경량 암호를 이용한 형태보존암호 속도 향상 연구 = Improvement of encryption speed for format-preserving encryption using lightweight cipher algorithm

국문 초록 (Abstract)

형태보존암호는 암호문의 길이와 형태가 평문과 같은 암호화 알고리즘으로 길이와 형태가 일정한 정보를 암호화할 경우 형태보존암호가 기존 블록 암호보다 장점을 가질 수 있다. 특히 IoT, 커넥티드 카와 같은 다양한 시스템에서 데이터 구조가 정해져 있거나 전송 데이터양이 한정되어있는 프로토콜 등 블록 암호를 사용하기 어려운 환경에도 적용하여 보안성을 향상시킬 수 있다. 하지만 형태보존암호는 암/복호화 속도가 느린 문제가 있어 실시간성이 중요한 시스템에 적용이 어렵다. NIST 표준 형태보존암호 FF1, FF3-1은 암/복호화 과정에서 블록 암호 AES를 여러번 사용하여 암호화하기 때문에 다른 암호화 알고리즘보다 연산량이 많고 암/복호화 속도가 느리다.
본 논문은 형태보존암호 FF1과 FF3-1의 암/복호화 속도를 향상시키기 위하여 경량 암호를 이용한 형태보존암호를 구현하고 기존 형태보존암호와 비교하였다. 제안하는 경량 형태보존암호는 FF1과 FF3-1 암/복호화 과정에서 사용되는 블록 암호를 AES에서 경량 암호 LEA, CLEFIA, SPECK으로 수정하여 연산량을 줄이고 암/복호화 속도를 향상시킨 알고리즘이다. 경량 암호를 이용한 형태보존암호를 intel, AMD, ARM 등 다양한 CPU 환경에서 암/복호화 속도를 측정하여 기존 형태보존암호와 비교하여 속도가 향상되었음을 확인하였다. 그리고 엔트로피 검사와 NIST SP 800-22 실험을 통해 보안성에 대한 검증을 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 관련 연구 4
• 제1절 형태보존암호 4
• 1. 형태보존암호 개요 4
• 2. 국내/외 표준 형태보존암호 4
• 가. FEA 5
• 나. FF1, FF3-1 13
• 제2절 경량 암호화 알고리즘 18
• 1. LEA 18
• 2. CLEFIA 18
• 3. SPECK 20
• 제3장 LEA, CLEFIA, SPECK을 이용한 경량 형태보존암호 22
• 제1절 FF1, FF3-1 알고리즘의 문제점 22
• 제2절 경량 암호를 이용한 형태보존암호 24
• 제3절 경량 형태보존암호 성능 평가 26
• 1. 경량 형태보존암호의 암/복호화 속도 비교 26
• 가. intel i7-8700(3.2Ghz)에서의 암/복호화 속도 26
• 나. intel i5-8250U(1.6Ghz)에서의 암/복호화 속도 29
• 다. AMD Ryzen5 1600(3.2Ghz)에서의 암/복호화 속도 32
• 라. ARM Cortex-A53(1.4Ghz)에서의 암/복호화 속도 35
• 마. ARM Cortex-A7(0.9Ghz)에서의 암/복호화 속도 38
• 바. 경량 형태보존암호의 암/복호화 속도 평가 41
• 2. 경량 형태보존암호 보안성 평가 45
• 가. 정보 엔트로피 분석 45
• 나. NIST SP 800-22 분석 47
• 3. 경량 형태보존암호 성능 평가에 대한 분석 50
• 가. 암호화 속도에 대한 평가 50
• 나. 보안성 평가에 대한 분석 50
• 제4장 결론 53
• 참고문헌 55
• ABSTRACT 58
• 감사의 글 60