대칭, 비대칭, 해시 등…

암호화 기술은 수학적 원리와 규칙에 기반한 계산 알고리즘을 사용하여 정보와 통신을 보호하는 방법으로, 허가된 사람만이 내용을 이해할 수 있도록 합니다. 이는 허가되지 않은 정보 접근을 막는 데 중요한 역할을 합니다.

‘암호화’라는 용어는 ‘숨겨진’을 의미하는 그리스어 ‘kryptos’에서 유래되었습니다. 여기서 ‘crypto’는 ‘숨겨진’을, ‘graphy’는 ‘쓰기’를 의미합니다.

본 글에서는 암호화의 기본 원리를 탐구하고, 다양한 유형과 그 예시를 살펴볼 것입니다. 또한, 암호화 분야가 직면한 과제와 미래의 발전 방향에 대해서도 논의할 것입니다. 핵심 개념과 세부 사항을 아울러 포괄적인 이해를 돕는 것이 목표입니다.

암호화는 디지털 통신 및 정보 보안에서 중요한 역할을 하며, 다양한 시스템과 애플리케이션에서 데이터의 기밀성과 보안을 보장합니다. 이는 허가되지 않은 접근으로부터 데이터를 보호하는 데 필수적입니다.

암호화 과정은 다음과 같이 진행됩니다.

먼저, 메시지나 데이터를 보내려는 발신자가 있습니다.
원래 메시지인 평문은 암호화 과정을 거쳐 해독 불가능한 형태로 변환됩니다.
수신자는 암호화된 메시지(암호문)를 키를 사용하여 다시 해독하여 읽을 수 있는 형태로 되돌립니다. 이 과정을 복호화라고 합니다.
복호화된 메시지는 다시 평문이 되며, 이는 발신자가 보낸 원래 메시지와 동일합니다.
이제 수신자는 발신자가 보낸 원본 메시지를 읽을 수 있게 됩니다.

이제 암호화의 기본 원칙을 자세히 살펴보겠습니다.

암호화의 주요 원칙

암호화에는 네 가지 핵심 원칙이 있습니다.

#1. 기밀성: 정보에 대한 접근은 허가된 수신자에게만 제한되며, 다른 누구에게도 공개되지 않습니다.

#2. 무결성: 정보는 저장 또는 전송 과정에서 감지되지 않는 변경이 불가능해야 합니다.

#3. 부인 방지: 발신자는 메시지 전송 사실을 부인할 수 없어야 합니다.

#4. 인증: 발신자와 수신자 모두의 신원을 확인하고, 정보의 출처와 목적지를 확인해야 합니다.

다음으로, 암호화에 사용되는 몇 가지 핵심 용어에 대해 알아보겠습니다.

용어 설명:

단어	의미
암호화	알고리즘 및 수학적 개념을 사용하여 정보와 통신을 보호하는 기술
암호	데이터를 암호화하고 해독하는 데 사용되는 방법 또는 알고리즘
암호화	평문을 암호문으로 변환하는 과정
평문	원래 암호화되지 않은 형태의 데이터 또는 텍스트
암호문	암호화된 데이터 또는 텍스트
복호화	암호화 키를 사용하여 암호문을 평문으로 변환하는 과정
키	암호화 및 복호화 과정을 제어하는 데 사용되는 정보 조각(일반적으로 비트 시퀀스)
키 교환	발신자와 수신자 간의 암호화 키를 안전하게 전달하는 과정

암호화는 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

대칭 키 암호화
비대칭 키 암호화
해시 함수

대칭 키 암호화

단일 키 암호화라고도 하는 대칭 키 암호화는 데이터를 암호화하고 해독하는 데 동일한 비밀 키를 사용하는 암호화 방식입니다.

이 방법에서는 송신자와 수신자 모두가 데이터 해독을 위해 동일한 비밀 키를 사용해야 합니다. 이 비밀 키와 특정 수학적 연산을 사용하여 일반 데이터를 비밀 코드(암호문)로 변환합니다.

비밀 키를 공유하는 수신자는 암호화된 메시지를 받으면 동일한 수학적 연산을 사용하여 메시지를 다시 일반 데이터로 변환할 수 있습니다. 이를 통해 수신자는 암호화된 코드에서 원래 정보를 얻을 수 있습니다.

다음 단계를 통해 이 과정을 이해해 봅시다.

알고리즘은 비밀 키를 사용하여 원래 텍스트(평문)를 암호문으로 변환합니다.
발신자는 변환된 암호문을 통신 채널을 통해 수신자에게 전송합니다. 이 통신 채널은 비공개 또는 공개일 수 있습니다.
수신자는 동일한 비밀 키를 사용하여 암호문을 해독하고 원래 텍스트로 변환합니다.

이 대칭 암호화 과정을 통해 발신자와 수신자 간의 안전한 통신이 가능합니다. 그러나 비밀 키는 반드시 기밀로 유지되어야 합니다.

기밀성과 무결성을 유지하려면 양 당사자가 이 비밀 키를 안전하게 관리하고 보호해야 합니다.

대칭 암호화에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

스트림 암호
블록 암호

스트림 암호	블록 암호
데이터를 한 번에 1비트 또는 바이트씩 암호화	데이터를 고정 길이 블록으로 암호화
데이터 암호화 중, 시스템은 데이터를 메모리에 보관하고 전체 블록이 처리될 때까지 대기	고정 길이의 데이터 블록을 암호화
8비트 키를 사용	비트 또는 64비트 이상의 키 사용
블록 암호보다 복잡	스트림 암호보다 간단
느리고 오프라인 애플리케이션에 적합	빠르고 온라인 애플리케이션에 적합
CFB 및 OFB 모드 사용	ECB 및 CBC 모드 사용

대칭 암호화 알고리즘의 몇 가지 예시는 다음과 같습니다.

AES(Advanced Encryption Standard): 보안과 효율성이 뛰어난 것으로 알려져 있으며, 무선 보안, 클라우드 컴퓨팅, 금융, 전자상거래 등 민감한 데이터를 보호하는 데 널리 사용됩니다.
DES(Data Encryption Standard): 오래된 암호화 방법으로, AES 및 3DES로 대체되었습니다. 56비트 키를 사용합니다.
IDEA(International Data Encryption Algorithm): 128비트 키를 사용하며 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.
Blowfish: DES 또는 IDEA를 대체하기 위해 설계된 알고리즘입니다.
RC4(Rivest Cipher 4): Ron Rivest가 개발했으며, 단순성과 속도로 잘 알려져 있지만 특정 구현에서는 보안 문제가 있습니다.
RC5(Rivest Cipher 5): 가변적인 블록 크기와 키 크기로 효율적이고 안전하게 설계되었습니다.
RC6(Rivest Cipher 6): 이전 버전에 비해 향상된 보안 및 성능을 제공하도록 설계되었습니다.

AES, DES, IDEA, Blowfish, RC5 및 RC6은 블록 암호에 해당합니다.

RC4는 스트림 암호에 해당합니다.

대칭 키 암호화의 장점

비대칭 암호화보다 빠르고 효율적입니다.
키 크기가 작기 때문에 더욱 강력한 암호를 만들 수 있습니다.
암호에 대한 강력한 키를 생성하는 것이 상대적으로 비용 효율적입니다.
AES는 가장 안전한 알고리즘 중 하나로 알려져 있습니다.

대칭 키 암호화의 단점

암호화 키를 안전하게 공유해야 한다는 점이 대칭 암호화의 주요 과제입니다.
전송 중에 공격자가 키를 가로채거나 손상시키면 전체 시스템의 보안이 침해될 수 있습니다.
대칭 암호화 시스템은 키 생성, 저장, 업데이트 및 취소 등 신중한 키 관리 방법이 필요합니다. 키를 잘못 관리하면 보안 침해가 발생할 수 있습니다.
공격자는 안전하지 않은 채널을 통해 교환된 키를 가로채 통신을 손상시킬 수 있습니다.

그러나 대칭 암호화는 현대 암호화의 필수적인 부분이며, 단점에도 불구하고 많은 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

강력한 키 관리 방식과 안전한 키 교환 방법은 대칭 암호화의 일부 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

비대칭 키 암호화

비대칭 암호화는 비밀로 유지되는 개인 키와 공개적으로 공유되는 공개 키 쌍을 사용합니다. 다른 사람의 공개 키를 사용하여 메시지를 암호화할 수 있으며, 개인 키를 소유한 사람만이 메시지를 복호화할 수 있습니다.

이 방법은 온라인 환경에서 중요한 비밀 키를 공유하지 않고도 안전한 통신을 가능하게 하여 디지털 보안을 강화합니다.

수신자는 공개 키만 필요하므로 안전한 통신에 유용합니다. 비밀 대칭 키를 공유하는 위험을 제거합니다.

이러한 ‘공개 키 알고리즘’은 데이터 보안을 위해 키 쌍을 사용합니다.

더 간단히 분석하면 다음과 같습니다.

공개 키와 개인 키, 두 개의 키가 존재합니다. 공개 키는 누구나 접근할 수 있고, 개인 키는 비밀로 유지됩니다.
공개 키는 데이터를 암호화(잠금)하는 데 사용됩니다.
개인 키는 데이터를 복호화(잠금 해제)하는 데 사용됩니다.

공개 키로부터 개인 키를 알아낼 수 없다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 또한, 공개 키는 일반적으로 인증 기관으로 알려진 조직에 의해 ID와 연결됩니다.

보안 통신에서 발신자와 수신자는 개인 키를 손상시키지 않고 보안 메시지를 교환합니다.

이러한 알고리즘은 TLS 프로토콜과 같이 디지털 서명을 생성하고 세션 키를 설정/배포하기 위해 정수 분해 및 이산 로그와 같은 수학적 문제에 의존합니다.

비대칭 암호화 알고리즘의 몇 가지 예시는 다음과 같습니다.

RSA(Rivest-Shamir-Adleman): 가장 널리 사용되는 비대칭 암호화 알고리즘 중 하나입니다. 이는 큰 소수의 수학적 특성을 기반으로 하며 보안 키 교환 및 디지털 서명에 일반적으로 사용됩니다.
타원 곡선 암호화(ECC): 유한 필드에 대한 타원 곡선의 대수적 구조를 기반으로 합니다. ECC는 일반 갈루아 필드에 의존하는 비EC 암호화에 비해 키 크기가 더 작다는 장점이 있습니다. ECC는 주로 의사 난수 및 디지털 서명을 생성하는 데 사용됩니다.
Diffie-Hellman 키 교환: 보안 키 교환에 사용되는 알고리즘입니다. 이 방법을 사용하여 생성된 키는 대칭 알고리즘을 사용한 암호화에 사용할 수 있습니다. Diffie-Hellman의 주요 목표는 두 당사자가 안전하지 않은 통신 채널을 통해 공유 비밀 키를 생성할 수 있도록 하는 것입니다.

비대칭 암호화의 장점

대칭 암호화에 비해 더 강력한 보안을 제공합니다.
수신자는 발신자의 신원을 확인할 수 있습니다.
대칭 키 암호화에서 발생하는 키 분배 문제를 해결할 수 있습니다.
메시지 수신자는 메시지가 전송 중에 변경되었는지 감지할 수 있습니다.

비대칭 키 암호화의 단점

대칭 암호화에 비해 처리 속도가 느립니다.
비대칭 암호화 및 복호화에는 대칭 암호화보다 더 많은 계산 리소스가 필요합니다.
공개 키와 개인 키를 사용하므로, 이러한 키를 안전하게 관리하는 것이 특히 대규모 시스템에서는 복잡하고 어려울 수 있습니다.
양자 컴퓨터에 대한 취약성이 가장 중요한 잠재적 단점입니다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 효율적으로 특정 수학적 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

그러나 조직과 연구자들은 양자 저항성 암호화 기술로 전환하기 위해 노력하고 있으므로 걱정할 필요는 없습니다.

다음 유형의 암호화에 대해 알아보겠습니다.

해시 함수

암호화 해시 함수는 다른 유형의 암호화와는 다릅니다. 데이터를 암호화하는 대신, 복잡한 수학적 연산을 사용하여 모든 데이터를 문자와 숫자로 구성된 고유한 코드로 변환합니다.

이러한 코드를 해시 코드, 해시 값 또는 메시지 다이제스트라고 합니다. 데이터가 안전한지 확인하는 데 중요한 역할을 합니다. 데이터가 전송되거나 저장될 때 해당 해시 코드를 계산하여 데이터와 함께 전송하거나 보관합니다.

수신자는 수신한 데이터의 코드를 다시 계산하여 보낸 데이터와 비교함으로써 데이터를 확인할 수 있습니다. 코드가 일치하면 데이터가 전송 및 저장 과정에서 안전하게 유지되었음을 의미합니다.

간단한 단계별 설명은 다음과 같습니다.

발신자 측:

발신자는 해시 함수를 사용하여 제공된 데이터에 대한 고유한 해시 값을 생성합니다.
해시 값을 생성한 후, 발신자는 원본 메시지와 해시 코드를 모두 안전하지 않은 채널을 통해 수신자에게 보냅니다.

수신자 측:

수신자는 메시지와 해시 코드를 받습니다.
수신자는 또한 동일한 해시 함수를 사용하여 수신된 메시지에 대한 새로운 해시 코드를 생성합니다.
수신자는 새로운 해시 코드를 발신자가 보낸 것과 비교합니다.

결과:

해시 코드가 일치하면 메시지가 전송 중에 변경되지 않았으며 안전하다는 것을 의미합니다.
해시 코드가 일치하지 않으면 메시지가 변경되었을 수 있으며 안전하지 않다는 것을 의미합니다.

해시 함수를 유용하게 만드는 몇 가지 속성은 다음과 같습니다.

해시 함수의 속성

결정론적: 동일한 입력에 대해 항상 동일한 출력을 생성합니다.
균일성 및 충돌 방지: 좋은 해시 함수는 균일하게 분산된 출력을 생성해야 하며, 충돌을 방지해야 합니다.
효율성: 해시 함수는 대량의 데이터를 신속하게 처리할 수 있도록 효율적으로 설계되어야 합니다.
고정 크기 출력: 입력 크기에 관계없이 고정 크기의 출력을 생성합니다. 이 속성은 데이터의 효율적인 저장 및 검색을 가능하게 하기 때문에 필수적입니다.

해시 함수는 암호화, 데이터 무결성 검사, 데이터 인덱싱, 데이터 지문 채취, 비밀번호 저장, 디지털 포렌식 및 블록체인을 포함하여 컴퓨터 과학 및 정보 보안 분야에서 널리 사용됩니다.

일반적으로 사용되는 암호화 해시 함수는 다음과 같습니다.

널리 사용되는 암호화 해시 함수에는 MD 계열(MD = 메시지 다이제스트)과 SHA 계열(SHA = 보안 해시 알고리즘)이라는 두 가지 계열이 있습니다.

SHA-1(Secure Hash Algorithm 1): 과거에 널리 사용되었지만, 실제 충돌 공격이 가능하도록 하는 취약점 때문에 현재는 약한 것으로 간주됩니다. 대부분의 보안 애플리케이션에서는 더 이상 사용되지 않습니다.
MD5(Message Digest Algorithm 5): 과거에 널리 사용되었지만 현재는 충돌 취약성으로 인해 약한 것으로 간주됩니다. 일반적으로 보안에 민감한 애플리케이션에는 사용되지 않습니다.
SHA-3: 경쟁을 통해 선택된 최신 해시 함수 제품군입니다. 국립표준기술연구소 (NIST)에서 개발했으며, 강력한 보안을 제공하고 특정 유형의 공격에 저항하도록 설계되었습니다.

해시 함수는 메시지를 암호화하지 않지만, 데이터를 보호하고 인증하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 암호화의 필수적인 부분입니다.

해시 함수의 장점

안전한 해시 함수는 높은 충돌 저항을 보장합니다.
해싱을 통해 두 파일의 동일성을 쉽게 비교할 수 있습니다.
해시 함수는 매우 빠르고 효율적입니다.
DBMS에서는 인덱스 구조 없이 데이터 위치를 검색하기 위해 해싱을 사용합니다.

해시 함수의 단점

충돌이 많이 발생하면 해시 함수의 효율성이 떨어질 수 있습니다.
Null 값은 허용되지 않습니다.
해시 테이블을 구현하는 것은 복잡성 때문에 어려울 수 있습니다.
실제로 대규모 잠재적 키 세트를 처리할 때 해시 충돌을 완전히 방지하는 것은 거의 불가능합니다.

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암호화의 실제 응용

인증/디지털 서명: 인증은 데이터의 신뢰성을 확인하고, 문서 출처를 검증하며, 발신자의 신원과 타임스탬프의 정확성을 확인하고, 컴퓨터 또는 사용자 신원의 합법성을 보장하는 중요한 프로세스입니다. 디지털 서명은 해시 함수와 개인 키를 사용하는 암호화 방법을 사용하여 문서를 검증하고 안전하게 서명하는 데 사용됩니다.

클라우드 스토리지 암호화: 클라우드에 저장된 파일과 클라우드 서비스 간 전송 중인 파일을 보호하기 위해 사용됩니다.

전자화폐: 전자화폐는 당사자 간 전자 자금 이체를 포함하며, 직불 또는 신용, 익명 또는 신원 확인이 가능합니다. 보안을 위해 암호화, 디지털 서명 및 공개 키 암호화를 사용하여 다양한 유형의 거래를 가능하게 합니다.

이메일 암호화/복호화: 이메일 암호화는 공개 키 암호화를 사용하여 허가되지 않은 접근으로부터 이메일 콘텐츠를 보호합니다. 각 사용자는 공개 키와 개인 키 쌍을 가지며, 공개 키는 암호화에 사용되고 개인 키만이 메시지를 해독할 수 있습니다.

WhatsApp의 암호화: WhatsApp은 기밀성, 무결성, 인증 및 부인 방지를 위해 대칭 및 비대칭 키 암호화를 결합하여 암호화에 시그널 프로토콜을 사용합니다. 키 교환에는 Curve25519 기반 알고리즘이 사용됩니다.

Instagram의 암호화: Instagram 통신은 포트 443을 통해 SSL/TLS를 사용하여 암호화되어 사용자와 Instagram 서버 간에 교환되는 데이터를 도청하는 것을 방지합니다.

SIM 카드 인증: SIM 카드 인증에는 난수 생성 및 비밀 키 Ki를 사용하여 A3와 같은 알고리즘을 적용하여 SIM 카드의 네트워크 액세스를 확인하는 작업이 포함됩니다. 암호화는 데이터 암호화/복호화를 위해 A5 알고리즘과 함께 사용되는 A8 알고리즘과 세션 키 KC를 사용합니다.

암호화의 과제

키 관리는 여전히 어려운 과제이며, 특히 대규모 시스템에서 암호화 키를 안전하게 배포하고 관리하는 것은 복잡합니다. 키 저장 및 복구 메커니즘은 강력해야 합니다.

많은 사용자가 안전하게 통신해야 하는 경우 대칭 암호화는 비효율적일 수 있습니다. 각 사용자 쌍에는 고유한 키가 필요하며, 사용자 수가 증가함에 따라 관리하기 어려워질 수 있습니다.

비대칭 암호화는 일반적으로 대칭 암호화에 비해 동일한 수준의 보안을 달성하기 위해 더 긴 키가 필요합니다. 이로 인해 처리 속도가 느려지고 리소스 요구 사항이 증가할 수 있습니다.

해시 함수의 취약점 또는 약점이 발견되면 보안 위반이 발생할 수 있습니다. 암호화 커뮤니티는 이러한 위험을 완화하기 위해 해시 기능을 지속적으로 분석하고 조정해야 합니다.

비밀번호 저장을 위해 해시 함수를 사용하는 애플리케이션에서는 레인보우 테이블 공격을 방지하기 위해 비밀번호를 적절히 솔팅하는 것이 필요합니다. 소금이 고유하고 비밀인지 확인하는 것이 문제입니다.

양자 컴퓨팅의 출현은 암호화 분야에 중대한 과제를 제기합니다. 양자 컴퓨터는 양자 물리학의 특이한 원리를 활용하여 특정 수학적 문제를 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 해결할 수 있습니다.

이러한 속도는 데이터 보안을 보장하기 위해 특정 수학적 과제의 복잡성에 의존하는 현재 암호화 시스템의 기반을 위협합니다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 이러한 문제를 해결할 수 있는 능력을 갖추고 있어 암호화 방법의 안전성을 잠재적으로 손상시킬 수 있습니다.

양자 컴퓨터가 활용하는 양자 역학의 기본 원리는 기존 컴퓨터의 범위를 넘어서는 작업을 수행할 수 있는 힘을 부여합니다.

결과적으로 양자 공격을 견딜 수 있는 새로운 암호화 기술을 개발해야 할 필요성이 점점 더 커지고 있으며, 이는 암호화 분야에서 지속적인 과제로 남아 있습니다.

암호화의 미래 동향

양자 공격에 강한 포스트 양자 암호화 알고리즘을 개발하고 채택하는 것이 중요한 추세가 될 것입니다. 격자 기반 암호화와 같은 알고리즘이 연구되고 있습니다.

특히 금융 분야에서 클라우드 기반 암호화 및 키 관리에 대한 수용이 증가하고 있습니다. 동형암호는 암호화된 데이터를 해독하지 않고도 연산할 수 있게 해줍니다. 이는 클라우드 컴퓨팅 및 데이터 처리에서 개인 정보 보호를 강화할 수 있습니다.

암호화폐는 블록체인 기술 보안에서 중요한 역할을 하며, 이 둘은 앞으로도 계속 얽혀 있을 것입니다.

GDPR과 같은 데이터 보호 규정이 강화됨에 따라 토큰화는 의료, 금융 서비스 및 기업에서 더 많이 사용되고 있습니다. 토큰화는 실제 데이터를 해커에게 쓸모없는 토큰으로 대체합니다.

결론

암호화는 탐구할 영역이 넓은 분야이며, 본 글에서는 암호화의 기본 사항만 다루었을 뿐입니다.

암호화, 그 원리, 유형, 해시 함수, 과제, 미래 동향 및 실제 응용 분야를 다루었습니다.

하지만 아직 발견할 내용이 더 많습니다.

추가 정보로 Cloud Cryptography: 입문 가이드 및 Google Cloud 우수 사례를 참조하십시오.