Chapter 1. 고전 암호 기술

0절. 암호학 기초

1절. 대칭형 암호

2절. 암호 공격

3절. 고전 암호

4절. 스테가노그라피(Steganography)

0절. 암호학 기초

대칭형 암호(Symmetric Encryption)

• 일반적인 / 비밀 / 단일 키 암호
• 1970년대 공개 키 암호호화가 발명되기 이전의 유일한 암호화 유형
• 두 가지 암호화 유형(비대칭형과 대칭형) 중 가장 널리 사용되는 암호화 유형
• 발신자와 수신자가 공통 키 공유
• 모든 기존 암호화 알고리즘은 대칭

대칭형과 비대칭형

용어	번역	특성	키의 개수
Non-Symmetric	비대칭형	보내는 사람과 받는 사람의 암호 불일치	2
Symmetric	대칭형	보내는 사람과 받는 사람의 암호 일치	1

암호학 기본 용어

용어	의미	번역	의미번역
plaintext	original message	평문	암호화되기 이전의 정보
ciphertext	coded message	암호문	암호화된 후의 정보
cipher	algorithm for transforming plaintext to ciphertext	암호	보안을 위해 사용되는 방법
key	info used in cipher known only to sender/receiver	키	암호를 해독하기 위해 필요한 해
encrypt(encipher)	converting plaintext to ciphertext	암호화	평문을 암호문으로 암호화
decrypt(decipher)	recovering plaintext from ciphertext	복호화	암호문을 평문으로 복호화
cryptography	study of encryption principles/methods	암호학	암호 디자인
cryptanalysis(codebreaking)	study of principles/methods of deciphering ciphertext without knowing key	암호분석학	암호 분석(공격)
cryptology	field of both cryptography and cryptanalysis	암호학	암호에 대한 모든 학문

1절. 대칭형 암호

대칭형 암호 모델(Symmetric Cipher Model)

• Secure Channel은 키 값을 보내는 안전한 채널

Kerckhoffs의 원리

• 19세기 후반의 Auguste Kerckhoffs
  • 누구나 암호화 알고리즘에 대해 인지하고 있고 key의 안전도에만 영향을 받도록 설정
    • 공격자가 key의 설계도를 알아도 정작 key가 없다면 암호를 해결할 수 없어 암호의 안전이 완성되는 것
  • 왜 이런 생각을 했을까?
    • 암호화 알고리즘이 모두가 다 알고 있더라도 풀지 못하게 만들어야 보안이 유지되기 때문

2절. 암호 공격

공격 종류

• 암호분석학 공격(Cryptanalytic attacks) |용어|의미| |:---:|:--| |Ciphertext-only attack|암호문만 공격(일반적, 보편적인 공격)| |Known-plaintext attack|알려진 평문 공격(암호화의 내역이 유출된 경우)| |Chosen-plaintext attack|선택한 평문 공격| |Chosen-ciphertext attack|선택한 암호문 공격|

  • 선택한 평문(또는 암호문) 공격(Chosen-plaintext(or ciphertext) attack)
    • 자신이 가지고 있던 평문(또는 암호문)에 대한 정보를 공부한 후 새로운 메시지로 해독하는 공격
    • 공격자가 정보를 더 많이 얻었을 때 이뤄지는 공격이므로 공격자가 유리

• 브루트포스 공격(Brute-force attacks)

  • 물리적인 힘의 공격(무식한 방법이자 전수 조사)
  • 브루트포스 알고리즘 - hcr3066님의 블로그 참고
  • 예시 : 4자리의 암호(0000 ~ 9999)를 모두 시도해 암호를 얻는 방법의 공격
    • 컴퓨터 대수를 높여 효율 증가

3절. 고전 암호

고전 암호의 종류

• 평문의 문자가 다른 문자나 숫자 또는 기호로 대체되는 경우
• 평문이 일련의 비트로 간주되는 경우
  • 평문의 비트 패턴을 암호문 비트 패턴으로 바꾸는 작업 포함
• 예시 |용어|의미| |:---:|:--| |Caesar cipher|씨저 싸이퍼(씨저 암호)| |shift cipher|이동 암호(씨저 암호의 상위호환)| |Monoalphabetic ciphers|모노 알파벳 암호| |Polyalphabetic ciphers|폴리 알파벳 암호(모노 알파벳 암호의 상위호환)| |Vigenere cipher|비저네러 암호(폴리 알파벳 암호의 예시)| |One-time pad|원 타임 패드| |Transposition cipher|위치 변환 암호|

Caesar cipher(씨저 암호)

• 알파벳을 3칸씩 밀어서 사용
• 아래의 사진을 통해 3칸씩 밀린 형태의 암호 확인

• 숫자로 나타낸 씨저 암호

• 씨저 암호는 아래의 수식 형태를 유지
  • 알파벳이 3칸씩 밀린 상태이기 때문에 숫자로 보낼 때도 \(±3\)을 해주는 형태
  • 알파벳의 개수가 총 26이기 때문에 26으로 나눈 나머지의 값(mod 26)을 계산
  • 예시
    • 암호문으로 만들 때 3을 더하고, 받은 암호문을 평문으로 만들 때 3을 빼주는 형태

• 예시

• 단점
  • 알고리즘(몇 칸이 밀렸는지)을 발견하면 누구나 쉽게 해결 가능하므로 키가 없다고 취급 가능

shift cipher(이동 암호)

• 씨저 암호의 상위호환
• 이동 암호는 아래의 수식 형태 유지
  • 키 값을 토대로 알파벳을 미는 횟수 결정
  • 알파벳의 개수가 총 26이기 때문에 26으로 나눈 나머지의 값(mod 26)을 계산

• 이동 암호 키 해독 방법
  • 0 ~ 25까지의 키를 대입하면서 암호 해독 가능
  • 키 값(key space)이 26(알파벳의 개수)이므로 쉽게 해독 가능

Monoalphabetic ciphers(모노 알파벳 암호)

• 암호의 짝을 임의로 결정하는 암호
• 일대일 대응의 원칙 수렴
  • 만약 두 알파벳이 같은 값을 가리키는 경우 해독 불가

• 키 공간은 알파벳의 모든 순열로 구성

  • 즉 키 공간의 크기는 26
  • \(26! = 26·25·24···2·1(≈2^{88})\)

• 예시

• 모노 알파벳 암호 키 해독 방법

  • 일대일 대응의 형태이기 때문에 같은 알파벳이 위치한 곳을 유추하여 어느 알파벳인지 추정 가능
  • 암호문이 긴 경우 찾아내기 매우 쉬음
  • 많이 사용되는 알파벳이 아래 통계의 알파벳 비율을 따르므로 암호 해결 가능
  • 알파벳의 언어학적 특성으로 해독

• 알파벳 통계

Polyalphabetic ciphers(폴리 알파벳 암호)

• 모노 알파벳 암호의 상위호환
• 더 많은 알파벳을 추측하고 빈도 분포를 추정하여 암호 분석을 어렵게 구성
• 키를 사용하여 메시지의 각 문자에 사용되는 알파벳 선택
• 키 끝에 도달한 후 처음부터 반복

Vigenere cipher(비저네러 암호)

• 폴리 알파벳 암호의 예시
• 여러 개의 이동 암호를 사용하는 형태로 자리마다 알파벳 미는 값을 불규칙적으로 설정
• 암호화 하려는 단어를 키로 선택한 후 평문 암호화
• 각 평문의 문자를 키의 다음 문자에 "추가"

• 언어학적 특성이 거의 없으며 알파벳 통계를 추정하면 일정한 분포 유지

• 예시

  • 평문을 key 값만큼 미는 방식
  • 같은 알파벳이지만(R) 다른 알파벳(D, N)을 표현

• 해독 방법
  • 암호문의 같은 부분(최대길이)을 탐색하면 암호 해독 가능
  • Kasiski의 방법
    • 평문과 암호문에서 최대길이의 같은 부분이 존재할 경우 key의 반복 주기(key의 약수)를 탐색 가능

• 일반적인 비저네러 암호 해독 방법
  • 1) 암호문에서 반복되는 부분(최대 길이)을 탐색하여 key의 반복 주기 추정
  • 2) 1의 과정을 통해 key의 길이 추정
  • 3) 2의 과정을 통해 알아낸 key의 길이로 열을 numbering
  • 4) 이동 암호의 방식을 통해 알파벳 통계의 분석으로 해독
    • 같은 열은 같은 문자로 밀리기 때문에 알파벳 통계의 분석에서 가장 높은 값이 key 값에 해당할 확률이 높음

One-time pad(원 타임 패드)

• 유일하게 해독 불가능한 암호학 방법
  • 완전한 안전성 탑재
• 키가 암호문(메시지 길이)만큼 긴 형태

• 심각한 단점

  • 키가 데이터의 크기만큼 생성되기 때문에 용량도 데이터만큼 필요
  • 만약 1TB의 데이터를 전달하려고 하면 1TB의 키가 필요

• 예시

  • 27자(26자 + 공백)의 비저네러 구성표
  • 다른 문장임에도 불구하고 암호에 따라 암호문이 일치

Transposition cipher(위치 변환 암호)

• Rail fence cipher(레일 울타리 암호)

  • 암호문의 형태는 변환되지 않고 순서만 변환
  • 예시

  

• Columnar transposition cipher(열 위치 변환 암호)

  • key의 숫자에 따른 열로 암호를 구성
  • 예시

  

암호 생성

• 대입(치환) 혹은 위치 변환을 사용하는 암호는 언어학적인 특성으로 인해 불완전
• 안전한 암호를 위해 여러 암호의 연속적 사용 방법
  • 두 번의 대입(치환)으로 치환 암호 생성
  • 두 번의 위치 변환으로 치환 암호 생성
  • 각 암호를 두 번씩 쓰는 암호보다 다른 암호를 한 번씩 교차로 사용할 경우 더욱 안전
    • 왜 ?
      • 어느 방법이던 두 번 쓰면 더 복잡해짐
      • 하지만 결국 같은 방법을 두 번 사용한 것
      • 때문에 두 가지 성질을 섞은 경우가 더 복잡하고 안전
• 고전 암호에서 현대 암호로의 발전

4절. 스테가노그라피(Steganography)

스테가노그라피

• 암호화의 대안으로 취급되며 타 암호화 방법과 같이 사용 시 더 안전하며 효율적
  • 암호화와는 다르기 때문에 암호화 방법과 함께 사용되는 것
• 암호문을 주고 받은 사실 자체를 숨겨서 메시지의 존재를 숨기는 방식
  • 숨기는 방식 예시
    • 어떤 방식으로든 표시된 긴 메시지에서 문자 / 단어의 하위 집합만 사용
    • 눈에 보이지 않는 잉크 사용
    • 그래픽 이미지나 사운드 파일의 LSB에 숨겨놓기
      • MSB(Most Significant Bit) 수정 : 큰 차이 발생
      • LSB(Least Significant Bit) 수정 : 작은 차이 발생
• 장점 : 암호화 사용이 모호해짐
• 단점 : 숨기고자 하는 데이터가 상대적으로 적은 정보 비트를 숨길 때만 사용

암호 예시 풀어보기

HINT

* 각 문장의 맨 뒤 단어를 확인해보세요!

ANSWER

* your backage ready Friday 21st room three Please destroy this immediately.