KR20020071328A - 파이프라인 구조를 이용한 시드의 하드웨어 구조 - Google Patents

Abstract

본 특허는 국내표준 128 비트 블록 암호 알고리즘인 SEED의 하드웨어 구조에 관한 것으로, 데이터를 고속으로 암호 처리할 수 있도록 ECB 모드의 암복호화와 CBC 모드의 복호화 시 파이프라인 구조를 사용하는 것이다.

본 특허의 SEED 하드웨어 구조는 [도 2]와 같이 key mixing 블록과 J3 함수 블록, J1 함수 블록, J2 함수 블록으로 1 라운드를 3 단계로 나누어, 파이프라인 구조를 사용하지 못하는 CBC 모드의 암호화를 제외한 ECB 모드의 암복호화와 CBC 모드의 복호화 시에는 이를 파이프라인 시킨다. 이 경우 파이프라인 구조를 사용하지 않았을 때 보다 약 3 배정도 성능이 향상된다.

Description

파이프라인 구조를 이용한 시드의 하드웨어 구조 {Hardware Architecture of the pipelined SEED }

본 발명은 SEED 암호 알고리즘을 지원하는 암호처리 하드웨어의 설계 및 구현에 관한 기술로, 종래 방식의 SEED 암호 알고리즘의 하드웨어 구현 방식은 1 라운드만을 구현하여 반복하도록 설계 시 1 라운드를 1 클럭으로 처리하며, 파이프라인 구조를 사용하지 않고, 모드에 따라 파이프라인 구조를 선택할 수 있게 하지 않아 암호 처리속도가 떨어지는 단점이 있다.

SEED 암호 알고리즘을 침입 탐지시스템, 전자상거래에서의 보안성 강화 등에 적용하기 위해서는 고속 암호처리가 가능해야 한다. 본 발명에서는 SEED 암호 알고리즘의 1 라운드를 3개의 서브 믈록으로 나누어 3 클럭으로 처리하여 ECB 모드의 암복호화와 CBC 모드의 복호화 시에는 라운드 처리 블록을 파이프라인 구조로 사용하고, CBC 모드의 암호화시에는 파이프라인 구조를 사용하지 않도록 모드에 따라 파이프라인 구조를 선택적으로 사용할 수 있게 하여 고속 암호처리가 가능한 SEED 암호 알고리즘의 하드웨어 구조를 제시한다.

도 1은 파이프라인 구조를 사용하기 위해 3 단계(stage 1 + stage 4, stage 2 , stage 3 or stage 1 + stage 2, stage 3 , stage 4)로 나눈 SEED의 1 라운드 구조.

도 2는 본 특허에 제안한 SEED engine의 전체 구조.

도 3은 파이프라인 구조를 사용한 경우(ECB 모드의 암복호화와 CBC 모드의 복호화)의 타이밍도.

도 4는 파이프라인 구조를 사용하지 않은 경우(CBC 모드의 암호화)의 타이밍도.

본 특허에서 고속으로 데이터를 암호 처리할 수 있도록 제안한 SEED의 하드웨어 구조는 [도 2]과 같다. 이 구조는 크게 암호화 처리 블록과 컨트롤 블록의 두 부분으로 나뉘어 진다. 암호화 처리 블록은 1 라운드를 key mixing 블록, J1 함수 블록, J2 함수 블록, J3 함수 블록의 네 부분으로 나누어 구현하였고, 이를 라운드 수만큼 반복 수행함으로써 데이터를 암호화한다. key mixing 블록은 [도 1]의 stage 1 부분으로 64 비트 라운드 키와 평문의 xor 연산으로 이루어져 있다. J1, J2, J3 함수 블록은 각각 [도 1]의 stage 2, stage 3, stage 4 부분으로 SS-box를 이용하여 구현한 G 함수 블록과 32 비트 모듈로 덧셈기로 이루어져 있고, J3 함수 블록은 여기에 xor연산이 추가된다. 컨트롤 블록은 암호화 처리 블록의 동작을 제어하기 위한 카운터와 간단한 state machine으로 이루어져 있다.

본 특허에서 제안한 SEED engine은 블록 암호의 운영 모드중 ECB 모드와 CBC 모드를 지원하도록 설계하였다. 모드에 따라 파이프라인 구조를 사용하는 경우와 파이프라인 구조를 사용하지 않는 경우의 두 가지로 나뉘어진다. ECB 모드로 암복호화 시에는 고속의 데이터 처리를 위해 암호화 블록을 J1 함수 블록, J2 함수 블록, key mixing 블록을 포함한 J3 함수 블록의 3 개의 단계로 나누고, 이를 파이프라인을 시켜 동시에 평문 3 개씩 암호 처리할 수 있도록 하였고, 3 클럭에 1 라운드가 수행되도록 하였다. 라운드를 3 단계로 나눌 때 위와 다르게 key mixing 블록을 포함한 J1 함수 블록, J2 함수 블록, J3 함수 블록의 3 개의 단계로 나눌 수도 있다. 1 라운드에 SS-box를 사용하는 G 함수가 3 번 수행되는데, 파이프라인 구조를 사용하면 G 함수 블록 1 개로 공유하여 사용할 수 없으므로 메모리의 사용이 3 배로 늘어나게 된다. CBC 모드로 암호화 시에는 평문에 이전의 암호문을 xor 연산을 한 데이터를 암호화 블록의 입력으로 사용하므로, ECB 모드처럼 파이프라인 구조를 사용할 수 없다. 이로 인해 성능이 1/3 정도로 감소한다. 그러나 CBC 모드로 복호화 시에는 암호문을 복호화한 결과와 이전의 암호문을 xor 연산을 하여 평문을 생성하므로, ECB 모드처럼 파이프라인 구조를 사용할 수 있다.

먼저 파이프라인 구조를 사용하는 ECB 모드로 암호화 시 전체 타이밍도는 [도 3]과 같다. 먼저 start 신호가 1 이 되면 로드된 레지스터0의 첫 번째 128 비트 평문은 멀티플랙서를 통과하고 key mixing 블록을 수행한 후 레지스터1에 저장된다. 다음 클럭에서 첫 번째 평문은 J1 함수 블록을 수행한 후 레지스터2에 저장되고, 두 번째 평문은 전 클럭에서의 첫 번째 평문처럼 멀티플랙서를 통과하고 key mixing블록을 수행한 후 레지스터1에 저장된다. 그리고 다음 클럭에서는 첫 번째 평문은 J2 함수 블록을 수행한 후 레지스터3에 저장되고, 두 번째 평문은 J1 함수 블록을 수행한 후 레지스터2에 저장되고, 마지막 세 번째 평문은 다른 평문들과 마찬가지로 멀티플랙서를 통과하고 key mixing 블록을 수행한 후 레지스터1에 저장된다. 다음 클럭부터 멀티플랙서는 로드되어 입력되는 레지스터0의 평문이 아닌 J3 함수 블록을 수행하고 귀환되어 오는 데이터를 통과시키며, 3 개의 평문은 각각 다음 함수 블록들을 수행한다. 이렇게 3 개의 평문이 1 라운드만을 구현한 암호화 처리 블록을 각각 16 번씩 반복 수행하여 암호문을 생성한다. 16 라운드를 수행하고 나면 ready 신호를 1 로 하여 암호화 과정을 마쳤음을 알려주고, 이때 생성된 암호문을 레지스터4에 저장한다.. 그러므로 파이프라인 구조를 사용하면 3 개의 평문이 동시에 암호화 과정을 수행하게 된다. 그리고 3 개의 평문이 암호화 과정을 거쳐 암호문이 생성된 후 다음 3 개의 평문이 위의 과정처럼 암호화 과정을 수행하게 된다.

파이프라인 구조를 사용하지 않는 CBC 모드의 암호화 시에는 [도 4]와 같이 하나의 평문을 로드해서 이를 16 번 반복 수행하여 암호문을 생성한 후, 다음 평문을 암호화하게 된다.

본 특허는 ECB 모드의 암복호화와 CBC 모드의 복호화시 1 라운드를 3 단계로 나누어 파이프라인 시킴으로써 파이프라인 구조를 이용하지 않았을 때 보다 약 3 배정도 성능이 향상되므로, 고속으로 데이터를 암호 처리해야 할 경우에 유리하다.

Claims (3)

1. G 함수의 SS-box(또는 S-box)를 동기식 메모리(ROM)로 사용할 수 있도록 1 라운드를 [도 1]의 stage 1 + stage 4, stage 2, stage 3의 3 개의 서브 블록으로 나누어 3 클럭으로 처리한 라운드 처리 블록의 구조. SEED에 대한 특허인 [1]에서는 본 특허와 달리 1 라운드를 [도 1]의 stage 1 + stage 2, stage 3, stage 4의 3 개의 부분 라운드로 나누어 구현하였다.
2. ECB 모드의 암복호화와 CBC 모드의 복호화 시 3 개의 서브 블록으로 나눈 라운드 처리 블록을 파이프라인 시킨 구조. [1]에서는 라운드 키 생성 시 파이프라인 구조를 사용하였지만 키는 매 블록마다 바뀌는 것이 아니므로 데이터의 암호 처리 속도를 높이는데 큰 영향을 끼치지 못한다. 그러나 본 특허는 라운드 처리 블록에서 파이프라인 구조를 사용하므로 파이프라인 구조를 사용하지 않았을 때 보다 데이터의 암호 처리 속도가 약 3 배정도 향상된다.
3. ECB 모드의 암복호화와 CBC 모드의 복호화 시에는 파이프라인 구조로 사용할 수 있고, CBC 모드의 암호화 시에는 파이프라인 구조를 사용할 수 없으므로 모드와 암복호화에 따라 파이프라인 구조를 선택하여 사용할 수 있도록 한 구조.