[C++] 유한체 연산 & 다항식 연산 (S-box 구현 원리)

oolongeya

·

2021. 9. 14. 15:45

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
// 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= 
    {
    {10001111},
    {11000111},
    {11100011},
    {11110001},
    {11111000},
    {01111100},
    {00111110},
    {00011111}
    };
 
    byte b_vec[8= { 11000110 };
    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;
}
cs

반응형