crpytography_symmetric_key

Symmetric encryption

대칭 암호화는 하나의 비밀키가 암호화와 복호화에 모두 사용되는 암호화 알고리즘 형태 중 하나로, conventional / private-key / single-key 등으로 불립니다. 발송자와 수령자는 공통의 키를 공유하게 됩니다.

대칭 암호화에서는 보안을 위해 두 가지 요구사항 이 있습니다.

• 강력한 암호화 알고리즘
• 오직 sender와 receiver만 알고 있는 비밀키

그리고 미리 가정해야 할 사항 은 다음과 같습니다.

• sender와 receiver는 사용된 암호화 알고리즘이 무엇인지 알고 있다.
• 키를 공유할 보안 채널이 있다.

One time pad

One time pad란, 메시지 m과 같은 크기를 갖는 랜덤 암호키 와 메시지 m을 XOR 연산을 통해 encryption, decryption을 하는 것을 뜻합니다. 여기서 사용되는 랜덤 암호키는 메시지 송신자와 수신자 둘에게만 공유되며, 메시지를 전송할 때마다 매번 바뀌어야 합니다.

결정적인 약점

One time pad의 결정적인 약점은 바로 메세지의 크기와 암호키의 크기가 같다는 특징에서 발견할 수 있습니다. 만약 메시지의 크기가 1GB라면 암호키의 크기 또한 1GB여야 하는데 이는 너무 비효율적이라 할 수 있습니다. 그리고 안전한 암호키의 공유 또한 힘들기 때문에 이 또한 약점으로도 볼 수 있습니다.

따라서 One time pad는 기밀성(confidentiality)에 대해서 굉장히 완벽한 방법이지만, 현실적으로 쓰이진 않고 있습니다.

Symmetric key

대칭 키 암호화에는 두 가지 방법이 존재합니다.

• Block cipher: 정보를 정해진 블록 단위로 암호화한다.
  • DES, AES
• Streaming cipher: 유사난수를 연속적으로 생성하여 암호화하려는 자료와 결합하여 암호화한다.
  • RC4

그럼 지금부터 각 암호 방식들에 대해 알아보도록 할까요..?

Block cipher

앞서 언급했듯이 Symmetric key의 Block cipher는 암호화할 정보를 정해진 블록 단위로 나누어 암호화하는 암호를 말합니다. Block cipher에 속하는 암호 알고리즘은 대표적으로 DES, AES가 있습니다.

DES

DES란 Data Encryption Standard의 약자로, symmetric key의 Block cipher 알고리즘 중 하나입니다. IBM에서 고안되어 NIST가 미국 표준 암호 알고리즘으로 채택되었으며, 예전에는 많이 사용되었지만 오늘날 컴퓨터로 쉽게 해독이 가능하기 때문에 이제는 사용할 수 없게 되었습니다.

사용하는 암호키의 크기는 64bit입니다. 이 중에서 8bit는 parity check로 사용하기 때문에 사실상 암호키의 크기는 56bit 로 생각하면 됩니다.

Block Cipher이기 때문에 동작 원리는 다음과 같습니다.

1. 암호화할 메시지 m을 여러 개의 64bit 블럭으로 나눈다.
2. 블럭 단위로 암호화를 실시하는데, 마지막 블럭이 64bit보다 작은 경우 padding을 붙여서 64bit로 만든 후 암호화를 진행한다.

위 그림을 보면서 DES의 원리에 대해 간략히 설명하겠습니다.

1. 암호화할 메시지를 64bit로 쪼갠다.
   • 쪼개진 것들을 블럭이라고 부른다. 그림에서는 ‘64-bit input’이 한 블럭이라 보면 된다.
2. permutation 과정을 통해 비트 간의 순서를 바꾼다.
   • permutation 과정을 확대한 이미지는 아래와 같습니다.
     
     
3. 64bit 블럭을 32bit로 나눈 후, 56bit key로부터 생성한 48bit 랜덤넘버(K) 와 암호화를 실시한다.
   • ‘64-bit input’를 32bit로 나누고 순서를 바꾸며 Mangler Function 을 쓰는 이러한 구조를 Feistel cipher 라고 한다.
4. 16개의 round 동안 이를 반복한다.

위에서 나온 용어들에 대해 아래서 다시 설명하겠습니다.

DES round

DES의 각 round를 확대한 이미지는 아래와 같습니다.

이미지를 보면 Mangler Function에 ‘32-bit Rn’와 48bit의 ‘Kn’이 입력되는 것을 볼 수 있습니다. 두 입력의 bit 수가 맞지 않은데 어떻게 Mangler Function 안에서 연산이 이루어질까요? 이 부분에 대해선 아래에서 설명드리겠습니다.

그리고 Mangler Function의 반환값과 ‘32-bit Ln’에 대해 XOR 연산을 진행합니다. 마지막으로는 ‘32-bit Ln+1’과 ‘32-bit Rn+1’을 concat하여 마지막 permutation 과정을 거치고 하나의 round을 마무리합니다!

Mangler Function

위 이미지는 Mangler Function을 확대한 것입니다. 32bit R을 Expansion Function을 통해 48bit로 확대시키고 있는 것을 확인할 수 있습니다. 48bit로 확대한 R과 입력으로 받은 K에 대해 XOR 연산을 진행하고, 그 결과로 나온 48bit를 다시 32bit로 축소하는 과정을 거치게 됩니다.