암호화 지식 (개발자를 위한 가이드)

현대 소프트웨어 개발에서 암호화는 필수적인 보안 요소입니다. 이 글에서는 개발자가 알아야 할 핵심 암호화 개념과 실제 구현 시 고려사항을 다룹니다.

암호화 알고리즘 선택 시 고려사항

암호화 구현 시 다음 요소들을 신중히 고려해야 합니다:

1. 대칭형 vs 비대칭형 암호화
2. 알고리즘 종류와 보안 강도
3. 운영 모드의 특성과 용도
4. 패딩 방식
5. 키 관리 전략
6. 성능과 보안의 균형

대칭형 vs 비대칭형 암호화

대칭형 암호화

• 정의: 동일한 키로 암호화와 복호화를 수행
• 장점:
  • 빠른 처리 속도
  • 적은 컴퓨팅 리소스 요구
  • 대용량 데이터 처리에 적합
• 단점:
  • 키 공유의 어려움
  • 많은 통신 상대와의 키 관리 복잡성

비대칭형 암호화

• 정의: 공개키와 개인키를 사용하는 방식
• 장점:
  • 안전한 키 교환
  • 디지털 서명 가능
  • 부인 방지 기능
• 단점:
  • 느린 처리 속도
  • 높은 컴퓨팅 리소스 요구

주요 대칭형 블록 알고리즘

DES (Data Encryption Standard)

• 블록 크기: 64비트
• 키 길이: 56비트
• 특징:
  • 역사적으로 중요한 알고리즘
  • 현재는 보안 강도 부족으로 새로운 시스템에는 권장되지 않음
  • 레거시 시스템 호환성을 위해 알아둘 필요 있음

3-DES (Triple DES)

• 키 길이:
  • 2-키 3-DES: 112비트
  • 3-키 3-DES: 168비트
• 특징:
  • DES를 3회 적용하여 보안성 향상
  • DES 대비 약 3배 느린 처리 속도
  • 여전히 안전하나 점차 AES로 대체 중

AES (Advanced Encryption Standard)

• 블록 크기: 128비트
• 키 길이: 128/192/256비트
• 특징:
  • 현대 암호화의 표준
  • 뛰어난 성능과 보안성
  • 하드웨어 가속 지원으로 고성능
• 권장 사용 사례:
  • 새로운 시스템 개발 시 기본 선택
  • 클라우드 서비스의 데이터 암호화
  • 금융 거래 보안

SEED

• 블록 크기: 128비트
• 키 길이: 128비트
• 특징:
  • 한국 표준 암호화 알고리즘
  • 국제 표준 인증
  • 국내 공공기관 시스템에서 널리 사용

주요 비대칭형(공개키) 알고리즘

RSA (Rivest-Shamir-Adleman)

• 키 길이: 2048/3072/4096비트 권장
• 특징:
  • 가장 널리 사용되는 비대칭 암호화 알고리즘
  • 소인수분해의 어려움을 기반으로 한 보안성
  • 디지털 서명과 암호화 모두 지원
• 장점:
  • 구현이 상대적으로 단순
  • 높은 보안성
  • 폭넓은 라이브러리 지원
• 단점:
  • 긴 키 길이 필요
  • 느린 처리 속도
• 주요 용도:
  • SSL/TLS 인증서
  • 디지털 서명
  • 키 교환

ECC (Elliptic Curve Cryptography)

• 키 길이: 256/384/521비트
• 특징:
  • 타원곡선의 이산대수 문제를 기반
  • RSA 대비 짧은 키 길이로 동등한 보안성 제공
• 장점:
  • 짧은 키 길이
  • 빠른 처리 속도
  • 낮은 리소스 요구사항
• 단점:
  • 구현의 복잡성
  • 특허 문제 (일부 알고리즘)
• 주요 용도:
  • 모바일 기기의 암호화
  • IoT 디바이스
  • 블록체인/암호화폐

DSA (Digital Signature Algorithm)

• 키 길이: 2048/3072비트 권장
• 특징:
  • 디지털 서명 전용 알고리즘
  • NIST FIPS 186 표준
• 장점:
  • 서명 생성이 RSA보다 빠름
  • 미국 정부 표준
• 단점:
  • 서명 검증이 RSA보다 느림
  • 암호화 기능 없음
• 주요 용도:
  • 전자서명
  • 인증서 서명

ElGamal

• 특징:
  • 이산대수의 어려움을 기반
  • DSA의 기반이 되는 알고리즘
• 장점:
  • 학술적 검증이 잘된 알고리즘
  • 확률적 암호화로 높은 보안성
• 단점:
  • 암호문 크기가 평문의 2배
  • 처리 속도가 느림
• 주요 용도:
  • PGP 등의 암호화 시스템
  • 하이브리드 암호 시스템

블록 암호화 운영 모드

ECB (Electronic Codebook)

• 동작 방식: 각 블록을 독립적으로 암호화
• 장점:
  • 단순한 구현
  • 병렬 처리 가능
• 단점:
  • 패턴이 그대로 노출될 수 있음
  • 데이터 무결성 보장 없음
• 사용 권장 사례:
  • 매우 짧은 데이터 (단일 블록)
  • 암호화 키 자체의 암호화

CBC (Cipher Block Chaining)

• 동작 방식: 이전 블록의 암호문과 현재 평문을 XOR
• 특징:
  • IV(Initial Vector) 필요
  • 순차적 처리 필요
• 장점:
  • 높은 보안성
  • 오류 전파 제한적
• 사용 권장 사례:
  • 일반적인 데이터 암호화
  • 메시지 인증이 필요한 경우

기타 운영 모드

• CFB (Cipher Feedback)
  • 스트림 암호처럼 동작
  • 실시간 암호화에 적합
• OFB (Output Feedback)
  • 미리 키스트림 생성 가능
  • 노이즈가 많은 채널에 적합
• CTR (Counter)
  • 병렬 처리 가능
  • 랜덤 액세스 가능

패딩 (Padding) 방식

NO_PADDING

• 패딩 없음
• 데이터가 블록 크기의 배수일 때만 사용 가능

ZEROS_PADDING

• 남는 공간을 0으로 채움
• 구현이 단순하나 특정 상황에서 모호성 발생 가능

PKCS7_PADDING (DEFAULT_PADDING)

• 가장 널리 사용되는 표준 패딩 방식
• 패딩 바이트 값이 패딩 길이와 동일
• 예시:

  블록 크기: 8바이트
  데이터: "HELLO"
  패딩 후: "HELLO\x03\x03\x03"
  

ONE_AND_ZEROS_PADDING

• 첫 바이트는 0x80, 나머지는 0x00
• 패딩의 시작과 끝이 명확함

하이브리드 암호 시스템

실제 응용에서는 대칭형과 비대칭형 암호화를 결합하여 사용하는 경우가 많습니다.

동작 방식

1. 임의의 대칭키(세션키) 생성
2. 공개키로 세션키를 암호화하여 전송
3. 실제 데이터는 세션키로 대칭 암호화

장점

• 비대칭 암호화의 안전한 키 교환
• 대칭 암호화의 빠른 처리 속도
• 높은 확장성

대표적인 사용 예

• SSL/TLS 프로토콜
• PGP 암호화
• 보안 메시징 시스템

구현 시 주의사항

키 관리

• 안전한 키 생성 (충분한 엔트로피 확보)
• 키 순환 정책 수립
• 안전한 키 저장소 사용

비대칭 암호화 관련

• RSA: 최소 2048비트 키 길이 사용
• ECC: 검증된 곡선 사용 (예: P-256, P-384)
• 개인키 보호 강화
• OAEP 패딩 사용 (RSA)

대칭 암호화 관련

• 검증된 라이브러리 사용
• 적절한 IV 생성 (암호학적 난수 생성기 사용)
• 에러 처리 시 민감 정보 노출 방지

성능 최적화

• 하드웨어 가속 활용
• 적절한 키 캐싱
• 대용량 데이터의 경우 스트리밍 고려

알고리즘 선택 가이드

일반적인 데이터 암호화

• 추천: AES-256-GCM (대칭형)
• 대체: ChaCha20-Poly1305

키 교환

• 추천: ECDH with P-256/P-384
• 대체: RSA-2048/3072

디지털 서명

• 추천: ECDSA with P-256/P-384
• 대체: RSA-PSS 2048/3072

IoT/제한된 환경

• 추천: ECC 기반 알고리즘
• 대체: 경량 대칭형 암호

결론

암호화 구현 시에는 보안성, 성능, 호환성을 종합적으로 고려해야 합니다. 현대 시스템에서는 대칭형 암호화의 경우 AES-256-GCM이, 비대칭형의 경우 RSA-2048 이상 또는 ECC가 일반적인 선택이지만, 특수한 요구사항이 있다면 다른 알고리즘이나 운영 모드를 고려할 수 있습니다. 항상 최신 보안 권고사항을 참고하고, 정기적인 보안 감사를 통해 시스템의 안전성을 확인하는 것이 중요합니다.