[암호 기술] 암호 기술에 대한 이해

11/15/2025

crypto

암호화 기술에 대해 간략하게 정리합니다.

1. 정보 위협 요소와 보호 서비스

정보를 위협하는 요소는 크게 4 가지로 나눌 수 있습니다.

도청 : 제 3 자의 도청 위협
위장 : 제 3 자가 대상으로 위장하여 개입
변조 : 제 3 자에 의한 데이터 손실 및 변경 위험
부인 : 데이터 송수신 내역에 대한 부인

이러한 위협 요소에 대응하는 보안 서비스 또한 4가지로 볼 수 있습니다.

도청 ⇒ 기밀성 (Confidentiality)
- 정보가 의도하지 않게 노출되지 않도록 보장하는 서비스
위장 ⇒ 인증 (Authentication)
- 상대방의 신원을 확인/보증할 수 있도록 하는 서비스 (발신 인증, 개체 인증)
변조 ⇒ 무결성 (Integrity)
- 의도적인 공격에 의한 데이터 위조 및 변조를 탐지할 수 있도록 하는 서비스
부인 ⇒ 부인 방지 (Non-Repudiation)
- 서명 등을 통해 송수신자가 데이터에 대해 부인할 수 없도록 보장하는 서비스

2. 암호학이란?

간단하게 평문(Plain Text)을 암호 알고리즘을 통해 암호문(Cipher Text)으로 암호화 하고,
다시 암호문을 평문으로 복호화 하는 개념입니다.

이 때 알고리즘을 사용할 때 필요한 비밀 정보를 키(Key)라고 합니다.

이러한 개념을 토대로 암호 기술은 기밀성, 무결성, 인증, 부인 방지 서비스 전체를 설계하는 기술까지 포함합니다.

3. 암호 기술

암호 기술은 크게 5 가지로 나눌 수 있습니다.

대칭 키 암호화 (기밀성, 무결성 인증)
공개 키 암호화 (기밀성)
해시 암호화 (무결성)
메세지 인증 코드 (무결성, 인증)
전자 서명 (무결성, 인증, 부인 방지)

3-1. 대칭 키 암호

Symmetric-Key Cipher

암복호화에 동일한 비밀 키를 사용하는 방식입니다.
속도가 빠르고 구현이 간단하여 대량 데이터를 암호화 하는데에 사용된다고 합니다.

암복호화에 사용되는 키가 동일하기 때문에 키의 보안성이 중요한 비중을 차지합니다.

대칭 키 암호화에는 크게 2 가지가 있습니다.

스트림 암호화
블록 암호화

3-1-1, 스트림 암호화

Stream Cipher

평문의 크기와 같은 키 스트림을 생성하고
평문의 각 "바이트"마다 XOR 연산으로 암복호화를 수행합니다.

블록 암호화에 비해 속도가 빠르다고 하며 주요 알고리즘은 아래와 같습니다.

ChaCha20
Salsa20

3-1-2. 블록 암호화

Block Cipher

평문을 일정 비트 단위(블록)으로 나누어 암복호화를 수행합니다.

주요 알고리즘은 아래와 같습니다.

AES
ARIA
SEED
LEA

3-2. 블록 암호 운영 모드

블록 암호화는 그대로 사용하는 것이 아닌 특정 "운영 모드"와 함께 사용합니다.

분류	모드	특징
기밀성 모드	ECB, CBC, CFB, OFB, CTR	암호화 중심
무결성/인증 모드	CMAC(CBC-MAC), GMAC(Galois-MAC)	MAC 생성
AEAD(기밀성+무결성+인증)	CCM(Counter with CBC-MAC), GCM(Galois/Counter Mode)	인증 TAG 포함

3-2-1. 기밀성 모드

모드	장점	단점
ECB	구현이 간단하고 빠르다 암복호화 시 병렬 처리가 가능하다 오류 확산이 발생하지 않는다.	동일한 평문은 동일한 암호문을 생성한다 패딩이 필요하다
CBC	동일한 평문이 같은 암호문을 생성하지 않는다 복호화 시 병렬 처리가 가능하다	암호화 시 병렬 처리가 불가능하다 비트 단위의 에러 발생 시 현재 블럭과 다음 블럭에서 에러가 발생한다 패딩이 필요하다
CFB	동일한 평문이 같은 암호문을 생성하지 않는다 패딩이 불필요 하다 복호화 시 병렬 처리가 가능하다	암호화 시 병렬 처리가 불가능하다 비트 단위의 에러 발생 시 현재 블럭과 다음 블럭에서 에러가 발생한다
OFB	동일한 평문이 같은 암호문을 생성하지 않는다 패딩이 불필요 하다 오류가 확산되지 않는다	병렬 처리가 불가능하다
CTR	동일한 평문이 같은 암호문이 되지 않는다 패딩이 불필요하다 암복호화 시 병렬 처리가 가능하다 오류가 확산되지 않는다	위의 모드들의 단점을 모두 개선한 형태이다

3-2-2. AEAD 모드

AEAD는 암호문 + 인증Tag로 구성되어 변조 여부까지 검출이 가능하다고 합니다.

모드	구성	특징
CCM	CTR + CBC-MAC	IoT / 임베디드에서 사용
GCM	CTR + GHASH	매우 빠른 인증, 병렬성

3-3. 해시

Hash

임의의 데이터를 고정된 길이의 데이터로 출력하는 "단방향" 암호화입니다. (역연산 X)

충돌을 발견하기 어렵도록 암호학적으로 안전하게 설계되었고,
데이터의 무결성을 보장하는 기능을 합니다.

주요 알고리즘

MD5, SHA1 - 취약, 사용 금지
SHA-2
SHA-3

해시는 다양하게 활용할 수 있습니다.

데이터 무결성 검사
난수 생성기 (HASH-DRBG)
키 유도 (KDF)

3-4. 메세지 인증 코드 (MAC)

Message Authentication Code

해시와 동일하게 고정된 길이의 데이터로 출력할 수 있는 "단방향" 암호화입니다.
추가적으로 키(Key)를 필요로 합니다.

데이터의 무결성 및 출처 인증을 보장하며,
복호화가 불가능하므로 평문을 암호화한 암호문과 기존의 암호문을 비교하는 방식으로 검증합니다. (Conpute/Compare)

주요 알고리즘

해시 기반 : HMAC (평문 해시 후 MAC)
블록 암호화 기반 : CMAC, GMAC

3-5. 패스워드 기반 키 유도

대표적으로 PBKDF2(Password-Based Key Derivation Function)이 있습니다.

사용자의 패스워드, 난수, 반복 횟수, 키 길이를 입력으로 비밀 키를 생성합니다.

난수(Salt)는 비밀번호를 암호화 하기 위한 키 값으로, 사전 공격을 막는데에 사용됩니다.
반복 횟수는 내부 의사난수함수(PRF, Pseudo-Random Funtion)의 호출 횟수로, 전수 조사 공격을 막는데에 사용됩니다.
PBKDF2는 느리게 동작하도록 설계되어 브루트포스/사전 공격을 어렵게 만든다고 합니다.

3-6. 공개 키 암호화

Public-Key Cipher

암호화 키와 복호화 키가 동일하지 않은 암호화 기술입니다.
수신자의 공개 키를 통해 평문을 암호화 하고, 수신자의 개인 키를 통해 암호문을 복호화 합니다.

공개 키로부터 개인 키의 유도가 어렵도록 키 쌍 생성 시 수학적인 문제를 이용하여 설계되었습니다.
대칭 키 암호화에 비해 연산 속도가 느린 단점이 있지만, 온라인 상에서의 키 분배 문제를 해결합니다.

소인수분해 문제 (FP, Factoring Problem)
이산대수 문제 (DLP, Discreate Logarithm Problem)
타원곡선 이산대수 문제 (ECDLP, Elliptic Curve Discreate Logarithm Problem)

주요 알고리즘

RSA (소인수분해)
ElGamal (이산대수)
EC-ElGamal / ECIES (타원곡선 이산대수)

3-7. 하이브리드 암호화

대칭 키 + 공개 키 암호화를 결합하여 각각의 단점을 보완한 암호화 방식입니다.
의사난수 생성기, 대칭 키, 공개 키로 구성됩니다.

암호화
- 의사난수 생성기(PRNG)로 대칭 키(세션 키)를 생성합니다.
- 평문을 대칭 키로 암호화 합니다.
- 수신자의 공개 키로 대칭 키를 암호화 합니다.
- 암호화된 공개 키와 암호문을 결합합니다.
복호화
- 암호문과 암호화된 대칭 키를 분할합니다.
- 암호화된 대칭 키를 수신자의 개인 키로 복호화 합니다.
- 복호화된 대칭 키로 암호문을 복호화 합니다.

대칭 키 암호화의 속도는 평문의 암호화 속도를 높이고
공개 키 암호화가 가진 키 관리의 편의성은 서로 직접적인 신뢰 관계가 없는 두 주체가 안전하게 통신할 수 있도록 합니다.
(현재 대부분의 인터넷 보안(TLS 등)은 이 방식이라고 합니다.)

3-8. 전자 서명

Digital Signature

공개 키 암호화와 반대로 개인 키를 통해 암호화 하고, 공개 키를 통해 복호화 합니다.
서명 값과 평문을 함께 보내고, 서명 값을 복호화 한 평문과 받은 평문을 비교하여 검증합니다. (Sign/Verify)

이러한 전자 서명은 메세지 크기가 클수록 연산 속도가 느려지고 서명 데이터의 크기가 커진다는 단점이 있습니다.

공개 키는 여러 개가 될 수 있습니다.
복호화를 통해 서명 값을 확인하는 것이 목적이므로 공개 키 암호화와 반대된다.
공개 키는 반대로 암호화가 목적입니다.

3-8-1. 개선된 전자 서명

기존 전자 서명의 방식을 개선하기 위해 메세지에 해시를 적용합니다.
기존 전자 서명은 밀접한 평문 2 개를 서명하면 밀접한 서명 값 2 개가 나오게 되는데,
해시로 평문을 처리하면 밀접하다고 해도 해시 값은 전혀 다른 값이 나오기 때문에 기존 문제를 해결할 수 있습니다.
또한 해시를 적용하면 크기가 고정된 데이터가 출력되기 때문에 속도가 느린 단점을 보완할 수 있습니다.

주요 알고리즘

RSA
DSA
ECDSA

3-9. 디피-헬만 키 교환

Diffie-Hellman Key Exchange

상대의 공개 키와 나의 개인 키를 활용한 비밀 키 생성이 핵심인 기술입니다.
따라서 직접 키를 교환하지 않고도 동일한 비밀 키를 생성할 수 있습니다.

주요 알고리즘

DH (정수 기반)
ECDH (타원곡선 기반)

타원곡선 기반이 더 효율적이고 짧은 키로 높은 보안성을 제공한다고 합니다.