FIPS PUB 197

FIPS PUB 197은 미국 국립표준기술연구소(NIST)가 2001년 11월 26일에 발행한 연방 정보 처리 표준이다. 이 표준은 고급 암호 표준(AES)을 규정하며, 대칭키 암호 방식의 블록 암호 알고리즘이다. AES는 미국 정부의 비밀 분류가 아닌 정보를 보호하기 위한 표준 암호로 채택되었으며, 전 세계적으로 민간 및 상업 분야에서도 널리 사용된다.

이 표준은 Rijndael이라는 암호 알고리즘을 기반으로 한다. 벨기에의 암호학자인 요안 다먼과 빈센트 라이먼이 개발한 이 알고리즘이 공모전을 통해 최종 선정되었다. FIPS PUB 197은 AES의 공식 명세를 제공하여, 소프트웨어와 하드웨어 구현에 있어 상호운용성을 보장한다.

표준에서 정의하는 AES는 키 길이에 따라 128비트, 192비트, 256비트의 세 가지 버전을 지원한다. 이는 이전 표준이었던 데이터 암호화 표준(DES)의 취약점을 해결하고 더 강력한 암호화 강도를 제공하기 위한 것이다. 알고리즘은 입력 데이터를 128비트 단위의 블록으로 처리하며, 키 길이에 따라 10, 12, 14 라운드의 암호화 과정을 거친다.

FIPS PUB 197의 발표 이후 AES는 금융, 통신, 데이터 저장 등 다양한 분야에서 사실상의 세계 표준 암호 알고리즘으로 자리 잡았다. 이 표준 문서는 암호화와 복호화의 상세 절차, 키 확장 방법, 라운드 함수의 구조 등을 기술하고 있다.

FIPS PUB 197의 역사와 배경은 고급 암호 표준(AES) 선정 과정과 밀접하게 연결되어 있다. 1997년, 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 기존의 데이터 암호화 표준(DES)이 기술 발전으로 인해 보안 강도가 충분하지 않게 되자, 새로운 대칭키 암호 알고리즘을 공모하기로 결정했다. 이 공모는 전 세계적으로 열려 있었으며, 암호학계의 국제적인 협력과 경쟁을 촉진하는 계기가 되었다.

NIST는 1998년 8월에 제출된 15개의 후보 알고리즘을 1차 평가하여 5개의 최종 후보(MARS, RC6, Rijndael, Serpent, Twofish)를 선정했다. 이후 약 3년에 걸친 공개적인 분석, 토론, 성능 평가를 거쳐 2000년 10월, 벨기에의 암호학자 존 대먼과 빈센트 라이먼이 개발한 Rijndael 알고리즘이 최종적으로 AES로 선정되었다. 이 결정은 Rijndael이 보안성, 효율성, 구현 유연성, 하드웨어 및 소프트웨어 성능 등 모든 평가 기준에서 균형 잡힌 우수한 성과를 보였기 때문이다.

선정된 Rijndael 알고리즘은 약간의 수정을 거쳐 2001년 11월 26일, NIST에 의해 연방 정보 처리 표준(FIPS) PUB 197로 공식 발표되었다. 이 표준은 미국 연방 정부 기관이 기밀 정보를 보호하기 위해 사용해야 할 암호화 알고리즘으로 지정되었으며, 이후 전 세계 산업계와 민간 분야에서도 사실상의 국제 표준으로 광범위하게 채택되게 된다.

FIPS PUB 197에서 규정하는 고급 암호 표준은 세 가지의 서로 다른 키 길이를 지원한다. 이 표준은 128비트, 192비트, 256비트의 세 가지 키 크기를 정의하며, 각각의 키 길이는 암호화 과정에서 사용되는 라운드의 횟수를 결정한다. 128비트 키는 10라운드, 192비트 키는 12라운드, 256비트 키는 14라운드의 암호화 과정을 거친다. 키 길이가 길어질수록 수행되는 라운드 수가 증가하여, 이론적으로는 더 높은 수준의 보안 강도를 제공한다.

AES의 보안 강도는 사용된 키의 길이에 직접적으로 의존한다. 일반적으로 암호학에서는 브루트 포스 공격에 대한 저항력을 기준으로 보안 강도를 평가하는데, AES의 경우 가능한 키의 조합 수가 키 길이에 따라 기하급수적으로 증가한다. 예를 들어, 128비트 키를 대상으로 한 브루트 포스 공격은 현실적으로 불가능한 계산량을 요구하는 것으로 평가받는다. 192비트와 256비트 키는 이보다 훨씬 더 강력한 저항력을 가지며, 향후 양자 컴퓨터의 발전과 같은 위협에 대비한 장기적인 보안을 고려할 때 그 중요성이 부각된다.

이 세 가지 옵션은 다양한 보안 요구사항과 성능 고려사항에 맞춰 선택할 수 있도록 유연성을 제공한다. 짧은 키 길이는 일반적으로 더 빠른 처리 속도를 보이지만, 상대적으로 낮은(그러나 여전히 매우 강력한) 보안 강도를 가진다. 반면, 긴 키 길이는 더 높은 보안 수준을 보장하지만, 암호화 및 복호화에 소요되는 계산 자원이 더 많을 수 있다. 따라서 NIST가 발표한 이 표준은 응용 프로그램의 맥락에 따라 적절한 키 길이를 선택할 수 있는 기준을 마련했다.

AES의 구현은 하드웨어와 소프트웨어 양쪽에서 매우 효율적으로 이루어진다. 알고리즘의 구조가 단순하고 규칙적이어서 다양한 플랫폼에 최적화하기 용이하다. 특히 8비트 스마트카드부터 고성능 서버에 이르기까지 광범위한 컴퓨팅 환경에서 실행될 수 있다. 소프트웨어 구현의 경우, 테이블 조회를 활용한 방법이 널리 사용되어 높은 성능을 제공한다.

하드웨어 구현에서 AES는 저전력과 고속 처리가 모두 가능한 특징을 보인다. 전용 암호화 하드웨어나 FPGA, ASIC에 구현될 경우, 초당 기가비트 이상의 처리 속도를 달성할 수 있다. 이는 고대역폭 통신이나 실시간 데이터 암호화가 필요한 시스템에 매우 중요하다. 또한 알고리즘 설계가 병렬 처리에 친화적이지 않지만, 여러 개의 독립적인 암호화 엔진을 병렬로 운영하는 방식으로 처리량을 극대화할 수 있다.

성능은 사용하는 키 길이(128, 192, 256비트)와 구현 방식에 따라 차이가 난다. 일반적으로 키가 길어질수록 암호화와 복호화에 소요되는 시간이 증가하지만, 보안 강도가 높아지는 trade-off 관계에 있다. 현대의 범용 CPU는 AES 명령어 세트(AES-NI)를 하드웨어로 내장하여, 소프트웨어 구현에 비해 훨씬 빠르고 전력 효율적인 암호화 연산을 지원한다.

다양한 플랫폼과 제약 조건에서의 우수한 성능은 AES가 인터넷 보안(TLS), 무선 통신, 데이터베이스 암호화, 파일 시스템 암호화 등 수많은 분야에서 사실상의 표준으로 자리 잡는 데 기여한 핵심 요인이다.

FIPS PUB 197은 2001년 11월 26일 미국 국립표준기술연구소(NIST)에 의해 공식적으로 발표된 연방 정보 처리 표준이다. 이 표준은 고급 암호 표준(AES)을 미국 연방 정부의 비밀 정보가 아닌 민감한 정보를 보호하기 위한 공식 암호 알고리즘으로 지정하였다. AES의 표준화는 미국 상무부의 승인을 거쳐 이루어졌으며, 이로써 AES는 DES를 대체하는 새로운 국가 표준 블록 암호로 자리 잡았다.

이 표준은 미국 정부 기관 뿐만 아니라 전 세계적으로 광범위하게 채택되었다. 국제 표준화 기구(ISO)와 국제 전기 표준 회의(IEC)는 이를 국제 표준 ISO/IEC 18033-3으로 채택하였으며, 미국 국가안보국(NSA)도 일정 등급의 국가 안보 정보 보호에 AES의 사용을 승인하였다. 이로 인해 AES는 사실상 전 세계의 금융, 통신, 정보 보안 산업을 포함한 다양한 분야에서 가장 널리 사용되는 대칭키 암호 표준이 되었다.

FIPS PUB 197의 채택 현황은 하드웨어와 소프트웨어 전반에 걸쳐 확인할 수 있다. 대부분의 현대 프로세서는 AES 연산을 가속화하는 전용 명령어 세트(AES-NI)를 내장하고 있으며, 주요 운영체제, 프로그래밍 언어의 암호화 라이브러리, 인터넷 보안 프로토콜(예: TLS/SSL), 무선 네트워크 표준(예: WPA2) 등에서 핵심 암호화 수단으로 활용되고 있다. 이 표준은 현재까지도 유효한 상태로 유지되며, 전 세계적인 암호학 및 정보 기술 인프라의 근간을 이루고 있다.

• NIST - Advanced Encryption Standard (AES)

• NIST - FIPS 197, Advanced Encryption Standard (AES)

• NIST - FIPS 140-3, Security Requirements for Cryptographic Modules

• NIST - SP 800-38A, Recommendation for Block Cipher Modes of Operation

• NIST - SP 800-67 Rev. 2, Recommendation for the Triple Data Encryption Algorithm (TDEA) Block Cipher

• ISO/IEC 18033-3 - Information technology — Security techniques — Encryption algorithms — Part 3: Block ciphers

• IETF RFC 3565 - Use of the Advanced Encryption Standard (AES) Encryption Algorithm in Cryptographic Message Syntax (CMS)

• IETF RFC 3602 - The AES-CBC Cipher Algorithm and Its Use with IPsec

• IEEE 1619.1-2007 - Standard for Authenticated Encryption with Length Expansion for Storage Devices

• 한국인터넷진흥원 - 암호이용안내서