이 논문은 SPARKLE 순열에 쓰이는 64비트 ARX 기반 S박스 Alzette의 안전성을 재분석하고, 대형 상태 ARX S박스 설계를 위한 일반 프레임워크를 제시한다. MILP 기반 최적화와 SMT 기반 모델 체킹을 결합한 하이브리드 탐색 기법 SMCS를 도입해 최대 기대 차분확률과 선형상관의 타이트한 경계를 계산했으며, Alzette에 대해 최초로 15라운드(선형)·14라운드(차분)까지 타이트한 경계를 확립했다. 이를 바탕으로 자동화된 S박스 설계 기법인 S박스 구성 인코딩을 제안해 32비트·64비트 신규 S박스 계열 AFS(ARX-Feistel Structure)를 만들었다. 선정된 AFS 인스턴스는 하드웨어·소프트웨어 비용을 비슷하게 유지하면서도 SPECKEY와 Alzette보다 각각 단일경로 차분·선형 암호분석 저항성이 우수함을 보였다.
- •MILP+SMT 결합 하이브리드 탐색 SMCS로 Alzette S박스의 타이트한 안전성 경계 도출
- •Alzette에서 최초로 15라운드(선형)·14라운드(차분) 타이트 경계 확립
- •자동화 설계 기법으로 신규 S박스 계열 AFS(32/64비트) 제안
- •AFS가 SPECKEY·Alzette 대비 우수한 차분·선형 암호분석 저항성, 비용은 유사
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AFS: A Family of ARX-Based Large-State S-boxes with Exceptional Properties
- 1.SPARKLE 순열에 쓰이는 64비트 ARX 기반 S박스 Alzette의 안전성을 분석하는 대형 ARX S박스 설계·분석 프레임워크 제시
- 2.MILP+SMT 결합 SMCS로 Alzette 최대 차분/선형 확률의 15라운드(선형)·14라운드(차분) 경계 최초 확립
- 3.SMCS 기반 자동 설계기법 S박스 구성 인코딩으로 32/64비트 신규 S박스군 AFS(ARX-Feistel Structure) 제안
- 4.AFS가 SPECKEY·Alzette 대비 단일트레일 차분·선형 공격에 더 강한 저항성 달성, 하드웨어 비용은 유사
왜 중요한가?
경량 암호에 널리 쓰이는 ARX 기반 S박스의 보안 경계를 처음으로 엄밀하게 산출하고 이를 능가하는 새 S박스군을 제시해, IoT·임베디드용 차세대 경량 암호 표준 설계에 직접 활용 가능한 기초를 제공한다.
본문 미리보기
Large-state ARX-based S-boxes have become a key component of modern lightweight cryptographic designs, yet deriving tight security bounds for their differential and linear properties remains challenging. In this paper, we study the security of Alzette, the 64-bit ARX-based S-box used in the SPARKLE permutation, and present a general framework for the analysis and design of large-state ARX S-boxes. We introduce SMCS, a hybrid search strategy that combines MILP-based optimization with SMT-based mo
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