HIGHT

HIGHT(HIGh security and light weigHT) 암호 알고리즘은 RFID, USN 등과 같이 저전력ㆍ경량화를 요구하는 컴퓨팅 환경에서 기밀성을 제공하기 위해 2005년 KISA, ETRI 부설연구소 및 고려대가 공동으로 개발한 GFS구조의 64비트 경량 블록 암호 알고리즘이다. 스마트폰, 스마트카드 및 RFID등과 같이 저전력, 경량화를 요구하는 모바일 환경에서 기밀성 있는 보안을 확보하기 위해 개발되었다.

특징

• 휴대형 기기 및 모바일 환경에 적합하도록 특수 설계되었고, 전력 소비가 적도록 개발된 블록 암호화 알고리즘이다.
• 8비트 단위의 기본적인 산술연산, XOR, 순환이동만으로 사용가능 하도록 간단구조로 설계되었다.
• 128비트 국산암호화 알고리즘 SEED에 비해 제한된 호나경에 적용하기위해 매우 간단한 구조의 안전성, 효율성을 동시에 고려하였다.
• 메모리와 같은 하드웨어 자원이 부족한 환경에 적합하도록 일반적인 블록 암호화 알고리즘과는 다르게 S-Box(Substitution-box)를 제거하였다.
• 2006년 12월 정보통신단체 표준으로 제정되었다.
• 2010년 12월 ISO/IEC 국제 표준으로 제정되었다.

알고리즘

HIGHT 알고리즘은 전체적으로 일반화된 Feistel 변형 구조로 이루어져 있으며, 64비트의 평문과 128비트의 키로부터 생성된 8개의 8비트 화이트닝키와 128개의 8비트 서브키를 입력으로 사용함으로써 총 32라운드를 거쳐서 64비트 암호문을 출력한다.

기호와 표기

64비트 평문과 암호문은 각각 8개의 바이트로 다음과 같다.

• 평문 : $P_{7}||P_{6}||\cdots ||P_{0}$
• 암호문 : $C_{7}||C_{6}||\cdots ||C_{0}$

64비트 라운드함수 입·출력은 8개의 바이트로 다음과 같다.

• $X_{i}=X_{i,7}||X_{i,6}||\cdots ||X_{i,0},i=0,\cdots ,32$

128비트 키(마스터키)는 16개의 바이트로 다음과 같다.

• $MK=MK_{15}||MK_{14}||\cdots ||MK_{0}$

라운드함수에 적용되는 라운드키는 서브키 $SK_{i}$와 화이트닝키 $WK_{i}$

• $SK_{i},i=0,\cdots ,127$
• $WK_{i},i=0,\cdots ,7$

산술 연산 기호

• ⊞ : 법 $2^{8}$ 덧셈
• ⊟ : 법 $2^{8}$ 뺄셈
• ⊕ : XOR (배타적 논리합)
• $A^{<<8}$ : 8비트 값 A에 대한 8비트 좌측 순환 이동

키 스케줄

HIGHT의 라운드키는 화이트닝키와 LFSR을 사용하여 생성한 서브키들로 이루어진다.

1. 화이트닝키 생성

화이트닝키는 마스터키를 사용하여 다음과 같은 방법으로 생성한다.

$WK_{i}={\begin{cases}MK_{i+12}&,&0\leq i\leq 3\\MK_{i-4}&,&4\leq i\leq 7\end{cases}}$

2. LFSR(Left Feedback Shift Register) $h$

LFSR $h$의 연결 다항식은 $x^{7}+x^{3}+1$이다. 이 다항식은 $F_{2}[x]$에서 원시다항식이기 때문에 $h$는 $2^{7}-1=127$의 주기를 갖는다. $h$의 초기 내부 상태 값은 $\delta _{0}=(s_{6},s_{5},s_{4},s_{3},s_{2},s_{1},s_{0})=(1,0,1,1,0,1,0)_{2}$으로 정해진다. 그러면 $i=1,\cdots ,127$에 대하여 $\delta _{i}$는 다음과 같이 생성된다.

$s_{i+6}=s_{i+2}\oplus s_{i-1},$

$\delta _{i}=(s_{i+6},s_{i+5},s_{i+4},s_{i+3},s_{i+2},s_{i+1},s_{i}),$     $1\leq i\leq 127$

$h$의 주기가 127이기 때문에 $\delta _{0}=\delta _{1}27$이다.

3. 서브키 생성

서브키를 생성하는 알고리즘은 다음과 같이 구성된다.

$For\ i=0\ to\ 7$

$For\ j=0\ to\ 7$

$SK_{16\cdot i+j}\leftarrow MK_{j-imod8}\boxplus \delta _{16\cdot i+j}$;

$For\ j=0\ to\ 7$

$SK_{16\cdot i+j+8}\leftarrow MK_{(j-imod8)+8}\boxplus \delta _{16\cdot i+j+8}$;

$\delta _{i}\ (0\leq i\leq 127)$는 LFSR $h$의 내부 상태의 값들이다.

4. 암호화키 생성

HIGHT의 암호화 알고리즘이 수행되기 위하여 라운드키 생성과정은 바이트 단위의 8개의 화이트닝키 $WK_{0},\cdots ,WK_{7}$와 128개의 서브키 $SK_{0},\cdots ,SK_{127}$를 생성한다.

5. 복호화키 생성

HIGHT의 복호화 알고리즘은 암호화 알고리즘과 같은 화이트닝키와 서브키 바이트들을 이용하지만 순서가 다르다. 복호화 알고리즘에서는 $WK_{4},WK_{5},WK_{6},WK_{7}$이 초기변환에, $WK_{0},WK_{1},WK_{2},WK_{3}$이 최종변환에 사용된다. 복호화 알고리즘에서 사용되는 서브키 바이트들은 $SK'_{i}$로 표시되며, 다음과 같이 정의된다.

$SK'_{i}=SK_{127-i},$     $i=0,\cdots ,127$

암호화

1. 암호화 초기변환

HIGHT 암호화의 초기변환은 네 개의 화이트닝키 바이트 $WK_{0},WK_{1},WK_{2},WK_{3}$를 이용하여 평문 $P$를 첫 번째 라운드 함수의 입력인 $X_{0}=X_{0,7}||X_{0,6}||\cdots ||X_{0,0}$ 로 변환한다.

$X_{0,i}=P_{i},\quad i=1,3,5,7$

$X_{0,0}=P_{0}\boxplus WK_{0}$

$X_{0,2}=P_{2}\oplus WK_{1}$

$X_{0,4}=P_{4}\boxplus WK_{2}$

$X_{0,6}=P_{6}\oplus WK_{3}$

2. 암호화 라운드 함수

HIGHT의 라운드 함수는 다음과 같은 두개의 보조 함수를 갖는다.

전망

국산 암호화 기술이 스마트폰, USN, U-City, U-Health등 유비쿼터스 환경에서 널리 활용될 수 있도록 중소기업을 포함한 산학연(산업계, 학계, 연구분야)을 대상으로 무료로 소스코드를 배포하는 등 암호이용 활성화를 위해 지속적으로 지원할 계획이라고 한다.

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