The Journal of the Korea institute of electronic communication sciences (한국전자통신학회논문지)

Korea Institute of Electronic Communication Science (한국전자통신학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Symmetric SPN block cipher with Bit Slice involution S-box

비트 슬라이스 대합 S-박스에 의한 대칭 SPN 블록 암호

  • 조경연 (부경대학교 IT 융합응용공학과) ;
  • 송홍복 (동의대학교 전자공학과)
  • Received : 2011.02.23
  • Accepted : 2011.04.12
  • Published : 2011.04.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Feistel and SPN are the two main structures in a block cipher. Feistel is a symmetric structure which has the same structure in encryption and decryption, but SPN is not a symmetric structure. Encrypt round function and decrypt round function in SPN structure have three parts, round key addition and substitution layer with S-box for confusion and permutation layer for defusion. Most SPN structure for example ARIA and AES uses 8 bit S-Box at substitution layer, which is vulnerable to Square attack, Boomerang attack, Impossible differentials cryptanalysis etc. In this paper, we propose a SPN which has a symmetric structure in encryption and decryption. The whole operations of proposed algorithm are composed of the even numbers of N rounds where the first half of them, 1 to N/2 round, applies a right function and the last half of them, (N+1)/2 to N round, employs an inverse function. And a symmetry layer is located in between the right function layer and the inverse function layer. The symmetric layer is composed with a multiple simple bit slice involution S-Boxes. The bit slice involution S-Box symmetric layer increases difficult to attack cipher by Square attack, Boomerang attack, Impossible differentials cryptanalysis etc. The proposed symmetric SPN block cipher with bit slice involution S-Box is believed to construct a safe and efficient cipher in Smart Card and RFID environments where electronic chips are built in.

블록 암호는 Feistel 구조와 SPN 구조로 나눌 수 있다. Feistel 구조는 암호 및 복호 알고리즘이 같은 구조이고, SPN 구조는 암호 및 복호 알고리즘이 다르다. SPN 구조에서의 암호 및 복호 라운드 함수는 키 합산층과 S-박스에 의하여 혼돈을 수행하는 치환층 및 확산층의 세 단계로 구성된다. AES, ARIA 등 많은 SPN 구조에서 8 비트 S-박스를 사용하므로 Square 공격, 부메랑 공격, 불능 차분 공격 등이 유효하다. 본 논문에서는 암호와 복호 과정이 동일한 SPN 구조 블록 암호 알고리즘을 제안한다. SPN 구조 전체를 짝수인 N 라운드로 구성하고 1 라운드부터 N/2 라운드까지는 정함수를 적용하고, (N/2)+1 라운드부터 N 라운드까지는 역함수를 적용한다. 또한 정함수단과 역함수단 사이에 대칭 블록을 구성하는 대칭단을 삽입한다. 대칭단은 간단한 비트 슬라이스 대합 S-박스로 구성한다. 비트 슬라이스 대합 S-박스는 Square 공격, 부메랑 공격, 불능 차분 공격 등의 공격을 어렵게 한다. 본 논문에서 제안한 SPN 블록 암호는 제한적 하드웨어 및 소프트웨어 환경인 스마트카드와 전자칩이 내장된 태그와 같은 RFID 환경에서 안전하고 효율적인 암호 시스템을 구성할 수 있다.

Keywords

References

  1. H. Feistel, "Cryptography and Computer Privacy", Scienti- fic American, Vol. 228, No. 5, pp. 15-23, 1973.
  2. National Bureau of Standards, Data Encryption Standard, FIPS-Pub. 46. National Bureau of Standards, U.S. Depart- ment of Commerce, Washington D.C., January 1977.
  3. SEED, http://www.ietf.org/rfc4269.txt.
  4. Federal Information Processing Standards Publication 197, "Announcing the Advanced Encryption Standard(AES)," Nov. 2001, csrc.nist.gov/publications/fips/ fips197/ fips- 197.pdf.
  5. Daesung Kwon, et. al., "New block cipher : ARIA," Information security and cryptology - ICISC 2003, 6th international, pp. 432-445, 2003.
  6. C.E. Shannon, "Communication Theory of Secrecy System" Bell System Technical Journal, Vol. 28, No. 4, pp. 656-715, 1949. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1949.tb00928.x
  7. "Report on the Development of the Advanced Encryption Standard(AES)", http://www.csrc.nist.gov/archive/ace/round2/r2report..
  8. J. J. Daemen, and V. Rijmen, "AES Proposal: Rijndael," http://www.csrc.nist.gov /archive/aces/rijndael/Rijindael.pdf.
  9. 조경연, 송홍복, "암복호가 동일한 변형 AES," 한국산업정보학회논문지, 제15권, 제2호, pp. 1-10, 2010년 6월.
  10. E. Biham and A. Shamir, "Differential Cryptanalysis of the Full 16-Round DES", LNCS 537, pp. 2-21, 1990.
  11. M. Matsui, "Linear Cryptanalysis Method for DES", LNCS 765, pp. 386-397, 1994.
  12. J. Daemen, L. Knudsan, and V. Rijmen, "The Block Cipher Square," Proceeding of FSE`97, LNCS Vol.1267, pp. 149-165, 1997.
  13. A. Birynkov, "The Boomerang attack on 5 and 6-round reduced AES", LNCS 3373, pp. 42-57, 2005.
  14. J. Cheon, M. Kim, K. Kim, J. Lee and S. Kang, "Improved impossible differential cryptanalysis of Rijndael and Crypton", LNCS 2288, pp. 39-49, 2001.
  15. L. R. Knudsen, "Truncated and higher order differential," Fast Software Encryption-Second International Workshop, LNCS Vol. 1008, pp. 196-211, 1995.
  16. A. M. Youssef, S. Mister, and S. E. Tavares, "On the Design of linear Transformation for Substitution and Permutation Encryption Networks," in the Workshop Record of the Workshop on Selected Areas in Cryptography (SAC `97), pp. 40-48, Aug. 1997.
  17. S. Hong, S. Lee, J. Lim, J. Sung, and D. Cheon, "Provable security against differential and linear crypta- nalysis for the SPN structure," In Fast Software Encryp- tion 2000, LNCS Vol. 1978, pp. 273-283, 2001.