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오늘은 지난 시간에 이어서 네트워크 보안에 대해서 정리하겠다. 본 게시글은 컴퓨터 네트워킹 하향식 접근 (제8판)을 토대로 작성됐다.

안전한 통신

기밀성

송신자와 지정된 수신자만이 전송되는 메시지의 내용을 이해할 수 있어야 한다.

메시지를 어떠한 방식으로든 암호화해야 한다.

메시지 무결성

전송중에 메시지의 내용이 변하지 않아야 한다.

종단점 인증

송신자와 수신자는 상대방이 실제로 누구인지 신원을 확인할 수 있어야 한다.

운영 보안

대부분의 기관은 공용 네트워크에 연결되어있기 때문에 공격에 노출될 수 있다.

이를 막기 위해 기관 네트워크와 공공 네트워크 사이에 방화벽을 설치하고 드나드는 패킷을 제어할 수 있어야 한다.

암호학

암호화 구성요소

평문

송신자가 보내려는 원래 형태의 메시지를 평문이라고 한다.

암호문

그리고 이를 암호화 알고리즘을 사용하여 만든 메시지를 암호문이라고 한다.

키

이 암호화 알고리즘은 누구에게나 다 알려져 있다.

때문에 전송한 데이터를 중간에서 가로채서 복원할 수 없도록 해주는 장치가 필요한데 이것이 키 이다.

→ 평문을 암호문으로 바꿈으로서 기밀성을 실현한다.

대칭키 시스템

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  1. Alice가 키(A)를 이용해서 평문을 암호화해서 밥에게 보낸다.
  2. Bob은 키(B)를 사용해서 암호문을 복호화하여 평문으로 복원한다.
  3. 키는 Alice와 Bob만 가지고 있고 있기 때문에 Trudy가 중간에서 메시지를 가로채도 평문으로 복원할 방법이 없다.

위 시나리오에서 Alice와 Bob이 동일한 키(A)를 가지고 암호화, 복호화를 한다면 이것은 대칭키를 이용하는 방식이다.
여기서 키(A)는 통신하고 있는 송수신자 이외에는 알 수 없다.

공개키 시스템

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방식

모두에게 공개하는 키(공개키, K+)와 자기 자신만 가지는 키(개인키, K-)를 사용하는 방식이다.

흐름

  1. 송신자는 수신자의 공개키(K+)로 암호문을 생성해서 송신한다.
  2. 수신자는 자신의 개인키(K-)로 암호문을 복호화한다.

RSA

모듈러 연산의 성질을 이용한 알고리즘인데 자세한 내용은 생략한다.

공개키 암호화와 거의 동의어로 사용된다.

RSA는 종종 대칭키 암호화와 같이 사용되는데 이때 사용되는 키가 세션키이다.

여기서 세션키는 대칭키 암호화에 사용되는 키이다.

흐름

  1. 송신자가 세션키를 수신자의 공개키로 암호화하고 전송한다.
  2. 수신자는 자신의 개인키로 암호문을 복호화하여 세션키를 얻는다.

→ 이를 통해 안전하게 세션키를 상대방에게 배포할 수 있다.

블록 암호화

블록 암호화는 PGP, TLS, IPsec 에 자주 사용되는 방식으로서 메시지를 K비트의 블록 단위로 쪼개서 암호화한다.

문제점

이 방식은 2^k 만큼의 테이블을 유지해야 하기 때문에 K가 크다면 사용할 수 없다.

블록 암호화는 평문 블록이 동일하다면 동일한 암호문을 생성한다. 때문에 공격자가 이를 해독할 여지가 있다.

CBC (Cipher Block Chaning)

블록 암호화의 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나로 송신자가 처음에 초기화 백터라 불리는 임의의 비트열을 생성해서 수신자에게 보낸다.

수신자는 이를 이용해서 블록 C1~Cn까지 암호화를 수행한다.

여기서 Cn을 암호화할 때, Cn-1의 값과 초기화 백터값이 사용된다.

CBC를 사용하면 송신할때마다 초기화 백터가 다르기 때문에 같은 평문에 대해서 다른 암호문이 도출된다.

메시지 무결성

메시지 인증

메시지가 정말 해당 송신자로부터 온 것인가?

메시지가 나한테 전달되는 과정에서 변경되지 않았는가?

→ 이 두가지를 만족시켜야 한다.

해시 함수

  • 해시 함수는 메시지 m을 입력값으로 받아서 고정된 크기의 문자열 H(m)을 도출한다.
  • 메시지 m을 해시값으로 넣었을 때 생성되는 해시값 H(m)과 같은 해시값을 만들어내는 H(m`)을 찾는 것이 산술적으로 불가능(시간상)해야 한다.

메시지 인증 코드 (MAC)

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단순히 해시 함수를 통해서 (m, H(m))을 생성해서 보내는 것은 누구나 할 수 있다.

  • Alice도 보낼 수 있고, Trudy가 Alice인척 보낼 수도 있다. MAC 에서는 송수신자가 비밀키(s)를 공유하여 해시값을 계산할 때, 메시지에 s를 붙인다.
  • (m, H(m+s)) ← 송신할 때 이렇게 보낸다.
  • 비밀키 s는 송수신자만 공유하기 때문에 중간에 공격가 Trudy가 메시지(m)을 갈아껴서 (m’, H(m’))을 보내도 수신자는 H(m’) ≠ H(m’+s)이기 때문에 이상을 감지할 수 있다.

전자 서명

문서의 소유자 또는 작성자를 명시하거나 어떤 사람이 문서 내용에 동의했다는 것을 표시할 때 사용한다.

서명자를 입증할 수 있어야 하고 위조할 수 없어야 한다.

공개키 암호화 방법이 사용된다.

흐름

  1. 자신의 개인키로 문서나 메시지 m을 암호화한다. → K-(m)
  2. 네트워크상에서 K-(m)을 받은 사람들은 송신자의 공개키 K+를 사용해서 복호화한다.

특징

송신자의 개인키(K-)를 통해서만 서명할 수 있기 때문에 위조가 불가능하다. 때문에 내가 나임을 증명할 수 있다.

  • 공격자 Trudy가 메시지를 조작해서 m`을 만들어도 수신자는 바로 이상을 감지할 수 있다.

메시지 m은 길어질 수 있고 m에 바로 복호화, 암호화를 하게 되면 계산량이 늘어난다.

  • 해시 함수를 사용해서 m의 길이를 고정길이 해시값으로 변환해서 암호화한다.

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해시 함수 사용 흐름

  1. 메시지를 해시 함수에 넣어서 해시값 H(m)을 생성한다.
  2. H(m)을 개인키 K-로 암호화해서 보낸다. → (m, K-(H(m)))
    • 수신자에게는 (m, h)로 보인다.
  3. 수신자는 h값을 k+로 복호화하고 H(m)값과 비교한다.

공개키 인증

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위와 같이 Trudy가 자신의 개인키(K-)를 사용해서 Bob이 피자를 주문한다는 메시지를 암호화한 후 (m’, K-(H(m’)))을 Alice(피자집)에 보낸 경우를 생각해보자.

Alice는 Trudy의 공개키를 통해서 메시지를 복호화할 것이고 메시지의 내용이 위조가 없음을 판단할 것이다.

그리고 주문하지 않은 Bob에게 피자를 보낼 것이다.(ㅜㅜ)

→ 이를 막기 위해서는 서명자의 공개키라고 생각되는 것이 정말 서명자의 것인지 알 수 있어야 하고 이를 CA가 해준다.

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공개키가 누구의 것인지 보증하는 일을 CA에서 담당한다.

흐름

  1. Bob이 자신의 공개키를 들고 CA에게 인증을 요구한다.
  2. CA가 적절하게 검증을 해준다.
    • Bob은 전적으로 CA의 검증을 신뢰해야 한다.
  3. CA는 공개키와 신분 확인서를 결합한 인증서를 Bob에게 준다.

→ 다음 통신부터는 인증서와 메시지를 같이 암호화하여 보냄으로서 신원을 보증할 수 있다.

종단점 인증

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  • 대칭키와 넌스를 동시에 사용하면 종단점 인증을 할 수 있다.

흐름

  1. Alice는 메시지를 Bob에게 보낸다.
  2. Bob은 넌스 R을 생성하고 이것을 Alice에게 보낸다.
  3. Alice는 Bob과 공유하는 대칭키를 사용하여 넌스 R을 암호화하고 Bob에게 다시 보낸다.
  4. Bob은 이 값을 복호화하고 지금 통신하는 주체가 Alice임을 확인할 수 있다.

Layer5 에서 제공하는 보안 서비스

전자메일

기밀성

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흐름
  1. Alice는 대칭 세션키(Ks)를 선택한다.
  2. Ks로 m을 암호화하고, Bob의 공개키 (K+B)로 Ks를 암호화한 쌍을 Bob에게 전송한다.
    • (K+B(Ks), Ks(m))
  3. Bob은 자신의 개인키로 세션키(Ks)를 얻고 Ks로 메시지를 복호화한다.

→ 이를 통해서 메시지의 기밀성을 충족시킬 수 있다. (Bob만이 메시지를 열람할 수 있음.)

송신자 인증 & 메시지 무결성

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  1. Alice는 m를 해시 함수에 넣어서 해시값 H(m)을 얻는다.
  2. H(m)을 자신의 개인키로 암호화한다. (전자서명)
  3. 이를 Bob에게 전송하고 Bob은 이를 수신하여 Alice의 공개키로 복호화한다.
  4. 복호화한 결과가 메시지m과 동일하면 메시지의 무결성이 확인된다.

→ 전자서명을 통해서 송신자를 인증할 수 있다.

위의 두 가지를 합치면 기밀성, 무결성, 송신자 인증을 만족시킬 수 있다.

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흐름
  1. Alice는 m과 m을 자신의 개인키로 암호화한 쌍을 하나의 값으로 묶는다.
  2. 이 값을 세션키(Ks)로 한번 더 암호화한다.
  3. 그리고 세션키(Ks)는 수신자의 공개키로 암호화한다.
  4. 이 두 쌍을 묶어서 전송한다.
    • (Ks(K-A(H(m), m), K+b(K(s))

→ 수신자는 Alice의 공개키를 알아야 하는데 이는 CA를 통해서 인증을 받는다.

Layer4 에서 제공하는 보안 서비스

TLS (Transport Layer Security)

기밀성, 무결성, 서버인증, 클라이언트 인증을 제공한다.

핸드셰이크

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위 흐름은 약식 TLS 핸드셰이크 과정이다.

흐름

  1. 클라이언트(Bob)은 넌스와 함께 자신이 지원하는 암호화 알고리즘을 서버(Alice)에 보낸다.
    • 넌스를 사용하는 이유는 메시지에 유일성이 생기기 때문에 동일한 메시지를 공격자가 서버에 보내도 구분할 수 있다.
  2. 서버(Alice)는 대칭키, 공개키, HMAC 알고리즘과 HMAC 키를 선택하고 이를 서버 넌스와 인증서와 함께 클라이언트(Bob)에게 보낸다.
  3. 클라이언트(Bob)은 서버의 공개키를 알아내고 PMS를 생성한다. 그리고 PMS를 서버(Alice)의 공개키로 암호화하고 서버(Alice)로 보낸다.
  4. 클라이언트, 서버는 동일한 키 유도 함수를 사용하여 PMS와 넌스로부터 MS를 계산한다.
  5. MS는 2개의 암호화 키와 2개의 HMAC 키를 생성하기 위해 분할된다.
  6. 이후부터 모든 메시지는 암호화되고 인증된다. (HMAC에 의해)
    • 클라이언트, 서버의 모든 핸드셰이크 메시지의 HMAC을 전송한다.

연결 종료

레코드의 타입 필드에 TLS 세션을 종료할 것인지 표시해야 한다.

  • 이렇게 하지 않으면 공격자로부터 절단 공격을 받을 수 있다.
  • 공격자가 중간에서 TCP FIN을 보내는 것을 절단 공격이라고 한다.

Layer3 에서 제공하는 보안 서비스

기밀성, 메시지 무결성, 송신자 인증을 제공한다.

IPsec

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특징

호스트간 안전하고 기밀성이 보장된 통신을 제공한다.

기존에는 사설 네트워크를 설치해서 이를 실현했는데 비용이 많이들기 때문에 요즘에는 공공 네트워크 상에 VPN을 설치한다.

공공 인터넷에 접근하기 직전에 IPsec으로 데이터그램을 바꾸고 진입한다.

  • IPsec도 IPv4의 헤더를 가지기 때문에 라우터는 이 둘을 구분하지 못한다.

ESP 프로토콜

기밀성, 데이터 무결성을 제공한다.

AH프로토콜도 있는데 기밀성을 제공하지 못하기 때문에 ESP가 주로 사용된다.

SA

송신지와 수신지는 IPsec 데이터그램을 전송하기 전에 둘 사이에 논리적 연결을 설립한다.

  • 이를 SA(security association)라고 한다.

SA는 단방향이라서 양방향으로 데이터를 전송하기 위해서는 2개의 SA를 설립해야 한다.

IPsec 데이터그램

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방화벽

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전체 인터넷으로부터 기관의 내부 네트워크를 분리시킨 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로, 어떤 패킷은 통과가 허용되나 어떤 패킷은 차단된다.

쉽게 말하면 공공 네트워크와 기관 내부 네트워크 사이에서 패킷을 필터링하는 역할을 수행한다.

역할

공공 네트워크와 기관 네트워크를 지나는 모든 트래픽은 방화벽을 거친다.

기관 네트워크의 정책에 허용된 트래픽만 방화벽을 통과할 수 있다.

참고

  • 컴퓨터 네트워킹 하향식 접근 (제8판)

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