yc7764 / aes_128

AES(Advanced Encryption Standard)_128

AES는 암호 알고리즘으로 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용하는 대칭키 알고리즘이다. 128bit의 평문을 입력으로 받아 암호화 과정을 통해 128bit의 암호문을 출력하거나 128bit의 암호문을 복호화 과정을 통해서 128bit의 평문을 출력한다. 각 라운드에 대응되는 키는 128, 192, 256bit가 있으며, 이 중에서 키의 길이가 128bit인 AES-128을 구현하였다.

시스템 구성도

프로그램 실행 시 KeyExpansion() 함수를 이용하여 128bit의 키로 44 word(1 word는 32bit)의 각 라운드 키를 생성하고 암호화를 시작한다. 먼저 AddRoundKey 함수를 호출하고, 총 10 라운드가 진행한다. 각 라운드는 순서대로 SubBytes, ShiftRows, MixColumns, AddRoundKey로 진행되며 마지막 라운드에서는 MixColumns를 제외한다.

1. KeyExpansion

   • 각 라운드에 사용하는 라운드 키를 생성하는 함수로 하나의 128비트 암호 키로부터 11개의 128비트 라운드 키를 생성하였다. 워드가 4개의 바이트로 이루어진다고 할 때, 키 확장 루틴은 워드 단위로 라운드키를 생성한다. 키 확장 과정에서 라운드의 수를 N이라고 할 때, 4x(N+1)개의 워드를 생성하며 총 10 라운드를 진행하기 위해서 총 44개의 워드를 생성하고 각 라운드 키는 네 개의 워드로 이루어진다. 각 라운드에 사용되는 워드는 아래의 표와 같다.

     Round	Words
     Pre-round	W0 W1 W2 W3
     1	W4 W5 W6 W7
     2	W8 W9 W10 W11
     3	W12 W13 W14 W15
     N	W4N W4N+1 W4N+2 W4N+3

   • 처음 네 개의 워드 W₀, W₁, W₂, W₃는 암호 키로부터 만들어지며 모든 과정은 아래의 그림과 같다. 암호키의 처음 4바이트는 W₀가 되고 그 다음 4바이트는 W₁이 되는 과정을 통해 W₃까지 정의를 한다. 나머지 워드들은 다음의 과정을 통해 계산한다.

     • i mod 4 ≠ 0일 경우, W_i = W_i-1 ⊕ W_i-4
     • i mod 4 = 0일 경우, W_i = t ⊕ W_i-4, 이떄 t는 W_i-1를 이용하여 구한다. W_i를 왼쪽으로 한바이트씩 이동시키고 각 바이트를 s_box를 이용하 여 대치시킨다. 그리고 대치시킨 값과 라운드 상수 rcon을 배타적 논리합한 결과가 t이다.
       
2. AddRoundKey
   • KeyExpansion 함수에 의해 생성된 각 라운드 키를 이용하여 해당 라운드 state 행렬의 각 열에 xor 연산을 한다.
     
3. SubBytes

   • 하나의 byte를 대치하기 위해 각 byte를 4bit씩 2개의 16진수로 계산하여 왼쪽 4bit를 s_box의 행으로 오른쪽 4bit를 열로 표를 읽어온다. s_box는 아래의 표와 같다.
     

   • s_box

     	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	A	B	C	D	E	F
     0	63	7C	77	7B	F2	6B	6F	C5	30	01	67	2B	FE	D7	AB	76
     1	CA	82	C9	7D	FA	59	47	F0	AD	D4	A2	AF	9C	A4	72	C0
     2	B7	FD	93	26	36	3F	F7	CC	34	A5	E5	F1	71	D8	31	15
     3	04	C7	23	C3	18	96	05	9A	07	12	80	E2	EB	27	B2	75
     4	09	83	2C	1A	1B	6E	5A	A0	52	3B	D6	B3	29	E3	2F	84
     5	53	D1	00	ED	20	FC	B1	5B	6A	CB	BE	39	4A	4C	58	CF
     6	D0	EF	AA	FB	43	4D	33	85	45	F9	02	7F	50	3C	9F	A8
     7	51	A3	40	8F	92	9D	38	F5	BC	B6	DA	21	10	FF	F3	D2
     8	CD	0C	13	EC	5F	97	44	17	C4	A7	7E	3D	64	5D	19	73
     9	60	81	4F	DC	22	2A	90	88	46	EE	B8	14	DE	5E	0B	DB
     A	E0	32	3A	0A	49	06	24	5C	C2	D3	AC	62	91	95	E4	79
     B	E7	C8	37	6D	8D	D5	4E	A9	6C	56	F4	EA	65	7A	AE	08
     C	BA	78	25	2E	1C	A6	B4	C6	E8	DD	74	1F	4B	BD	8B	8A
     D	70	3E	B5	66	48	03	F6	0E	61	35	57	B9	86	C1	1D	9E
     E	E1	F8	98	11	69	D9	8E	94	9B	1E	87	E9	CE	55	28	DF
     F	8C	A1	89	0D	BF	E6	42	68	41	99	2D	0F	B0	54	BB	16

4. ShiftRows
   • 행 단위 연산을 수행하여 각 state 행렬의 행을 바이트 이동시킨다. 이때 이동하는 수는 행렬의 행 번호(0~3)에 의존하며, 0번쨰 행에서는 이동하지 않고, 마지막 행에서는 3byte만큼 순환 이동한다.
5. MixColumns
   • 열 단위 연산을 수행하여 각 state 행렬의 열을 새로운 열로 변환한다. state 행렬에 상수 정방 행렬을 곱하는 연산이다. 이때 byte들의 곱셈은 x⁸+x⁴+x³+x+1을 가지고 GF(2⁸)에서 행해지고 덧셈은 8bit인 word들의 xor연산과 동일하다.

실행 결과

총 10 round가 진행되는 동안 해당 round에서 사용한 round key와 input state, output state를 출력한다.