Keccak256의 작동 원리

 

🔐 KECCAK256

• 이더리움에서 사용되는 암호화 해시 함수
• 데이터를 256비트(32 바이트) 의 고정 길이 해시값으로 변환하는 해시 함수
• 입력이 조금만 변경되어도 결과 값은 크게 달라지며, 이를 통해 데이터의 무결성 검증 가능

 

Keccak256 의 작동 원리

• Keccak256 은 Sponge 구조를 기반으로 하며, 이 구조는 absorb 와 squeeae 두 단계로 나뉜다.
  1. Absorb Phase
     • 상태 초기화
       • keccak 의 내부 상태는 1600 비트(200 바이트)로 초기화 된다. 이 상태는 5x5 배열의 64비트(8바이트) 블록으로 나뉨.데이터 블록 처리
         • 입력 데이터를 1088 비트(136 바이트) 크기의 블록으로 나누고, 각 블록을 내부 상태와 XOR 연산으로 결합.
         • 결합된 상태를 특정 라운드 함수를 통해 반복적으로 섞음.
         • 위 과정을 모든 입력 블록이 처리 될 때까지 계속됨.
  2. Squeeze Phase
     • 출력 생성
       • 내부 상태에서 고정된 크기의 출력 블록을 추출
       • 필요한 해시값 길이(256 비트) 가 나올 때까지 추출을 반복

 

Keccak256 예제

사실 위 내용만 봤을 때는 명확하게 이해가 되지 않아, 'Hello , world' 라는 입력 데이터를 keccak256 해시 값으로 변환하는 과정을 살펴보자.

 

⒈ 초기 상태

• 내부 상태는 1600 비트(200 바이트) 크기의 배열로 초기화
• 이 배열은 5x5 크기의 64비트(8 바이트) 블록으로 구성, 초기상태는 모두 0으로 설정
• 각 블록을 S[x][y] 로 표시하면 아래와 같이 나타낼 수 있음

 

 

⒉ Absorb Phase

• 데이터 분할, 패딩, XOR 연산이 이 단계에서 수행
• hello world 문자열은 12바이트(96 비트) -> keccak256은 데이터를 1088 비트 크기의 블록으러 처리하기 때문에 이를 패딩하여 1088 비트 블록으로 만듬
  • 입력 데이터: hello, world
  • 이진수 표현: 01101000 01100101 01101100 01101100 01101111 00101100 00100000 01110111 01101111 01110010 01101100 01100100
  • 16진수 표현: 68 65 6c 6c 6f 2c 20 77 6f 72 6c 64
• 위 데이터에 패딩 규칙을 사용하여 블록 크기를 1088비트로 맞춰줌
  1. 입력 데이터에 0x01 추가 (96비트 + 8비트 = 104비트)
  2. 남은 비트를 0으로 채움 (104비트 + (1088비트 - 104비트 - 1비트))
  3. 마지막 비트를 1로 설정
• 위 데이터로 만들어진 최종 결과
  • 패딩된 블록: 01101000 01100101 01101100 01101100 01101111 00101100 00100000 01110111 01101111 01110010 01101100 01100100 00000001 00000000 00000000 ... 00000000 00000001
  • 16진수 표현: 68 65 6c 6c 6f 2c 20 77 6f 72 6c 64 01 00 ... 00 01
• 패딩된 데이터 블록을 초기 상태 비트와 XOR 연산으로 결합 
  • 예제 (앞 16비트)
    • 내부 상태 초기값: 00000000 00000000
    • 패딩된 데이터 블록: 01101000 01100101
    • 결과

 

• 이렇게 내부 상태가 갱신되었으면, 이 상태를 여러 번 변환하는 라운드 함수를 적용하여 최종 해시값을 생성.
• keccak256 에서는 24번의 라운드 함수가 적용되며, 이 라운드 함수는 다섯 가지 변환 단계로 이루어진다.
  1. θ (세타) 변환: 각 비트는 다른 비트와 XOR 연산을 수행하여 상태를 섞음
  2. ρ (로) 변환: 각 비트는 특정 위치로 순환 이동
  3. π (파이) 변환: 비트 위치가 재배열
  4. χ (카이) 변환: 비트 값이 비선형적으로 변경
  5. ι (이오타) 변환: 특정 비트에 상수가 XOR 연산으로 추가

3. Absorb Phase

• 위에서 만들어진 내부 상태의 첫 256 비트를 추출하여 해시값으로 사용

 

 

Reference

• https://keccak.team/sponge_duplex.html