Chapter 13. 암호학(Cryptography)

Posted Nov 24, 2024

By BangYunseo

10 min read

1절. 타원 곡선 암호학(Elliptic Curve Cryptography)

타원 곡선(Elliptic Curves)

실수 상의 타원 곡선(Elliptic Curves over R)

실수(Real Numbers) 집합에 대한 정의
일반적으로 방정식 $y^2 = x^3 + ax + b$ 의 형태
특정 조건 만족
- ex) $4a^3 + 27b^2 != 0$

군 연산(Group Law)

유한 필드 상의 타원 곡선(Elliptic Curves over Finite Fields)

$E_{23}(1, 1) : y^2 = x^3 + x + 1$ over $F_{23}$

타원 곡선 상의 점 덧셈/배수 계산(Elliptic Curve Point Addition/Doubling)

$E {61}(1,−1) : y^2 = x^3 − x$ over $F{61}$

디피-헬만 타원 곡선(ECDH : Elliptic-Curve Diffie-Hellman)

스키마(Scheme)

Alice와 Bob은 큰 유한 필드 $F$ 위에 정의된 타원 곡선 $E$와 $E$ 상의 점 $P$에 합의
Alice는 임의의 정수 $a$ 선택 후 $pk_A = aP$ 를 Bob에게 전송
Bob은 임의의 정수 $b$ 선택 후 $pk_B = bP$ 를 Alice에게 전송
Alice는 $a(pk_B) = a(bP) = abP$ 계산
Bob은 $b(pk_A) = b(aP) = abP$ 계산

2절. 네트워크 보안(SSL / TLS)

TCP/IP 프로토콜 스택 내 보안 기능의 상대적 위치(Relative Location of Security Facilities in the TCP/IP Protocol Stack)

SSL 과 TLS

컴퓨터 네트워크를 통해 통신 보안을 제공하도록 설계된 암호화 프로토콜
버전 응용
- 웹 브라우징
- 이메일
- 인스턴트 메시징
- VoIP(Voice over IP)

보안 소켓 계층(SSL : Secure Sockets Layer)

더 이상 사용되지 않는 선구자격 프로토콜
넷스케이프(Netscape)의 초기 SSL 프로토콜 개발
1995년 ~ 1998년 넷스케이프 커뮤니케이션의 수석 과학자 타헤르 엘가말(Taher Elgamal)은 “SSL의 아버지” 취급
SSL 1.0 버전은 프로토콜의 심각한 보안 결함으로 미공개
1995년 2월 출시된 SSL 2.0 버전은 여러 보안 문제 포함
1996년에 출시된 SSL 3.0 버전은 프로토콜의 완전한 재설계

프로토콜	출시일	상태
SSL 1.0	-	-
SSL 2.0	1995	지원 중단(2011)
SSL 3.0	1996	지원 중단(2015)

전송 계층 보안(TLS : Transport Layer Security)

TLS 1.0은 SSL 3.0의 업그레이드 버전
1999년 1월 RFC 2246에 처음 정의
RFC의 의견
- TLS 1.0과 SSL 3.0의 차이는 크지 않음
- 하지만 TLS 1.0과 SSL 3.0 간 상호운용성을 방해할 정도로 중요한 차이점이 존재
TLS 1.1은 2006년 4월 RFC 4346에 정의
TLS 1.2는 2008년 8월 RFC 5246에 정의
TLS 1.3은 2018년 8월 RFC 8446에 정의
PCI 위원회
- 조직들에게 2018년 6월 30일까지 TLS 1.0에서 TLS 1.1 이상으로 전환 권고
2018년 10월
- 애플, 구글, 마이크로소프트, 모질라
  - 2020년 3월부터 TLS 1.0과 TLS 1.1을 지원하지 않을 것을 공동 발표
웹 사이트는 TLS로 서버와 웹 브라우저 간 모든 통신 보호 가능
목적(두 개 이상의 통신 어플리케이션 간)
1. 개인정보 보호
2. 데이터 무결성 제공

프로토콜	출시일	상태
TLS 1.0	1999	지원 중단(2021)
TLS 1.1	2006	지원 중단(2021)
TLS 1.2	2008
TLS 1.3	2018

TLS 프로토콜

데이터를 특정 형식으로 캡슐화하여 교환하는 레코드 주고받음
레코드의 연결 상태
- 압축
- 패딩 추가
- 메시지 인증 코드(MAC) 추가
- 암호화
레코드의 구성
- 내용 유형(Content type) 필드 : 캡슐화된 데이터의 유형
- 길이 필드 : 데이터의 길이
- 버전 필드 : TLS 버전
TLS 핸드셰이크(TLS handshake)
- 데이터를 요청하는 클라이언트와 요청에 응답하는 서버 간 관계
- 암호 스위트 : 애플리케이션 데이터를 교환 시 필요
- 사양 : 키 등

TLS 기록 프로토콜(TLS Record Protocol)

핸드셰이크 프로토콜에서 정의된 공유 비밀 키로 두 가지 서비스 제공

기밀성(Confidentiality)
- TLS 페이로드를 일반적인 방식으로 암호화
메시지 무결성(Message Integrity)
- 메시지 인증 코드(MAC) 생성

전체 동작
- 전송할 애플리케이션 메시지를 가져와 데이터를 관리 가능한 크기의 블록으로 분할
- 선택적 데이터를 압축
- MAC을 적용 후 암호화한 뒤 헤더 추가
- 최종적으로 데이터를 TCP 세그먼트로 전송

구조(Operation)

형식(Format)

내용 유형(Content type) : 8비트
주 버전(Major version) : 8비트
부 버전(Minor version) : 8비트
압축된 길이(Compressed length) : 16비트

3절. TLS의 프로토콜 유형

변경 암호 사양 프로토콜(Change Cipher Spec Protocol)

TLS 레코드 프로토콜을 사용하는 네 가지 TLS 전용 프로토콜 중 하나
가장 간단한 프로토콜
구성
- 단일 메시지로 구성
- 메시지는 값 1을 가진 한 바이트
- 메시지 목적
  - 대기 상태(pending state)를 현재 상태(current state)로 복사
  - 연결에서 사용할 암호 스위트를 업데이트

경고 프로토콜(Alert Protocol)

형식(Format)
- 각 메시지는 두 바이트로 구성
  - 첫 번째 바이트 : 메시지의 심각도 전달을 위한 값 존재
    - 경고(warning, 1)
    - 치명적(fatal, 2)
      - 치명적(fatal) 수준 : TLS 즉시 연결 종료
주요 경고 메시지 예시(Example)
- 예상치 못한 메시지(unexpected_message)
- 잘못된 레코드 MAC(bad_record_mac)
- 압축 실패(decompression_failure)
- 핸드셰이크 실패(handshake_failure)
- 잘못된 매개변수(illegal_parameter)
- 암호 해독 실패(decryption_failed)

핸드셰이크 프로토콜 (Handshake Protocol)

기능(Overview)
- 서버와 클라이언트 간 인증
- TLS 레코드에서 전송되는 데이터 보호를 위해 사용할 암호화 알고리즘
- MAC 알고리즘 및 암호 키 협상하는 기능
메시지 구조 : 세 가지 필드
- 유형(Type, 1바이트) : 10가지 메시지 유형 중 하나
- 길이(Length, 3바이트) : 메시지의 길이를 바이트 단위로 표현
- 내용(Content, 0바이트 이상) : 메시지의 실제 내용 포함

TLS 핸드셰이크 프로토콜 메세지 타입

Hello Messages

클라이언트_hello or 서버_hello의 매개 변수들
- 버전(Version): 클라이언트가 이해하는 가장 높은 TLS 버전
- 랜덤(Random)
  - 클라이언트가 생성한 랜덤 구조체
  - 32비트 타임스탬프와 보안 랜덤 번호 생성기에서 생성된 28바이트로 구성
- 세션 ID(Session ID): 가변 길이의 세션 식별자
- 암호 스위트(CipherSuite) : 클라이언트가 지원하는 암호화 알고리즘 조합을 포함한 목록(선호도 순서대로 나열)
- 압축 방법(Compression Method) : 클라이언트가 지원하는 압축 방법 목록

CipherSuiteKey : 교환 방법 알고리즘(Exchange Method Algorithms)

SSL Pulse(https://www.ssllabs.com/ssl-pulse/)

웹 사이트(Web Site)
- TLS의 주요 용도 : 웹사이트와 HTTP 프로토콜로 인코딩된 웹 브라우저 간의 월드 와이드 웹 트래픽 보호
- HTTPS 프로토콜 구성 == HTTP 트래픽을 보호하기 위해 TLS를 사용하는 것

서버 SSL Pulse 모니터가 지원하는 가장 취약한 키 교환
현재 2048비트의 최소 예상 강도

Security, InformationSecurity

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1절. 타원 곡선 암호학(Elliptic Curve Cryptography)

타원 곡선(Elliptic Curves)

실수 상의 타원 곡선(Elliptic Curves over R)

군 연산(Group Law)

유한 필드 상의 타원 곡선(Elliptic Curves over Finite Fields)

$E_{23}(1, 1) : y^2 = x^3 + x + 1$ over $F_{23}$

타원 곡선 상의 점 덧셈/배수 계산(Elliptic Curve Point Addition/Doubling)

$E {61}(1,−1) : y^2 = x^3 − x$ over $F{61}$

디피-헬만 타원 곡선(ECDH : Elliptic-Curve Diffie-Hellman)

스키마(Scheme)

2절. 네트워크 보안(SSL / TLS)

TCP/IP 프로토콜 스택 내 보안 기능의 상대적 위치(Relative Location of Security Facilities in the TCP/IP Protocol Stack)

SSL 과 TLS

보안 소켓 계층(SSL : Secure Sockets Layer)

전송 계층 보안(TLS : Transport Layer Security)

TLS 프로토콜

TLS 기록 프로토콜(TLS Record Protocol)

구조(Operation)

형식(Format)

3절. TLS의 프로토콜 유형

변경 암호 사양 프로토콜(Change Cipher Spec Protocol)

경고 프로토콜(Alert Protocol)

핸드셰이크 프로토콜 (Handshake Protocol)

TLS 핸드셰이크 프로토콜 메세지 타입

Hello Messages

CipherSuiteKey : 교환 방법 알고리즘(Exchange Method Algorithms)

SSL Pulse(https://www.ssllabs.com/ssl-pulse/)

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