AES256

AES256은 대칭키 암호화 방식을 사용한다. 이는 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용하는 방식을 의미한다. 송신자와 수신자는 사전에 비밀키를 안전하게 공유해야 하며, 이 키를 기반으로 평문을 암호문으로 변환하거나 암호문을 다시 평문으로 되돌린다. 대칭키 암호는 일반적으로 비대칭키(공개키) 암호에 비해 처리 속도가 빠르다는 장점이 있어, 대량의 데이터를 암호화하는 데 적합하다.

AES256의 대칭키 암호화 방식은 블록 암호에 해당한다. 이는 데이터를 고정된 크기의 블록 단위로 나누어 각 블록을 독립적으로 암호화하는 방식을 말한다. AES256의 블록 크기는 128비트로 정해져 있다. 즉, 암호화 과정은 128비트 평문 블록을 입력받아, 256비트의 비밀키를 사용하여 128비트 암호문 블록을 출력한다.

이러한 대칭키 방식은 키 관리의 부담이 있다는 단점도 있다. 통신 당사자 모두가 동일한 비밀키를 보유해야 하므로, 키를 생성, 교환, 저장, 폐기하는 과정에서 보안 위협에 노출될 가능성이 있다. 따라서 AES256을 실제 시스템에 적용할 때는 안전한 키 교환 프로토콜이나 키 관리 체계(KMS)와 함께 사용되는 경우가 많다.

AES256은 대칭키 블록 암호 방식을 사용한다. 이는 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용하며, 데이터를 고정된 크기의 블록 단위로 처리한다는 의미이다. AES256의 블록 크기는 128비트로, 이는 한 번에 16바이트의 평문 데이터를 암호화할 수 있다. 만약 데이터가 블록 크기보다 작거나 크다면, 패딩이나 특정 운용 모드를 통해 처리된다.

블록 암호화의 핵심은 각 블록에 대해 여러 번의 변환을 거치는 라운드 함수를 적용하는 것이다. AES256은 128비트 블록 데이터를 4x4 바이트 배열(상태, State)로 표현하며, 각 라운드에서 이 상태에 대해 치환(SubBytes), 행 이동(ShiftRows), 열 혼합(MixColumns), 라운드 키 덧셈(AddRoundKey)과 같은 연산을 수행한다. 이러한 연산들은 비선형성과 확산 효과를 제공하여 암호문의 안전성을 높인다.

블록 암호는 스트림 암호와 구분되는데, 스트림 암호가 비트나 바이트 단위로 연속적으로 암호화하는 반면, 블록 암호는 고정된 블록 단위로 동작한다. 따라서 블록 암호만으로는 긴 메시지나 실시간 데이터 스트림을 효율적으로 암호화하기 어려울 수 있으며, 이를 보완하기 위해 CBC, CTR과 같은 다양한 운용 모드가 개발되었다.

AES256은 Rijndael 알고리즘을 기반으로 하며, 원래의 Rijndael은 블록 크기와 키 길이에 더 많은 변형을 지원했지만, AES 표준으로 채택되면서 블록 크기는 128비트로 고정되었다. 이 고정된 블록 크기와 256비트 키를 결합한 AES256은 현재 가장 강력한 대칭키 암호 중 하나로 평가받는다.

키 확장은 AES256 암호화 과정에서 256비트의 사용자 키를 바탕으로 각 라운드에서 사용할 여러 개의 라운드 키를 생성하는 과정이다. AES256은 총 14라운드를 수행하며, 각 라운드마다 128비트 크기의 라운드 키가 필요하다. 따라서 단일한 암호화 키로부터 15개의 128비트 라운드 키(초기 라운드 키 1개와 주/최종 라운드용 14개)를 생성해야 한다.

키 확장 알고리즘은 키 스케줄이라고도 불리며, Rijndael의 키 확장 루틴을 따른다. 256비트 키는 8개의 32비트 워드로 표현된다. 알고리즘은 이 초기 워드들을 확장하여 총 60개의 워드(15라운드 * 4워드/라운드)를 생성한다. 확장 과정은 재귀적으로 이루어지며, 특정 주기마다 비선형 변환을 포함하는 복잡한 함수를 적용하여 키 자료에 비선형성을 더하고 암호학적 강도를 높인다.

이 과정은 암호화의 전 단계에서 한 번 수행되며, 생성된 라운드 키 배열은 암호화와 복호화에 모두 사용된다. 키 확장은 알고리즘의 보안성에 중요한 역할을 한다. 만약 모든 라운드에서 동일한 키가 사용된다면 암호 분석이 훨씬 쉬워질 수 있기 때문에, 예측 불가능하면서도 결정론적인 방식으로 각 라운드에 서로 다른 키를 공급하는 것이 필수적이다.

초기 라운드는 AES256 암호화 과정의 첫 번째 단계이다. 이 단계는 평문 블록과 암호화 키를 준비하여 이후의 주 라운드 연산이 올바르게 수행될 수 있도록 하는 역할을 한다.

초기 라운드에서는 단 한 번의 연산만 수행된다. 바로 AddRoundKey(라운드 키 덧셈) 연산이다. 이 연산은 128비트 평문 블록과 256비트 암호키로부터 생성된 첫 번째 라운드 키(또는 0번째 라운드 키)를 사용한다. 두 데이터는 비트 단위로 XOR 연산을 수행하여 결합된다. 이는 암호화 과정에서 키가 처음 적용되는 지점이며, 이후 라운드에서 수행될 대체(SubBytes) 및 혼합(ShiftRows, MixColumns) 연산에 앞서 평문에 초기 스크램블을 적용하는 효과를 낸다.

초기 라운드의 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다.

이 연산 후의 결과 상태 배열은 암호화의 핵심이 되는 주 라운드(총 13회 반복)의 입력값으로 사용된다. 초기 라운드는 구조적으로 단순하지만, 전체 암호화 체인의 시작점으로서 키 자료가 상태에 주입되는 중요한 과정이다.

주 라운드는 AES256 암호화 과정의 핵심 단계로, 총 13회 반복 수행된다. 이 라운드는 초기 라운드와 최종 라운드를 제외한 모든 주요 처리 단계를 포함하며, 각 라운드는 SubBytes, ShiftRows, MixColumns, AddRoundKey의 네 가지 변환 연산으로 구성된다. 이 연산들은 상태(state)라고 불리는 4x4 바이트 행렬에 순차적으로 적용되어 데이터를 혼합하고 비선형성을 부여한다.

SubBytes 단계에서는 상태의 각 바이트를 미리 정의된 치환 테이블인 S-Box를 사용하여 비선형적으로 변환한다. 이는 암호의 비선형성을 제공하는 중요한 단계이다. ShiftRows 단계에서는 상태 행렬의 각 행을 고정된 양만큼 왼쪽으로 순환 시프트하여 열 간의 데이터를 혼합한다. MixColumns 단계에서는 상태의 각 열을 고정된 다항식과 행렬 곱셈을 수행하여 열 내의 바이트들을 선형적으로 혼합한다. 마지막으로 AddRoundKey 단계에서는 키 확장 과정에서 생성된 해당 라운드의 라운드 키를 상태와 XOR 연산하여 키를 혼합한다.

이 네 가지 연산은 각 주 라운드에서 반복되며, 라운드마다 사용되는 라운드 키는 모두 다르다. SubBytes, ShiftRows, MixColumns 연산은 데이터의 확산과 혼돈을 담당하며, AddRoundKey는 암호화 키와의 의존성을 부여한다. 이러한 연산들의 조합은 암호문의 통계적 특성을 평문과 완전히 다르게 만들어 암호 해독을 매우 어렵게 만든다.

최종 라운드는 AES256 암호화 과정의 마지막 단계이다. 주 라운드와는 달리, 최종 라운드에는 믹스 컬럼 연산이 생략된다는 점이 특징이다. 이는 암호화의 마지막 단계에서 복호화 과정과의 대칭성을 유지하기 위한 설계적 선택이다.

최종 라운드는 세 가지 기본 연산인 바이트 대체, 시프트 로우, 그리고 라운드 키 더하기로 구성된다. 먼저 바이트 대체를 통해 상태 배열의 각 바이트를 S-Box를 사용해 비선형적으로 치환한다. 이어서 시프트 로우 연산으로 각 행을 지정된 횟수만큼 순환 시프트한다. 마지막으로, 키 확장 과정에서 생성된 마지막 라운드 키를 사용하여 라운드 키 더하기 연산을 수행한다.

이 과정을 통해 128비트의 평문 블록은 최종적으로 128비트의 암호문 블록으로 변환된다. 최종 라운드의 출력은 더 이상의 암호화 라운드를 거치지 않고 바로 암호문으로 사용된다.

ECB(Electronic Codebook)는 AES256을 포함한 블록 암호의 가장 기본적인 운용 모드이다. 이 모드는 각각의 128비트 평문 블록을 독립적으로 동일한 암호화 키로 암호화하여 대응하는 암호문 블록을 생성한다. 복호화 과정도 마찬가지로 각 암호문 블록을 독립적으로 처리하여 원래의 평문 블록을 복원한다. 이 방식은 구조가 단순하고 병렬 처리가 가능하며, 블록의 암호화 및 복호화 순서에 의존하지 않는다는 장점이 있다.

그러나 ECB 모드는 심각한 보안 결함을 가지고 있다. 동일한 평문 블록은 항상 동일한 암호문 블록으로 암호화되기 때문에, 데이터 패턴이 그대로 노출된다. 예를 들어, 단색 배경을 가진 이미지를 ECB 모드로 암호화하면, 암호문에서도 원본 이미지의 윤곽이 드러나는 현상이 발생한다. 이는 암호문만으로 평문의 구조적 정보를 유추할 수 있게 만든다.

따라서 ECB 모드는 보안이 중요한 실제 데이터 암호화에는 거의 사용되지 않는다. 대신, 패턴 노출을 방지하기 위해 초기화 벡터(IV)를 사용하거나 블록 간 의존성을 만드는 CBC 모드나 카운터를 활용하는 CTR 모드와 같은 다른 운용 모드가 표준적으로 권장된다. AES256 알고리즘 자체는 안전하지만, 이를 안전하게 사용하기 위해서는 적절한 운용 모드의 선택이 필수적이다.

CBC(Cipher Block Chaining)는 AES256을 포함한 블록 암호의 운용 모드 중 하나이다. 이 모드는 각 평문 블록을 암호화하기 전에, 이전 암호문 블록과 XOR 연산을 수행하여 연결(Chaining)하는 방식을 사용한다. 첫 번째 블록의 경우 이전 암호문이 존재하지 않으므로, 초기화 벡터(IV)라는 난수 값을 사용한다. 이 방식은 동일한 평문이 반복되어도 서로 다른 암호문을 생성하게 하여, ECB 모드의 취약점인 패턴 노출 문제를 해결한다.

CBC 모드의 암호화 과정은 직렬적이다. 첫 번째 평문 블록은 IV와 XOR된 후 AES256 알고리즘으로 암호화되어 첫 번째 암호문 블록이 된다. 이 암호문 블록은 다음 평문 블록과 XOR된 후 다시 암호화되는 과정이 반복된다. 복호화 시에는 암호문 블록을 AES256으로 복호화한 후, 직전의 암호문 블록(또는 첫 번째 블록의 경우 IV)과 XOR 연산을 수행하여 원래의 평문을 얻는다. 이때 복호화 과정은 병렬로 처리할 수 있는 장점이 있다.

CBC 모드는 오랜 기간 동안 파일 암호화, TLS 프로토콜의 초기 버전, 디스크 암호화 등 다양한 분야에서 널리 사용되어 왔다. 그러나 최근에는 패딩 오라클 공격과 같은 특정 공격에 취약할 수 있다는 점이 지적되며, 경우에 따라 CTR 모드나 GCM 모드와 같은 더 안전한 모드로 대체되는 추세이다.

CTR(Counter) 모드는 블록 암호를 스트림 암호처럼 사용할 수 있는 운용 모드이다. 암호화와 복호화 과정이 동일하며, 병렬 처리가 가능하고 임의 접근이 용이한 특징이 있다.

이 모드는 카운터라고 불리는 고유한 값을 암호화하여 키 스트림을 생성한다. 일반적으로 카운터는 논스(nonce)와 블록 순서 번호의 조합으로 구성된다. 이렇게 생성된 키 스트림을 평문과 XOR 연산하여 암호문을 만든다. 복호화 시에는 동일한 카운터 값을 사용해 동일한 키 스트림을 생성한 후, 암호문과 다시 XOR 연산하여 평문을 복원한다.

CTR 모드의 주요 장점은 다음과 같다.

단점으로는 카운터 값이 절대 중복되어서는 안 된다는 점이다. 같은 키와 카운터 조합이 재사용되면 동일한 키 스트림이 생성되어 보안성이 크게 약화된다. 따라서 논스와 카운터 관리가 매우 중요하다. 이 모드는 네트워크 프로토콜이나 대용량 데이터 암호화와 같이 성능과 유연성이 요구되는 환경에서 널리 사용된다.

AES256은 데이터 암호화의 핵심 도구로 널리 사용된다. 민감한 텍스트, 데이터베이스 내 개인정보, 금융 거래 기록과 같은 중요한 정보를 보호하기 위해 적용된다. 암호화 과정에서 256비트 키를 사용하여 128비트 단위의 평문 블록을 암호문으로 변환하며, 복호화 시 동일한 키가 필요하다. 이는 대칭키 암호화 방식의 특징이다.

데이터 암호화 시 AES256은 주로 특정 운용 모드와 결합되어 사용된다. 예를 들어, 초기화 벡터를 사용하는 CBC 모드는 데이터 블록들을 서로 연쇄적으로 암호화하여 동일한 평문이 서로 다른 암호문을 생성하도록 한다. 이는 패턴 분석을 통한 공격을 어렵게 만든다. 반면, 무작위 접근이 필요한 경우에는 CTR 모드가 선호되기도 한다.

응용 소프트웨어와 시스템에서의 구현은 다양하다. 많은 프로그래밍 언어의 암호화 라이브러리(예: Java의 JCE, Python의 cryptography)는 AES256을 지원하며, 개발자는 이를 활용하여 애플리케이션 계층에서 데이터를 암호화할 수 있다. 또한, 데이터베이스 관리 시스템(DBMS)은 투명한 데이터 암호화 기능을 제공하기 위해 내부적으로 AES256 알고리즘을 사용하기도 한다.

데이터 암호화의 목적은 저장 중인 데이터의 기밀성을 유지하는 것이다. AES256은 강력한 알고리즘으로 인증되어, 규제 준수(예: GDPR, HIPAA)가 필요한 분야에서 데이터 암호화 표준으로 채택되는 경우가 많다. 암호화된 데이터는 키가 없는 제3자에게는 의미 없는 정보가 되므로, 키 관리의 안전성은 전체 보안 체계의 중요한 부분을 이룬다.

AES256은 네트워크를 통해 전송되는 데이터의 기밀성을 보장하는 핵심 기술로 널리 사용된다. 특히 TLS/SSL 프로토콜을 통한 HTTPS 연결에서, 웹 브라우저와 서버 간의 통신을 암호화하는 데 주로 활용된다. 이를 통해 로그인 정보, 개인 데이터, 금융 거래 내역 등 민감한 정보가 제3자에게 노출되는 것을 방지한다.

또한, VPN과 같은 가상 사설망 구축에서도 AES256은 표준 암호화 알고리즘으로 채택된다. VPN 터널을 통해 흐르는 모든 데이터 트래픽을 암호화하여 사용자의 온라인 활동과 위치 정보를 보호한다. 이는 원격 근무 환경에서 기업 내부 네트워크에 안전하게 접속하거나, 공공 와이파이를 사용할 때 보안을 강화하는 데 필수적이다.

무선 네트워크 보안 표준인 WPA2 및 WPA3에서도 AES256을 지원하며, 이를 통해 와이파이 통신의 취약점을 해결한다. 실시간 메시징 애플리케이션들도 종단간 암호화를 구현할 때 AES256을 기반으로 하는 경우가 많다. 이처럼 AES256은 다양한 통신 채널에서 데이터가 전송 중에 탈취되거나 변조되는 것을 방지하는 데 기여한다.

AES256은 개인용 컴퓨터의 파일부터 기업 서버의 디스크 전체에 이르기까지 광범위한 저장 매체의 암호화에 널리 사용된다. 파일 단위 암호화에서는 중요한 문서나 아카이브 파일을 선택적으로 암호화하는 데 적용되며, 이 경우 사용자가 설정한 비밀번호를 바탕으로 파생된 256비트 키가 암호화에 사용된다. 디스크 전체 암호화, 즉 풀 디스크 암호화(FDE)에서는 운영체제가 설치된 전체 저장 장치의 모든 섹터를 실시간으로 암호화하여, 디스크 분실이나 도난 시에도 데이터가 유출되지 않도록 보호한다.

이를 구현한 대표적인 소프트웨어 및 기술 표준은 다음과 같다.

파일 및 디스크 암호화에서 AES256의 강점은 높은 처리 속도와 하드웨어 가속 지원에 있다. 현대 프로세서에는 AES-NI[2]라는 전용 명령어 세트가 있어 암호화 및 복호화 작업을 효율적으로 수행할 수 있다. 이로 인해 실시간으로 전체 디스크를 암호화하더라도 시스템 성능에 미치는 영향이 최소화된다. 따라서 기밀성이 요구되는 개인 정보, 기업 금융 데이터, 의료 기록 등을 저장할 때 사실상의 표준 알고리즘으로 자리 잡았다.