암호 기술 2

01. 암호 기술

03. 대칭키 암호화 공개키 암호

1) 대칭키 암호화 공개키 암호

1. 대칭키 암호화 방식

• 암호화 키와 복호화 키가 동일함
• 송신 측과 수신 측이 통신하기 전에 키를 분해하고 보관하고 있어야 함
• 송수신 측 모두가 키를 비밀리에 보관하고 있어야 함
• 키 분배가 공개키 암호화 방식에 비해 어려움
• 대칭키(비밀키) 암호화 방식은 공개키 암호화 방식보다 단순하고 암호화 속도가 빠름
• 대칭키(비밀키) 암호화 방식은 데이터를 변환하는 방법에 따라 블록 암호와 스트림 암호로 구분됨
• 비밀키, 관용키, 단일키 암호화 방식이라고도 함
• DES(Data Encryption Standard)가 가장 대표적인 알고리즘

2. 공개키 암호화 방식

• 암호화 키와 복호화 키가 다름
• 암호화 키와 복호화 키를 생성하여 암호화 키는 공개하고, 복호화 키는 비밀리에 보관하고 있어야 함
• 키 분배가 비밀키 암호화 방식보다 용이함
• 송신 측은 수신 측에서 보내온 공개키로 평문을 암호화하여 전송하면 수신 측은 비밀리에 보관하고 있던 복호화 키를 이용하여 암호문을 평문으로 복호화함
• 공개키 암호화 방식은 비밀키 암호화 방식과 달리 암호화 키를 사전에 전송할 필요가 없으므로 불특정 다수 사이에서 암호화된 통신망을 구축할 때 용이함
• 공개키 암호화 방식은 비밀키 암호화 방식에 비해 복잡하고 암호화 속도가 느림
• 공개키 암호화 방식은 알고리즘과 공개키를 알아도 개인키를 알아내는 것이 매우 어려움
• 디지털 서명에 적합함
• RSA가 가장 대표적인 알고리즘
• 비대칭키, 공용키 방식이라고도 함

2) 공개키 기반 구조(PKI : Public Key Infrastructure)

• 네트워크 환경에서 보안 요구사항을 만족시키기 위해 공개키 암호화 인증서 사용을 가능하게 해 주는 기반 구조
• 공개키 암호화 방식을 안전하게 사용하고 관리하기 위한 정보보호 방식
• 공개키 암호화 방식을 바탕으로 한 인증서를 활용하는 소프트웨어, 하드웨어, 정책 및 규칙 등을 총칭함
• 공개키 암호화 방식을 이용하여 송수신 데이터를 암호화하고, 보유한 암호를 이용하여 거래자 신원을 확인하는 방식의 사용자 인증 시스템
• 공개키 암호화 방식을 통한 암호화 및 전자서명을 제공하는 복합적인 보안 시스템 환경
• 공개키 암호화 방식을 이용하여 송수신 데이터를 암호화하고 디지털인증서를 통해 사용자를 인증하는 시스템
• 공개키 기반 구조는 인터넷 뱅킹, 전자화폐, 전자서명, 인터넷 쇼핑, 항공 예약, 열차 예약, 공연 예약, 전자우편 등에 응용됨

3) 공개키 기반 구조의 디지털 인증서

• 전자서명의 신분을 확인하기 위해 인증서를 사용함
• 인증서는 실세계에서 사용한 인감도장을 증명할 수 있는 인감증명서를 첨부하는 것과 같은 역할을 함
• 공개키 인증서를 발행하여 기밀성, 무결성, 인증, 부인방지, 접근 제어를 보장함
• 인증서는 쌍방 간의 거래를 증명해줄 수 있는 제 3의 기관(공인인증기관)에서 발부해야 함
• 공개키 기반 구조의 구성 요소로는 공개키 인증서, 공인인증기관, 등록기관, 디렉터리, 사용자 등이 있음
• 공인인증기관(CA : Certification Authority)은 공공성을 지니며 신뢰할 수 있는 기관으로 인증 업무를 수행함
• 공인인증기관(CA)은 사용자에 대한 공개키 인증서를 생성하고 이를 발급함
• 공인인증기관(CA)은 인증설흘 발행하며, 등록 기관(RA : Registration Authority)은 인증서 신청자의 신원 확인 및 인증서 등록을 대행함
• 공인인증기관(CA)은 필요 시 사용자 인증에서 대한 갱신 및 폐기 기능을 수행함
• 공인인증기관(CA)은 인증서 폐기목록(CRL : Certification Revocation List)을 작성함
• 공인인증서의 폐지 여부는 인증서폐지목록(CRL)과 온라인 인증서 상태 프로토콜(OCSP) 확인을 통해서 이루어짐
• 공인인증서는 버전, 일련번호, 서명, 발급자, 유효기관 등의 데이터 구조를 포함하고 있음(인증서 규정 X.509)

4) 공개키와 개인키 암호화의 동작 원리

• 암호화된 메시지를 송신할 때에는 수신자의 공개키를 사용하며, 암호화된 서명 송신 시에는 송신자의 개인키를 사용함
• 암호화된 메시지를 수신할 때에는 수신자의 개인키를 사용하며, 암호화된 서명 수신 시에는 송신자의 공개키를 사용함

작업	송수신측	키사용
암호화된 메시지 송신	수신자	공개키
암호화된 서명 송신	송신자	개인키
암호화된 메시지 수신	수신자	개인키
암호화된 서명 수신	송신자	공개키

5) 공개키 암호 방식을 이용한 전자서명 순서

A가 B에게 전자서명된 메시지를 전송하는 과정

1. A와 B는 개인키와 공용키의 쌍을 각각 생성함
2. A는 A의 개인키를 사용하여 암호화된 메시지를 B에게 전송함
3. B는 A의 공개키를 사용하여 수신된 메시지를 해독함

• 송신자는 자신의 개인키로 서명하고 수신자는 송신자의 공개키로 서명을 검증함
• 전자서명은 사용자 인증, 무결성, 부인방지 기능을 제공하는 것이지 기밀성을 지키기 위한 것은 아님
• 기밀성이 필요하다면 메시지 자체를 별도의 암호화를 행해서 전달해야 함
• 메시지로부터 얻은 일정 크기의 해시값을 서명에 이용함
• 공개키 기반 전자서명에서 메시지에 서명하지 않고 메시지의 해시값과 같은 메시지 다이제스트에 서명함
• 메시지 다이제스트에 서명하는 이유는 공개키 암호화에 따른 성능 저하를 극복하기 위한 것

6) 하이브리드 암호 방식

• 대칭키 암호 시스템과 공개키 암호 시스템의 장점을 조합한 것
• 문서는 대칭키 암호화 시스템을 사용하고, 문서를 암호화하거나 복호화할 때 사용하는 키는 공개키 암호화 시스템을 사용함
• 하이브리드 암호 시스템을 사용하여 송신자가 수신자에게 문서를 보낼 때의 과정 순서
  1. 키를 사용하여 문서를 암호화할 때 -> 대칭키 암호 시스템
  2. 문서를 암, 복호화하는 데 필요한 키를 암호화할 때 -> 공개키 암호 시스템
  3. 키를 사용하여 암호화된 문서를 복호화할 때 -> 대칭키 암호 시스템

7) 하드 코드된 암호화 키

• 암호화 키가 프로그램 소스에 상숫값으로 존재하여 암호화에 사용되는 경우
• 소스 파일이나 실행 파일이 유출되었을 경우 암호화 키도 같이 유출되어 공격의 대상이 될 수 있음
• 암호화 키는 별도로 암호화하여 저장하거나 매번 키로 입력하여 사용함

8) 해시(Hash) 함수

1. 해시 함수의 정의

• 일정치 않은 길이의 평문이나 메시지 문자열을 고정된 길이의 문자열(평문 다이제스트)로 만들어주는 함수
• 다양한 길이의 평문을 보다 빨리 처리할 수 있도록 짧은 길이의 값이나 키로 변환하는 알고리즘을 수식으로 표현한 것
• 해시 함수의 평문(메시지) 입력을 가변 길이를 갖고 출력(평문 다이제스트, 해시값)은 고정 길이를 가짐

2. 해시 함수의 필요성

디지털 서명 알고리즘의 서명 단위(212, 1024비트)가 제한되어 있기 때문에 긴 메시지나 평문을 사용하기 어렵기 때문에, 서명하기 위해서는 긴 메시지를 여러 개의 블록으로 분리하여 각각을 서명해야 함
메시지의 길이에 따라 계산의 형태나 횟수가 증가되어 높은 계산적 부담이 존재함
메시지가 긴 경우에 분할된 블록의 서명 용량이 늘어나게 되어 오버헤드가 발생함
메시지가 긴 경우에 분할된 각 블록은 안전할 수 있으나 전체 블록의 순서 재배치, 삭제 등에 대해서는 안전할 수 없음

3. 일방향 해시 함수

• 해시 함수가 데이터의 무결성을 제공하고, 메시지 인증 알고리즘으로 사용될 경우 일방향 해시 함수라고 함
• 임의의 평문이나 메시지를 받아드려 고정 길이의 출력값을 생성하고, 출력값을 비교하여 무결성을 확인함
• 해시 함수
  • h = H(M)
  • M : 메시지나 평문, H : 해시 함수, h : 해시 코드

4. 해시 함수 사용

• 수신 측에 전달할 메시지를 해시 함수(H)를 통해 해시 코드(h)를 생성하고, 해시 코드와 메시지를 결합함
• 해시 코드와 결합된 메시지를 암호화 알고리즘을 통해 암호문으로 만듦
• 암호문이 수신 측에 전달되면 복호화 알고리즘을 통해 복원되며 메시지와 해시 코드(h)가 존재함
• 수신된 메시지로 다시 해시 코드(h)를 구하고, 수신된 해시 코드와 비교하여 같으면 정상 수신한 것으로 판단함

5. 해시 함수 조건

• 해시 함수는 다양한 길이의 메시지를 적용할 수 있어야 함
• 해시 함수는 고정된 길이의 출력을 만들어야 함
• 해시 함수는 계산하기 쉬워야 함
• 해시 함수와 해시 코드만 주어졌을 때 메시지를 복원하는 것이 불가능하도록 해야 함
• 해시 함수는 같은 출력을 갖는 두 입력을 찾기 어려워야 함

6. 해시 함수의 특징 및 종류

• 해시 함수는 대칭키 암호나 공개키 암호와는 달리 키를 사용하지 않는 암호 알고리즘
• 해시 함수의 출력은 의사 난수여야 함
• 해시 함수는 전자서명 등에서의 메시지 압축, 키 생성, 의사 난수 생성(출력) 등에 널리 사용되는 암호학적 함수
• 해시 함수는 임의의 메시지를 입력으로 받아 고정된 길이의 비트열을 출력하는 다대일 함수
• 해시 함수는 다대일 대응 함수로 동일한 출력을 갖는 입력이 두 개 이상 존재하면 충돌이 발생함

해시 함수	출력 비트	입력 비스	라운드	속도
MD4	128	512	48	1.00
MD5	128	512	64	0.68
RIPE-MD-128	128	512	128	0.39
RIPE-MD-160	160	512	160	0.24
SHA-1	160	512	80	0.28

7. MD5(Message-Digest algorithm 5)

• 미국 MIT 공과대학의 Ron Rivest에 의해 개발됨
• 가변 길이의 메시지를 고정된 길이인 128비트로 출력함
• 메시지는 512비트의 블록 단위로 처리함
• 마지막 블록에서 입력 메시지의 길이를 표현하기 위해 64비트를 할당함
• 패딩은 입력 메시지의 끝에 1을 넣고 나머지는 0으로 채움
• 패딩되는 비트의 범위는 1 ~ 512비트가 되며 원본의 메시지 길이가 부가(삽입)되도록 구성함
• MD5의 처리 속도는 512비트 입력 메싯지를 100만 수행한 결과가 0.68초 정도 걸림
• 8비트 상태에서 동작하는 4개의 버퍼 A, B, C, D의 초기 값을 부여함
• 4개의 버퍼는 32비트 워드로 되어 있음
• MD5 버퍼는 블록 데이터 처리 단계에서 연산되는 블록 데이터의 결과를 일시적이거나 최종적으로 보관하는 데 사용되며, 기억 장소는 레지스터
• 512비트 블록을 처리하는 단계에서는 4개의 라운드 처리로 16번 반복하므로 총 라운드 수는 64번
• 각 라운드는 비슷하지만 비선형 함수, 모듈러 덧셈, 회전 등을 사용함

8. SHA-1(Secure Hash Algorithm 1)

• SHA 알고리즘은 NSA에 의해 설계된 알고리즘으로 미국 정부 표준
• MD4 알고리즘에 기반을 두고 있는 SHA는 입력 메시지는 512비트 블록, 출력은 고정된 160비트로 출력함
• 160비트의 5개의 버퍼를 초기화하여 사용하며 해시 함수의 초기 값과 최종 값을 저장하기 위해 사용되어짐
• SHA-1의 처리 속도는 512비트 입력 메시지를 100만 수행한 결과가 0.28초 정도 걸림
• 버퍼는 5개의 레지스터(A, B, C, D, E)로 표현되는데, 초기화되는 값은 다음과 같음
  • A = 0x67452301
  • B = 0xEFCDAB89
  • C = 0x98DADCFE
  • D = 0x10325476
  • E = 0xC3D2E1F0
• 512비트 블록을 처리하는 단계에서는 5개의 라운드 처리로 16번 반복하므로 총 라운드 수는 80번

9. 해시 함수의 분류

• 전용(추가, 분할, 반복 이용) 해시 함수 : MD4, MD5, SHA-1, RIPE-MD, HAS160, TIGER
• 블록 암호 기반(DES 기반) 해시 함수 : MDC-2, MDC-4, SEED, AES
• 모듈러 연산 기반 해시 함수 : MASH-1, MASH-2

10. 해시 함수의 키 존재 여부에 따른 분류

• MDD(Manipulation Detection Code) : 키가 없는 해시 함수로 MD2, MD5, SHA 등이 있음
• MAC(Message Authentication Code) : 키가 있는 해시 함수로 CBC-MAC, HMAC 등이 있음

11. 메시지 인증 코드(MAC : Message Authentication Code)

• MAC는 메시지와 송수신자만이 공유하는 비밀키를 입력 받아 생성되는 반면에 해시는 비밀키 없이 메시지로부터 만들어짐
• MAC는 메시지에 붙여지는 작은 데이터 블록을 생성하기 위해 공유되는 비밀키를 이용함
• MAC으로 막을 수 있는 두 가지 위협은 메시지 변경과 위장
• MAC을 이용한 인증 순서
  1. 송신자 A와 수신자 B는 사전에 키를 공유함
  2. 송신자 A는 송금 의뢰 메시지를 기초로 해서 MAC 값을 계산함
     • 공유하는 비밀키를 사용
  3. 송신자 A는 수신자 B에게 송금 의뢰 메시지와 MAC 값을 보냄
  4. 수신자 B는 수신한 송금 의뢰 메시지로 MAC 값을 계산함
     • 공유하는 비밀키를 사용
  5. 수신자 B는 송신자 A로부터 수신한 MAC 값과 계산으로 얻어진 MAC 값을 비교함
  6. 수신자 B는 2개의 MAC 값이 동일하면 송신자 A로부터 온 것이라고 판단(인증 성공)하며, 동일하지 않다면 송신자 A로부터 온 것이 아니라고 판단함(인증 실패)

12. 암호화 해시 함수가 가져야 하는 성질

• 역상 저항성(Preimage Resistance)
  • 해시값으로부터 원래의 입력값과의 관계를 찾기 어려운 성질
  • 주어진 해시값에 대해, 그 해시값을 생성하는 입력값을 찾는 것이 어려움
  • 해시값을 이용하여 원래의 입력 메시지를 찾은 것은 계산상으로 불가능해야 함
  • 역상 저항성은 주어진 임의의 출력값 y에 대해 y = h(x)를 만족하는 입력값 x를 찾는 것이 계산적으로 불가능한 성질
  • y가 주어지고, h(x) = y인 x를 찾는 것이 어려운 성질(일방향성)
• 제 2 역상 저항성(Second Preimage Resistance)
  • 주이진 입력값과 그 입력값에 해당하는 해시값에 대해, 동일한 해시값을 생성하는 다른 입력값을 찾는 것이 어려움
  • 입력 메시지와 그 해시값이 주어졌을 때, 이와 동일한 해시값을 갖는 다른 메시지를 찾는 것은 계산상으로 불가능해야 함
  • 두 번째 역상 저항성은 입력값 x에 대해 h(x) = h(x')를 만족하는 다른 입력값 x'를 찾는 것이 계산적으로 불가능한 성질
  • h(x) = y인 x와 y가 주어지고 h(x') = y인 x'(≠x)를 찾는 것이 어려운 성질
• 충돌 저항성(Collision Resistance)
  • 같은 해시값을 생성하는 임의의 서로 다른 두 개의 입력값을 찾는 것이 어려움
  • 서로 다른 두 입력 메시지에 대해 같은 해시값이 나올 가능성은 있으나, 계산적으로 같은 해시값을 갖는 서로 다른 두 입력 메시지를 찾는 것은 불가능해야 함
  • 충돌 저항성은 h(x) = h(x')를 만족하는 두 입력값 x와 x'를 찾는 것이 계산적으로 불가능한 성질
  • h(x) = h(x')인 x, x'(≠x)를 찾는 것이 계산적으로 불가능한 성질
  • 충돌 저항성은 제 2 역상 저항성을 보장함