라운드 키 더하기

키는 암호화 과정에서 사용되는 비밀 정보로, 평문을 암호문으로 변환하거나 그 반대의 변환을 수행할 때 필요한 핵심 요소이다. 라운드 키 더하기 구조에서는 이 키를 기반으로 각 암호화 라운드에 사용되는 일련의 라운드 키를 생성한다.

암호 알고리즘의 보안 강도는 키의 길이와 비밀성에 크게 의존한다. 키의 길이가 길수록 가능한 키의 조합 수가 기하급수적으로 증가하여 무차별 대입 공격에 대한 저항력이 높아진다. 따라서 AES와 같은 현대 암호는 128비트, 192비트, 256비트와 같은 충분한 길이의 키를 사용한다.

키는 키 스케줄이라는 과정을 통해 확장되어 여러 개의 라운드 키로 변환된다. 이 과정은 초기 비밀 키로부터 각 라운드에 필요한 고유한 서브키를 결정론적으로 생성하는 알고리즘이다. 키 스케줄의 설계는 알고리즘 전체의 보안에 직접적인 영향을 미치며, 암호학적 약점이 발생하지 않도록 주의 깊게 구성되어야 한다.

라운드 함수는 블록 암호의 핵심 구성 요소로, 암호화 과정의 각 라운드에서 반복적으로 실행되는 변환 함수이다. 이 함수는 평문 블록과 라운드 키를 입력받아 일련의 혼돈과 확산 연산을 수행하여 중간 암호문을 생성한다. 라운드 함수의 설계는 전체 암호 알고리즘의 보안성과 효율성을 직접적으로 결정한다.

일반적인 라운드 함수는 치환(Substitution)과 전치(Permutation)의 원리를 결합하여 구성된다. 치환 단계에서는 S-박스(Substitution-box)를 통해 데이터의 비트 패턴을 비선형적으로 변환하여 혼돈을 제공한다. 전치 단계에서는 P-박스(Permutation-box)나 다른 선형 변환을 통해 데이터 비트의 위치를 섞어 확산을 달성한다. 이러한 연산들은 라운드 키와 결합되어 각 라운드마다 고유한 변환을 만든다.

대표적인 알고리즘인 AES의 라운드 함수는 SubBytes, ShiftRows, MixColumns, AddRoundKey의 네 가지 단계로 이루어져 있다. SubBytes는 비선형 치환을, ShiftRows와 MixColumns는 선형 전치와 확산을 담당한다. AddRoundKey는 생성된 라운드 키를 중간 상태에 XOR 연산으로 더하는 과정이다. 이러한 다층적 구조는 암호문의 통계적 특성을 숨기고 암호학적 공격에 대한 저항성을 높이는 데 기여한다.

키 스케줄은 암호화 알고리즘이 라운드마다 사용할 라운드 키를 생성하는 절차이다. 이 과정은 최초의 암호 키를 입력받아, 알고리즘의 라운드 수에 맞게 일련의 부키를 순차적으로 만들어낸다. 키 스케줄의 설계는 알고리즘의 전체 보안 강도에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소이다.

효율적인 키 스케줄은 각 라운드 키 간에 높은 독립성과 비선형성을 보장해야 한다. 한 라운드 키가 유출되더라도 다른 라운드 키나 최초의 마스터 키를 쉽게 유추할 수 없도록 설계된다. 이를 위해 순열, 비선형 함수, 상수 덧셈 등 다양한 연산이 조합되어 사용된다.

주요 알고리즘별 키 스케줄 방식은 다음과 같이 차이를 보인다.

키 스케줄의 복잡도는 공격자가 전수 조사 외의 방법, 예를 들어 관계 키 공격이나 슬라이드 공격을 시도하는 것을 어렵게 만든다. 따라서 현대 암호의 설계에서는 암호화 라운드 함수 자체뿐만 아니라 키 스케줄의 안전성에도 동등한 주의를 기울인다.

초기 라운드 키 덧셈은 블록 암호 알고리즘의 첫 번째 단계로, 평문 블록과 첫 번째 라운드 키를 결합하는 과정이다. 이 과정은 암호화의 시작점을 제공하며, 이후 라운드 함수가 적용될 데이터의 초기 상태를 결정한다.

구체적으로, 암호화하려는 원본 데이터인 평문은 먼저 고정된 크기의 블록으로 나뉜다. 이 블록은 이진수 비트열로 표현되며, 알고리즘에 따라 64비트, 128비트 등 다양한 크기를 가진다. 초기 라운드 키 덧셈에서는 이 평문 블록과 키 스케줄 과정에서 생성된 첫 번째 라운드 키를 결합한다. 이 결합은 일반적으로 배타적 논리합 연산을 통해 이루어진다.

이 단계의 주요 목적은 암호화 과정에 즉시 키의 영향을 주입하여, 평문과 암호문 사이의 관계를 복잡하게 만드는 것이다. 이를 통해 동일한 평문이라도 사용된 키에 따라 전혀 다른 암호문이 생성되는 기초를 마련한다. 대표적인 알고리즘인 AES와 DES 모두 이 초기 단계를 포함하고 있으며, 이는 전체 암호화의 보안성에 중요한 첫걸음이 된다.

중간 라운드는 게임의 핵심 진행 단계로, 플레이어가 퍼즐을 해결하며 목표를 달성하는 구간이다. 각 라운드는 독립적인 스테이지로 구성되며, 난이도가 점진적으로 상승한다. 플레이어는 주어진 시간 내에 숫자나 기호를 조합하여 정해진 값을 만들어야 한다.

게임플레이 방식은 간단하지만 전략적 사고를 요구한다. 화면에 나타난 숫자 블록과 연산자 블록을 터치하여 조합하면 된다. 각 라운드마다 목표 값과 사용 가능한 블록의 종류 및 개수가 다르게 주어지며, 이를 활용해 정답을 도출해야 한다. 제한 시간 내에 정답을 찾지 못하면 라운드가 종료된다.

중간 라운드를 성공적으로 클리어하면 경험치와 게임 내 화폐를 획득하여 캐릭터나 아이템을 강화하는 데 사용할 수 있다. 또한 일정 수의 라운드를 연속으로 클리어하면 보너스 스테이지에 진입할 기회가 주어지기도 한다. 이러한 진행 구조는 플레이어에게 지속적인 도전 의욕을 부여한다.

최종 라운드는 게임의 마지막 단계로, 플레이어가 모든 난이도를 극복하고 도달하는 궁극적인 목표 지점이다. 이 단계에서는 일반적인 블록 퍼즐 메커니즘에 더해, 게임 내에서 습득한 모든 아이템과 스킬을 종합적으로 활용해야 하는 복합적인 과제가 주어진다. 최종 라운드의 퍼즐은 이전 단계들보다 훨씬 복잡한 구조를 가지고 있으며, 한 번의 실수도 허용하지 않는 정밀한 조작이 요구된다.

성공적으로 최종 라운드를 클리어하면 게임의 메인 스토리가 완결되며, 엔딩 크레딧이 재생된다. 또한, 숨겨진 보상이나 특별한 업적이 해금되는 경우가 많아, 플레이어에게 성취감을 제공한다. 일부 모드에서는 최종 라운드 클리어 후 더 높은 난이도의 도전 과제가 개방되거나, 새로운 게임 모드에 접근할 수 있는 권한이 주어지기도 한다.

AES는 라운드 키 더하기의 대표적인 예시로, 현대 대칭키 암호의 표준 알고리즘이다. 2001년 미국 표준 기술 연구소에 의해 DES를 대체하는 새로운 암호 표준으로 선정되었으며, 현재까지도 가장 널리 사용되는 블록 암호 중 하나이다.

AES는 128비트의 고정된 블록 크기를 가지며, 사용하는 키의 길이에 따라 AES-128, AES-192, AES-256으로 구분된다. 각 버전은 키 길이에 따라 10, 12, 14 라운드를 수행하며, 각 라운드의 시작 부분에서 해당 라운드의 서브키를 평문 데이터 블록에 더하는 라운드 키 더하기 연산을 수행한다. 이 연산은 단순한 XOR 연산으로 이루어진다.

AES의 라운드 함수는 라운드 키 더하기 외에도 바이트 치환, 행 이동, 열 혼합, 그리고 마지막 라운드 키 더하기로 구성된다. 마지막 라운드에서는 열 혼합 단계가 생략된다. 키 스케줄 알고리즘은 초기 암호키를 확장하여 각 라운드에 필요한 서브키를 생성하는 역할을 한다.

AES는 설계 당시부터 차분 공격과 선형 공격을 비롯한 다양한 암호 분석 기법에 대해 높은 보안성을 갖도록 개발되었다. 그 견고함과 효율성 덕분에 금융 거래, 정부 통신, 무선 네트워크 보안 등 수많은 분야에서 핵심 암호 기술로 자리 잡았다.

DES는 라운드 키 더하기 구조를 사용하는 대표적인 블록 암호 알고리즘이다. 1970년대에 개발되어 오랫동안 표준 암호로 사용되었으나, 현재는 키 길이가 짧아 보안에 취약점이 있어 더 이상 권장되지 않는다.

DES는 64비트의 평문 블록을 64비트의 암호문 블록으로 변환하며, 사용하는 키의 길이는 56비트이다. 암호화 과정은 총 16라운드로 구성되어 있으며, 각 라운드에서는 라운드 키 더하기 연산이 수행된다. 이 과정은 페이스텔 구조를 기반으로 한다.

주요 구성 요소는 다음과 같다.

DES의 보안성은 주로 56비트 키 길이의 한계로 인해 브루트 포스 공격에 취약해졌다. 이를 보완하기 위해 트리플 DES가 제안되었으나, 현재는 보다 안전한 AES가 새로운 표준으로 자리 잡았다.