블록 암호화 방식

블록 암호는 고정된 길이의 데이터 덩어리인 블록을 단위로 암호화를 수행하는 방식이다. 일반적으로 블록의 크기는 64비트 또는 128비트이다. 암호화와 복호화 과정은 비밀 키에 의해 제어되며, 동일한 키를 사용하여 암호화된 블록을 다시 원래의 평문 블록으로 되돌릴 수 있다.

블록 암호의 핵심 연산은 치환과 전치를 여러 라운드에 걸쳐 반복 적용하는 것이다. 이 과정은 페이스텔 구조나 SPN 구조와 같은 설계 구조를 통해 이루어진다. 키는 각 라운드에서 사용되는 라운드 키를 생성하는 데 사용되며, 이는 암호화의 강도를 결정하는 핵심 요소이다.

키의 길이는 보안 강도와 직접적인 연관이 있다. 키 공간이 클수록 무차별 대입 공격에 대한 저항력이 강해진다. 예를 들어, 128비트 키를 사용하는 경우 가능한 키의 조합은 2^128가지로, 현실적인 시간 내에 모든 키를 시도하는 것은 불가능하다[1]. 따라서 현대 블록 암호는 일반적으로 128비트 이상의 키 길이를 사용한다.

블록 암호 알고리즘은 고정된 크기의 블록 단위로 평문을 처리하지만, 실제로 암호화해야 할 데이터는 그보다 길거나 짧은 경우가 대부분이다. 암호화 모드는 이러한 블록 암호를 반복적으로 적용하여 가변 길이의 데이터를 안전하게 암호화하는 방식을 정의한다. 모드 선택은 암호문의 기밀성과 무결성에 직접적인 영향을 미치며, 동일한 평문과 키라도 다른 암호문을 생성하도록 하는 중요한 역할을 한다.

주요 암호화 모드에는 ECB (Electronic Codebook), CBC (Cipher Block Chaining), CFB (Cipher Feedback), OFB (Output Feedback), CTR (Counter) 등이 있다. 각 모드는 초기화 벡터(IV) 사용 여부, 병렬 처리 가능성, 에러 전파 특성 등에서 차이를 보인다. 예를 들어, ECB 모드는 각 블록을 독립적으로 암호화하기 때문에 평문의 패턴이 그대로 노출될 위험이 있다. 반면, CBC 모드는 이전 블록의 암호문을 다음 블록의 암호화 과정에 연쇄적으로 반영하여 이러한 패턴을 숨긴다.

다음 표는 주요 암호화 모드들의 특징을 비교한 것이다.

암호화 모드는 단순히 기밀성을 제공하는 것 외에도, 인증 암호화를 결합한 GCM(Galois/Counter Mode)이나 CCM 모드와 같이 메시지 무결성 검증 기능을 함께 제공하는 방식으로 발전해왔다. 따라서 응용 분야의 보안 요구사항에 따라 적절한 암호화 모드를 선택하는 것이 필수적이다.

DES는 1970년대 초반 IBM에서 개발한 루시퍼(Lucifer) 암호를 기반으로, 1977년 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 전신인 NBS에 의해 연방 정보 처리 표준(FIPS PUB 46)으로 채택된 대칭키 블록 암호이다. 64비트의 평문 블록을 56비트의 키를 사용하여 64비트의 암호문 블록으로 변환한다. 암호화 과정은 초기 순열, 16라운드의 파이스텔 구조(Feistel structure)를 통한 반복 처리, 그리고 최종 순열로 구성된다.

각 라운드에서는 56비트 키에서 생성된 48비트의 서브키를 사용한다. 핵심 연산은 확장, XOR 연산, S-Box(S-Box)를 통한 비선형 치환, 그리고 순열로 이루어진다. 특히 8개의 S-Box는 차분 암호 분석에 대한 저항성을 제공하는 데 결정적인 역할을 한다. DES는 하드웨어 구현에 매우 효율적이도록 설계되었으며, 초기에는 상당한 안전성을 가진 것으로 평가받았다.

시간이 지나면서 컴퓨터 연산 속도의 비약적 발전으로 DES의 보안성은 도전을 받기 시작했다. 56비트 키 공간은 무차별 대입 공격(Brute-force attack)에 취약해졌으며, 1990년대 후반에는 특수 제작된 하드웨어를 이용해 수일 내에 키를 찾아낼 수 있음이 실증되었다[2]. 이로 인해 DES는 더 이상 중요한 데이터를 보호하는 데 단독으로 사용하기에 부적합해졌다.

이러한 약점을 보완하기 위해 트리플 DES(3DES)가 제안되어 일정 기간 사용되었으며, 결국 더 강력한 AES가 2001년에 DES를 대체하는 새로운 표준으로 선정되었다. 그러나 DES는 현대 암호학의 중요한 이정표였으며, 그 설계 원리와 공격에 대한 분석은 후속 블록 암호 알고리즘 개발에 지대한 영향을 미쳤다.

AES는 DES를 대체하기 위해 미국 국립표준기술연구소(NIST)가 공모하여 2001년에 선정한 표준 대칭키 암호 알고리즘이다. 원래 명칭은 Rijndael이었으나, 표준 채택 후 AES로 불린다. AES는 128비트의 고정된 블록 크기를 사용하며, 키 길이는 128, 192, 256비트 중 선택할 수 있다. 이에 따라 각각 AES-128, AES-192, AES-256으로 구분된다.

알고리즘은 여러 라운드로 구성된 치환-순열 네트워크(SPN) 구조를 기반으로 한다. 각 라운드는 바이트 대체(SubBytes), 행 이동(ShiftRows), 열 혼합(MixColumns), 라운드 키 덧셈(AddRoundKey)의 네 가지 변환 단계를 거친다[3]. 이러한 연산들은 설계상 선형 암호 분석과 차분 암호 분석에 강하도록 최적화되었다.

AES는 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 효율적으로 구현될 수 있으며, 속도와 자원 사용 면에서 우수한 성능을 보인다. 현재까지 알려진 실질적인 공격은 존재하지 않으며, 가장 강력한 공격 방식도 이론적 수준에 머문다. 이로 인해 AES는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 블록 암호가 되었으며, Wi-Fi 보안(WPA2, WPA3), TLS/SSL, VPN, 파일 및 디스크 암호화 등 수많은 보안 프로토콜과 시스템의 핵심 요소로 자리 잡았다.

블로피시는 1993년 브루스 슈나이어가 설계한 대칭키 암호 알고리즘이다. 당시 기존 표준이었던 DES의 느린 속도와 짧은 키 길이 문제를 해결하기 위해 공개된 빠른 속도의 블록 암호로 주목받았다. 블록 크기는 64비트이며, 키 길이는 32비트에서 448비트까지 가변적으로 설정할 수 있다. 이 알고리즘은 특허가 없고 저작권이 없어 모든 사용자에게 자유롭게 사용 가능하다는 점이 특징이다.

알고리즘의 핵심은 키 의존적 S-박스를 사용하는 파이스텔 구조에 있다. 암호화 과정은 16라운드의 파이스텔 네트워크를 거치며, 각 라운드에서는 키와 데이터를 혼합한다. 특히, 알고리즘 실행 전에 키로부터 18개의 32비트 P-배열 항목과 4개의 32비트 S-박스(각각 256개 항목)를 생성하는 사전 계산 단계가 포함된다. 이 키 확장 과정은 상대적으로 시간이 소요되지만, 한 번 설정되면 키를 변경하지 않는 한 반복 계산이 필요하지 않다.

블로피시는 특히 32비트 마이크로프로세서에서 효율적으로 동작하도록 최적화되었다. 소프트웨어 구현에서 빠른 속도를 보였으며, 초기에는 암호화와 해싱을 포함한 다양한 응용 분야에 채택되었다. 그러나 키 설정 시간이 길고, 64비트 블록 크기로 인해 대용량 데이터 암호화 시 보안상의 한계가 지적되기도 했다.

이러한 한계를 극복하기 위해 설계자는 후속 알고리즘인 Twofish를 개발했다. 블로피시 자체는 현재까지 중대한 취약성이 발견되지 않았지만, 더 현대적인 알고리즘에 비해 점차 사용이 줄어드는 추세이다.

트리플 DES는 DES 알고리즘의 보안 강도를 높이기 위해 개발된 방식이다. 기본 DES의 56비트 키 길이는 컴퓨팅 파워의 발전으로 인해 무차별 대입 공격에 취약해졌다. 이를 해결하기 위해 DES 암호화 과정을 세 번 반복하여 실질적인 키 길이를 늘리는 방식을 채택했다.

일반적으로 사용되는 트리플 DES의 표준 모드는 암호화-복호화-암호화(Encrypt-Decrypt-Encrypt, EDE) 순서로 세 개의 키를 사용한다. 이때 세 번의 과정에 사용되는 키가 모두 동일하면 일반 DES와 호환된다. 보안 강도를 최대화하기 위해 주로 세 개의 독립된 키(K1, K2, K3)를 사용하는 방식이 권장되었으며, 이 경우 실효 키 길이는 168비트(56비트 * 3)가 된다. 키 관리 부담을 줄이기 위해 두 개의 키만 사용하는 변형(K1, K2, K1)도 널리 사용되었다.

트리플 DES는 처리 속도가 느리다는 단점이 있지만, DES에 비해 훨씬 강력한 보안성을 제공하여 금융 결제 시스템([4])과 같은 기존 DES 기반 인프라의 업그레이드 경로로 오랫동안 사용되었다. 그러나 AES의 등장과 컴퓨팅 성능의 비약적 발전으로 인해, 현재는 점차 더 효율적이고 안전한 AES로 대체되는 추세이다. 일부 표준과 규정에서는 새로운 시스템에 트리플 DES의 사용을 권장하지 않거나 단계적으로 폐기할 것을 명시하고 있다.

ECB (Electronic Codebook)는 가장 단순한 블록 암호화 방식의 운용 모드이다. 이 모드는 평문을 고정된 크기의 블록으로 나눈 후, 각 블록을 독립적으로 동일한 암호화 키를 사용하여 암호화한다. 복호화 과정도 마찬가지로 각 암호문 블록을 독립적으로 복호화하여 원래의 평문 블록을 얻는다. 이 방식은 병렬 처리가 가능하고 오류가 특정 블록에만 국한된다는 장점이 있다.

그러나 ECB 모드는 심각한 보안 취약점을 가지고 있다. 동일한 평문 블록은 항상 동일한 암호문 블록으로 암호화되기 때문에, 데이터의 패턴이 그대로 암호문에 노출된다. 예를 들어, 단색 배경을 가진 큰 이미지를 ECB 모드로 암호화하면, 원본 이미지의 윤곽이 암호문에서도 여전히 식별될 수 있다[5]. 이는 암호화의 기본 목적인 정보 은폐를 크게 훼손한다.

또한, 공격자는 암호문 블록의 순서를 재배열하거나 복사하여 붙여넣는 조작을 통해 평문을 변조할 수 있다. 수신자는 이러한 조작을 검출하지 못할 가능성이 높다. 이러한 특성 때문에 ECB 모드는 단독으로 사용될 경우 안전하지 않은 것으로 간주된다.

ECB 모드는 일반적으로 중요한 데이터의 암호화에는 사용되지 않는다. 주로 암호화의 기본 구조를 설명하거나, 다른 안전한 모드(예: CBC (Cipher Block Chaining) 또는 CTR (Counter))의 구성 요소로 내부적으로 활용된다. 현대 암호학 응용에서는 ECB 모드의 직접적인 사용을 피하는 것이 표준 권고사항이다.

CBC는 블록 암호의 주요 운용 모드 중 하나로, ECB 모드의 취약점을 해결하기 위해 설계되었다. 각 평문 블록은 암호화되기 전에 이전 암호문 블록과 배타적 논리합 연산을 수행한다. 첫 번째 블록의 경우, 이전 암호문 블록이 존재하지 않으므로 초기화 벡터라는 난수 값을 사용한다.

이 방식은 동일한 평문 블록이 서로 다른 암호문 블록으로 암호화되는 결과를 만들어낸다. 이는 ECB 모드에서 나타나는 패턴 노출 문제를 효과적으로 제거한다. 또한 암호화 과정이 블록 체인처럼 연결되어 있어, 암호문 블록 하나가 손상되면 그 다음 블록의 복호화에도 오류가 전파되는 특징이 있다[6].

CBC 모드의 암호화와 복호화 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다.

CBC 모드는 오랜 기간 동안 파일 암호화, TLS 프로토콜 초기 버전, 디스크 암호화 등 다양한 분야에서 널리 사용되었다. 그러나 최근에는 패딩 오라클 공격과 같은 특정 공격에 취약할 수 있어, 새로운 시스템 설계에서는 CTR 모드나 GCM 모드와 같은 더 안전한 모드로 대체되는 추세이다.

CTR 모드는 블록 암호를 스트림 암호처럼 동작하도록 변환하는 암호화 모드이다. 이 모드에서는 암호화할 평문을 블록으로 나누기 전에, 순차적으로 증가하는 카운터 값을 암호화하여 키 스트림을 생성한다. 그런 다음 이 키 스트림과 평문을 비트 단위로 XOR 연산하여 암호문을 만든다. 복호화 시에도 동일한 카운터 값과 키를 사용하여 동일한 키 스트림을 생성한 후, 암호문과 XOR 연산을 수행하여 원래 평문을 복원한다.

CTR 모드의 주요 장점은 병렬 처리와 임의 접근이 가능하다는 점이다. 키 스트림 생성은 카운터 값만 알면 미리 계산할 수 있으므로, 암호화 및 복호화 과정을 여러 블록에 대해 동시에 수행할 수 있다. 또한 특정 데이터 블록만 복호화해야 할 경우, 해당 블록의 카운터 값만으로 키 스트림을 생성하여 즉시 복호화할 수 있다. 이는 CBC (Cipher Block Chaining) 모드처럼 이전 암호문 블록에 의존적인 구조와 대비되는 특징이다.

보안 측면에서 CTR 모드는 초기화 벡터와 카운터의 조합이 각 연산에서 절대 재사용되지 않도록 관리해야 한다. 같은 키 스트림을 두 번 사용하면 암호문이 쉽게 분석될 수 있기 때문이다. 일반적으로 초기화 벡터를 기반으로 한 고유한 시작 값을 설정하고, 이를 기준으로 블록 순서에 따라 카운터를 증가시킨다. 이 모드는 패딩이 필요 없으며, 인증 기능을 제공하지 않으므로 메시지 무결성을 보장하려면 별도의 메시지 인증 코드를 사용해야 한다.

CTR 모드는 AES (Advanced Encryption Standard)와 같은 현대 블록 암호와 함께 널리 사용되며, SSL/TLS 및 디스크 암호화와 같은 다양한 응용 분야에서 채택되었다.

블록 암호의 안전성은 주로 사용하는 암호화 키의 길이에 크게 의존한다. 키 길이는 키 공간의 크기, 즉 가능한 키의 총 개수를 결정하며, 이는 무차별 대입 공격(Brute-force attack)에 대한 저항력을 의미한다. 키가 1비트 길어질 때마다 키 공간은 두 배로 증가하므로, 공격자가 올바른 키를 찾기 위해 시도해야 하는 평균 횟수는 기하급수적으로 늘어난다. 예를 들어, 128비트 키를 사용하는 경우 키 공간은 2^128(약 3.4×10^38)개로, 현실적인 시간 내에 무차별 대입으로 키를 찾는 것은 불가능한 것으로 간주된다.

그러나 키 길이만이 유일한 안전성 지표는 아니다. 암호 알고리즘 자체의 설계 결함이나 취약점이 존재할 수 있다. DES는 56비트의 짧은 키 길이로 인해 현대 컴퓨팅 성능으로는 쉽게 깨질 수 있어 더 이상 안전하지 않다. 이를 보완하기 위해 등장한 트리플 DES(3DES)는 실질적 키 길이를 112비트까지 높였지만, 세 번의 암호화 과정으로 인해 속도가 느리고, 여전히 64비트 블록 크기로 인한 특정 공격에 취약할 수 있다는 평가를 받는다. 반면, AES는 128, 192, 256비트의 다양한 키 길이를 지원하며, 알고리즘 구조가 강력해 현재 가장 널리 신뢰받는 표준이다.

안전한 키 길이는 컴퓨팅 성능의 발전과 함께 진화한다. 과거에는 64비트 키도 충분히 안전했지만, 양자 컴퓨터와 같은 미래 기술의 위협을 고려하여 더 긴 키 사용이 권장된다. 일반적으로 128비트 키는 단기에서 중기적으로, 256비트 키는 장기적인 보안을 위해 적합한 것으로 평가받는다. 다음 표는 대표적인 블록 암호의 키 길이와 안전성 평가를 요약한다.

따라서, 시스템을 설계할 때는 단순히 긴 키를 선택하는 것뿐만 아니라, 검증받고 표준화된 알고리즘을 선택하고, 적절한 암호화 모드와 함께 사용하는 것이 전체적인 보안 강도를 보장하는 핵심이다.

블록 암호에 대한 암호학적 공격은 알고리즘의 설계 결함이나 구현상의 약점을 이용하여 평문이나 암호키를 복구하려는 시도를 말한다. 주요 공격 유형은 암호문과 평문에 대한 공격자의 접근 수준에 따라 구분된다.

가장 기본적인 공격 모델은 암호문 단독 공격이다. 공격자가 암호문만을 가지고 평문이나 키를 추론해야 하는 상황으로, 현대적인 블록 암호에 대해 성공하기는 매우 어렵다. 더 강력한 모델인 기지 평문 공격은 공격자가 일부 평문과 그에 대응하는 암호문 쌍을 알고 있을 때를 가정한다. 실제 통신에서 예측 가능한 헤더 정보 등이 이에 해당할 수 있다. 가장 실용적이고 강력한 공격 모델은 선택 평문 공격으로, 공격자가 원하는 평문을 암호화하여 그 결과를 얻을 수 있다고 가정한다. 이는 암호화 오라클에 접근할 수 있는 상황을 모델링한다.

이론적 공격 외에도, 암호화 모드의 부적절한 사용으로 인한 공격도 존재한다. 예를 들어, ECB 모드는 동일한 평문 블록이 항상 동일한 암호문 블록을 생성하므로, 데이터 패턴이 노출되는 취약점이 있다. 패딩 오라클 공격은 암호문 해독 시 패딩 검증 과정에서 발생하는 오류 메시지를 이용하여 평문을 복원하는 공격이다[8]. 이러한 공격에 대응하기 위해 안전한 암호화 모드(예: GCM 모드) 사용과 정확한 구현이 필수적이다.

블록 암호화 방식은 데이터 저장 시 기밀성을 보장하는 핵심 기술로 활용된다. 저장 매체에 기록되는 데이터를 암호화함으로써, 물리적 매체의 분실이나 도난, 무단 접근 시에도 정보가 노출되는 것을 방지한다. 이는 전체 디스크 암호화나 파일 시스템 수준 암호화와 같은 형태로 구현된다.

주요 적용 방식은 다음과 같다. 전체 디스크 암호화는 하드 디스크 드라이브나 솔리드 스테이트 드라이브와 같은 저장 장치의 전체 파티션 또는 디스크를 통째로 암호화한다. 운영체제가 부팅되기 전에 인증을 요구하며, AES 알고리즘이 널리 사용된다. 반면, 파일 시스템 수준 암호화는 개별 파일이나 디렉터리 단위로 암호화를 수행한다. 이 방식은 사용자가 특정 파일만 선택적으로 보호할 수 있어 유연성이 높다.

데이터 저장 암호화의 효과는 암호화 키 관리에 크게 의존한다. 키가 공격자에게 노출되면 암호화의 의미가 사라지므로, 키는 안전한 하드웨어 모듈에 저장하거나 강력한 패스프레이즈로부터 파생시키는 등의 방법으로 보호해야 한다. 또한, 암호화된 데이터가 저장된 상태에서도 메타데이터나 접근 패턴 정보가 유출될 수 있어, 이러한 측면까지 고려한 보안 설계가 필요하다.

블록 암호는 네트워크를 통해 전송되는 데이터의 기밀성을 보호하는 핵심 기술로 사용된다. TLS/SSL이나 IPsec과 같은 주요 보안 프로토콜은 데이터를 패킷 단위로 나누어 블록 암호를 적용하여 안전한 통신 채널을 구축한다. 이는 인터넷 뱅킹, 이메일, 메시징 서비스 등 민감한 정보 교환이 이루어지는 모든 영역에서 필수적이다.

블록 암호는 네트워크 통신에서 일반적으로 암호화 모드와 결합되어 사용된다. 예를 들어, CBC 모드는 초기화 벡터를 사용하여 같은 평문이 다른 암호문을 생성하도록 하여 패턴 분석을 어렵게 만든다. 반면, GCM 모드는 암호화와 동시에 데이터 무결성 검증을 위한 인증 기능을 제공하여, 전송 중 데이터가 변조되지 않았음을 보장한다. 이러한 모드 선택은 지연 시간, 처리량, 보안 요구사항에 따라 결정된다.

효율적인 통신을 위해 블록 암호의 구현은 하드웨어 가속(AES-NI 등)을 활용하기도 한다. 이는 서버와 같은 고부하 환경에서 암호화 및 복호화 속도를 크게 향상시켜 네트워크 성능 저하를 최소화한다. 또한, 키 교환 및 관리는 비대칭 키 암호 방식과 결합되어 이루어지며, TLS 핸드셰이크 과정이 대표적인 예이다.