WPA

TKIP는 WPA의 핵심 암호화 프로토콜로, 기존 WEP 하드웨어의 호환성을 유지하면서 보안을 강화하기 위해 설계되었다. TKIP는 각 데이터 패킷마다 고유한 암호화 키를 동적으로 생성하여 사용하는 패킷 키 혼합 방식을 채택한다. 이 방식은 WEP의 고정 키 사용으로 인한 취약점을 해결한다. 또한 순차 번호 카운터를 도입하여 재전송 공격을 방지하고, 송신자와 수신자 간의 동기화를 유지한다.

TKIP의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

* 패킷 키 혼합: 기본 마스터 키, 송신자 MAC 주소, 패킷의 순차 번호를 조합하여 각 패킷을 암호화하는 데 사용할 128비트 임시 키를 생성한다. 이로 인해 동일한 평문이라도 패킷마다 다른 암호문이 생성된다.

* 순차 번호 카운터: 각 패킷에 증가하는 번호를 부여하여 공격자가 패킷을 가로채 재전송하는 것을 탐지한다.

* 재전송 방지 메커니즘: 순차 번호가 올바르지 않거나 지연된 패킷은 폐기한다.

TKIP는 암호화 엔진으로 RC4 스트림 암호를 계속 사용하지만, 키 생성 및 관리 방식을 근본적으로 변경하여 보안성을 높였다. 그러나 이는 하드웨어 가속을 지원하지 않는 소프트웨어 기반 처리에 의존하므로, 네트워크 처리량과 지연 시간에 일부 성능 저하를 초래할 수 있다. TKIP는 WPA2에서 더 강력한 AES 기반의 CCMP로 대체되었으며, 현대 보안 표준에서는 사용이 권장되지 않는다.

MIC (Message Integrity Check)는 WPA가 WEP의 취약점을 해결하기 위해 도입한 핵심적인 데이터 무결성 검증 메커니즘이다. 공식적으로는 Michael 알고리즘이라는 이름으로 알려져 있다. 이 기능의 주요 목적은 전송 중인 무선 데이터 패킷이 공격자에 의해 변조되었는지를 감지하는 것이다.

WEP에서는 단순한 CRC-32 체크섬을 무결성 검증에 사용했는데, 이는 암호화되지 않은 상태로 전송되어 공격자가 체크섬 값을 예측하고 패킷 내용을 변조한 후 올바른 체크섬으로 바꿀 수 있었다. MIC는 이를 근본적으로 차단하기 위해 설계되었다. MIC는 각 무선 패킷에 대해 발신자와 수신자만이 아는 MIC 키를 사용하여 계산된 암호화된 해시 값을 생성한다. 이 값은 패킷과 함께 전송되며, 수신 측에서는 동일한 키로 MIC 값을 다시 계산하여 비교한다. 두 값이 일치하지 않으면 패킷이 변조된 것으로 간주하고 즉시 폐기한다.

MIC는 재전송 공격을 방지하기 위한 추가 장치를 포함한다. 이는 순서 번호 또는 패킷 번호를 MIC 계산에 포함시켜 구현된다. 공격자가 합법적인 패킷을 가로채 나중에 재전송하려 해도, 수신 측에서는 이미 처리된 순서 번호를 인지하고 있으므로 해당 패킷을 거부한다. MIC 검증 실패가 반복적으로 발생하면, 액세스 포인트와 클라이언트는 1분 동안의 통신 차단을 포함한 대응 조치를 취할 수 있어, 지속적인 공격 시도를 억제한다.

RC4는 WPA가 채택한 스트림 암호 알고리즘이다. 이 알고리즘은 WEP에서도 사용되었던 것으로, WPA는 이를 TKIP와 결합하여 보안성을 강화했다. RC4는 키 스트림을 생성하여 평문과 XOR 연산을 수행하는 방식으로 암호화를 진행한다. 알고리즘이 단순하고 연산 속도가 빠르다는 장점이 있어 당시 무선 환경에 적합하다고 판단되었다.

그러나 RC4 자체는 여러 심각한 취약점을 안고 있었다. 특히 키 스트림에 편향성이 존재하여 통계적 분석 공격에 취약했고, 초기 키 스케줄링 알고리즘의 결함으로 인해 약한 키가 생성될 가능성이 있었다[3]. WEP의 실패 원인 중 상당 부분이 RC4의 취약한 구현과 직접적인 연관이 있었다.

WPA는 이러한 RC4의 고유한 취약성을 완전히 해결하지는 못했지만, TKIP를 통해 사용 방식을 개선했다. TKIP는 패킷마다 동적으로 변화하는 암호화 키(Temporal Key)를 생성하여 RC4에 공급함으로써, 동일한 키 스트림이 재사용되는 것을 방지했다. 이는 WEP의 고정 키 사용 문제를 근본적으로 차단하는 조치였다.

결과적으로 WPA의 RC4 구현은 WEP보다 훨씬 안전했지만, 근본적인 알고리즘의 한계는 남아있었다. 이는 후속 규격인 WPA2가 더 강력한 AES 기반의 CCMP 암호화 방식을 필수로 채택하는 주요 동기가 되었다.

WPA의 4-Way Handshake는 무선 클라이언트(예: 노트북, 스마트폰)와 액세스 포인트(AP) 간에 안전한 통신을 위한 암호화 키를 협상하고 설치하는 핵심적인 인증 프로세스이다. 이 핸드셰이크는 PSK(Pre-Shared Key) 모드와 802.1X/EAP 기반의 엔터프라이즈 모드 모두에서 사용되며, 최종 데이터 암호화에 사용될 세션 키를 유도하고 상호 인증을 완료하는 역할을 한다.

핸드셰이크는 총 네 단계의 메시지 교환으로 이루어진다. 첫 번째 메시지(AP → 클라이언트)에서 AP는 임의의 값(ANonce)을 전송한다. 클라이언트는 이 ANonce와 자신이 알고 있는 PSK 또는 마스터 키를 사용해 PTK(Pairwise Transient Key)를 생성한다. 두 번째 메시지(클라이언트 → AP)에서 클라이언트는 자신의 임의 값(SNonce)과 MIC(Message Integrity Code)을 AP에 보낸다. AP는 수신한 SNonce와 자신이 가진 마스터 키로 동일한 PTK를 계산하여 MIC를 검증한다. 세 번째 메시지(AP → 클라이언트)에서 AP는 GTK(Group Temporal Key, 멀티캐스트 트래픽 암호화용)를 암호화하여 전송하고 설치를 지시한다. 마지막으로 클라이언트가 네 번째 메시지로 확인 응답을 보내면 핸드셰이크가 완료되고 양측은 계산된 PTK로 유니캐스트 트래픽을 암호화하기 시작한다.

이 과정의 주요 목적은 다음과 같다.

4-Way Handshake가 성공적으로 완료되지 않으면 무선 연결이 수립되지 않거나, 보안이 적용되지 않은 상태로 통신하게 되어 스니핑 등의 공격에 노출될 수 있다. 이 핸드셰이크 프로토콜은 WPA2에서도 그대로 계승되었으나, KRACK 공격과 같은 취약점에서 보여주듯 설계적 결함이 존재하기도 했다[4].

WPA의 키 관리 및 갱신 메커니즘은 네트워크 보안을 유지하는 핵심 요소이다. 이 과정은 크게 두 가지 주요 키, 즉 페어와이즈 마스터 키(PMK)와 임시 키(PTK)를 중심으로 이루어진다. PMK는 인증 단계에서 생성되는 장기 마스터 키이며, PTK는 이 PMK와 4-Way Handshake 과정에서 생성된 난수(ANonce, SNonce) 등을 기반으로 실시간으로 유도되는 세션 키이다. PTK는 다시 데이터 암호화에 사용되는 키와 메시지 무결성 검사에 사용되는 키 등으로 세분화된다.

키 갱신은 정기적이거나 필요에 따라 트리거된다. 가장 일반적인 갱신 방식은 4-Way Handshake를 재수행하여 새로운 PTK를 생성하는 것이다. 이는 사전에 설정된 시간(예: 3600초)이 경과했을 때, 또는 클라이언트가 네트워크에서 연결이 끊겼다가 다시 연결할 때 자동으로 발생한다. 또한, 관리자가 보안 정책상 수동으로 갱신을 강제할 수도 있다. 이렇게 키를 주기적으로 변경함으로써, 하나의 세션 키가 장시간 노출되어 발생할 수 있는 암호 해독 공격의 위험을 줄인다.

WPA의 키 관리 구조는 다음 표와 같이 요약할 수 있다.

이러한 계층적 키 관리 방식은 한 단계의 키가 유출되더라도 다른 키들을 보호할 수 있는 방어적 깊이를 제공한다. 예를 들어, PTK가 유출되어도 PMK는 안전하게 보호되며, 새로운 Handshake를 통해 새로운 PTK를 생성하면 보안이 회복된다. 그러나 WPA-PSK 모드에서는 모든 클라이언트가 동일한 PMK(미리 공유된 암호에서 유도)를 공유하기 때문에, 한 클라이언트의 키가 유출되면 전체 네트워크 보안이 위협받을 수 있는 구조적 취약점이 존재한다[5].

WPA-PSK는 사전 공유 키 방식을 사용하여 네트워크에 대한 접근을 통제한다. 모든 사용자가 동일한 암호화 키(패스프레이즈)를 공유하는 구조이기 때문에, 키가 노출될 경우 전체 네트워크 보안이 위협받는다는 근본적인 취약점을 지닌다.

주요 공격 기법으로는 오프라인 사전 공격과 브루트 포스 공격이 있다. 공격자는 네트워크에서 캡처한 4-Way Handshake 패킷을 이용해 패스프레이즈를 추측할 수 있다. 이 과정은 네트워크 트래픽을 지속적으로 모니터링할 필요 없이, 한 번 캡처한 핸드셰이크 데이터를 로컬 환경에서 반복적으로 시도하여 키를 찾아낼 수 있다는 점에서 위험하다. 패스프레이즈의 복잡도가 낮을수록 공격 성공 가능성은 급격히 높아진다.

이러한 취약성은 특히 대규모 환경이나 공용 네트워크에서 더욱 두드러진다. 키를 변경해야 할 사용자가 많을수록 관리가 어려워지고, 한 명의 사용자 장치가 손상되면 전체 네트워크 키를 교체해야 하는 상황이 발생할 수 있다. 따라서 기업 환경에서는 802.1X 인증을 사용하는 WPA-Enterprise 방식이 권장된다.

KRACK은 2017년 마티 반호프에 의해 발견된 WPA 및 WPA2 프로토콜의 심각한 설계 결함을 이용한 공격 기법이다. 공격의 정식 명칭은 '키 재설치 공격(Key Reinstallation Attack)'이며, 4-Way Handshake 과정에서 발생하는 취약점을 악용한다. 이 핸드셰이크는 클라이언트와 액세스 포인트 간에 암호화 세션 키를 안전하게 협상하고 설치하는 절차이다.

공격의 핵심은 핸드셰이크 과정에서 전송되는 세 번째 메시지(메시지 3)의 재전송을 이용하는 것이다. 액세스 포인트는 클라이언트로부터의 응답(메시지 4)을 받지 못하면 메시지 3을 재전송하는데, 이때 클라이언트는 이미 설치한 암호화 키를 다시 설치하게 된다. 공격자는 특정 조건을 조작하여 이 키 재설치를 유도하고, 결과적으로 사용되는 암호화 키의 일부를 재설정하거나 예측 가능한 상태로 만들 수 있다. 이는 TKIP 또는 CCMP 암호화를 사용하는 모든 WPA/WPA2 네트워크에 영향을 미쳤다.

KRACK의 영향은 다음과 같이 구분된다.

이 공격은 네트워크의 PSK 자체를 훔치는 것이 아니라, 핸드셰이크 프로토콜의 취약점을 이용하여 세션 키를 손상시킨다는 점에서 특징적이다. 따라서 공격을 성공시키려면 공격자가 피해자의 무선 신호 범위 내에 있어야 한다. 대부분의 현대 운영체제와 네트워크 장비 제조사들은 이 취약점이 공개된 후 펌웨어 및 소프트웨어 업데이트를 통해 패치를 배포하였다.

WPA는 가정용 SOHO 환경과 기업 환경에서 서로 다른 설정과 운영 모드를 제공하여 보안 요구사항에 맞게 적용할 수 있다.

가정용 네트워크에서는 일반적으로 WPA-Personal 모드(또는 WPA-PSK)가 사용된다. 이 모드는 단일 미리 공유된 키를 모든 사용자가 공유하는 방식으로, 설정이 간편하다. 사용자는 무선 공유기 설정에서 암호화 방식으로 WPA 또는 WPA2를 선택한 후, 8자 이상의 강력한 PSK를 설정한다. 암호는 예측하기 어려운 무작위 문자열이나 긴 문장을 사용하는 것이 권장된다. 네트워크 이름(SSID)을 기본값에서 변경하고 브로드캐스트를 숨기는 것도 기본적인 보안 조치에 포함된다.

기업용 또는 조직 환경에서는 WPA-Enterprise 모드가 필수적으로 요구된다. 이 모드는 각 사용자마다 고유한 인증 정보를 사용하며, 중앙 집중식 RADIUS 서버를 통해 802.1X 인증 프로토콜을 사용한다. 이를 구현하기 위해서는 EAP를 지원하는 AAA 서버가 필요하다. 일반적인 설정 절차는 다음과 같다.

기업 설정의 핵심 장점은 사용자 단위의 인증과 동적 키 할당이다. 이는 직원의 접근 권한을 세밀하게 통제하고, 사용자 계정이 탈취되거나 직원이 퇴사했을 때 네트워크 전체의 키를 변경하지 않고도 해당 계정만 차단할 수 있게 한다. 또한 강력한 EAP-TLS 방식을 사용하면 클라이언트와 서버 양측의 인증서를 사용한 상호 인증이 가능해져, 피싱 공격에 대한 방어력이 크게 향상된다.

암호화 키는 WPA 네트워크의 보안 강도를 결정하는 가장 핵심적인 요소이다. 효과적인 키 관리는 예측 가능한 공격으로부터 네트워크를 보호하는 첫 번째 방어선 역할을 한다.

키 설정 시 가장 중요한 원칙은 복잡성과 길이를 확보하는 것이다. 암호는 최소 12자 이상, 가능하면 20자에 가깝게 설정하는 것이 권장된다. 암호는 대소문자, 숫자, 특수문자를 무작위로 조합하여 구성해야 하며, 사전에 나오는 단어, 생일, 전화번호, 반복되는 문자나 간단한 패턴은 절대 사용해서는 안 된다. WPA-PSK 모드에서는 이 사전 공유 키가 모든 사용자가 공유하는 마스터 키 역할을 하므로, 그 중요성이 더욱 크다.

정기적인 키 변경도 좋은 보안 습관이다. 특히 기업 환경이나 사용자 변경이 빈번한 네트워크에서는 관리 콘솔을 통해 주기적으로 암호를 변경하는 것이 바람직하다. 또한, SSID를 네트워크의 위치나 기관명을 그대로 노출시키지 않고, 기본값에서 변경하는 것도 공격자의 타겟팅을 어렵게 만드는 보조 수단이 될 수 있다. 최종적으로는 WPA2의 AES 암호화를 사용하도록 설정하고, 가능하다면 더 강력한 WPA3로의 업그레이드를 고려해야 한다.