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1. AES 암호 알고리즘(Advanced Encryption Standard)이란?

고급 암호화 표준(Advanced Encryption Standard)이라고 불리는 AES 암호 알고리즘은 DES를 대체한 암호 알고리즘이며 암호화와 복호화 과정에서 동일한 키를 사용하는 대칭 키 알고리즘이다.

DES에 비해서 키 사이즈가 자유롭다. 즉, 가변 길이의 블록과 가변 길이의 키 사용이 가능하다.(128bit, 192bit, 256bit)

또한 속도와 코드 효율성 면에서 효율적이다.(즉, 디자인을 간단하게 하였다는 것이다.)

그리고 DES와 차이점은 페이스텔 구조가 아닌 SPN 구조를 이용한다.

SPN 구조

SPN은 Substitution - Permutation Network의 약자로

말 그대로 Substitution Layer와 Permuation Layer를 이용하여 Confusion과 Diffusion을 만족시켜주는 암호다.

아래 그림은 SPN 구조를 나타내고 있다.

장점은 Feistel 구조와 반대로 병렬연산이 가능하고

단점은 복호화시 별도의 복호화 모듈을 구현해줘야 한다는 것이다.

SPN 구조 :: http://reinliebe.tistory.com/76

Feistel 구조와 SPN 구조의 차이

Feistel 구조는 암복호화 과정에서 역함수가 필요 없다는 장점이 있지만 구현시 스왑(Swap)단계 때문에 연산량이 많이 소요 되며 암호에 사용되는 라운드 함수를 안전하게 설계해야 한다는 단점이 있다. 

대표적인 암호로는 DES가 있으며 Single DES는 안전성 문제로 현재 사용하고 있지 않다.

SPN 구조는 암복호화 과정에서 역함수가 필요하도록 설계되어야 한다는 단점이 있지만 중간에 비트의 이동없이 한번에 암복호화가 가능하기 때문에 페스탈 구조에 비해 효율적으로 설계할 수 있다. 대표적인 암호로는 AES가 있으며 AES는 현재 널리 상용되고 있다.

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B8%94%EB%A1%9D_%EC%95%94%ED%98%B8

2. AES 암호 알고리즘 용어 설명

Cipher Key

Round Key들을 생성하기 위해 Key Expansion Routine에 의해 사용되어지는 암호키이다.

Key Expansion (= Key Schedule)

Cipher Key로부터 Round Key들을 생성하기 위해 사용되는 Routine이다.

Word

4 bytes의 배열이나 또는 한 entity로서 다뤄지는 32bits의 한 Group이다.

S-Box

Byte 값의 대체를 수행하기 위해 Key Expansion Routine과 여러 SubBytes 변환에서 사용되는 비선형 대칭표다.

파라미터

Nb : State를 구성하는 열의 수(Nb = 4)

Nk : 암호키를 구성하는 32-bit words의 수(Nk = 4, 6, 8)

Nr : 라운드의 수(Nr = 10, 12, 14)

State

암호화 중간 단계의 결과물로서 (4, Nb)의 이차원 행렬로 표현된다.(Nb는 128, 192, 256에서 4로 고정이다.)

3. AES 암호화 과정

AES 암호화 과정은 위의 과정이 전부이다.

즉, round를 거쳐 암호화가 이루어지는데 좀더 자세한 내용은 위의 그림을 참조하면 된다.

여기서 이 코드를 보면 마지막 Nr 단계에서는 MixColumns를 실행하지 않는데 

AES 암호 알고리즘에서 마지막 라운드에서는 MixColumn 단계가 없다는 것을 의미한다.

즉, 키가 128비트 였다면 Nr은 10이 되고 마지막 라운드인 10단계에서는 MixColumn이 없다는 것이다.

라운드 과정을 좀 더 자세히 살펴보자.

1. SubBytes 과정

바로 예를 들어 설명해보려 한다.

예를 들어 128 비트 입력이 16진수로 32 30 31 32 31 30 36 30 30 32 4B 4B 57 4B 4B 57와 같으면 이것의 state 상태는 다음과 같다.

(이는 2012106002kkwkkw를 키로 두었을 때 16진수로 변환한 값이다.)

",="" sans-serif;font-size:13px"="" style="border: none; border-collapse: collapse;">

32

31

30

57

30

30

32

4B

31

36

4B

4B

32

30

4B

57

<AES 상태의 예>

이때 1바이트 값이 9a였다면 S-Box에 의해 b8로 변한다는 것이다.

여기서 4B는 B3으로 치환된다.

2. ShiftRows 과정

상태 행렬의 행에 따른 왼쪽 방향의 Cyclic 회전을 수행한다. 

첫 번째 행은 회전되지 않고, 

두 번째 행은 1byte, 

세 번째 행은 2bytes, 

네 번째 행은 3bytes 만큼씩 왼쪽으로 Cyclic 회전한다. 

3. MixColumns 과정

State의 각 Column에 대해서 아래와 같이 행렬 곱셈을 수행한다. 

식에서 각 Symbol은 유한체 GF(28) 상의 요소이며 0 혹은 1의 계수를 갖는 7차 이하의 다항식으로 표현 가능하다. 

그리고 요소간 곱셈은 기약 다항식, x^8+x^4+x^3+x+1을 법으로 하는 다항식 곱셈이다. 

마지막 라운드는 MixColumn을 하지 않는다.

이 부분은 난해한 부분이므로 아 이런거구나 정도로 느끼면 될 듯합니다.

4. AddRoundKey 과정

실제 encryption은 이 과정에서 수행되는데, state내의 각각의 byte들이 각 RoundKey와 XOR연산 되어진다.

RoundKey는 key expansion schedule에 따라 key로부터 유도되어진다.

4. AES 암호 알고리즘 예제 코드 및 실습

AES 암호화 소스코드

AES 복호화 소스코드

2012106002kkwkkw를 2, 16진수로 표현하면 아래와 같다.

2진수 표현

00110010 00110000 00110001 00110010 00110001 00110000 00110110 00110000 00110000 00110010 01001011 01001011 01010111 01001011 01001011 01010111

16진수 표현

32 30 31 32 31 30 36 30 30 32 4B 4B 57 4B 4B 57

이를 키로 이용하여 암호화를 해보고자 한다.

평문은 ABCDEFGHIJKLMNOP를 이용한다.

복호화시에도 2012106002kkwkkw를 키로 이용하여 32 30 31 32 31 30 36 30 30 32 4B 4B 57 4B 4B 57로 변환하고

암호화된 결과값을 넣으면 원본으로 복호화 할 수 있음을 알 수 있다.

Advanced Encryption Standard (AES) is a specification for the encryption of electronic data established by the U.S National Institute of Standards and Technology (NIST) in 2001. AES is widely used today as it is a much stronger than DES and triple DES despite being harder to implement.

Points to remember

• AES is a block cipher.
• The key size can be 128/192/256 bits.
• Encrypts data in blocks of 128 bits each.

That means it takes 128 bits as input and outputs 128 bits of encrypted cipher text as output. AES relies on substitution-permutation network principle which means it is performed using a series of linked operations which involves replacing and shuffling of the input data.

Working of the cipher :
AES performs operations on bytes of data rather than in bits. Since the block size is 128 bits, the cipher processes 128 bits (or 16 bytes) of the input data at a time.

The number of rounds depends on the key length as follows :

• 128 bit key – 10 rounds
• 192 bit key – 12 rounds
• 256 bit key – 14 rounds

Creation of Round keys :
A Key Schedule algorithm is used to calculate all the round keys from the key. So the initial key is used to create many different round keys which will be used in the corresponding round of the encryption.

Encryption :
AES considers each block as a 16 byte (4 byte x 4 byte = 128 ) grid in a column major arrangement.

[ b0 | b4 | b8 | b12 |
| b1 | b5 | b9 | b13 |
| b2 | b6 | b10| b14 |
| b3 | b7 | b11| b15 ]

Each round comprises of 4 steps :

• SubBytes
• ShiftRows
• MixColumns
• Add Round Key

The last round doesn’t have the MixColumns round.

The SubBytes does the substitution and ShiftRows and MixColumns performs the permutation in the algorithm.

SubBytes  :
This step implements the substitution.

In this step each byte is substituted by another byte. Its performed using a lookup table also called the S-box. This substitution is done in a way that a byte is never substituted by itself and also not substituted by another byte which is a compliment of the current byte. The result of this step is a 16 byte (4 x 4 ) matrix like before.

The next two steps implement the permutation.

ShiftRows :
This step is just as it sounds. Each row is shifted a particular number of times.

• The first row is not shifted
• The second row is shifted once to the left.
• The third row is shifted twice to the left.
• The fourth row is shifted thrice to the left.

(A left circular shift is performed.)

[ b0  | b1  | b2  | b3  ]         [ b0  | b1  | b2  | b3  ]
| b4  | b5  | b6  | b7  |    ->   | b5  | b6  | b7  | b4  |
| b8  | b9  | b10 | b11 |         | b10 | b11 | b8  | b9  |
[ b12 | b13 | b14 | b15 ]         [ b15 | b12 | b13 | b14 ]

MixColumns :
This step is basically a matrix multiplication. Each column is multiplied with a specific matrix and thus the position of each byte in the column is changed as a result.

This step is skipped in the last round.

[ c0 ]         [ 2  3  1  1 ]  [ b0 ]
| c1 |  =      | 1  2  3  1 |     | b1 |
| c2 |      | 1  1  2  3 |     | b2 |
[ c3 ]      [ 3  1  1  2 ]     [ b3 ]

Add Round Keys :
Now the resultant output of the previous stage is XOR-ed with the corresponding round key. Here, the 16 bytes is not considered as a grid but just as 128 bits of data.

After all these rounds 128 bits of encrypted data is given back as output. This process is repeated until all the data to be encrypted undergoes this process.

Decryption :
The stages in the rounds can be easily undone as these stages have an opposite to it which when performed reverts the changes.Each 128 blocks goes through the 10,12 or 14 rounds depending on the key size.

The stages of each round in decryption is as follows :

• Add round key
• Inverse MixColumns
• ShiftRows
• Inverse SubByte

The decryption process is the encryption process done in reverse so i will explain the steps with notable differences.

Inverse MixColumns :
 This step is similar to the MixColumns step in encryption, but differs in the matrix used to carry out the operation.

[ b0 ]         [ 14  11  13  9  ]  [ c0 ]
| b1 |  =      | 9   14  11  13 |     | c1 |
| b2 |      | 13  9   14  11 |     | c2 |
[ b3 ]         [ 11  13  9   14 ]     [ c3 ]

Inverse SubBytes :
Inverse S-box is used as a lookup table and using which the bytes are substituted during decryption.

Applications:

AES is widely used in many applications which require secure data storage and transmission. Some common use cases include:

• Wireless security: AES is used in securing wireless networks, such as Wi-Fi networks, to ensure data confidentiality and prevent unauthorized access.
• Database Encryption: AES can be applied to encrypt sensitive data stored in databases. This helps protect personal information, financial records, and other confidential data from unauthorized access in case of a data breach.
• Secure communications: AES is widely used in protocols like such as internet communications, email, instant messaging, and voice/video calls.It ensures that the data remains confidential.
• Data storage: AES is used to encrypt sensitive data stored on hard drives, USB drives, and other storage media, protecting it from unauthorized access in case of loss or theft.
• Virtual Private Networks (VPNs): AES is commonly used in VPN protocols to secure the communication between a user’s device and a remote server. It ensures that data sent and received through the VPN remains private and cannot be deciphered by eavesdroppers.
• Secure Storage of Passwords: AES encryption is commonly employed to store passwords securely. Instead of storing plaintext passwords, the encrypted version is stored. This adds an extra layer of security and protects user credentials in case of unauthorized access to the storage.
• File and Disk Encryption: AES is used to encrypt files and folders on computers, external storage devices, and cloud storage. It protects sensitive data stored on devices or during data transfer to prevent unauthorized access.

해당 문서는 바야흐로 ARIA Encrytion Algorithm 을 찾아보면 나오는 문서로써 해당 부분에서 Number of rounds 를 추천하는 바는 10 - / 12- / 14- 와 128 - / 192- / 256 으로 제각기 추천한다고 나온다.

128 bit 일 때 일반적으로 라운드는 10라운드에 달한다. 다만 라운드에 따라서 더 강화되므로 12/ 14/ 16라운드로 잡힌 것으로 보인다

아 근데 추천이고 나발이고 결과적으로 ARIA 는 master key 길이에 따라서 rounds 를 달리한다고 나오는데, IETF 에는 다음과 같이 대놓고 나오고 있다

   The number of rounds depends on the size of the master key as
   follows.

        Key size     Number of Rounds
         128              12
         192              14
         256              16

결론 = 

아 둘다 맞다

추가적으로 마지막 round 에서 추가적으로 round key를 요구하는데, 이에 따라 13, 15, 17라운드가 요구된다

As we know the Data encryption standard (DES) uses 56 bit key to encrypt any plain text which can be easily be cracked by using modern technologies. To prevent this from happening double DES and triple DES were introduced which are much more secured than the original DES because it uses 112 and 168 bit keys respectively. They offer much more security than DES. 

Double DES: 

Double DES is a encryption technique which uses two instance of DES on same plain text. In both instances it uses different keys to encrypt the plain text. Both keys are required at the time of decryption. The 64 bit plain text goes into first DES instance which then converted into a 64 bit middle text using the first key and then it goes to second DES instance which gives 64 bit cipher text by using second key.

However double DES uses 112 bit key but gives security level of 2^56 not 2^112 and this is because of meet-in-the middle attack which can be used to break through double DES. 

Triple DES: 

Triple DES is a encryption technique which uses three instance of DES on same plain text. It uses there different types of key choosing technique in first all used keys are different and in second two keys are same and one is different and in third all keys are same.

Triple DES is also vulnerable to meet-in-the middle attack because of which it give total security level of 2^112 instead of using 168 bit of key. The block collision attack can also be done because of short block size and using same key to encrypt large size of text. It is also vulnerable to sweet32 attack.