[시큐어코딩] 암호 이론

1. 정보 보안

• 정당하지 않은 사용자로부터 자산(정보)를 지키는 행위
• 완벽한 정보 보안을 현실적으로 불가능 => 상황과 목적에 맞는 최적의 보안 수준 설정 필요
• 경제학적 관점 : 공격 비용 > 정보가치 > 보안 비용

2. 정보 보안 대응 전략

• 위험 수용 (Acceptance): 위험을 귿로 받아들이고 특별한 조치를 하지 않음
• 위험 감소 (Mitigation/Reduction) : 위험 발생 가능성이나 피해를 줄이도록 조치함
• 위험 회피 (Avoidance) : 위험이 있는 활동 자체를 피하거나 제거함
• 위험 전가 (Trnasfer) : 보험, 외부 업체 계약 등으로 위험 책임을 다른 곳으로 옮김

3. CIA

기밀성 (Confidentality) : 허가된 사람만 정보 접근 가능 (비밀키(대칭키), 공개키(비대칭키))
무결성 (Integrity) : 정보가 승인되지 않은 방법으로 변경되지 않도록 하는 것 (암호화적 해시함수, MAC)
가용성 (Availability) : 필요한 사람이 필요할 때 정보를 이용할 수 있도록 보장

4. 현대 암호

• 케르크호프스 원리 : 암호 시스템의 안전성은 알고리즘 자체가 아니라, 키만 비밀이여야 한다 (secret key)
• 난수 (random number) => 암호화 키, 인증 토큰 생성할 때 사용
• 의사 난수 (Pseudo Random Number) : 알고리즘 (수학적 공식)에 의해 생성되는 난수
• 진난수 (True Random Number) : 물리적 현상(자연적 잡음)에서 발생하는 불규칙성을 이용해 생성된 난수

5. 비밀키(대칭키)

• 참여자가 N명일때 개인이 관리해야할 key의 개수는 N-1
• 전체 key의 개수는 N(N-1)/2개 필요함
• 송신자가 대칭키를 이용해 데이터를 암호화하여 전송하면, 수신자는 대칭키를 이용해 데이터를 복호화하여 사용한다.
• 대표적인 대칭키 알고리즘 : DES, AES, ARIA 등등 ..
• 스트림 암호 (Stream Cipher)
  • 데이터를 1비트 또는 1바이트 단위로 암호화
  • 평문을 스트림(연속적인 흐름)으로 처리함
  • 키와 평문에 대해 XOR 연산을 수행 (같으면 0, 다르면 1을 출력)
  • 빠른 성능이 필요한 데이터를 실시간으로 보호 가능
  • 1bit 오류는 해당 bit에만 영향을 준다
  • 하지만 블록 암호의 비해 사용 빈도가 떨어짐 (표준화 부재, 보안 취약점, 유연성 부재)
• 블록 암호 (Block Cipher)
  • 데이터를 일정 크기 (64bit, 128bit) 블록 단위로 암호화
  • 같은 키와 평문 블록은 항상 같은 암호문 블록 생성
  • 1bit 오류는 해당 블록에 영향을 준다.
  • 상대적으로 느린 연산 속도를 가지고 있다.
  • 대부분의 데이터 암호화에서 사용한다.

6. 블록 암호

• 평문과 암호문이 고정된 크기의 블록으로 구성
• 블록 크기를 맞추기 위한 패딩 (Padding) 필요
• 블록 암호의 핵심 원리인 혼돈(confuse)과 확산 (diffusion)은 암호를 해독하기 어렵게 만드는 두가지 기본 전략이다.
  • 혼돈은 평문과 키 관계를 복잡하게 만드는 것
  • 확산은 평문 한 비트가 변화하면 암호문 전체가 변화하는 것
• 블록 암호 패딩 : 전체 평문 길이가 블록 크기의 배수가 아닐 때 블록 크기의 배수가 되도록 채우는 것이다.

7. 블록 암호 운영 방식

(1). ECB (Electronic Code Book)

• 가장 단순한 방식으로, 각 블록을 독립적으로 암호화한다.
• 같은 평문 블록 -> 같은 암호문 블록
• 패턴 노출에 위험하지만 구현이 간단하며 빠르다는 장점이 있다.

Plain1 → Encrypt → Cipher1  
Plain2 → Encrypt → Cipher2  
Plain3 → Encrypt → Cipher3

(2). CBC (Cipher Block Chaining)

• 이전 암호화 블록과 현재 평문 블록을 XOR한 뒤 암호화 하는 방식이다.

C1 = E( P1 ⊕ IV )  
C2 = E( P2 ⊕ C1 )  
C3 = E( P3 ⊕ C2 )
(IV: Initialization Vector, 초기화 벡터)

• 동일한 평문이라도 이전 암호문과 다르면 결과가 달라지기 때문에 패턴 숨기기가 가능하다.
• 복호화는 순차적으로 진행해야 하기 때문에 병렬 처리가 어렵다
• 전송 중 블록 하나가 깨지면 이후에 영향이 있다.
• (참고) 통신 프로토콜에서 CBC 사용 단계
  • 송신자와 수신자가 공유 비밀키(K)와 IV를 결정 (IV는 매 세션마다 새로 생성)
  • 평문 길이가 블록 크기의 배수가 아닐 경우 패딩 추가 (PKCS#7)
  • 평문 블록마다 이전 암호문 블록과 XOR 후 암호화
  • 암호문 블록과 IV를 함께 전송
  • 수신자가 IV와 공유키를 사용하여 복호화함.

(3). CTR (Counter)

• 블록 암호를 스트림 암호처럼 사용하는 방식
• 평문을 직접 암호화하지 않고, 암호화된 카운터 값과 XOR하는 방식이다.
• 핵심 아이디어 (카운터 -> 암호화 -> XOR 방식)
  • 1) 카운터라는 숫자를 블록 단위로 하나씩 증가시킴
  • 2) 각 카운터를 블록 암호로 암호화 -> 그 결과를 키스트림(key stream)으로 사용
  • 3) 그 키스트림과 평문을 XOR하면 암호문이 됨
• 각 블록마다 카운터가 다르므로 동일한 평문이라도 암호문이 달라짐.
• 병렬 처리 가능
• 가변 길이 데이터를 패딩 없이 암호화 가능 (비트 단위 암호화 가능)

8. 공유키(비대칭키)

• 참여자가 N명일 때 개인이 관리해야 할 key는 자신의 개인키 1개
• 상대방의 공개키는 공개되어 있어서 관리할 필요가 없음
• 대표적인 알고리즘 : RSA
• 디지털 서명: 자신의 비밀키로 암호화 (서명) => 받은 서명을 공개키로 복호화 = 메세지를 똑같이 해시함수를 적용시켜보고 같으면 ok , 다르면 변조된 것
• 안전한 공개 키 배포 및 유효성 검증을 위해서 PKI (Public Key Infrastructure)과 Out of Band가 사용된다.
  • PIK는 정말 이사람의 것이라는 것을 보장해 주는 시스템
  • PIK에서는 체인검증을 함
  • Out of Band는 공개키를 전달할 때 다른 경로를 이용하는 방식

9. 하이브리드 암호화 (Hybrid Cryptosystem)

• 대칭키 암호는 빠르고 효율적이지만, 키 배포가 어렵다.
• 공개키 암호는 키 배포는 편리하지만, 암호화/복호화 속도가 느리다.
• 1) 실제 메세지 (데이터)는 대칭키로 암호화
• 2) 그 대칭키 자체를 수신자의 공개키로 암호화
• 3) 수진자는 자신의 비밀키로 대칭키를 복호환 후, 메세지 해독
• 메세지 자체는 빠른 대칭키 암호를 사용하고, 키 배포는 안전하게 공개키 암호로 처리하는 것이다.

10.암호학적 해시함수

• 데이터 무결성을 보장한다.
• 입력 데이터를 고정된 길이의 해시값(Hash value)으로 변환하는 함수
• 단방향성, 충돌 저항성, 민감도

11. MAC (Message Authentication Code)

• 무결성 보장
• 메세지 인증 코드 => 메세지의 무결성과 인증을 확인하기 위해 사용
• 메세지가 전송 중에 변조되지 않았는지, 정말 해당 메세지를 보낸 사람인지 확인
• 동작 원리
  • 1) 공유 비밀키 K를 송신자와 수신자가 미리 공유
  • 2) 메시지 M과 키 K를 입력으로 하여 MAC 값 T 계산
  • 3) 송신자는 M과 T를 함께 전송
  • 4) 수신자는 받은 M과 공유된 K로 다시 MAC 계산
  • 5) 받은 T와 생성한 T를 대조하여 비교한다.

12. AEAD (Authenticated Encryption with Associated Data)

• 기밀성, 무결성, 인증 보장
• 암호화와 인증을 동시에 수행하는 방식
• Tag(인증 태그) : 메세지의 무결성을 검증하는 값 (MAC과 흡사)
• Error(오류) : 인증 태그 검증 실패시 발생
• Associated Data(부가 데이터) : 암호화하지 않았지만 무결성 검증에 포함되는 데이터 (패킷 헤더, 메세지 ID, 타임스템프)
• AEAD는 메세지, 부가데이터 => 암호화 + 태그 생성하고, 수신 측에서는 암호화 해체 + 태그 검증을 수행한다. 검증 실패시 Eroor 반환하는 구조이다.
• 대표 알고리즘 : GCM, CCM, ChaCha20-Poly1305
  | 알고리즘 | 기반 | 인증 방식 | 특징 |
  |----------|------|-----------|------|
  | GCM | AES 블록 암호 | Galois field | 병렬 처리 가능, 속도 빠름 |
  | CCM | AES 블록 암호 | CBC-MAC | 순차 처리, 무선 통신용 |
  | ChaCha20-Poly1305 | 스트림 암호 | Poly1305 | AES 없는 환경에서도 효율적, 속도 빠름 |

13. 안전한 메세지 통신을 위한 필수 요소

• MITM(Man in the Middle) : 공격자가 중간에 메세지를 가로채거나 변조하는 공격
• 중간자 공격을 막기 위해서는 상호인증 + 암호화 키 및 인증 키 공유 + 안전한 데이터 전송이 필요하다.
• KDC(Key Distribution Center) : 대칭키 환경에서 중앙 인증 서버 역할 => 안전한 공유 키를 발급 및 배포

14. 인증

• 1) 지식 기반 인증 (something you know)
  • 비밀번호,PIN, 보안 질문 등
  • 가장 일반적인 인증 방식이지만 유출 위험이 있음.
• 2) 소유 기반 인증 (something you have)
  • OTP (One Time Password)
  • 보안카드, USB 보안키
  • 부수적인 물리적 장치를 이용하지만 상대적으로 안전
• 3) 생체 기반 인증 (something you are)
  • 지문, 홍채, 안면, 음성 인식
  • 사용이 편리하고 위조가 어려움
  • 초기 구축 비용이 높다

15. 주요 인증 방식

(1). OTP (One Time Password)

• 한 번만 사용할 수 있는 비밀번호를 말한다.
• TOTP(Time based One Time Password) => 공유된 seed와 time 기반
  • 상대적으로 보안성이 높다
  • 정해진 짧은 시간 내에 생성된 코드를 입력해야하는 불편함이 존재
• HOTP (HMAC based One time Password) => 공유된 seedd와 event 기반
  • 시간적 민감성이 부족하여 재사용 공격 등과 같은 특정 취약점에 노출 가능성
  • 일반적으로 많이 사용

(2). FIDO (Fast IDentity Online)

• 비밀번호 없이 안전하게 인증을 수행하는 인증 표준
• 주로 웹 서비스와 모바일 앱에서 사용
• 공개키 암호 기반 인증을 사용
• 사용자의 디바이스(스마트폰, 보안 키, 생체 인증 장치)가 인증 과정에 참여한다.

16. MFA (Multi Factor Authentication)

• 로그인을 할 때 두가지 이상의 인증 요소를 요구하는 방식
• 예 : 비밀번호 + SNS 코드, 비밀번호 + 지문

17. SSO (Single Sign On)

• 한번 로그인으로 여러 시스템이나 서비스에 접근할 수 있게 해주는 인증 방식
• 예: 회사 계정으로 이메일, 인트라넷, 업무 툴 모두 접근 가능

18. OAuth

• 다른 서비스의 계정으로 로그인 허용하는 인증 표준
• 예 : 구글 계정으로 앱 로그인 -> 앱이 구글에서 인증만 받고 비밀번호는 모름

19.보안 솔루션

(1). 네트워크

• VPN 가상 사설망 : 인터넷 통신을 암호화하여 안전하게 연결
• NAC (Network Acess Control) :네트워크 접근 권한 확인
• DLP (Data Loss Prevention) : 중요 데이터 유출 방지

(2). 엔드 포인트 보안 솔루션

• 안티 바이러스/ 안티 멀웨어
• PMS (Patch Management System) : 소프트웨어 취약점 패치 관리
• EDR (Endpoint Detection & Response) : 엔드포인트 위협 탐지 및 대응
• XDR (Extended Detection & Response) : 여러 보안 장치를 통합해 위협 대응
• IAM (identitiy and Access management) : 사용자 계정과 접근 권한 관리

(아래 내용은 참고사항입니다.)

PQC (Post Quantum Cryptography)

• 양자 컴퓨터가 충분히 강력해지면 현재의 공개키 기반 암호는 취약
• PQC 양자 공격에 안전한 알고리즘을 연구하고 표준화하는 과정

KCMVP (Korea Cryptographic Module Validation Program)

• 한국에서 암호 모듈의 안전성을 검증하고 인증하는 제도
• 암호 알고리즘 적합성, 키 관리, 접근 제어, 데이터 보호, 환경 보안과 관련해서 검증

TLC Format

• Type - Length - Value
• T는 데이터의 종류
• L은 데이터의 길이
• V는 실제 데이터

┌────────┬─────────┬────────────────────┐
│  Type  │  Length │       Value        │
├────────┼─────────┼────────────────────┤
│  0x01  │   0x03  │      "ABC"         │
└────────┴─────────┴────────────────────┘