[암호학] 대칭키 암호화 방식

암호화(Encryption)란?

평문(plaintext)을 암호문(ciphertext)으로 바꾸는 것
 
복호화(Decryption):암호문을 다시 평문으로 바꾸는 것
 

• 암호화 방식

암호화 방식

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암호화 과정

 
1. 평문 P를 작정한다.
 
2. 송신자는 평문 P를 암호화키 Ke와 암호 알고리즘을 적용시켜 암호문 C를 생성하여 수신자에게 전달
-이때 암호문 C는 그냥 읽었을 때 내용을 알 수 없다.
 
3. 수신자는 암호문 P를 수신하여 복호화키 Kp와 복호화 알고리즘을 적용시켜 평문 P로 복원
 

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암호화방식에서 암호화 키와 복호화 키가 같은 경우 대칭키 암호화 방식이라 하고
C = E(K, P) or C = K(p)
 
암호화 키와 복호화 키가 다른 경우 비밀키 암호화 방식이라 한다.
C = E(Ke, P) , P = D(Kd, C) or C = Ke(P) , P = Kd(C)
 

대칭키 암호화 방식

 
위에서 설명한 대로 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용하는 방식이다.
 
장점: 상대적으로 암호화&복호화 속도가 빠르다.
단점: 기밀성은 보장하지만 키를 공유하는 상황에서 문제가 발생할 수 있음(신뢰되지 않은 사람에게도 공유를 해야 하므로 안전하지 않을 수 있음.)
 
 

대칭키 암호 알고리즘의 형태

 
대칭키 암호 알고리즘 형태는 블록 암호 알고리즘과 스트림 암호 알고리즘으로 나뉜다.
 

• 블록 암호 알고리즘

우리가 암호화하고자 하는 문서는 짧은 경우도 있지만 매우 큰 경우도 또한 존재한다.
 
이때 매우 큰 문서는 한 번에 암호화하기는 힘들어서(암호화 알고리즘의 기본 단위가 제한적)

평문을 블록 형식으로 쪼갬

블록 형태로 쪼개서 각각의 블록을 암호화한다.
 

• Feistel 구조

블록 암호 알고리즘의 한 구조로 
 
암호화 과정과 복호화 과정이 동일한 방식이다.
 
아까 우리가 쪼갠 블록 중 첫 번째를 가져와보자
 

0번 블록

 
이 블록(보통 64bit)을 반으로 나눠서 왼쪽 반을 L0, 오른쪽 반을 R0로 정한다.
 

 
이 L0와 R0는 n 라운드마다 위치를 교환하면서 함수  F와 XOR 연산을 통해 암호화를 한다.
 

XOR 연산?

입력받은 두 개의 값이 같으면 0을, 다르면 1을 출력하는 방식이다.

ex) A = 0 , B = 1 -> A XOR B = 1

 
이때 키도 n개 필요한데(각 라운드마다 다른 키를 사용), 보통 DES에선 Master key를 입력하면 자동으로 n개의 키를 만들어준다.
 

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암호화 과정

먼저 L0을 함수 F로 변환한 R0와 XOR 연산을 하고 나온 값은 L1이 된다.

L0 XOR F(R0) = R1

그리고 R0는 그대로 L1이 된다.

R0 = L1 

이를 n번 반복하면 암호화가 된다(이 과정을 모든 블록이 함).
 
이 과정은 반복되면 반복될수록 안전성이 높아진다.

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복호화는 암호화를 역순으로 하면 된다.
 

• SPN(Substitution Permutation Network) 구조 

 
이 구조를 알아보기 전에 우리가 먼저 알아놓아야 할 것이 있다.
 

Substitution (대체)

한 문자를 다른 문자로 변환함
ex) I -> O
 

Permutation

바이너리 숫자를 임의로 위치를 바꿈
ex) 1 0 0 0
->   0 1 1 0
 

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암호화 과정

 
먼저 평문 16비트를 전치(Permutation) 한다.
 
다음 소블록으로 쪼개어 각각을 S-Box에 대입해 치환한다.
 
이를 계속 반복하여 암호화를 한다.
 

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• 스트림 암호 알고리즘

이진 수열 발생기를 사용하여 원래 평문과 XOR 연산하여 비트 또는 바이트 단위로 암호화하는 시스템이다.
 
장점: 블록 암호보다 하드웨어 구현에서 수행속도가 빠르며, 하드웨어 복잡도가 낮음
단점:쉽게 내용의 첨가 변경이 가능하다.
 

비교 표