된 하드웨어 디자인을 제시한다.

In this paper, we present an efficient hardware design of the 128-bit Lightweight Encryption Algorithm. LEA is a security algorithm developed by the National Security Technology Institute and established as an international standard for cryptography in the International Organization for Standardization and International Electrotechnical Commission for use in a hardware environment. The proposed architecture is based on internal register reuse and resource sharing to lower the LEA encryption/decryption crypto core’s area. The maximum frequency is 190.88MHz and has throughput of 128Mbps. In addition, 301 Flip-Flops, 1151 Look-Up-Tables, and 485 Slices are utilized to present a low-area 128-bit LEA hardware design.

Recently, as network and computer technologies are growing rapidly, most of business transactions are performed in cyber world. In spite of many advantages. the most concerns in Electronic Commerce are the information security matters, and the cryptosystem has been claimed as one of the proper means to settle this problem. In this paper, a partial encryption/decryption algorithm has been in-troduced to show the efficiency against the conventional method in which all the data are completely encoded. In our proposed scheme, the multimedia data can be efficiently encoded in a short time pro-viding good data security. For example, the MP3 data can be securely protected with 10% encryption in our scheme. Moreover, the shuffling process at the end of partial encryption procedure provides higher level of data security.

Wireless Body Area Networks (WBANs) has been recognized as one of the promising wireless sensor technologies for improving healthcare service thanks to its capability of seamlessly and continuously exchanging medical information in real time. However, the lack of a clear in-depth defense line in such a new networking paradigm would make it potential users worry about the leakage of their private information, especially to those unauthenticated or even malicious adversaries. In this paper, we present efficient encryption method based on Elliptic Curve Cryptography (ECC) to protect patient’s medical data in WBANs. This method used the symmetric cipher algorithms (i.e., DES, modified Feistel algorithm, etc.) to encrypt or decrypt some sensitive patient’s medical data, and then use ECC to manage the key’s distribution, update and revocation.

In this paper, we propose a blind watermarking scheme based on dual transform domains of discrete wavelet transform and discrete fractional random transform. In order to achieve the robustness and security, we also use the visual secret sharing scheme to split the secret image into two shares and use hologram quantization to spread the watermark information and analyze the cover image detail. For the purpose of widely practical application, we use a QR code for the watermark information. The QR code is decomposed into two shares, the first share is generated by the random seed, and the second share is generated with the help of secret image and the first share. Firstly, the two shares are respectively transformed into a hologram by using the hologram quantization, and then a discrete fractional random transform is applied to them. The cover image is decomposed by two-dimension discrete wavelet transform. The subband generated watermark then is embedded into the intermediate frequency components of the cover image. The watermark extraction process is the reverse of the embedding process. Because of the spectrum characteristic and tear resistant of the hologram, the algorithm has good invisibility. The experimental results show that the proposed algorithm is effective and robust against JPEG loss compression, cropping, rotation and noise.

다양한 인터넷 장치들을 상호 연결하여 보다 지능적인 서비스를 제공하기 위한 사물인터넷(IoT)이 확산되고 있으 며, 사물인터넷의 대표적 통신 프로토콜로 TCP 기반의 MQTT가 사용되고 있다. MQTT 기반의 IoT 장치 간 데이터 암호화 기술로 TCP의 경우 TLS/SSL 보안 프로토콜 사용을 권고하고 있지만, 저사양/저용량 IoT 장치에 적용할 경우 암복호화로 인한 성능 저하가 초래된다. 본 논문에서는 MQTT 프로토콜로 연결된 IoT 장치 간에 경량화 암호 알고리즘 인 타원곡선암호를 적용한 종단간 메시지 보안 프로토콜을 제안하며, TLS/SSL과 제안 프로토콜에 대한 시뮬레이션을 통해 제안 프로토콜이 클라이언트와 서버 양측에서 성능이 향상됨을 검증하였다.

Internet of Things (IoT) is proliferating to provide more intelligent services by interconnecting various Internet devices, and TCP based MQTT is being used as a standard communication protocol of the IoT. Although it is recommended to use TLS/SSL security protocol for TCP with MQTT-based IoT devices, encryption and decryption performance degenerates when applied to low-specification / low-capacity IoT devices. In this paper, we propose an end-to-end message security protocol using elliptic curve cryptosystem, a lightweight encryption algorithm, which improves performance on both sides of the client and server, based on the simulation of TLS/SSL and the proposed protocol.

We propose a symmetric key based cryptography algorithm to encode and decode the text data with limited length using 3-dimensional magic square matrix. To encode the plain text message, input text will be translated into an index of the number stored in the key matrix. Then, Caesar's shift with pre-defined constant value is fabricated to finalize an encryption algorithm. In decode process, Caesar's shift is applied first, and the generated key matrix is used with 2D magic squares to replace the index numbers in ciphertext to restore an original text.

본 논문은 통신 시스템에 주로 사용되는 디지털 전자 서명 알고리즘 중 양자 내성 암호인 SPHINCS+ 알고리즘에 대한 효과적인 하드웨어 설계 방안에 대한 연구이다. SPHINCS+ 알고리즘은 해시 함수 기반 알고리즘으로, 많은 횟수의 해시 함수가 반복해서 사용된다. 해시 함수를 가속 연산해도, 그 횟수가 크기 때문에 SPHINCS+ 알고리즘은 다른 전자 서명 알고리즘보다 하드웨어 설계 후 큰 latency 를 가지는 특징이 있다. 이를 극복하기 위해 SPHINCS+ 알고리즘에서 사용되는 해시 함수들을 면밀하게 분석한다. 그 결과 같은 해시 함수에 대해서도 입출력 데이터 크기가 다양하게 변화하고, 서로 다른 데이터 플로우를 가지는 그 세부 차이점들을 파악하여, 이를 접목한 하드웨어 설계에 대해 논의한다.

본 논문은 마이크로소프트사의 CAPI를 대체하는 CNG의 구조와 특징, 프로그래밍 기법에 대해 알아보고, 국산 암호 알고리즘 중 HAS-160을 지원하기 위한 해쉬 공급자를 구현하였으며, CNG의 확장성에 대하여 구현결과를 기반으로 다양한 각도에서 분석하고, 이에 대한 커스터마이징 전략에 대해 제안하였다. 구현된 HAS-160 해쉬 공급자를 비롯해 CNG에 대한 기본적인 분석결과는 국산 암호 알고리즘의 비스타 환경에 적용하기 위한 방안으로 활용될 것으로 예상되며, CNG가 아직 갖추지 못한 안전한 배포 방안에 대해 향후 연구할 예정이다.

This paper surveys structures, features and programming techniques of CNG that is substitution of CAPI in Microsoft, and implements hash provider for support HAS-160 that is one of the Korean hash algorithm. After that, we analysis agility from different perspective based on implemented results, and propose customizing stratagem. Analyzed results of basic concepts and implemented HAS-160 hash provider are expected applying measure for Korean cryptography algorithm in Vista environment. Consequently, we will research secure distribution way due to it is not apply on CNG.

양자 위협에 대응해 경량화와 부채널 내성을 목표로 제안된 격자 기반 서명 스킴 HAETAE는 수학적 안전성과 별개로 실제 구현 시 오류 주입 공격에 취약할 수 있다. 특히 Fiat-Shamir with Aborts 기반의 Dilithium과 구조적으로 유사함에도, 전체 서명 구조 대상의 공격 지점 도출 및 하드웨어 실증 연구는 아직 학계에 보고된 바 없다. 본 논문에서는 HAETAE의 결정론적 서명 구조를 분석하여 LSB, 공개 행렬 언패킹, 부호 비트, 샘플링 시드 생성에 대한 오류 주입 공격 지점을 제시한다. 또한, 소프트웨어 및 하드웨어 실험을 통해 단일 또는 소수의 오류 주입만으로도 비밀 키 복구가 가능함을 확인하였으며, 본 연구에서 제시한 대응 기법이 5% 미만의 오버헤드로 이러한 공격을 효과적으로 완화할 수 있음을 입증한다.

A lattice-based signature scheme HAETAE, proposed to counter quantum threats with lightweight implementation and side-channel resistance, can be vulnerable to fault injection attacks in practical implementations regardless of mathematical security. In particular, despite its structural similarity to Dilithium-which is based on the Fiat-Shamir with Aborts framework-no studies have yet been reported in academia that systematically identify attack points across the entire signing structure and demonstrate them at the hardware level. In this paper, we analyze the deterministic signing structure of HAETAE and identify fault injection attack points targeting LSB processing, public matrix unpacking, sign-bit generation, and sampling-seed generation. Furthermore, through software and hardware experiments, we verify that secret-key recovery is achievable with only a single or a few fault injections. Finally, we demonstrate that the proposed countermeasures effectively mitigate these attacks with less than 5% overhead.

타원곡선 암호시스템에서의 가장 줄기가 되는 연산은 스칼라 곱셈 연산이다. 본 논문에서는 기존의 두배점-덧셈 (double-and-add) 알고리즘으로 처리하였던 스칼라 곱셈 연산을 개선하여 네배점-덧셈(fund-and-add) 알고리즘을 사용하기 위하여 네배점 (point quadruple) 연산을 유도한다. 유도된 식은 C 프로그램을 사용하여 실제 계산에 응용하여 증명하였다. 네배점 스칼라 연산은 타원곡선 암호시스템의 효율적이고 빠른 연산을 처리하는데 응용될 수 있다.

The most time-consuming back-bone operation in an elliptic curve cryptosystem is scalar multiplication. In this paper, we propose a method of inducing a GF operation named point quadruple operation to be used in the quad-and-add algorithm, whith was achieved by refining the traditional double-and-add algorithm. Induced expression of the algorithm was verified and proven by C program in a real model of calculation. The point quadruple operation can be used in fast and efficient implementation of scalar multiplication operation.

소형화와 안전성에서 보다 더 진보된 ECC( Elliptic Curve Cryptography) 암호화 알고리즘의 하드웨어적 구현을 제안한다. Basis는 VLSI 구현에 적합한 standard basis이며 m=193 ECC 승산기 회로를 설계하였다. Bit-Parallel 구조를 바탕으로 Digit-Serial/Bit-Parallel 방법으로 구현하였다. 제안된 구조는 VHDL 및 SYNOPSYS로 검증되었다.

본 논문에서는 사용자에게 PHR(PHR : Personal Health Record) 서비스를 제공 할 때 발생 가능한 개인정보변조 및 유출에 대한 위협에 대응하기 위하여 PHR과 ECC(ECC : Elliptic Curve Cryptosystem)에 대한 연구 및 안전한 개인정보 전송을 위한 XML 형식의 PHR 서비스 메시지 구조설계와 ECC 알고리즘 기법을 이용한 PHR 암 복호화 시스템을 설계하였다.

본 논문에서는 사용자에게 PHR(PHR : Personal Health Record) 서비스를 제공 할 때 발생 가능한 개인정보변조 및 유출에 대한 위협에 대응하기 위하여 PHR과 ECC(ECC : Elliptic Curve Cryptosystem)에 대한 연구 및 안전한 개인정보 전송을 위한 XML 형식의 PHR 서비스 메시지 구조설계와 ECC 알고리즘 기법을 이용한 PHR 암 복호화 시스템을 설계하였다.

본 논문에서는 타원곡선 알고리즘에 기반한 공개키암호시스템 구현을 다룬다. 공개키의 길이는 193비트를 갖고 기약다항식은 p(x)=x<SUP>193＋x</SUP>sup 15＋1을 사용하였다. 타원곡선은 polynomial basis 로 표현하였으며 SEC 2 파라메터를 기준으로 하였다 암호시스템은 polynomial basis 유한체 연산기로 구성되며 특히, digit-serial 구조로 스마트카드와 같이 제한된 면적에서 구현이 가능하도록 하였다. 시스템의 회로는 VHDL, SYNOPSYS 시뮬레이션 및 회로합성을 이용하여 XILINX FPGA로 회로를 구현하였다. 본 시스템 은 Diffie-Hellman 키교환에 적용하여 동작을 검증하였다.

Twofish 알고리즘은 작은 부피의 로직, Triple-DES보다 강력한 암호화 레벨, 암호화 속도 등율 갖추어 모듈 설계 알고리즘으로 선정하였다. Twofish 알고리즘은 bitwired-XOR, Permutation, S-box, MDS, PHT를 걸치는 H함수를 각기 다른 키로 반복 라운드를 함으로써 대상 데이타를 암호화한다. 64~256bit의 키 크기와 라운딩 횟수를 조정하여 모듈의 부피나 처리속도를 유동성 있게 조절할 수 있는 장점이 있다. 하드웨어 기기와 응용에 사용하기 위하여 VHDL 모듈로 알고리즘을 설계하고 그 동작을 검증하였다. 구현된 회로는 기존의 방법에 비하여 파이프라인 단계를 적용함으로써 약 23%의 속도 향상을 얻을 수 있었다.

Twofish 알고리즘은 작은 부피의 로직, Triple-DES보다 강력한 암호화 레벨, 암호화 속도 등율 갖추어 모듈 설계 알고리즘으로 선정하였다. Twofish 알고리즘은 bitwired-XOR, Permutation, S-box, MDS, PHT를 걸치는 H함수를 각기 다른 키로 반복 라운드를 함으로써 대상 데이타를 암호화한다. 64~256bit의 키 크기와 라운딩 횟수를 조정하여 모듈의 부피나 처리속도를 유동성 있게 조절할 수 있는 장점이 있다. 하드웨어 기기와 응용에 사용하기 위하여 VHDL 모듈로 알고리즘을 설계하고 그 동작을 검증하였다. 구현된 회로는 기존의 방법에 비하여 파이프라인 단계를 적용함으로써 약 23%의 속도 향상을 얻을 수 있었다.

현재, 주요 선진국들을 포함하여 Google과 IBM과 같은 국제 대기업들을 필두로 양자 컴퓨터 개발에 전폭적인 투자들을 하고 있다. 양자 컴퓨터는 특정 분야에 있어 월등한 계산 능력을 보여주며, 기존 컴퓨터에서는 해결할 수 없던 몇몇 문제들을 빠른 시간 내에 해결한다. 이러한 양자 컴퓨터의 등장은 기존 컴퓨터에서는 사실상 풀 수 없는 암호 알고리즘들을 빠른 시간 내에 해결하여 암호학계에 큰 위협이 되고 있다. 현재 사용하고 있는 대부분의 공개키 암호 알고리즘인 RSA와 ECC(Elliptic Curve Cryptography) 또한 공격 대상이다. NIST에서는 다가오는 양자 컴퓨터 시대에 대비하여 양자내성암호 공모전을 주최하였으며 현재 라운드 3에 도입하였다. 본 논문에서는 라운드 3의 후보 알고리즘인 코드기반암호를 공격하는 ISD(Information Set Decoding) 알고리즘에 관한 동향을 조사하였다.

본 논문에서는 RSA 암호 알고리즘의 핵심 계산 과정인 모듈로 곱셈 연산의 효율적인 하드웨어 구현을 위해 새로운 알고리즘과 하드웨어 구조를 제시한다. 기존의 몽고메리 알고리즘이 LSB 우선 방법을 사용한 것과는 달리 여기서는 MSB 우선 방법을 사용하였으며, RSA 암호 시스템에서 키가 일정 기간 동안 변하지 않고 유지된다는 점에 착안해 계수(Modulus)에 대한 보수(Complements)를 미리 계산해 놓고 이를 이용하여 모듈로 감소 처리를 간단히 덧셈으로 치환하도록 하였다. 보수들을 저장할 몇 개의 레지스터와 그들 중 하나를 선택하기 위한 간단한 멀티플렉서(Multiplexer)만을 추가함으로써 몽고메리 알고리즘이 안고 있는 홀수 계수 조건과 사후 연산이라는 번거로움을 없앨 수 있다. 본 논문에서 제안하는 알고리즘은 하드웨어 복잡도가 몽고메리 알고리즘과 비슷하며 그 내부 계산 구조를 보여주는 DG(Dependence Graph)의 지역 연결성 (Local Connection), 모듈성(Modularity), 데이터의 규칙적 종속성 (Regular Data Dependency)등으로 인한 실시간 고속 처리를 위한 VLSI 구현에 적합하다.

512/1,024/2,048/3,072 비트의 4가지 키 길이를 지원하는 scalable RSA 공개키 암호 프로세서를 설계하였다. RSA 암호의 핵심 연산블록인 모듈러 곱셈기를 CIOS (Coarsely Integrated Operand Scanning) 몽고메리 모듈러 곱셈 알고리듬을 이용하여 32 비트 데이터 패스로 설계하였으며, 모듈러 지수승 연산은 Left-to-Right (L-R) 이진 멱승 알고리듬을 적용하여 구현하였다. 설계된 RSA 암호 프로세서를 Virtex-5 FPGA로 구현하여 하드웨어 동작을 검증하였으며, 512/1,024/2,048/3,072 비트의 키 길이에 대해 각각 456,051/3,496,347/26,011,947/88,112,770 클록 사이클이 소요된다. $0.18{\mu}m$ CMOS 표준셀 라이브러리를 사용하여 100 MHz 동작 주파수로 합성한 결과, 10,672 GE와 $6{\times}3,072$ 비트의 메모리로 구현되었다. 설계된 RSA 공개키 암호 프로세서는 최대 동작 주파수는 147 MHz로 예측되었으며, 키 길이에 따라 RSA 복호 연산에 3.1/23.8/177/599.4 ms 가 소요되는 것으로 평가되었다.

This paper describes a design of scalable RSA public-key cryptography processor supporting four key lengths of 512/1,024/2,048/3,072 bits. The modular multiplier that is a core arithmetic block for RSA crypto-system was designed with 32-bit datapath, which is based on the CIOS (Coarsely Integrated Operand Scanning) Montgomery modular multiplication algorithm. The modular exponentiation was implemented by using L-R binary exponentiation algorithm. The scalable RSA crypto-processor was verified by FPGA implementation using Virtex-5 device, and it takes 456,051/3,496347/26,011,947/88,112,770 clock cycles for RSA computation for the key lengths of 512/1,024/2,048/3,072 bits. The RSA crypto-processor synthesized with a $0.18{\mu}m$ CMOS cell library occupies 10,672 gate equivalent (GE) and a memory bank of $6{\times}3,072$ bits. The estimated maximum clock frequency is 147 MHz, and the RSA decryption takes 3.1/23.8/177/599.4 msec for key lengths of 512/1,024/2,048/3,072 bits.

인터넷을 통한 IT환경의 변화로 개인정보를 이용한 다양한 서비스들이 등장하게 되었고, 이에 따라 개인정보보안의 중요성이 증대되고 있다. 정당한 사용자를 확인하는 인증기술의 발달로 한 세션에서 패스워드 값을 사용 후 폐기하는 일회용 패스워드에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 일회용 패스워드는 기밀성, 상호인증, 연산량 등 여러 문제점을 내포하고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 기존의 일회용 패스워드의 문제점을 분석하고 이를 해결하기 위해 타원곡선 암호 알고리즘을 이용한 일회용 패스워드 생성 기법에 관하여 제안하였다. 제안방식은 암호 알고리즘을 이용하여 기밀성을 제공하며, 서버와 클라이언트 간의 상호인증을 제공할 수 있도록 하였다.