[보안프로토콜] 하이브리드 암호 시스템 - Part 2

하이브리드 암호 시스템에서 메시지를 암/복호화 할 때 대칭키 암호가 많이 사용된다. 대칭 키 암호 방식으로는 블록 암호와 스트림 암호가 존재한다. 현대에는 블록 암호가 많이 사용되고 있으며 긴 비트에 메시지를 암호화 처리 하기 위해서 블록암호 모드 방식이 필요하다.

블록 암호는 블록 단위를 암호화 하는 암호기술로서 특정 비트 수의 블록 집합을 한꺼번에 처리한다. 암호화 알고리즘에 따라 처리하는 블록 bit 단위가 다를 수 있다. 

대칭키 암호의 또다른 기술인 스트림 암호도 존재한다. 보통 키스트림과 평문을 xor 연산하여 암호화가 진행된다. 

블록 암호의 주요 모드에 대해서 살펴보자. 일반적인 상황을 생각해보자! AES-128을 갖고 암호화를 할 때 16바이트를 암호화를 하는데, 데이터 평문을 암호화 하게 된다면 16바이트 이상의 자료에 대해서 암호화를 수행해야 하는 경우가 많을 것이다. 긴 평문을 암호화 할 때 블록 암호 모드가 사용된다.

위에서 언급된 ECB, CBC, CFB, OFB, CTR 블록 암호 모드는 국제 ISOIC 블록암호 표준 모드로 제정되어있다.

ECB 모드는 평문을 블록 단위로 나눠서 블록 암호를 사용하여 바로 암호화 하는 방법이다. 보통 블록 암호를 사용할 때 padding 방식이 필요한 경우가 있으며 비트를 덧붙일 때 사용한다.

예를 들어 AES와 블록암호를 결합하여 사용했을 때 각 블록은 128비트단위로 처리되어야 한다. 만약 메시지를 128비트 단위의 블록으로 나눴는데 128비트 보다 모자란 경우가 있다면 padding 을 통해 추가적인 비트를 덛붙여서 암호화를 진행한다.

예시를 살펴보자!

블록 암호가 AES라고 가정했을 때 평문 블록 단위가 전부 128 비트가 되어야 한다. 평문 블록과 비밀키를 AES의 입력으로 넣어서 암호문 블록을 생성한다. 모든 블록에 대해서 암호문 블록이 생성되면 전체  블록이 암호화가 되는 것이다. 암호화 과정의 반대가 복호화 과정이다.

ECB 모드는 불안전한 모드이다. 공격이 간단하기 때문이다. 예를 들어 어느 은행의 송금 의뢰 데이터가 다음과 같은 3개의 블록으로 구성되어 있다고 가정해보자!

• 블록 1: 송금자의 은행 계좌번호
• 블록 2: 송금처의 은행 계좌번호
• 블록 3: 송금액

A-5374의 계좌로 부터 B-6671의 계좌로 1억원을 송금하라는 송금 의뢰 데이터를 만들어보자!

우측의 데이터는 아스키 코드이기 때문에 좌측과 같이 표현될 수 있다. 원본 데이터를 ECB 모드를 통해 암호화를 진행하였을 때 암호문 블록 1, 2, 3으로 변환되어서 알 수 없는 2진 수열로 암호문이 생성된다.

암호문은 제 3자도 패킷 캡처를 통해 암호문 블록을 볼 수 있으며 심지어 암호문 블록을 바꿔치기 할 수도 있다.

블록을 바꿔치기 하는 방법으로 수신자는 전혀 다른 내용을 보게 되었다. 블록을 바꿈으로써 내용물에 큰 변화를 줄 수 있는 ECB 모드의 취약점이 존재한다는 점 기억해두자.

CBC 모드는 Cipher Block Chaining 모드의 약자로써 암호문 블록이 마치 체인처럼 연결되어있다. CTR 모드와 같이 많이 사용되었던 방식이었으나 현대에는 많이 사용되지 않는다. 

CBC로 생성된 암호문 블록이 생성될 때 현재 평문 블록 뿐만 아니라 그 이전의 평문 블록 들의 영향도 받는다. 초기 벡터가 필요하다. 초기 벡터는 보통 난수를 사용하며 비밀을 유지할 필요는 없다.

평문 블록이 만들어 졌다고 가정해보자! 평문 블록 1,2,3,4를 블록암호 CBC모드에 넣어서 암호문을 생성한다. 이 때 초기벡터 IV값을 평문 블록 1과 XOR 연산하여 암호문을 만들어낸다. 암호문 블록 2의 벡터 값으로 암호문 블록 1값을 체이닝 하여 생성한다. 

• 정리해 보자면, 암호문 블록 4는 평문 블록 4와 암호문 블록 3을 XOR 취해서 생성하고
• 암호문 블록 3은 평문 블록 3과 암호문 블록 2에 XOR 취해서 생성하며 
• 암호문 블록 2는 평문 블록 2와 암호문 블록 1에 XOR 취해서 생성하고
• 암호문 블록 1은 평문 블록 1과 초기벡터를 XOR 연산하여 생성된다.

복호화는 위와 같은 방식을 거꾸로 이용하면 된다. 

• 암호문 블록 1에 복호화 알고리즘을 돌려서 나온 출력값과 초기벡터를 XOR 연산하여 평문 블록 1이 된다.
• 암호문 블록 2, 암호문 블록 3도 같은 방식으로 동작한다.

CFB 모드는 Cipher text feedback mode의 축약어로써 스트림 암호 형식의 모드이며 1단계 앞의 암호문 블록을 암호 알고리즘의 입력으로 사용하는 모드이다.

한단계 앞에 암호문 블록을 암호화 알고리즘의 입력으로 사용한다. CFB 모드에서 복호화를 수행할 경우 블록 암호 알고리즘 자체는 암호화를 수행하고 있다는 점이 ECB나 CFB모드와는 다른점이다. 초기 벡터가 필요하며 키스트림 암호이다. 키스트림과 평문 블록을 XOR 하여 암호화를 진행한다.

평문 블록이 생성될 때 초기 벡터가 암호화되어 나온 결과값을 평문 블록과 XOR연산하여 암호문 블록 1을 생성한다. 초기벡터의 암호화 결과인 아웃풋이 키스트림처럼 사용되는 것이다.

CFB 복호화도 열쇄가 닫혀있는 모습을 보면 알 수 있드시 블록암호에서는 암호화 과정을 거친다. 위 이미지에서 암호문 블록이 다음 벡터 값으로 들어갈 때 암호화 될 때 순서가 잘못 표기 되어있기 때문에 빨간색 선을 기준으로 보는 것이 정확하다.

OFB 모드는 Output Feedback 모드이다. 스트림 암호 방식이고 초기 벡터를 사용한다.

OFB 모드의 암호화 과정을 살펴보자!

초기 벡터가 들어오면 암호화가 진행된 후에 평문 블록과 XOR 연산이 진행되어 암호문 블록 1을 생성한다. 여기서 주목할 점은 초기벡터의 암호화 값을 입력으로 받아서 다시 암호화를 진행한 후에 평문 블록 2와 XOR 연산을 진행한다는 점이며 같은 과정을 거쳐 나머지 암호문 블록이 생성된다.

CFB와 마찬가지로 블럭 암호의 암호화 과정으로 구현되어 있다. 초기 벡터가 암호화 해서 암호문 블록과 XOR 연산하면 평문 블록이 생성되며 나머지 블록 또한 동일한 방법으로 복호화가 진행된다.

CTR 모드는 현재 가장 널리 사용되고 있다. Counter 모드로 불리며 1씩 증가해가는 카운터를 암호화 하여 키스트림을 만든 다음에 평문과 XOR 연산한다.

카운터의 초기값은 난수를 사용하며 1씩 증가해가는 특징을 보인다.

카운터 값이 블록 암호의 입력값으로 들어온다. 암호화된 카운터 값과 평문 블록에 XOR 연산을 수행하여 암호문 블록을 생성한다. 같은 방식으로 나머지 블록에도 수행하여 암호화 블록을 생성한다.

CTR 모드의 가장 큰 장점은 병렬 처리가 가능하다는 점이다. 각 암호문 블록을 생성할 때 별다른 종속관계가 없기 때문에 고속 구현이 가능하다. 블록 암호에 들어가는 Input 또한 모두 다르기 때문에 블록 암호의 출력값을 예측하기 어렵다. 따라서 안전하고 효율적인 모드이며 가장 많이 사용된다.