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단방향, 양방향 암호화 기초

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들어가며

  • 단방향, 양방향 암호화는 익숙하게 사용했다. 비밀번호를 암호화할 때 bcrypt를 사용하고 양방향 암호화 때 aes256을 사용하는 것은 일종의 기본 소양과도 같았다.
  • 하지만 AES를 사용할 때, iv가 무엇인지 모른채 사용하였고, ‘AES/CBC/PKCS5Padding’가 무엇인지 모른채 사용해왔다.
  • 이러한 양방향, 단방향의 아주 기초적인 수준을 정리하는 글이며, 구체적인 내용은 참조한 링크를 참고하기를 바란다.

https://d2.naver.com/helloworld/318732 https://xmobile.tistory.com/entry/Android-AES-%EB%8C%80%EC%B9%AD%ED%82%A4-%EC%95%94%ED%98%B8%ED%99%94-%EC%82%AC%EC%9A%A9%ED%95%B4%EB%B3%B4%EA%B8%B0

단방향 암호화와 해싱

단어 정리

  • plain text : 단순 텍스트, 메시지 : 암호화 대상
  • digest : 다이제스트 : 암호화의 결과

단방향 암호화란?

  • 해싱을 통하여 메시지를 다이제스트로 만드는 기술이다.
  • 단방향 암호화는 메시지가 같으면 다이제스트의 결과가 같음을 보장한다.
  • 다만 메시지가 유사하다고 다이제스트가 유사하지 않다. 대부분의 암호화의 기술은 문자열이 유사하더라도 다이제스트는 완전하게 다르게 생성하여 유추하기 어렵게 한다.
  • 비밀번호에 자주 사용한다. 클라이언트는 자신의 비밀번호를 알지만, 서버는 그 비밀번호가 무엇인지를 알아서는 안된다. 클라이언트가 비밀번호를 입력하면, 서버는 해당 값을 다이제스트로 만들어, 이전에 등록한 다이제스트를 비교한다. 일치하면 비밀번호가 맞다고 판단한다.

단방향 암호와의 문제 : 인식 가능성(recognizability)

  • 메시지에 따른 다이제스트는 동일하다. 이로 인한 해킹의 위험성이 있다. 다양한 메시지와 다양한 다이제스트를 확보하면 해당 로직을 유추할 수 있다. 이러한 다이제스트 목록을 레인보우 테이블이라 하며, 이를 레인보우 공격이라 한다.

단방향 암호와의 문제 : 해싱의 좋은 성능

  • 단방향 암호화는 해쉬 함수로 만들어졌으며, 해시함수는 빠른 조회를 위하여 만들어진 알고리즘이다.
  • 이러한 해싱의 좋은 성능 덕분에 해킹으로부터 위험하다. 왜냐하면 그 빠른 성능을 통해 암호와의 로직을 빠르게 찾을 수 있다. 레인보우 공격에 취약하다.

단방향의 단점 보완 : 솔팅

  • 무의미한 문자열과 메시지를 혼합한다. 이를 통하여 메시지와 다이제스트를 알고 있더라도 그것을 추측하기 어렵게 만든다.

단방향의 단점 보완 : 키스트레칭

  • 해쉬함수의 빠른 수행을 하지 못하도록 만든다.
  • 다이제스트의 다이제스트를 반복적으로 생성하도록 만든다.
  • 다이제스트의 생성 시간을 억지로 늘린다. 대체로 0.2초라고 한다. 이를 억지 기법 공격(brute-force attack)이라 한다.

Adaptive Key Derivation Functions

  • 솔팅과 키스트레칭을 수행하여 해킹을 어렵게 만드는 함수를 Adaptive Key Derivation Functions 라 한다. 이것을 구현한 방식은 다양하며 그 용도는 아래와 같다.
  • PBKDF2-HMAC-SHA-256/SHA-512 : 써드파트에 의존하지 않는 경우
  • bcrypt : 강력한 패스워드 암호화가 필요할 경우
  • scrypt : 보안에 매우 신경쓰며 동시에 큰 비용을 감수할 수 있을 경우

대칭키 암호와 AES256

EBC, CBC

  • 전자 코드북(electronic codebook, ECB)은 메시지를 분할하여 각각 암호화하는 방식이다. 모든 블록이 같은 암호화키를 사용하기 때문에 보안에 취약하다.
  • 암호 블록 체인 (cipher-block chaining, CBC)은 이전 블록의 암호와 결과와 XOR 된다. 하지만 이것 역시도 첫 번째 블록이 동일하다면 다음의 값도 동일하기 때문에, 첫 번째 블록을 잘 초기화 해야 한다. 이러한 초기화를 위하여 사용되는 것이 초기화 벡터이며 이를 IV라 한다. 그러므로 CBC 방식에서 IV는 필수이다.
  • 암호화는 대부분 CBC를 사용한다.

PKCS5Padding

  • 블록의 사이즈가 채워지지 않은 경우, 이를 채워주는 기능이라 한다.

나아가며

  • AES/CBC/PKCS5Padding 가 무엇인지를 이해할 수 있었다. IV의 용도가 무엇인지 알 수 있엇다. 그러나 아주 간단한 수준으로 이해했기 때문에 부족함이 많다.
  • 일단, 업무에서 AES256을 사용하지만, 사실 IV 값이 자주 수정되지 않는다. 사실상 대칭키를 교환하는 방식으로만 진행된다. 실제로 보안이 매우 중요한, 혹은 보안에 신경쓰는 회사에서는 이를 어떻게 처리하는지 궁금하다. IV를 주기적으로 변경하는 것일까?

AES 코드

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class Aes256Cipher {

    public static String encode(String key, String iv, String plainText) throws Exception {
        if(StringUtils.isBlank(plainText))
            throw new IllegalArgumentException("값을 입력해야 합니다.");

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(key.getBytes(), "AES"), new IvParameterSpec(iv.getBytes("UTF-8")));

        return new String(Base64.getEncoder().encode(cipher.doFinal(plainText.getBytes("UTF-8"))));
    }

    public static String decode(String key, String iv, String digest) throws Exception {
        if(StringUtils.isBlank(digest))
            throw new IllegalArgumentException("값을 입력해야 합니다.");

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(key.getBytes(), "AES"), new IvParameterSpec(iv.getBytes("UTF-8")));

        return new String(cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(digest.getBytes())), "UTF-8");
    }

}

import org.assertj.core.api.Assertions;
import org.junit.jupiter.api.Test;

import java.util.Locale;
import java.util.UUID;

class Aes256CipherTest {
    @Test
    void 테스트_encode_encode() throws Exception {
        for(int i=1; i<100; i++) {
            final String key = UUID.randomUUID().toString().replace("-", "").substring(0, 32).toUpperCase(Locale.ROOT);
            final String iv = UUID.randomUUID().toString().replace("-", "").substring(0, 16).toUpperCase(Locale.ROOT);
            System.out.println("key : " + key);
            System.out.println("iv : " + iv);
            System.out.println("========");

            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            for(int j=0; j<i; j++){
                sb.append(UUID.randomUUID().toString().replace("-", ""));
            }
            final String given = sb.toString();

            final String digest = Aes256Cipher.encode(key, iv, given);
            System.out.println(digest);

            final String then = Aes256Cipher.decode(key, iv, digest);
            System.out.println(then);

            Assertions.assertThat(then).isEqualTo(given);
        }
    }
}