암호학

1. 암호의 개념

• 암호란 통신 당사자들끼리만 아는 비밀스런 신호나 부호
• 개방된 통신망에서 발생할 수 있는 공격으로부터 정보를 보호하기 위해, 암호화와 복호화의 원리, 수단, 방법 등을 다루는 기술이나 과학

2. 암호 용어

• 평문 (Plaintext): 송신자가 보내는 암호화되기 전의 원본 메시지
• 암호문 (Ciphertext): 암호 알고리즘을 거쳐 형태가 변환된 메시지
• 암호 알고리즘 (Cryptographic): 평문을 암호문으로 변환하는 연산 과정
• 복호 알고리즘 (Decipher): 암호문을 다시 평문으로 되돌리는 과정
• 키 (Key): 암호화(암호화 키) 및 복호화(복호화 키) 과정에 사용되는 핵심 데이터
• 암호 해독 (Cryptanalysis): 정당한 수신자가 아닌 공격자가 암호문을 평문으로 알아내려는 행위

3. 암호 원리

• 평문 연산자 유형
  • 치환 (Substitution): 평문의 각 원소를 다른 원소로 대응
  • 전치 (Transposition): 평문의 각 원소의 배열 순서를 재배열
  • 혼합 (Confusion): 평문의 원소를 비트 단위로 치환 선택
  • 확산 (Diffusion): 평문의 원소를 비트 단위로 확대
    
     
• 키의 수에 따른 분류
  • 대칭키: 송신자와 수신자가 동일한 키 사용
  • 공개키: 송신자와 수신자가 서로 다른 키 사용
• 처리에 따른 분류
  • 블록 암호화: 연산을 정해진 블록 단위로 묶어서 처리
  • 스트림 암호화: 입력을 연속적으로 흐르듯 처리
• 암호화 계층에 따른 분류
  • 단대단 암호 (End-to-End): 통신 양 끝단의 프로세서가 담당하며(OSI 7, 6계층), 네트워크 중간에서 보안이 뚫려도 데이터 기밀성 유지
  • 링크 암호 (Link): 비신뢰적인 매체를 사용할 때 호스트나 중간 노드 간 낮은 계층(OSI 1, 2계층)에서 암호화되나, 중간 노드에서 내용이 노출될 위험 존재
• 관용 암호 vs 공개키 암호
  • 관용 암호: 암/복호화에 같은 알고리즘과 공유된 비밀키를 사용하며 속도가 빠릅니다. 하지만 키 분배가 어렵고 디지털 서명이 불가능
  • 공개키 암호: 암/복호화에 서로 다른 공개키와 개인키를 사용하며 속도가 상대적으로 느립니다. 개인키는 비밀로 유지하며 디지털 서명이 가능

4. 고전적 암호 기술

• Steganography (스테가노그래피): 외부인이 보았을 때 메시지의 존재 자체를 완전히 은폐하는 방법
  • 원문 문자에 연필로 덧쓰거나(문자 마킹), 열이나 화학 처리로만 보이는 잉크 사용, 빛을 비춰야 보이는 핀 구멍 내기 등의 방법 사용
  • 생성이 쉽지만 정보 은닉에 많은 오버헤드가 발생하며, 한 번 방식이 노출되면 다시는 사용할 수 없음
  • 최근에는 동영상이나 이미지 파일에 원문을 숨겨 테러나 범죄에 악용되기도 함
• 치환 기법 (Substitution):
  • 시저 암호: 글자를 일정 수만큼 밀어서 암호화합니다. $C=E(p)=(p+k) \pmod{26}$. 단, 키 공간이 25개뿐이라 모든 경우를 대입하는 무차별 공격(Brute-force)에 매우 취약함
  • 단일 치환: 각 문자에 알파벳 26자를 무작위로 1:1 치환하여 키 공간을 넓혔으나($26!$), 영어 문장에서 특정 문자(t, e, a 등)가 자주 쓰이는 출현 빈도수를 분석하면 평문을 유추할 수 있음
  • 다중 치환 (Playfair): 2글자씩 묶어 $5 \times 5$ 행렬 안에서 대각선이나 상하좌우 규칙을 이용해 암호화합니다. 빈도수 분석은 어려워졌지만, 암호문이 아주 길어지면 원래 구조가 드러나는 단점이 있음
  • 다중 단일 문자 치환 (Vigenere): 하나의 단일 문자 치환 규칙 집합을 사용하며, 주어진 변환 규칙은 키워드에 의해 결정되어 문자 빈도수 정보를 불분명하게 만듬
• 전치 기법 (Transposition): 문자를 치환하지 않고 평문자 자체의 순서만 뒤바꾸는 기법
  • 깊이에 따라 지그재그로 문자를 배열하는 rail fence 기법이나, 사각형 행렬에 채워 넣고 열 단위로 읽는 방식 등이 있음
  • 두 단계 이상의 전치를 연속으로 거치면 훨씬 더 높은 안전성을 얻을 수 있음