[Computer Netowrk] SSL 인증서(Feat. TLS)

JuseungL·2024년 1월 24일

Computer Network

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공부하게된 계기

창업동아리에서 "하이볼리" 어플리케이션을 개발하면서 배포하는 과정에서 SSL 인증서를 써야 안전하게 서비스할 수 있다는 얘기를 들었는데 무슨 말인지도 모르겠고 왜 써야하는지도 몰랐었다. 단순히 블로그를 따라서 하니 우리 서버에 적용으 시킬 수 있었지만 그래도 썼는데 앞으로도 왜 썼는지는 알고 써야할것같아서 HTTPS, SSL 인증서가 어떻게 작동하는지에 대해서 알아보게 되었다.

HTTPS vs HTTP
이전 글에서 다뤘듯이 HTTP는 Hypertext Transfer Protocol의 약자이다. 즉 Hypertext인 HTML을 전송하기 위한 통신 규약을 의미한다.
HTTPS의 S는 Over Secure Socket Layer의 약자로 Secure라는 말을 통해서 알 수 있듯이 보안이 강화된 HTTP라는 것을 알 수 있다.
HTTP는 암호화되지 않은 방법으로 데이터를 전송하기 때문에 서버와 클라이언트가 주고 받는 메시지를 탈취하는 것이 매우 쉽다. 예를 들어 로그인 요청을 위해 서버로 비밀번호 입력값을 전송하거나 중요 기밀 문서를 열람하는 과정에서 탈취나 데이터 변조 등이 발생할 수 있다.
이런 것을 안전하게 보안한 것이 HTTPS이다.

SSL(Secure Sockets Layer)이란?

HTTPS와 SSL을 같은 의미로 생각하는 경우가 많다. 이 둘의 관계는 마치 인터넷과 웹을 같은 의미로 이해하는 것과 같다. 즉, 웹이 인터넷 위에서 돌아가는 서비스 중의 하나인 것처럼 HTTPS도 SSL 프로토콜 위에서 돌아가는 프로토콜이다.

SSL과 TLS의 차이

이 둘은 같은 말이다. 네스케이프에 의해서 SSL이 발명됐는데 이것이 점차 폭넓게 사용되다가 IETF(국제 인터넷 표준화 기구)로 관리가 이관되면서 TLS(Transport Layer Security)라는 이름을 쓰게 됐다. TLS 1.0은 SSL 3.0을 계승한다.
현재 정식 명칭은 TLS이지만 SSL을 더 많이 쓴다.

SSL 디지털 인증서

SSL 인증서는 클라이언트와 서버간의 통신을 제3자가 보증해주는 전자화된 문서다. 클라이언트가 서버에 접속한 직후에 서버는 클라이언트에게 이 인증서 정보를 전달한다. 클라이언트는 이 인증서 정보가 신뢰할 수 있는 것인지를 검증 한 후에 다음 절차를 수행하게 된다. 즉, 웹 브라우저는 웹 서버에서 전달받은 인증서를 보고 자신이 접속하려고 했던 웹 서버가 맞는지를 확인하는 절차를 가진다. SSL과 SSL 디지털 인증서를 이용했을 때의 이점은 아래와 같다.

SSL 디지털 인증서 장점
1. 통신 내용이 공격자에게 노출되는 것을 막을 수 있다.
2. 클라이언트가 접속하려는 서버가 신뢰 할 수 있는 서버인지를 판단할 수 있다.
3. 통신 내용의 악의적인 변경을 방지할 수 있다.

대칭키와 비대칭키 간단한 이해

우선 https://velog.io/@judel/Express-%EB%8B%A8%EB%B0%A9%ED%96%A5-%EC%96%91%EB%B0%A9%ED%96%A5-%EC%95%94%ED%98%B8%ED%99%94
나의 암호화 관련 블로그 글에서도 언급 했듯이 대칭키 암호화의 경우 암호화와 복호화에 동일한 하나의 키를 이용하기 때문에 양쪽 모두 키를 가지고 있어야 하며 이때, 키를 주고 받는 과정에서 키가 유출될 우려가 있다는 단점이 있다.
반면에 공개키(양방향 비대칭키)방식의 경우 키가 쌍으로 존재한다.
키 A,B가 있으면 A키로 암호화를 하면 B키로 복호화 할 수 있고, B키로 암호화하면 A키로 복호화 할 수 있다. 두개의 키 중 하나를 비공개키(private key, 개인키, 비밀키라고도 부른다)로하고, 나머지를 공개키(public key)로 지정한다. 비공개키는 자신만이 가지고 있고, 공개키를 타인에게 제공한다. 공개키느 인터넷에 올려놔도 상관없다.

공개키 방식의 암호화 장점
A라는 사이트(비공개키를 보유고 있음)의 공개키를 다운받은 사람이 A로 어떤 정보를 제공하고 싶을 때 다운받았던 공개키로 자기가 전송하고자하는 메세지를 암호화해서 그 사이트(서버)로 보내면 사이트가 보유하고있던 비공개키를 통해 복호화 가능하다.
즉, 이렇게 되면 비공개키는 애초에 본인만 들고있고 공개키는 누구나 들고있어도 복호화는 오직 비공개키로만 가능하기 때문에 탈취하더라도 의미가 없다.

인증 원리

그래서 공개키를 활용해서 인증을 하는 방법에 대해서 알아보자.
내가 전송한 정보를 받은 사람이 자신의 공개키로 그 내용을 복호화하는 것에 성공 했다면 비밀키를 가지고 있는 사람이 암호화한 정보라는 것을 틀림없이 보증할 수 있다.
이것이 인증서의 원리이다.

SSL 인증서

SSL 인증서의 역할은 다소 복잡하기 때문에 인증서의 메커니즘을 이해하기 위한 몇가지 지식들을 알고 있어야 한다. 인증서의 기능은 크게 두가지다. 이 두가지를 이해하는 것이 인증서를 이해하는 핵심이다.

SSL 인증서의 기능
1. 클라이언트가 접속한 서버가 신뢰 할 수 있는 서버임을 보장한다.
2. SSL 통신에 사용할 공개키를 클라이언트에게 제공한다.

즉, 인증서에 공개키가 포함되어 있기 때문에 해당 공개키를 통해 추후에 서버와 통신을 할때 암호화와 복호화를 할 수 있다.

CA

첫번째 SSL 인증서의 기능은 클라이언트가 접속한 서버가 클라이언트가 의도한 서버가 맞는지를 보장한다 이였다. 이 역할을 하는 민간기업들이 있는데 이런 기업들을 CA(Certificate authority) 혹은 Root Certificate 라고 부른다. CA는 아무 기업이나 할 수 있는 것이 아니고 신뢰성이 엄격하게 공인된 기업들만이 참여할 수 있다.
현재 시장 점유율은 다음과 같다고 하다.

SSL을 통해서 암호화된 통신을 제공하려는 서비스는 CA를 통해서 인증서를 구입해야 한다. CA는 서비스의 신뢰성을 다양한 방법으로 평가하게 된다.

꼭 써야하는가?
클라이언트와 서버가 서로 신뢰할 수 없는 상황에 사용해야한다.
개발 서버나 사내에서만 사용하는 서버라면 굳이 SSL 인증서를 CA로부터 구매할 필요가 없다.

사설 인증서
개발이나 사적인 목적을 위해서 SSL의 암호화 기능을 이용하려한다면 자신이 직접 CA의 역할을 할 수도 있다.
물론 이것은 공인된 인증서가 아니기 때문에 이러한 사설 CA의 인증서를 이용하는 경우 브라우저는 아래와 같은 경고를 출력한다. 공인된 CA가 제공하는 인증서를 사용한다면 브라우저의 주소창이 아래와 비슷한 모양을 보여줄 것이다.

CA 인증서 발급 과정

인터넷 사이트(서버)는 공개키와 개인키를 만들고, CA에 자신들의 사이트 정보와 공개키를 전달한다.
이 때, CA는 CA만의 그들의 공개키와 개인키가 있는데 CA는 사이트가 제출된 데이터를 검증하고, 인증 기관의 개인키(비밀키)로 사이트에서 제출한 정보를 암호화해서 인증서를 만들어서 사이트는 인증서를 갖게 됐다.

이때 생각하고 있어야하는 것은 인증서는 사이트의 비공개키가 아닌 CA의 비공개키를 통해 암호화된 상태이다.

인증 기관은 웹 브라우저에게 자신의 공개키를 제공한다. 이제 웹 브라우저가 그들의 사이트에 접속을 원할 때 서버에서 인증서를 웹 브라우저에게 전달하게 된다.

SSL 인증서의 내용

서비스의 정보 (인증서를 발급한 CA, 서비스의 도메인 등등)
서버 측 공개키 (공개키의 내용, 공개키의 암호화 방법)

인증서의 내용은 위와 같이 크게 2가지로 구분할 수 있다.
1번은 클라이언트가 접속한 서버가 클라이언트가 의도한 서버가 맞는지에 대한 내용을 담고 있고, 2번은 서버와 통신을 할 때 사용할 공개키와 그 공개키의 암호화 방법들의 정보를 담고 있다. 서비스의 도메인, 공개키와 같은 정보는 서비스가 CA로부터 인증서를 구입할 때 제출해야 한다.
위와 같은 내용은 CA에 의해서 암호화 된다. 이 때 사용하는 암호화 기법이 공개키 방식이다. CA는 자신의 CA 비공개키를 이용해서 서버가 제출한 인증서를 암호화한다. CA의 비공개키는 절대로 유출되어서는 안된다. 이것이 노출되는 바람에 디지노타라는 회사는 파산된 사례도 있다.

CA 리스트는 이미 브라우저가 들고 있다.
브라우저는 내부적으로 CA의 리스트를 미리 파악하고 있다. 이 말은 브라우저의 소스코드 안에 CA의 리스트가 들어있다는 것이다. 브라우저가 미리 파악하고 있는 CA의 리스트에 포함되어야만 공인된 CA가 될 수 있는 것이다. CA의 리스트와 함께 각 CA의 공개키를 브라우저는 이미 알고 있다.

SSL 인증서가 서비스를 보증하는 방법

웹 브라우저가 서버에 접속할 때 서버는 제일 먼저 인증서를 제공한다. 브라우저에서는 이 인증서를 발급한 CA가 브라우저의 CA의 리스트에 있는지를 확인한다. 포함되어 있다면 해당 CA의 공개키를 이용해서 인증서를 복호화한다. 이때 위에서 인증 원리에서 언급했듯이 CA의 공개키를 이용해서 인증서를 복호화 할 수 있다는 것은 이 인증서가 CA의 비공개키에 의해서 암호화 된 것을 의미한다. 해당 CA의 인증서를 암호화할때 사용한 비공개 키를 가지고 있는 이해관계자는 해당 CA 밖에는 없기 때문에 서버가 제공한 인증서가 CA에 의해서 발급된 것이라는 것을 의미한다. 즉, CA에 의해서 발급된 인증서라는 것은 접속한 사이트가 CA에 의해서 검토되었다는 것을 의미하게 되고 CA의 검토를 통과했다는 것은 해당 서비스가 신뢰 할 수 있다는 것을 의미한다. 이것이 CA와 브라우저가 특정 서버를 인증하는 과정이다.
이 사진이 전체적인 흐름을 이해하는데 도움이 될 것같다.
그러면 이제 인증서의 두 번째 기능인 인증서에 포함된 서버의 공개키는 어떤 용도에 사용될지에 대해서 알아보자.

SSL 동작 방법

결론부터 말하면 SSL은 암호화된 데이터를 전송하기 위해서 공개키와 대칭키를 혼합해서 사용한다. 즉 클라이언트와 서버가 주고 받는 실제 정보는 대칭키 방식으로 암호화하고, 대칭키 방식으로 암호화된 실제 정보를 복호화할 때사용할 대칭키는 공개키 방식으로 암호화해서 클라이언트와 서버가 주고 받는다. 이 설명만으로는 이해하기 어려울 것이다. 아래의 관계만 일단 머리속에 기억해두고 좀 더 구체적인 설명으로 넘어가자.

실제 데이터 : 대칭키
대칭키의 키 : 공개키
컴퓨터와 컴퓨터가 네트워크를 이용해서 통신을 할 때는 내부적으로 3가지 단계가 있다. 아래와 같다.

악수 -> 전송 -> 세션종료

이것은 은밀하게 일어나기 때문에 사용자에게 노출되지 않는다. 이 과정에서 SSL가 어떻게 데이터를 암호화해서 전달하는지 살펴보자.

1. 악수 (handshake)

사람과 사람이 소통을 할 때를 생각해보자. 우선 인사를 한다. 인사를 통해서 상대의 기분과 상황을 상호탐색을 하는 것이다. 이 과정이 잘되야 소통이 원활해진다. 클라이언트와 서버 사이도 마찬가지다. 실제 데이터를 주고 받기 전에 클라이언트와 서버는 일종의 인사인 Handshake(진짜로 사용하는 기술용어다)를 한다. 이 과정을 통해서 서로 상대방이 존재하는지, 또 상대방과 데이터를 주고 받기 위해서는 어떤 방법을 사용해야하는지를 파악한다.

SSL 방식을 이용해서 통신을 하는 브라우저와 서버 역시 핸드쉐이크를 하는데, 이 때 SSL 인증서를 주고 받는다. 이 과정은 앞에서 설명한 바 있다. 인증서에 포함된 서버 측 공개키의 역할은 무엇일까를 이제 알아보자.

공개키는 이상적인 통신 방법이다. 암호화와 복호화를 할 때 사용하는 키가 서로 다르기 때문에 메시지를 전송하는 쪽이 공개키로 데이터를 암호화하고, 수신 받는 쪽이 비공개키로 데이터를 복호화하면 되기 때문이다. 그런데 SSL에서는 이 방식을 사용하지 않는다. 왜냐하면 공개키 방식의 암호화는 매우 많은 컴퓨터 자원을 사용하기 때문이다. 반면에 암호화와 복호화에 사용되는 키가 동일한 대칭키 방식은 적은 컴퓨터 자원으로 암호화를 수행할 수 있기 때문에 효율적이지만 수신측과 송신측이 동일한 키를 공유해야 하기 때문에 보안의 문제가 발생한다. 그래서 SSL은 공개키와 대칭키의 장점을 혼합한 방법을 사용한다. 그 핸드쉐이크 단계에서 클라이언트와 서버가 통신하는 과정을 순서대로 살펴보자.

클라이언트가 서버에 접속한다. 이 단계를 Client Hello라고 한다. 이 단계에서 주고 받는 정보는 아래와 같다.

클라이언트 측에서 생성한 랜덤 데이터 : 아래 3번 과정 참조
클라이언트가 지원하는 암호화 방식들 : 클라이언트와 서버가 지원하는 암호화 방식이 서로 다를 수 있기 때문에 상호간에 어떤 암호화 방식을 사용할 것인지에 대한 협상을 해야 한다. 이 협상을 위해서 클라이언트 측에서는 자신이 사용할 수 있는 암호화 방식을 전송한다.
세션 아이디 : 이미 SSL 핸드쉐이킹을 했다면 비용과 시간을 절약하기 위해서 기존의 세션을 재활용하게 되는데 이 때 사용할 연결에 대한 식별자를 서버 측으로 전송한다.

서버는 Client Hello에 대한 응답으로 Server Hello를 하게 된다. 이 단계에서 주고 받는 정보는 아래와 같다.

서버 측에서 생성한 랜덤 데이터 : 아래 3번 과정 참조
서버가 선택한 클라이언트의 암호화 방식 : 클라이언트가 전달한 암호화 방식 중에서 서버 쪽에서도 사용할 수 있는 암호화 방식을 선택해서 클라이언트로 전달한다. 이로써 암호화 방식에 대한 협상이 종료되고 서버와 클라이언트는 이 암호화 방식을 이용해서 정보를 교환하게 된다.
인증서

위에서 언급했듯이 클라이언트는 서버의 인증서가 CA에 의해서 발급된 것인지를 확인하기 위해서 클라이언트에 내장된 CA 리스트를 확인한다. CA 리스트에 인증서가 없다면 사용자에게 경고 메시지를 출력한다. 인증서가 CA에 의해서 발급된 것인지를 확인하기 위해서 클라이언트에 내장된 CA의 공개키를 이용해서 인증서를 복호화한다. 복호화에 성공했다면 인증서는 CA의 개인키로 암호화된 문서임이 암시적으로 보증된 것이다. 인증서를 전송한 서버를 믿을 수 있게 된 것이다.

클라이언트는 상기 2번을 통해서 받은 서버의 랜덤 데이터와 클라이언트가 생성한 랜덤 데이터를 조합해서 pre master secret라는 키를 생성한다. 이 키는 뒤에서 살펴볼 세션 단계에서 데이터를 주고 받을 때 암호화하기 위해서 사용될 것이다. 이 때 사용할 암호화 기법은 대칭키이기 때문에 pre master secret 값은 제 3자에게 절대로 노출되어서는 안된다.

그럼 문제는 이 pre master secret 값을 어떻게 서버에게 전달할 것인가이다.
이 때 사용하는 방법이 바로 공개키 방식이다. 서버의 공개키로 pre master secret 값을 암호화해서 서버로 전송하면 서버는 자신의 비공개키로 안전하게 복호화 할 수 있다. 그럼 서버의 공개키는 어떻게 구할 수 있을까? 서버로부터 받은 인증서 안에 들어있다. 이 서버의 공개키를 이용해서 pre master secret 값을 암호화한 후에 서버로 전송하면 안전하게 전송할 수 있다.

서버는 클라이언트가 전송한 pre master secret 값을 자신의 비공개키로 복호화한다. 이로서 서버와 클라이언트가 모두 pre master secret 값을 공유하게 되었다. 그리고 서버와 클라이언트는 모두 일련의 과정을 거쳐서 pre master secret 값을 master secret 값으로 만든다. master secret는 session key를 생성하는데 이 session key 값을 이용해서 서버와 클라이언트는 데이터를 대칭키 방식으로 암호화 한 후에 주고 받는다. 이렇게해서 세션키를 클라이언트와 서버가 모두 공유하게 되었다는 점을 기억하자.

클라이언트와 서버는 핸드쉐이크 단계의 종료를 서로에게 알린다.

2. 세션

세션은 실제로 서버와 클라이언트가 데이터를 주고 받는 단계이다. 이 단계에서 핵심은 정보를 상대방에게 전송하기 전에 session key 값을 이용해서 대칭키 방식으로 암호화 한다는 점이다. 암호화된 정보는 상대방에게 전송될 것이고, 상대방도 세션키 값을 알고 있기 때문에 암호를 복호화 할 수 있다.

그냥 공개키를 사용하면 될 것을 대칭키와 공개키를 조합해서 사용하는 이유는 무엇을까? 그것은 공개키 방식이 많은 컴퓨터 파워를 사용하기 때문이다. 만약 공개키를 그대로 사용하면 많은 접속이 몰리는 서버는 매우 큰 비용을 지불해야 할 것이다. 반대로 대칭키는 암호를 푸는 열쇠인 대칭키를 상대에게 전송해야 하는데, 암호화가 되지 않은 인터넷을 통해서 키를 전송하는 것은 위험하기 때문이다. 그래서 속도는 느리지만 데이터를 안전하게 주고 받을 수 있는 공개키 방식으로 대칭키를 암호화하고, 실제 데이터를 주고 받을 때는 대칭키를 이용해서 데이터를 주고 받는 것이다.