[C++] 유한체 연산 & 다항식 연산 (S-box 구현 원리)
oolongeya
·2021. 9. 14. 15:45
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// Sbox_using_GF.cpp
// Sbox table using calculation of finite field
// FIPS 197 공식 문서 참고
#include <iostream>
typedef unsigned char byte; // new data type : byte - GF(2^8)
// GF print polynomial
void GF_print(byte gf) {
int coef;
printf("%d = %02x = ", gf, gf);
for (int cnt_i = 7; cnt_i >= 0; cnt_i--) {
coef = (gf >> cnt_i) & 0x01; // using msb
if (coef == 1) {
std::cout << " + " << "x^" << cnt_i;
}
}
std::cout << std::endl;
}
// GF(2^8) add func
byte GF_add(byte gf1, byte gf2) {
return gf1 ^ gf2; // xor
}
// GF(2^8) xtime() func
byte GF_xtime(byte gf) {
int msb; //x^7의 계수 (최고차항)
byte result;
msb = (gf >> 7) & 0x01;
if (msb == 1) {
result = (gf << 1) ^ 0x1b;
}
else {
result = gf << 1;
}
return result;
}
// GF(2^8) xtime() func
byte GF_xtime_simple(byte gf) {
return ((gf >> 7) & 0x01 == 1 ? (gf << 1) ^ 0x1b : gf << 1);
}
// GF(2^8) multi
// f(x) = a0 + a1*x + a2*x^2 + a3*x^3 + ... + a7*x^7
// h(x) = g(x)*f(x)
// = g(x)*a0 + g(x)*a1*x + g(x)*a2*x^2 + g(x)*a3*x^3 + ... + g(x)*a7*x^7
// = g(x)*a0 + x*( g(x)*a1 + g(x)*a2*x + g(x)*a3*x^2 + ... + g(x)*a7*x^6 )
// = g(x)*a0 + x*( g(x)*a1 + x* (g(x)*a2 + g(x)*a3*x + ... + g(x)*a7*x^5 ))
// = g(x)*a0 + x*( ... x*( g(x)*a7 ) )
byte GF_mul(byte f, byte g) {
byte h; // 곱셈 결과 h(x) = f(x) * g(x)
int coef; // 계수
h = 0x00;
for (int i = 7; i >= 0; i--) {
coef = (f >> i) & 0x01; // a7, a6, a5, ... a0
h = GF_xtime(h);
if (coef == 1) {
h = GF_add(h, g);
}
}
return h;
}
// GF(2^8) 역원
// ( a^255 = 1 )임을 이용한다.
// a^(-1) = a^(254) = a^2*a^4*a^8*a^16... *a^128
// = a^(1111 1110) = a^(1000 0000) * a^(0100 0000) ... * a^(0000 0010)
byte GF_inv(byte f) {
byte f_inv; // 역원 (결과값)
byte temp; // 중간에 곱할 값 (a^n) a^2, a^4, a^8, a^16, ... a^128
f_inv = 1;
temp = f;
for (int i = 0; i < 7; i++) {
temp = GF_mul(temp, temp);
f_inv = GF_mul(f_inv, temp);
}
return f_inv;
}
// AES Affine Aw+b (Affine 변화)
// w = x^(-1)
byte AES_Affine(byte w) {
byte A[8][8] =
{
{1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1},
{1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1},
{1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1},
{1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1},
{1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0},
{0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0},
{0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0},
{0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1}
};
byte b_vec[8] = { 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0 };
byte w_vec[8], y_vec[8], y;
for (int i = 0; i < 8; i++) {
w_vec[i] = (w >> i) & 0x01;
}
for (int i = 0; i < 8; i++) {
y_vec[i] = b_vec[i];
for (int j = 0; j < 8; j++) {
y_vec[i] ^= A[i][j] * w_vec[j]; //b 에다가 행렬곱을 더해준 것
}
}
y = 0;
byte temp_bit;
for (int i = 0; i < 8; i++) {
temp_bit = y_vec[i] << i;
y ^= temp_bit;
}
return y;
}
// AES S-box
void Get_AES_Sbox(byte sbox[256]) {
byte temp;
// 0^(-1) = 0 으로 간주한다.
sbox[0] = AES_Affine(0);
for (int i = 1; i < 256; i++) {
temp = GF_inv(i);
sbox[i] = AES_Affine(temp);
}
}
// AES Inverse S-box
void Get_AES_Inv_Sbox(byte invsbox[256]) {
byte Sbox[256];
Get_AES_Sbox(Sbox);
for (int i = 0; i < 256; i++) {
invsbox[Sbox[i]] = i;
}
}
// test func
void GF_test() {
byte gf1, gf2, gf3;
gf1 = 0x04; //x^2 = (0000 0100)_2 = (0x04)_16 = (4)_10
gf2 = 0x1b; //x^4 + x^3 + x^1 + x^0 = (0001 1011)_2 = (0x1b)_16 = (27)_10
GF_print(gf1);
GF_print(gf2);
gf3 = GF_add(gf1, gf2);
GF_print(gf3);
//xtime
//gf1 = 0x80; // 1000 0000 = 128 = x^7
gf1 = 0x07;
gf2 = GF_xtime(gf1);
GF_print(gf1);
GF_print(gf2);
gf1 = 0x10; // 0001 0000
gf2 = 0x08; // 0000 1000
gf3 = GF_mul(gf1, gf2);
GF_print(gf1);
GF_print(gf2);
GF_print(gf3);
gf2 = GF_inv(gf1);
gf3 = GF_mul(gf1, gf2);
GF_print(gf1);
GF_print(gf2);
GF_print(gf3);
}
void Sbox_test() {
byte Sbox[256];
Get_AES_Sbox(Sbox);
std::cout << "Sbox = ";
for (int i = 0; i < 256; i++) {
if ((i % 16) == 0) {
printf("\n");
}
printf("%02x ", Sbox[i]);
}
printf("\n");
byte invSbox[256];
Get_AES_Inv_Sbox(invSbox);
std::cout << std::endl << "Inverse Sbox = ";
for (int i = 0; i < 256; i++) {
if ((i % 16) == 0) {
printf("\n");
}
printf("%02x ", invSbox[i]);
}
printf("\n");
}
int main()
{
// GF_test();
Sbox_test();
return 0;
}
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