대칭 키 암호화편집자 확인

대칭 키 암호화는 암호화와 복호화에 동일한 비밀 키를 사용하는 암호 체계이다. 이 키는 통신 당사자 간에 비밀로 공유되어야 하며, 제삼자에게 노출되지 않도록 관리되어야 한다. 이 방식은 비대칭 키 암호화와 구분되는 가장 핵심적인 특징이다.

대칭 키 암호화의 주요 특징은 다음과 같다.

이 방식의 장점은 높은 처리 속도와 효율성이다. 따라서 AES와 같은 현대적 대칭 키 알고리즘은 파일 암호화, 데이터베이스 보호, TLS/SSL을 통한 안전한 웹 통신의 실제 데이터 암호화 등 광범위한 분야에서 사용된다. 반면, 키를 사전에 안전하게 공유해야 한다는 점이 주요한 한계로 지적된다. 이 키 분배 문제를 해결하기 위해 디피-헬먼 키 교환 같은 프로토콜이나, 비대칭 키 암호화를 함께 사용하는 하이브리드 방식이 종종 적용된다.

암호화 과정은 평문이라고 불리는 읽을 수 있는 원본 데이터와 대칭 키를 입력으로 받는다. 암호 알고리즘은 이 키를 사용해 평문을 변환하여 암호문을 생성한다. 이 과정은 결정적이며, 동일한 평문과 키를 사용하면 항상 동일한 암호문이 출력된다. 암호화 함수는 일반적으로 E(평문, 키) = 암호문으로 표현된다.

복호화 과정은 암호화의 역과정이다. 수신자는 암호문과 송신자와 동일한 대칭 키를 입력으로 사용한다. 복호 알고리즘은 키를 이용해 암호문을 다시 원래의 평문으로 되돌린다. 올바른 키를 사용할 경우, 복호화 함수 D(암호문, 키) = 평문의 결과는 원본 평문과 정확히 일치한다.

블록 암호의 경우, 고정된 크기의 데이터 블록 단위로 이 과정이 수행된다. 예를 들어, AES 알고리즘은 128비트 블록을 처리한다. 평문이 블록 크기보다 길면, 운용 모드에 따라 여러 블록으로 나누어 반복적으로 암호화된다. 스트림 암호는 일반적으로 평문 비트나 바이트를 의사 난수 키 스트림과 결합(예: XOR 연산)하는 방식으로 암호화와 복호화를 수행한다.

과정의 보안은 전적으로 키의 비밀성에 달려 있다. 암호화 및 복호화 알고리즘 자체는 공개되는 경우가 많지만[1], 키가 노출되면 해당 키로 암호화된 모든 메시지를 복호화할 수 있게 된다. 따라서 암호화와 복호화는 수학적으로 역연산 관계에 있으면서도, 키 없이는 암호문으로부터 평문을 유추하는 것이 계산상 불가능하도록 설계된다.

블록 암호는 고정된 길이의 평문 블록을 동일한 길이의 암호문 블록으로 변환하는 대칭 키 암호화 알고리즘이다. 암호화와 복호화에 동일한 비밀 키를 사용하며, 일반적으로 64비트 또는 128비트와 같은 블록 단위로 데이터를 처리한다. 이 방식은 데이터를 블록으로 나누어 순차적으로 암호화하기 때문에, 스트림 암호와 구분되는 주요 특징이다.

블록 암호의 대표적인 예로는 DES(Data Encryption Standard)와 AES(Advanced Encryption Standard)가 있다. DES는 1970년대에 개발되어 오랫동안 표준으로 사용되었으나, 56비트의 짧은 키 길이로 인해 현대적인 컴퓨팅 성능 앞에서 취약해졌다. 이를 대체하기 위해 2001년에 선정된 AES는 128, 192, 256비트의 키 길이를 지원하며, 현재 가장 널리 사용되는 블록 암호 표준이다.

블록 암호는 단독으로 사용되기보다는 특정한 운용 모드와 결합되어 운영된다. 이는 긴 메시지를 암호화하거나, 동일한 평문 블록이 서로 다른 암호문을 생성하도록 하기 위함이다. 주요 운용 모드에는 ECB, CBC, CFB, OFB, CTR 등이 있으며, 각 모드는 초기화 벡터 사용, 병렬 처리 가능성, 오류 전파 특성 등에서 차이를 보인다.

블록 암호의 안전성은 사용된 알고리즘의 내부 구조(예: 치환-전치 네트워크), 키 길이, 그리고 라운드 수 등에 크게 의존한다. 암호학적 공격으로부터 안전하기 위해서는 차분 공격과 선형 공격 등에 대한 저항성을 갖추어야 한다.

스트림 암호는 평문을 비트나 바이트 단위로 순차적으로 암호화하는 방식이다. 블록 암호가 고정된 크기의 데이터 블록을 단위로 처리하는 것과 대조된다. 스트림 암호의 핵심은 의사 난수 생성기를 사용하여 생성된 키 스트림을 평문과 결합(XOR 연산)하여 암호문을 만들어내는 것이다. 수신측은 동일한 키를 사용하여 동일한 키 스트림을 생성하고, 암호문과 다시 XOR 연산을 수행하여 원래의 평문을 복원한다.

주요 알고리즘으로는 역사적으로 널리 사용되었으나 현재는 보안 결함으로 권장되지 않는 RC4와, 현대적으로 설계되어 널리 채택되고 있는 ChaCha20이 있다. 이들의 특징을 비교하면 다음과 같다.

스트림 암호는 하드웨어 구현이 비교적 간단하고 지연 시간이 짧아 실시간 통신 환경에 적합하다. 그러나 키 스트림을 절대 재사용해서는 안 된다는 중요한 제약이 있다. 동일한 키 스트림으로 두 개 이상의 평문을 암호화하면, 암호문 간의 상관관계를 통해 평문을 쉽게 유추할 수 있는 심각한 보안 위협이 발생하기 때문이다.

블록 암호 알고리즘은 고정된 길이의 블록 단위로 데이터를 처리한다. 그러나 실제 암호화해야 할 데이터는 임의의 길이를 가지며, 하나의 블록보다 길 수 있다. 운용 모드는 이러한 블록 암호를 반복적으로 사용하여 긴 평문을 암호화하거나, 특정 보안 속성을 추가하는 방식을 정의한다. 주요 운용 모드로는 ECB, CBC, CFB, OFB 등이 있다.

ECB 모드는 암호화 강도가 가장 약하여 이미지나 정형화된 데이터에서 원본 패턴이 그대로 드러날 수 있어, 일반적인 데이터 암호화에는 권장되지 않는다. CBC 모드는 널리 사용되는 모드로, 패턴 노출 문제를 해결하며 무결성 검사와 결합되어 자주 활용된다. CFB와 OFB 모드는 블록 암호를 스트림 암호 방식으로 변환하여 사용하며, 특히 실시간 통신 스트림의 암호화에 적합한 특징을 가진다. 모든 모드에서 CBC, CFB, OFB는 예측 불가능한 초기화 벡터의 사용이 보안에 필수적이다.

CTR(Counter) 모드는 블록 암호를 스트림 암호처럼 사용하는 운용 모드이다. 카운터라고 불리는 고유한 값을 암호화하여 생성된 키 스트림과 평문을 XOR 연산하는 방식으로 동작한다. 카운터는 일반적으로 Nonce와 블록 번호의 조합으로 구성되며, 각 블록마다 예측 불가능한 값이어야 한다. CTR 모드는 병렬 처리가 가능하고, 오류 확산이 발생하지 않으며, 암호화와 복호화 과정이 동일하다는 장점을 가진다. 그러나 동일한 카운터와 키를 재사용하면 심각한 보안 취약점이 발생한다[5].

GCM(Galois/Counter Mode) 모드는 CTR 모드에 인증 기능을 결합한 인증 암호 운용 모드이다. 데이터의 기밀성은 CTR 모드를 통해 제공하고, 무결성과 인증은 갈루아 체 상의 곱셈 연산을 기반으로 한 GMAC을 통해 제공한다. 이는 암호문이 전송 중에 변조되었는지 검증할 수 있게 해준다. GCM은 높은 성능과 병렬 처리 효율성으로 인해 현대 네트워크 프로토콜과 저장 장치 암호화에서 널리 채택되었다. 예를 들어, TLS 1.2 이상과 IPsec, SSH 프로토콜에서 사용된다.

다음은 주요 특징을 비교한 표이다.

GCM 모드를 사용할 때는 Nonce의 고유성이 반드시 보장되어야 한다. 동일한 키와 Nonce 조합으로 서로 다른 메시지를 암호화하면 인증 키가 노출될 수 있어 보안이 완전히 무너진다.

대칭 키 암호화 시스템의 안전성은 암호 키 자체의 비밀성에 크게 의존한다. 따라서 키를 어떻게 안전하게 생성하고, 의도된 통신 당사자들 사이에 어떻게 안전하게 분배할 것인지가 핵심적인 과제이다. 키 생성 과정에서 예측 가능하거나 낮은 엔트로피를 가진 키를 사용하면, 공격자가 키를 추측하거나 무차별 대입 공격을 성공시킬 가능성이 높아진다. 이를 위해 암호학적으로 안전한 난수 생성기를 사용하여 충분한 길이와 복잡성을 가진 키를 생성하는 것이 필수적이다.

키 분배 문제는 대칭 키 암호화의 근본적인 취약점 중 하나이다. 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용하기 때문에, 통신을 시작하기 전에 송신자와 수신자가 모두 그 비밀 키를 안전하게 공유해야 한다. 물리적 전달(예: 직원이 이동식 매체를 손수 전달)은 특정 환경에서만 가능한 비현실적인 방법이다. 네트워크를 통해 키를 그대로 전송한다면, 제3자가 키를 가로채어 이후의 모든 통신을 복호화할 수 있게 된다. 이 문제를 '사전 공유 키 문제'라고 부른다.

이 문제를 해결하기 위해 여러 키 교환 프로토콜과 하이브리드 방식이 개발되었다. 가장 대표적인 방법은 비대칭 키 암호화를 이용한 키 교환이다. 예를 들어, 디피-헬만 키 교환 프로토콜은 통신 당사자가 공개 채널을 통해 정보를 교환하여 각자 동일한 공유 비밀 값을 계산할 수 있게 한다. 또한, RSA와 같은 비대칭 암호를 사용하여 대칭 키 자체를 암호화한 후 전송하는 방식도 널리 사용된다. 이러한 하이브리드 시스템에서는 대칭 키가 실제 대량 데이터 암호화에 사용되고, 비대칭 암호는 그 대칭 키를 안전하게 전달하는 데만 사용된다.

키 관리의 복잡성은 시스템 규모가 커질수록 기하급수적으로 증가한다. n명의 사용자가 서로 쌍별로 안전하게 통신하려면 관리해야 할 대칭 키 쌍의 수는 n(n-1)/2개에 달한다[6]. 이는 대규모 네트워크에서 키 생성, 저장, 배포, 갱신, 폐기라는 전 주기에 걸친 관리 부담을 크게 가중시킨다. 이러한 문제들로 인해 대칭 키 암호화는 키 교환 메커니즘이 마련된 안전한 채널 내에서, 또는 비대칭 암호와 결합된 형태로 주로 사용된다.

키 교환 프로토콜은 안전하지 않은 채널을 통해 두 당사자가 대칭 키를 안전하게 공유할 수 있도록 하는 절차 또는 알고리즘이다. 대칭 키 암호화의 근본적인 문제점은 암호화와 복호화에 사용되는 동일한 키를 어떻게 상대방에게 전달할 것인가이다. 키를 그대로 전송하면 제삼자가 가로채어 키를 획득할 수 있기 때문에, 키 자체를 암호화 없이 교환하는 것은 위험하다. 따라서 키 교환 프로토콜은 수학적 문제의 난이도를 기반으로 하여, 공개적으로 오가는 정보만으로는 키를 계산하기 어렵게 설계된다.

가장 유명한 키 교환 프로토콜은 디피-헬먼 키 교환이다. 이 프로토콜에서 통신 당사자 앨리스와 밥은 각각 비밀값을 생성하고, 이를 공개적으로 합의된 생성원과 소수 모듈러스와 결합하여 공개값을 계산한다. 그런 다음 서로의 공개값을 교환하고, 자신의 비밀값과 상대방의 공개값을 이용해 동일한 공유 비밀을 도출한다. 이 과정에서 공개 채널을 통해 오가는 정보는 공개값뿐이며, 이를 통해 최종 공유 비밀을 계산하는 것은 이산 로그 문제의 어려움에 기반하여 현실적으로 불가능한 것으로 여겨진다. 이렇게 생성된 공유 비밀은 이후 대칭 키로 사용될 수 있다.

키 교환 프로토콜은 단독으로 사용되기보다는 하이브리드 암호 시스템의 일부로 자주 활용된다. 즉, 키 교환 프로토콜을 통해 안전하게 공유된 세션 키를 생성한 후, 이 키를 사용해 실제 대량의 데이터를 대칭 키 암호화 방식으로 빠르게 암호화한다. 이 접근 방식은 TLS/SSL, SSH, IPsec과 같은 대부분의 현대 네트워크 보안 프로토콜의 핵심을 이룬다. 프로토콜의 안전성은 기반이 되는 수학적 문제와 구현의 정확성, 그리고 난수 생성의 품질에 크게 의존한다.

암호학적 공격은 대칭 키 암호화 시스템의 취약점을 찾아내거나 암호 키를 복구하기 위해 사용되는 다양한 방법을 포괄한다. 이러한 공격은 암호 알고리즘 자체의 설계 결함, 키 관리의 실수, 또는 운용 모드의 부적절한 사용을 표적으로 삼는다. 주요 공격 유형은 암호문만을 아는 상태에서 수행되는 것부터 평문에 대한 일부 정보를 가정하는 것까지, 공격자가 가진 정보의 양에 따라 분류된다.

가장 기본적인 공격은 암호문 단독 공격이다. 공격자는 암호화된 메시지(암호문)만을 가지고 대응하는 평문이나 키를 찾아내려 시도한다. 현대의 강력한 암호에서는 이 방법만으로 키를 찾는 것은 거의 불가능하다. 더 강력한 공격 모델로는 기지 평문 공격이 있다. 공격자는 일부 평문과 그에 대응하는 암호문 쌍을 알고 있는 상태에서 키를 유추한다. 예를 들어, 표준 문서나 프로토콜 헤더처럼 내용을 예측할 수 있는 데이터가 암호화되었을 때 가능하다.

더욱 적극적인 공격 모델은 선택 평문 공격이다. 공격자는 암호화 오라클, 즉 자신이 선택한 임의의 평문을 암호화해 줄 수 있는 장치나 시스템에 접근할 수 있다고 가정한다. 이를 통해 암호 알고리즘의 내부 구조를 분석하려 시도한다. 차분 공격이나 선형 공격과 같은 암호 분석 기법은 종종 이 모델 하에서 수행된다. 한편, 선택 암호문 공격은 공격자가 복호화 오라클에 접근할 수 있다고 가정하는 더 강력한 모델이다. 이는 특정 암호문을 복호화한 결과를 관찰하여 키 정보를 누출시키는 것을 목표로 한다.

실제 환경에서는 부채널 공격이 중요한 위협으로 작용한다. 이 공격은 암호 연산 중 발생하는 전력 소비량, 전자기파 방출, 또는 연산 시간 차이와 같은 물리적 정보를 측정하여 비밀 키를 추론한다. 또한, 키 관리 과정에서의 실수나 약한 의사 난수 생성기 사용으로 인해 예측 가능한 키가 생성되면, 공격 범위가 크게 줄어들 수 있다. 따라서 대칭 키 암호의 안전성은 알고리즘의 이론적 강도뿐만 아니라 구현과 운용의 전 과정에 대한 철저한 분석을 통해 평가되어야 한다.

키 길이는 대칭 키 암호화 알고리즘의 안전성을 결정하는 가장 기본적인 요소 중 하나이다. 일반적으로 키 길이가 길수록 가능한 키의 조합 수가 기하급수적으로 증가하여 무차별 대입 공격에 대한 저항력이 강해진다. 예를 들어, 128비트 키를 사용하는 경우 가능한 키의 수는 2^128(약 3.4×10^38)개로, 현실적인 시간 내에 모든 키를 시도하는 것은 불가능하다고 여겨진다. 안전성은 키 길이에 직접적으로 의존하므로, 충분한 키 길이를 선택하는 것은 시스템 설계의 핵심이다.

안전한 키 길이는 컴퓨팅 성능의 발전과 암호 분석 기술의 진보에 따라 시간이 지남에 따라 변화해 왔다. 과거에는 56비트 키를 사용한 DES가 표준이었지만, 컴퓨터 성능 향상으로 인해 현재는 안전하지 않은 것으로 간주된다. 현대의 표준은 최소 128비트 이상의 키 길이를 요구하며, AES는 128, 192, 256비트의 세 가지 키 길이를 제공한다. 256비트 키는 향후 수십 년 동안 양자 컴퓨터의 위협을 제외하고는 안전할 것으로 예상된다[8].

키 길이 외에도 알고리즘 자체의 설계 결함이나 부채널 공격과 같은 구현상의 취약점이 전체적인 안전성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 충분한 키 길이를 선택하는 것과 함께, 검증된 표준 알고리즘을 올바르게 구현하고 사용하는 것이 동등하게 중요하다. 암호학 커뮤니티와 표준화 기구들은 지속적으로 컴퓨팅 환경의 변화를 모니터링하고 안전한 키 길이에 대한 권고 사항을 업데이트한다.

대칭 키 암호화는 파일과 디스크 전체를 암호화하는 데 널리 사용된다. 파일 암호화는 개별 파일이나 폴더를 대상으로 하며, 사용자가 선택한 특정 데이터만 보호한다. 이 방식은 AES나 3DES와 같은 블록 암호 알고리즘을 주로 사용하며, CBC나 CTR과 같은 운용 모드를 통해 파일 내용을 변환한다. 사용자는 암호화 키나 패스프레이스를 알고 있어야만 해당 파일을 열거나 수정할 수 있다.

디스크 암호화는 저장 장치 전체 섹터를 암호화하여 운영 체제 아래 계층에서 작동한다. 전체 디스크 암호화라고도 불리는 이 기술은 하드 드라이브나 SSD와 같은 저장 매체에 저장되는 모든 데이터를 자동으로 암호화한다. 사용자가 올바른 인증 정보(예: 비밀번호, PIN, 스마트 카드)를 제공하면 시스템은 실시간으로 데이터를 복호화하여 접근을 허용한다. 이는 장치 분실이나 도난 시 물리적 접근으로부터 데이터를 보호하는 데 효과적이다.

주요 구현 방식과 특징은 다음과 같다.

이러한 기술의 적용은 데이터 기밀성 유지를 위한 필수 수단이 되었다. 파일 암호화는 중요한 문서를 이메일로 보내거나 클라우드에 백업할 때, 디스크 암호화는 노트북이나 모바일 장치와 같은 이동형 저장 매체의 데이터를 보호할 때 특히 중요하다. 두 방식 모두 성능 저하를 최소화하면서 강력한 보안을 제공하도록 설계되었다.

대칭 키 암호화는 네트워크 통신 보안의 핵심 요소로, TLS 및 SSL 프로토콜에서 실제 데이터를 암호화하는 데 주로 사용된다. 이러한 프로토콜은 인터넷을 통한 안전한 통신 채널을 구축하기 위한 표준이며, HTTPS, FTPS, 이메일 보안 등 다양한 응용 프로그램의 기반이 된다. TLS/SSL 핸드셰이크 과정에서 협상된 대칭 키는 이후의 모든 애플리케이션 데이터 트래픽을 암호화하고 복호화하는 데 사용되어 기밀성을 제공한다.

TLS/SSL에서 대칭 키 암호화의 역할은 일반적으로 다음과 같은 단계로 이루어진다. 먼저, 클라이언트와 서버는 핸드셰이크를 통해 암호화 알고리즘과 매개변수를 협상한다. 이때 비대칭 키 암호화를 사용하여 서버를 인증하고, 마스터 시크릿이라는 공유 비밀값을 안전하게 생성한다. 이 마스터 시크릿으로부터 실제 데이터 암호화에 사용될 세션 키라는 대칭 키가 양측에서 독립적으로 유도된다. 핸드셰이크가 완료되면, 협상된 블록 암호 (예: AES)나 스트림 암호를 사용하여 애플리케이션 데이터가 세션 키로 암호화되어 전송된다.

사용되는 구체적인 대칭 암호 알고리즘은 프로토콜 버전과 협상 결과에 따라 달라진다. 역사적으로 SSL에서는 DES나 3DES가 사용되었으나, 현대의 TLS 1.2 및 TLS 1.3에서는 주로 AES가 표준으로 채택되었다. 특히 AES-GCM과 같은 인증된 암호 모드는 기밀성과 무결성을 동시에 제공하여 널리 사용된다. TLS 1.3은 보안을 강화하기 위해 지원하는 암호 제품군을 대폭 축소하여, AES-GCM, ChaCha20-Poly1305 등 강력한 대칭 암호 알고리즘만을 남겼다.

이 방식의 주요 장점은 효율성이다. 대칭 키 암호화는 비대칭 키 암호화에 비해 계산 부하가 훨씬 적어 대량의 데이터를 고속으로 암호화할 수 있다. 따라서 초기 연결 설정에는 상대적으로 느린 비대칭 암호화를 사용하고, 일단 안전한 세션 키가 공유되면 빠른 대칭 암호화로 전환하는 하이브리드 방식을 채택한다. 이는 낮은 지연 시간과 높은 처리량을 요구하는 실시간 통신 및 대용량 데이터 전송에 필수적이다.