요즘 웬만한 사이트들은 접속할 때 HTTP가 아닌 HTTPS를 사용하고 있다.
HTTP와 HTTPS에는 어떤 차이점이 있는지, HTTPS 통신 연결에는 어떤 방법들이 쓰이는지 알아보도록 하자.
HTTP와 HTTPS
HTTP(HyperText Transfer Protocol)는 어플리케이션 계층(7계층)에서 작동하는 프로토콜로, TCP/IP를 기반으로 한다. Well-Known Port로 80번을 사용한다. HTTP는 암호화되지 않은 평문을 전송하는 프로토콜이므로, 패킷 감청을 통해 송신자/수신자가 아닌 제3자가 정보를 들여다볼 수 있는 위험성이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 HTTPS이다.
HTTPS(HTTP Secure)는 HTTP에 데이터 암호화가 추가된 프로토콜이다. Well-Known Port로 443번을 사용한다. 암호화를 사용하기 때문에 제3자가 패킷을 감청해도 어떤 정보인지 알 수 없다. 또한 정보를 주고받는 서버가 신뢰할 수 있는 서버인지 판별할 수 있도록 도와준다.
HTTPS = HTTP + SSL/TLS
SSL/TLS
- SSL : Secure Sockets Layer
- TLS : Transport Layer Security
SSL/TLS는 HTTPS를 사용하기 위해 안전한 보안 채널을 생성해주는 프로토콜이다. SSL은 1990년대 후반 등장한 프로토콜로, 여러 알려진 취약점으로 인해 현재는 사용되지 않는 프로토콜이다. SSL의 대안으로 등장한 것이 TLS로, SSL과 TLS를 흔히 혼용하여 부르고 있지만 실제 사용되는 프로토콜은 TLS이다.
SSL/TLS는 7계층의 HTTP와 4계층의 TCP 사이에 위치한다.
CA(Certificate Authority)와 SSL 인증서
SSL 인증서는 SSL 프로토콜에서 사용되는 인증서로, 공인된 CA 기관에서 발급한다. SSL 인증서는 다음과 같은 역할을 하며, 아래의 정보를 담고 있다.
인증서의 역할
- Client가 접속한 사이트(Server)가 신뢰할 수 있는 Server임을 보증한다.
- 통신 과정에서 사용할 Server의 공개 키를 Client에 전달한다.
인증서에 담겨있는 정보
- CA 정보와 사이트의 도메인 등
- Server의 공개 키
대개 브라우저들은 신뢰할 수 있는 공인 CA들의 리스트와, 각 CA들의 공개 키를 알고 있다. SSL 인증서가 구체적으로 어떻게 이용되는지는 아래의 SSL Handshake를 통해 알 수 있다.
SSL/TLS에서의 암호화 방식
대칭키 방식
- 동일한 하나의 키, 즉 대칭키로 암호화와 복호화를 하는 방식이다.
- 공개키 방식에 비해 속도가 빠르지만, 암호 통신을 하기 위해 대칭키를 주고받는 문제에서 키가 유출되는 등의 키 교환 문제가 발생할 수 있다.
공개키(비대칭키) 방식
- 한 쌍의 {공개키, 비밀키}를 통해 암호화와 복호화를 하는 방식이다. 즉, 공개키로 암호화하면 비밀키로 복호화, 비밀키로 암호화하면 공개키로 복호화할 수 있다.
- 대칭키 방식에 비해 보안이 뛰어나지만, 상대적으로 속도가 느리다.
두 방식의 장단점을 고려하여, SSL/TLS에서는 실제 데이터를 주고받기 위해 대칭키를 사용하고, 이 대칭키를 주고받기 위해 공개키 방식을 이용한다.
SSL Handshake (TLS 1.2 버전에서)
TLS Handshake는 TCP Handshake를 통해 연결을 생성한 뒤 실시한다.
0. Server는 CA를 통해 SSL 인증서를 생성한다.
1) 사이트(Server)는 CA에 사이트 정보와 사이트 공개 키를 보낸다.
2) CA는 CA의 비밀 키를 이용해 사이트 정보와 사이트 공개 키를 암호화하여 인증서를 생성해 사이트에 전달한다.
1. ClientHello (Client → Server)
Client가 Server에 TLS 연결을 시도하며 패킷을 보낸다. 보내는 패킷에는 아래의 정보 등이 담겨있다.
- 사용 가능한 Cipher Suite 목록
- Session ID
- TLS Protocol Version
- Client Random Byte (무작위 키)
아래는 Cipher Suite의 한 예이다. (이미지 출처 https://steady-coding.tistory.com/512)
2. ServerHello (Server → Client)
Server는 Client로부터 ClientHello 패킷을 받고, CipherSuite 목록에서 하나를 선택한다.
아래의 정보 등을 담아 ServerHello 패킷을 Client로 보낸다.
- 선택한 Cipher Suite
- TLS Protocol Version
- Server Random Byte (무작위 키)
3. Certificate (Server → Client)
Server의 TLS 인증서를 Client에 전달한다. 이때 TLS 인증서는 CA의 비밀 키로 암호화된 상태이며, CA의 공개 키는 누구에게나 공개되어 있다.
Client는 CA의 공개 키를 이용해 TLS 인증서를 복호화한다. 복호화에 성공하면 해당 인증서는 CA가 서명한 진짜 인증서임을 검증한 것으로 볼 수 있다. (Authentication)
4. Client Key Exchange (Client → Server)
Client는 Random한 Pre-master key를 생성한 뒤, 3)에서 TLS 인증서 복호화를 통해 얻어낸 Server의 공개 키로 암호화하여 서버로 전송한다.
Server는 자신의 비밀 키로 이것을 복호화하여 Pre-master key를 얻어낸다.
Server와 Client는 주고받은 Client Random Byte, Server Random Byte, Pre-master key를 이용해 각자 독립적으로 master key를 만들어내고, 일련의 과정을 통해 이를 session key로 만들어낸다. Client와 Server가 만든 세션 키는 동일하고, 이를 앞으로 데이터를 주고받을 때 암호화할 대칭 키로 사용한다.
자료마다 해당 단계에서 대칭 키를 생성하는 방식이 조금씩 상이하나, Client가 Server로 보낸 어떤 ‘무엇인가'를 이용해 결과적으로 대칭 키를 얻는다는 점은 같다.
5. ChangeCipherSpec / Finished (Client ↔ Server)
교환할 정보를 모두 교환하여 통신할 준비가 다 되었음을 알린 뒤(ChangeCipherSpec), SSL Handshake를 종료한다. (Finished)
SSL Handshake가 끝나면 Client와 Server는 각자 갖고 있는 대칭키를 이용해 데이터를 암호화하여 주고받는다.
