[논문 리뷰] A Novel Symmetric Key Cryptographic Technique at Bit Level Based on Spiral Matrix Concept

Manas Paul, Jyotsna Kumar Mandal|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 03.

DNA and Biological Computing참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 나선형 행렬 순회를 사용하여 이진 데이터를 셔플하고 변환하는 새로운 대칭 키 비트 수준 암호화 기법인 SMBBOT을 제안한다. 평문은 가변 길이 비트 블록으로 처리되며, 나선형 순서에 따라 정사각형 행렬에 매핑되고, 2x2 부분 행렬에서 열 방향으로 추출함으로써 비트가 순열 정렬되고 암호문이 생성된다. 복호화는 블록 길이와 블록 수에서 파생된 세션 키를 사용하여 과정을 반대로 거꾸로 진행하며, TDES 및 AES와 비교해 경쟁력 있는 보안성과 성능을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a session based bit level symmetric key cryptographic technique and it is termed as Spiral Matrix Based Bit Orientation Technique (SMBBOT). SMBBOT consider the input plain text as binary bit stream. During encryption this stream is chopped into manageable sized blocks with variable lengths. Bits of these blocks are taken from MSB to LSB to fit into a square matrix of suitable order following the concept of Spiral matrix. This square matrix splits into 2x2 sub-matrices. Bits are taken column-wise from all 2x2 sub-matrices to form the encrypted binary string. Cipher text is generated from this encrypted binary string. Combination of values of block length and no. of blocks of a session generates the session key for SMBBOT. For decryption the cipher text is considered as binary bit string. Processing the session key information, this binary string is broken down into predefined blocks. Bits of these blocks are taken from MSB to LSB to fit column-wise into 2x2 square matrices. Using these sub-matrices a single square matrix with suitable order is formed. The decrypted binary string is formed after taking the bits from the square matrix following the reverse concept of Spiral Matrix. The plain text is regenerated from decrypted binary string. A comparison of SMBBOT with existing and industrially accepted TDES and AES has been done.

연구 동기 및 목표

• 비트 수준에서 작동하는 새로운 대칭 키 암호 기법을 설계하여 데이터 보안을 향상시키는 것.
• 나선형 행렬 개념을 활용해 비선형 비트 순열을 도입하여 더 강력한 확산 효과를 확보하는 것.
• 블록 길이와 블록 수를 기반으로 세션 기반 키 생성 메커니즘을 개발하는 것.
• 복호화 과정에서 복원 가능성과 정확한 평문 재구성 보장을 하는 것.
• TDES 및 AES와 같은 기존 표준과 비교하여 SMBBOT의 보안성과 효율성을 평가하는 것.

제안 방법

• 평문이 이진 비트 스트림으로 변환되고 가변 크기의 블록으로 분할된다.
• 각 블록의 비트들이 외곽 층에서 시작하여 안쪽으로 이동하는 나선형 순서에 따라 정사각형 행렬에 배열된다.
• 정사각형 행렬이 2x2 부분 행렬으로 분할되고, 각 부분 행렬에서 열 방향으로 비트가 추출되어 암호화된 비트 스트링이 형성된다.
• 세션 키는 블록 길이와 세션에서 사용된 블록 수의 조합으로 생성된다.
• 복호화를 위해 암호문이 세션 키를 사용하여 블록으로 재구성되고, 비트들이 열 방향으로 2x2 부분 행렬에 재구성된다.
• 재구성된 정사각형 행렬을 역방향 나선 순서로 순회함으로써 원래의 평문이 복구된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나선형 행렬 순회를 활용한 비트 수준 순열이 대칭 암호화에서 암호학적 확산을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 블록 크기와 블록 수에서 유도된 세션 기반 키가 계산 오버헤드를 증가시키지 않으면서도 키 다양성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 SMBBOT의 보안 강도는 TDES 및 AES와 같은 산업 표준 알고리즘과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 가변 블록 길이가 암호화 과정의 강건성과 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 방법은 암호문에서 원래 평문을 정확하고 가역적으로 재구성할 수 있는가?

주요 결과

• SMBBOT은 나선형 행렬 순회와 부분 행렬의 열 기반 추출을 통해 강력한 비트 수준 확산을 달성한다.
• 세션 키는 블록 길이와 블록 수에서 동적으로 생성되어 키의 예측 불가능성을 향상시킨다.
• 복호화 과정에서 역방향 나선 순회를 통해 원래 평문의 정확한 복원이 보장된다.
• TDES 및 AES와 비교해 경쟁적인 성능 및 보안 특성을 보여준다.
• 가변 블록 크기의 사용은 다양한 데이터 유형과 크기의 효율적 처리를 가능하게 한다.
• 암호화 및 복호화 과정은 수학적으로 가역적이므로 데이터 무결성이 보장된다.