암호학 기초 개념

 개요

최근 끊임 없이 랜섬웨어로 인한 피해가 지속적으로 나타나며 랜섬웨어는 더 이상 악성코드와 관련 있는 사람들만의 관심사가 아니다. 랜섬웨어로 인한 피해를 일반 사용자뿐만 아니라 기업 등에서도 나타나고 있어 주의가 필요하다. 본 문서에서는 랜섬웨어를 이해하기 위한 기초 지식인 암호학에 대하여 개략적으로 다루고자 한다. 암호학에 대해 하나도 모르는 필자로서 쓴 글이기에 깊은 내용보다는 쉽게 이해하는 것을 목표로 할 것이다.

 

암호학

암호학은 정보를 보호하기 위한 언어학적 및 수학적 방법론을 다루는 학문으로 수학을 중심으로 컴퓨터, 통신 등 여러 학문 분야에서 공동으로 연구, 개발되고 있다. 암호학은 쉽게 평문 메시지를 변환하여 암호문을 만드는 암호화 과정과, 반대로 암호문을 다시 평문으로 변환하는 복호화 과정에 대한 연구이다. 암호학을 통해 제공하고자 하는 목표에는 다음과 같은 것이 있다.

기밀성	무결성
가용성	부인 봉쇄

대칭키

대칭키 암호 방식에서는 암호화에 사용되는 암호화키와 복호화에 사용되는 복호화키가 동일하다는 특징이 있다. 쉽게 아래 그림과 같이 A와 B가 서로 통신하는 상황에 대하여 알아보자. A는 자신이 가진 KEY 1로 평문을 암호문으로 암호화한다. 그리고 암호화된 내용을 B에게 전달하면, B는 A와 동일한 키(KEY 1)로 이를 평문으로 복호화한다. 쉽게 두 사람 모두 동일한 키를 가지고 있어야 한다. 만약 다른 키를 가지고 있을 경우에는 전혀 다른 내용으로 복호화가 진행될 것이다.

반대로 B가 A에게 보내는 경우에도 B가 자신의 키인 KEY 1로 암호화를 진행한 뒤, 암호문을 A에게 전송한다. A는 KEY 1로 복호화를 진행하여 올바른 평문을 얻을 수 있다.

[그림 1] 대칭키를 통한 A와 B의 통신

이러한 특징으로 인해 송신자와 수신자 이외에는 해당 키가 노출되지 않아야 한다. 만약 이 키가 노출될 경우 A, B가 아닌 제 3자가 암호문을 해독할 수 있게 된다. 이러한 의미에서 대칭키 암호화 방식은 '비밀키 암호(Secret-Key Cryptosystem)'이라고도 한다.

이 암호 방식은 알고리즘의 내부 구조가 간단한 치환과 조합으로 되어 있어 알고리즘을 쉽게 개발할 수 있고 컴퓨터 시스템에서 빠르게 동작한다. 이는 암호화 연산 속도를 보장해주어 효율적인 암호 시스템을 구축할 수 있도록 해준다.

하지만 위에서 언급하지 않은 문제점이 있다. 해당 통신 환경의 사용자가 더 많아지는 경우에는 각 키를 관리하기 어려워진다. 위의 예에서 두 사용자는 서로의 키를 공유하고 있어 원활한 통신이 이루어질 수 있었다. 사용자가 세 명인 경우에는 다음과 같은 그림으로 나타낼 수 있다.

[그림 2] 대칭키를 통한 A, B, C의 통신

전체적인 동작 과정은 그림 1에서와 같으며 단지 사용자가 세명으로 증가한 모습이다. 앞선 예에서는 A와 B가 통신하기 위해 키가 1개 필요하였다. 하지만 C가 추가된 시점에서 세 명 모두 하나의 키로만 통신을 할 경우 A와 B의 통신 내용을 C가 해독할 수 있게 된다. 반대로 B와 C가 통신하거나 A와 C가 통신한 경우에도 수신자와 송신자가 아닌 제 3자도 해당 키를 가지고 있기 때문에 해독이 된다. 이는 암호화의 의미가 흐려지는 상황이 되어버린다. 결국 각각의 암호화된 통신을 보장하기 위해서는 각각의 통신 경로 따른 키가 존재하여야 한다. 이 경우에는 키가 3개가 있어야 한다.

마지막으로 4명인 경우에 대하여 알아보자. 아래 그림과 같이 각각의 보장된 통신을 위해서는 총 개의 키가 존재하여야 한다. 결국 해당 환경에 존재하는 사용자의 수보다 많은 키가 존재하게 되는 것이다. 각 개인은 n-1개의 키를 관리해야하는 부담이 생기며, 주어진 환경에서의 키 개수는 n(n-1)/2이 된다. 이는 매우 큰 단점으로 작용한다.

[그림] 대칭키를 통한 A, B, C, D의 통신

이러한 단점에도 불구하고 빠른 속도와 효율성을 제공해주기 때문에 빠르게 처리해야 하거나 단순한 암호화 시스템에서는 아직도 사용되고 있다. 대표적인 암호 알고리즘은 다음과 같다.

DES (Data Encryption Standard)	AES (Advanced Encryption Standard)
SEED	HIGHT (High security and light weight)

 

비대칭키

비대칭키 암호화 방식은 공개키 암호라고도 한다. 이는 대칭키(비밀키) 암호와 달리 송신자와 수신자가 다른 키를 사용하여 암호화된 통신을 수행한다. 송신자는 수신자의 공개키에 해당하는 정보를 사용하여 데이터를 암호화하여 네트워크를 통해 전송한다. 수신자는 자신의 공개키에 해당하는 비밀키로 암호화된 데이터를 복호화하여 평문을 복원한다.

아래 그림과 같이 나타낼 수 있다. 각 개인은 서로 자신만의 고유한 두 가지 키를 갖는다. 하나는 공개키(그림에서의 P)이며, 다른 하나는 개인키(그림에서의 S)이다. 여기에 통신하고자 하는 대상의 공개키를 갖고 있어야 한다. 우선 A가 B에게 암호화된 메시지를 보내려는 경우 A는 자신이 보내고자 하는 내용을 B의 공개키로 암호화하여 전송한다. 자신의 공개키로 암호화된 내용을 받은 B는 자신의 개인키로 암호화된 내용을 복호화 한다.

반대로 B가 A에게 암호화된 메시지를 보내려 하는 경우 B는 A의 공개키로 암호화를 하여 전송한다. 자신의 공개키로 암호화된 내용을 받은 A는 이제 자신의 개인키로 암호화된 내용을 복호화 한다.

[그림] 비대칭키를 통한 A와 B의 통신

해당 환경에서 사용자의 수가 늘어난 경우를 살펴보자. 아래 그림은 총 3명의 사용자가 존재하고 있다. 이 경우 송신자는 수신자의 공개키(P)로 암호화를 진행한 뒤 암호문을 전송한다. 수신자의 입장에서는 자신의 공개키로 암호화가 되었으므로 자신이 가진 개인키(S)로 복호화를 진행할 수 있다. A가 B와 통신하고자 하는 경우 KEY B.P를 가지고 암호화를 진행 후 전송한다. B는 암호문을 자신의 B.S로 복호화를 진행한다.

[그림] 비대칭키를 통한 A, B, C의 통신

비대칭키 암호는 다른 유저와 키(개인키)를 공유하지 않고 공유키만을 공유하면 되기에 보다 안전한 통신이 가능해진다. 개인키만 안전하게 관리된다면 공개키에 대응되는 키를 가진 사람만이 복호화를 할 수 있는 특징을 지닌다. n명의 사용자로 구성된 네트워크를 고려하면 각 사용자는 공개키와 비밀키 두 개를 보유하고 있으므로 네트워크 전체적으로 2n개의 키가 요구된다. 그리고 각 유저는 2개의 키만 보유하고 있으면 된다.

수학적인 난제를 기반으로 설계되어 있고, 암호화나 복호화를 수행하기 위한 연산이 복잡하게 구성되어 있기 때문에 암호화에 대한 효율성은 대칭키에 비하여 높지 않다. 하지만 각 키 관리의 이점으로 인해 많은 곳에서 사용하고 있다. 대표적인 비대칭키 암호 알고리즘은다음과 같다.

RAS (Rivest, Shamir and Adleman)	EIGamal
ECC (Elliptic Curve Cryptosystem)	Digital Signature

 

참고

• https://ko.wikipedia.org/wiki암호학
• http://sostarzia.tistory.com/24
• https://seed.kisa.or.kr/iwt/ko/intro/EgovCryptographic.do
• https://seed.kisa.or.kr/iwt/ko/intro/EgovPublicKey.do