7-라운드 SEED에 대한 향상된 차분 공격

Improved Differential Attack of Seven-Round SEED

Abstract

블록 암호알고리즘 SEED 국내 TTA(정보통신기술협회)와 더불어 국제 ISO/IEC 표준으로 사용되고 있는 128비트 입출력을 갖는 국내에서 개발된 알고리즘이다. SEED 개발 이후 현재까지 알려진 가장 좋은 공격 방법은 2002년 Yanami 등이 제안한 차분 분석 방법이다. 이 공격 방법은 확률 $2^{-124}$의 6-라운드 차분 특성을 이용하여, 7-라운드 SEED를 $2^{127}$의 데이터 복잡도로 분석하였다. 본 논문에서는 확률 $2^{-110}$의 새로운 6-라운드 새로운 차분 특성을 제시하고, 이를 이용하여 7-라운드 SEED를 $2^{113}$의 데이터 복잡도로 공격할 수 있음을 보인다.

Block Cipher SEED which was developed by KISA are not only Korea national standard algorithm of TTA but also one of standard 128-bit block ciphers of ISO/IEC. Since SEED had been developed, many analyses were tried but there was no distinguishing cryptanalysis except the 7-round differential attack in 2002. The attack used the 6-round differential characteristic with probability $2^{-124}$ and analyzed the 7-round SEED with $2^{127}$ chosen plaintexts. In this paper, we propose a new 6-round differential characteristic with probability $2^{-110}$ and analyze the 7-round SEED with $2^{113}$ chosen plaintexts.

Ⅰ. 서론

블록 암호에 대한 가장 강력한 분석 방법은 차분 공격으로, DES가 차분 공격으로 분석된 이후 다수의 알고리즘들이 차분 분석 방법으로 많이 분석되었다. 126.7〕이러한 차분 공격이 개발된 이후, 차분 및 선형 분석에 증명 7]능한 안전성을 제시하는 구조에 대해서도 많은 연구가 진행되었다♦用 또한 블록 암호의 키스케 쥴의 특성과 차분 특성을 결합한 연관 키 공격 및 연관 암호 공격 등을 이용한 다양한 분석 방법들도 제시되었다」"'

ISO/IEC의 128-비트 블록 암호 표준으로는 AES, Camellia, SEED가 있다」"上)AES는 NIST 의 AES 프로젝트에 의해 채택된 벨기에의 알고리즘이고. Camellia는 일본에서 개발되었고.

SEED는 1999년 대한민국 KISA에서 개발된 알고리즘이다. SEED는 16-라운드 DES와 같은 Feistel 구조를 가지는 블록 암호알고리즘이다. SEED가 개발된 이후 국내 뿐 아니라 전 세계적으로 다양한 분석이 시도되었으나 뚜렷한 연구 분석 결과는 제시되지 못한 실정이다. 다만 2002년 H. Yanami와 T. Shimoyama가 제시한 7 라운드에 대한 공격이 유일한 분석 방법으로 알려져 있디J(2)

이 공격 방법은 가장 기본적인 차분 분석 방법으로 확률 2T24을 가지는 6-라운드 차분 특성을 이용하여 한 라운드를 덧붙이는 1R 공격을 하였다. 따라서 7-라운드 SEED를 尹。개의 평문-암호문 쌍, 즉 尹?의 데이터 복잡도로 공격한 방법이다. H. Yanami와 T. Shimoyama의 이 공격 방법은 개발자가 제시한 6-라운드 최대 차분 특성 확률인 2-13。보다 높은 확률을 갖는 특성을 법 232에서의 덧셈 특성을 이용해 찾은 것이다.

(표 1) 7-라운드 SEED 공격

본 논문에서는 확률 2-以4을 가지는 6-라운드 차분 특성보다 좋은 새로운 6-라운드 특성을 제시한다. 이차분 특성의 확률은 기존의 차분 특성 확률보다 2" 배 좋은 것으로, 이를 이용하면 7-라운드 SEED의 복잡도를 꺼財에서 义3으로 낮출 수 있다.

Ⅱ. 블록 암호 SEED 소개

블록 암호의 구조는 크게 DES와 같은 Feistel 구조와 AES와 같은 SPN 구조로 나눌 수 있다. 블록 암호 알고리즘 SEED는 DES와 같은 Feistel 구조이고, 128■비트의 입출력을 갖는다. SEED는 키 사이즈는 현재 128-비트만을 사용하고 있다.

SEED의 라운드 함수 F는 64-비트의 입출력을 갖는 함수로 변형된 3-라운드 MISTY 구조이다. 라운드 함수에는 총 64■비트의 키가 사용된다. 이 3-라운드 MISTY 구조는 차분 및 선형 관점에서 실제적인 안전성을 제공할 뿐 아니라 의사난수 과점에서 이론적인 안전성을 제공하는 구조이다.

(그림 1) SEED의 라운드 함수 F

라운드 함수 M 사용된 G 함수는 32-비트의 입출력을 갖는 함수로 차분 및 선형 공격의 측면에서 좋은 특성을 지닌 함수이다. G 함수에는 라운드 키는 사용되지 않는다.

다음 그림은 SEED의 라운드 함수 月에 사용되는 G 함수를 나타낸 것이다. 여기서 ma =fcx, ml =f3®, m.2 = cfx , )砚 = %이다. 차분 분석 관점 에서의 SEED 의 G 함수는 branch number가 4라는 특성을 가지고 있다.

[그림 2] SEED의 G 함수

본 논문의 공격의 SEED의 키 스케쥴의 특성을 이용하지 않으므로 소개는 생략한다.

Ⅲ. 기존 7-라운드 차분 분석

본 절에서는 2002년 H. Yanami와 T. Shimoyama가 제시한 지금까지 알려진 SEED 가장 좋은 차분 특성을 소개한다」(2) SCN₂₀02의 논문에서는 라운드 함수의 좌우가 바뀐 잘못된 그림을 이용하여 차분 특성을 설명하였다. 이는 그림의 좌우만 바뀐 것으로 안전성 분석 및 이론에는 직접적인 영향은 없다. 다만 표기를 바로잡기 위해 본 논문에서는 올바른 라운드 함수 그림을 이용하여 H. Yanami와 T. Shimoyama를 바로 잡아 표기할 것이다. 또한, 여기서 표기하는 수는 모두 16진법을 이용하여 표기한다.

3.1. 기존의 6-라운드 차분 특성

다음의 그림은 논문〔12〕에서 제시한 가장 좋은 6-라운드 차분 특성이다. 여기서, a = 80000080x이다. 이 차분 특성의 확률 “는 다음과 같다」

(그림 3) 기존의 6-라운드 차분 특성

#

자세한 각각의 功의 확률 및 각 라운드의 차분 특성은 본 논문에서는 생략한다. 자세한 내용은 논문을 참고하길 바란다.软

H. Yanami와 T. Shimoyama는 앞서 제시한 차분 특성과 함께 확률이 두 번째로 높은 또 다른 차분 특성도 제시하였다. 하지만, 이 두 번째 차분 특성의 확률은 厂财로 랜덤 특성의 확률과 같아 실제적인 차분 분석에는 사용될 수 없는 특성이다.

3.2. 6-라운드 차분 특성을 이용한 7-라운드 공격

앞서 제시한 확률 厂|眼의 6-라운드 차분 특성을 이용한 7-라운드 공격은 다음과 같다’

단계 0 (데이터 수집 과정)

- 2126 (= 4 - 2124) 평문 쌍 CR/씨에 대한 암호문 쌍 (G C*)을 얻는다.

단계 1 (키 초기화 과정)

- 마지막 7번째 라운드 후보 키 齊개를 초기화 한다.

단계 2 (잘못된 쌍 필터링 과정)

- 암호문 쌍 0 * cc에 대해, 오른 쪽 반의 차분이 (00000000, 80000080)°] 아닌 쌍을 버린다’

단계 3 (후보 쌍을 이용한 키 카운트 과정)

- 단계 2에서 남은 암호문 쌍을- 이용하여 , 7-라운드 키 후보에 대해 7-라운드 함수의 64-비트 출력 차분과 암호문의 왼쪽 차분의 XOR한 값이 (00000000, 00000000)이 되는 지를 체크한 후, 값을 만족한 경우 키 후보를 1씩 증가시킨다.

단계 4 (후보 쌍을 이용한 키 카운트 과정)

- 단계 3의 키 카운트 중 가장 높이 카운트 되는 키를 올바른 키로 출력한다.

7-라운드 공격은 가장 전형적인 차분 공격 기법이다. H. Yanami와 T. Shimoyama의 논문에서는 계산 복잡도 및 성공 확률에 대한 명확한 언급이 생략되었다. 본 논문에서의 위의 각 단계별 복잡도 및 확률을 엄밀히 살펴보자.

우선, 단계 0은 데이터를 수집하는 단계로 총 2126 개의 평문 쌍에 대한 암호문 쌍이 필요하다. 즉, 2127 개의 평문에 대한 암호문이 필요하다. 또한. 단계 1에서는 총 2"개의 64-비트 메모리가 필요하다.

단계 2에서는 잘못된 쌍(wrong pair)을 필터링하는 과정으로 필터링 확률이 厂以이므로, 총 】河개의 쌍 중 평균적으로 产개의 쌍만이 남는다.

단계 3은 남은 产쌍을 가지고. 2"개의 키 후보에 대해 라운드 함수 연산을 하여야 한다. 즉 2'2449 ( = 2 . 梦 . 264 - :)의 계산 복잡도가 필요호}다' 여기서 단위는 7-라운드 SEED 암호화이다.

하지만. 단계 3의 계산 복잡도는 라운드 함수 F에 대해 사전 테이블을 미리 계산한 후 저장 해 두면 복잡도를 낮출 수 있다. 즉, 라운드 함수 F에서 라운드키가 XOR 된 후의 값과 출력 값을 미리 계산해 놓은 것이다. 이렇게 사전에 이러한 테이블을 미리 계산 해놓으면 2*" 번의 XOR와 테이블 look-up 연산으로 계산 가능하다. 물론 2财번의 XOR와 테이블 look-up 연산이 2124'19 7-라운드 SEED 암호화 연산보다 효과 적이어야 한다. 단계 3을 이렇게 구성할 경우, 추가의 2㎛의 64-비트 메모리가 더 필요하다.

마지막 단계 4의 성공 확률을 살펴보자. 잘못된 키에 대해 키가 카운트되는 것에 대한 분포를 포아송분포 X~/初(入)를 따른다고 가정하자. 그러면, 올바른 키의 경우>、= 4丑 = 4이고, 잘못된 키가 카운트 되는 경우는 평균 入= 用2 = 2-2이 된다. 따라서 threshold를 어떻게 잡느냐에 따라 옳은 키가 포함될 성공 확률 Pr[X, .fl 2 서과 잘못된 키가 포함된 확률서 이 달라진다. 일반적으로 4로 놓고, 두 확률을 계산하면 다음과 같다.

#(1)

#(2)

확률 (1)은 잘못된 키 중 厂 /时의 확률로 살아남는 다는 뜻이고, (2)는 올바른 키 후보가 이 안에 있을 확률이 0.57 정도가 된다는 것을 의미한다.

Ⅳ. 새로운 7-라운드 차분 분석

본 절에서는 앞서 제시한 6-라운드 차분 특성보다 확률이 높은 새로운 차분 특성을 제시하고, 이를 이용한 공격 방법을 소개한다. 기본적인 정의 및 기호는 〔12〕의 논문을 사용한다. 물론 앞의 경우와 같이 차분은 비트별 XOR 차분을 사용한다.

4.1. 새로운 6-라운드 차분 특성

다음은 새로운 6-라운드 차분 특성을 그림으로 나타낸 것이다.

(그림 4) 새로운 6-라운드 차분 특성

위의 그림에서, 让c、d는 32-비트의 0이 아닌 차분을 나타내고 a®fe®cffid = 0-|- 만족한다. 이 새로운 차분 특성 식의 확률 P(= PiP必叩脾6)를 계산하자. 우선 p2=p6= 1이다. 또한, 첫 번째 라운드와 세 번째 라운드의 특성식이 같으므로 P1 = P3이다. 확률은 다음과 같이 정의된다. 따라서 확률은 이다.

앞의 SEED의 라운드 함수의 그림에서 라운드 키가 XOR되는 부분은 XOR 차분에 영향을 주지 않으므로 이를 제거한 라운드 함수의 차분을 살펴본다. 확률 阵国轮의 값이 크고, a割S沁0* = 0을 만족하는의 값을 얻기 위해서는 라운드 함수의 차분 특성의 변화를 잘 살펴보아야 한다. 라운드 함수의 차분에서 가장 민감하게 영향을 주는 것은 다음 두 가지이다.

#(a)

#(b)

우선, 라운드 함수 F는 있는 세 개의 G 함수에서 최소의 active S박스의 수는 2이다. 또한 덧셈 부분의 확률을 최대화하기 위해서는 비트별。이 아닌 차분의 수가 적어야 한다. 이러한 사항들을 고려하여 우리는 다음 두 가지의 a, 膈 d의 값을 찾았다.

(표 2) 두 개의 가능한 a, b, c, d의 값

TYPE 1과 TYPE 2는 3와 d의 1-비트만 제외하고 같은 값이다. 우선 TYPE1의 경우의 세 개의 라운드 함수, 에 대한 차분 특성 및 확률을 살펴보자. 다음은 첫 번째 라운드의 차분 특성을 나타낸 것이다.

첫 라운드의 차분 특성 확률을 살펴보자. 라운드 함수 /의 차분 특성의 확률은 = % 妍3务%%이다. 각 织는 다음과 같이 정 의된다.

(그림 5) F 차분 특성

#

여기서 C 함수에 대한 확률은 §및 3의 차분 분포표를 이용하면 쉽게 계산되고, 덧셈에 대한 확률은 덧셈과 XOR의 차분의 변화에 대한 연구들을 이용하면 된다.U"(2) 따라서 0 = 2-21이다.

다음의[그림 6〕과[그림 7〕은 4-라운드 및 5-라운드의 차분 특성을 나타낸 것이다. 이 두 개의 차분 특성의 확률도 앞의 방법을 동일하게 적용하면, p4=2-15 이고 ft= 厂河이다.

(그림 6) K 차분 특성 II : (a, 0)-(aQ3c, 0)

[그림 7] F 차분 특성 \\\ (d, a)^(a, 0)

(표 3] TYPE 1 및 2의 라운드 별 차분 특성 확률

따라서 TYPE 1의 6-라운드 차분 특성의 확률 P= 或如% = 顷")2 . 厂歩 .2「23= 2"项이 된다.

TYPE 2의 경우도 거의 비슷한 방법으로 확률을 계산하면, P)= 2 22, 孔 = 2「侦, %= 2「"이 된다. 따라서 6-라운드 차분 특성 확률은 尸弟凹= 厂山이 된다. TYPE 1의 경우가, TYPE 2보다 라운드 차분 특성 I 에서 차분 특성의 확률이 큰 것은 Pr [07으80] = 厂6의 확률이 Pr [03으80] = 厂7보다 크기 때문이다.

다음은 이상에서 살펴 본 두 개의 차분 특성을 정리한 것이다. 6-라운드 차분 특성의 확률은 랜덤한 확률인 厂淄보다 좋으므로 차분 공격을 적용할 수 있다. 하지만 TYPE 1 및 2를 1-라운드 확장시킨 확률은 랜덤한 확률보다 낮으므로 기본적인 차분 공격을 적용하기에는 어렵다.

4.2. 새로운 7-라운드 차분 공격

앞서 살펴본 3.2절의 공격 방법을 동일하게 새로운 6-라운드 차분 특성식을 이용하여 적용하면 2"3의 데이터 복잡도와 계산 복잡도를 계산하면 2”。展의 계산복잡도로 7-라운드 SEED를 공격할 수 있다.

마찬가지 방법으로 성공 확률을 계산하면 다음과 같다. 入= Ml = 4이고, 잘못된 키가 카운트 되는 경우는 평균 入= 巾2 = 厂"이 된다. 또한 k= 4로 하자.

#(3)

#(4)

옳은 키가 포함될 확률 (4)는 앞서 살펴본 확률 (2)와 같지만, 잘못된 키가 포함될 확률은 앞서 살펴본 확률보다 현저히 낮아졌다. 따라서 새로운 공격이 기존의 공격보다 효과적으로 적용됨을 알 수 있다.

Ⅴ. 결론

본 논문에서의 기존의 6■■라운드 차분 특성보다 확률이 좋은 새로운 차분 특성을 제시하였다, 그 결과 기존보다 낮은 복잡도로 7…라운드 SEED를 분석할 수 있음을 보였다. 하지만, 본 논문은 SEED를 분석하는 라운드 수를 늘리지는 못하였다. 이 논문에서 제시한 확률보다 높은 차분 특성식에 대한 연구 및 차분 공격의 2R-aMack의 적용 가능성 연구 등을 통해 8-라운드 이상의 SEED의 분석을 수행하는 것이 추후 과제이다.

* 이 논문은 2010년도 서울시립대학교 연구년교수 연구비에 의하여 연구되었음