[정보보호기술] 3강. 키 관리 및 해쉬함수

30 Nov 2021

정보보호기술

키 관리 및 해쉬함수

키 관리 및 분배 프로토콜

키 관리 (Key Management)

암호시스템에서 사용되는 암호학적 키들을 안전하게 다루기 위한 키의 생성, 등록, 확인,
분배, 설치, 저장, 파생, 보관, 취소, 말소, 폐기 등과 같은 일련의 절차를 제공함
아래와 같은 사항을 사전에 방지하기 위하여 키 또는 키와 관련된 정보를 안전하게 유지함
- 비밀키 또는 개인키의 외부노출
- 키의 불법적 변조
- 유효기간이 지났거나 이미 취소된 키의 불법적인 사용

분류	설명
세션키(Session Key)	* 일반적으로 메시지의 비밀성과 무결성을 유지하기 위해 비밀키 암호에 사용되는 키 * 매 session 마다 새롭게 설정
키-암호화키 (Key-Encryption Key)	* 세션키 성정 또는 설정된 세션키의 저장에 사용되는 비밀키 또는 개인키
마스터키	* 응용분야에 따라 키-암호화 키를 보호하는 다른 유형의 키

용어	의미
키 생성	강한 안전성을 가진 키를 안전하게 생성할 수 있는 절차
키 등록	키와 사용자를 연결시키는 서비스로 키 등록기관이 제공
키 확인서 생성	공개키와 사용자의 연관성을 보장하는 것이며, 인증기관에 의해 제공됨
키 분배	인가된 사용자들에게 키 관리 정보 객체들을 안전하게 제공해주는 일련의 절차 제공
키 설치	키를 사용하기 전에 항상 필요한 절차로서 키 관리 설비내에서 키가 위험하지 않은 방식으로 배치함
키 복구	암호문을 해독할 수 있는 키 또는 키와 관련된 정보를 제 3자에게 위탁 시키고 일정한 조건 하에 위탁된 키나 정보를 권한있는 사람에게 전송하는 것
키 저장	미래에 사용하거나 백업을 위해 생성된 키들을 안전하게 저장해 주는 서비스
키 파생	비밀 근원 키를 이용하여 다른 새로운 세션키인 파생키를 생성하는 작업
키 보관	일반적인 사용 후에 키를 안전하게 보관하기 위한 일련의 절차
키 취소	키의 노출, 확인서 사용 간의 만료 등과 같은 경우 사용자의 키를 취소하는 절차를 제공
키 말소	키와 사용자의 연결을 단절시켜주는 서비스
키 폐기	더 이상 사용될 필요가 없는 키들을 안전하게 폐기하기 위한 일련의 절차를 제공

키 설정 (Key Establishment)

암호 방식을 구현하기 위하여 둘 또는 더 많은 사용자나 또는 모듈 안에서 안전하게 비밀정보가 만들어지는 과정

키 공유 (Key Agreement)

둘 또는 더 많은 사용자가 공개된 통신로를 통하여 공동으로 비밀키를 설정하는 기술
어떤 한 쪽에서 독립적으로 비밀정보를 미리 결정하지 않는다.
Diffie-Hellman 키 공유 프로토콜

키 전송 (Key Transport)

한 사용자 또는 기관이 비밀키를 설정하여 다른 사용자에게 안전하게 키를 전달하는 기술
KEM (Key Encapsulation Mechanism)

키 유도 (Key Derivation Function)

비밀정보(마스터키, 패스워드, 키 공유)로 부터 각종 정보보호 알고리즘 실행을 위하여
필요로 하는 다양한 키(Keying-Materiial)들을 유도해내는 함수(메커니즘)

키 사전 분배 (Key Pre-distribution)

신뢰하는 키 관리 기관 (TA: Trusted Authority)이 사전에
임의의 두 사용자에게 비밀 경로를 통하여 임의의 키를 선택하여 전달하는 방법
TA와 네트워크 상의 모든 사용자 사이에 안전한 통로가 필요함
사용자가 많은 경우에 많은 키를 관리해야 하는 문제점을 가진다.
n명의 사용자가 있다면 각 사용자는 n-1가지 키를 관리해야하며,
TA는 n(n-1)/2가지 키를 관리하여야 하므로, 매우 복잡하며 관리 비용이 많이 지불됨

중앙집중식 키분배

네트워크 사용자 쌍방 간에 비밀 통신을 원할 때마다 키 관리기관인 키분배센터(KDC)
또는 TA(TA)에 의하여 새로운 키(세션키)가 분배되는 방식
대칭키 암호 방식에 기반 : Kerberos
공개키 암호 방식에 기반 : Diffie-Hellman, STS, MTI, Girault 키 공유 프로토콜

Kerberos 키 분배

대칭키 암호 방식에 기반을 둔 대표적인 중앙 집중식 키 분배방식으로
사용자와 키분배센터(KDC 또는 TA)를 이용하는 방식
MIT의 Project Athena 팀에 의해 개발된 인증(Authentification) 및 키 분배 프로토콜

Kerberos, Diffie-Hellman 키 분배 프로세스 알아보기

난수발생기와 키 유도 함수

난수 (Random Number)

주어진 구간에서 통계적으로 독립적이고 예측 불가능하며 편증되지 않은 수
예측 불가능 (Unpredictable) : 이전 출력을 안다고 하여도 이후의 출력 값을 예측할 수 없어야 함
독립적 (Independent) : 이전 출력된 난수와 다음 출력될 난수에 영향을 미치지 않음
편증되지 않음 (Unbiased) : 특정한 수가 나타날 확률이 더 높지 않아야 함

균일한 동전을 연속적으로 던지는 시행과 대응하는 비트 수열 생성

실난수 (True Random Number)

물리적인 과정이나 자연에 의하여 생성되는 잡음원으로부터 얻어지는 난수
thermal noise, white noise, 주사위, lotto…

의사난수 (Pseudorandom Number)

난수와 구별할 수 있는 효율적인 알고리즘이 존재하지 않는 수로
주어진 초기값(seed)으로부터 결정적 알고리즘을 통해 생성됨
블록암호 이용한 난수발생기, Hash 함수를 이용한 난수발생기, ANSII X9.17, FIPS 186-2

RNG (Random Number Generator)

물리적 현상을 랜덤성을 이용하여 Non-deterministic source (Entropy Source)
사용하여 비트 수열 생성
RNG 출력 수열은 보정을 통해서 랜덤 수열로 직접 사용하거나,
PRNG(의사 난수 생성기)의 입력으로 사용가능
비결정논적 난수발생기라고도 함
매우 높은 엔트로피(정보의 불확실성)를 갖는 방면 높은 엔트로피를 갖는 잡음을 얻기가 쉽지 않고
다양한 플랫폼에 적용하기 쉽지 않음

PRNG (Pseudorandom Random Number Generator)

Seed라 불리는 입력을 사용하여 효율적으로 의사난수 생성
Deterministic Random Bit Generator(DRBG) 또는 DRNG 라고도 함
짧은 길이의 Sedd 값을 입력하여 결정론적 알고리즘에 의해 의사난수를 생성함
상대적으로 엔트로피는 낮지만 결정론적 알고리즘이 안전하다면 충분한 안전성을 제공함
PRBG의 안전성은 Seed 값에 의존함
Seed 값으로 RNG의 출력 비트를 사용

Generation of Seed Input to PRNG

Entropy Source -> TRNG -> (Seed) -> PRNG -> Pseudorandom bit stream

키 유도 함수 (Key Derivation Function, KDF)

비밀정보(마스터키, 패스워드, 키 공유)로부터 각종 정보보호 알고리즘 실행을 위하여
필요로 하는 다양한 키들(keying-material)을 유도해내는 메커니즘
키확장 기능을 제공하며, 단일키 (마스터키 또는 키 유도키)로부터 여러 개의 키를
생성하는 것을 가능하게 해준다.

비밀번호 + 공개된 정보 => 키 유도함수 (KDF) => 여러 개의 키

키 유도함수 용도 및 특징

자동화된 키 설정 방식, 또는 사전-공유된 키를 통해 설정된 키로부터 추가적인 키를 얻기 위해 사용
직접적으로 마스터 키가 사용되길 원하지 않을 떄 이용
마스터키(또는 키유도키)와 외부 입력값을 통해 키 생성
마스터키(또는 키유도키)는 비밀값, 외부 입력값은 공개값으로 설정
용도에 따라 세션키, 인증키, 암호화키 등을 생성함

소스 -> (랜덤 추출기) -> 마스터키 키 유도키 + (외부 입력 값) -> 키 유도 함수 -> 세션키, 인증키, 암호화 키

해시 함수 기반 키 유도함수

해시 함수를 이용하여 출력된 결과값을 연접하여 키를 유도함
ISO-18033-2, IEEE P1363a[2], PKCS#1 v2.1[3], ANSI X9.42,
NIST SP800-56A, IEEE 802.11i
무선 LAN의 KDF

블록암호 기반 키 유도함수

핵심함수로 AES, SAFER+ 등이 사용됨
무선환경의 표준 3GPP TR 35.909, IEEE 802.15.1
유럽의 비동기식 제3세대 무선통신, Bluetooth 유도함수
운영모드에 따라 counter, feedback, double-pipeline, iteration 모드로 분류 (NIST SP800-108)

패스워드 기반 키 유도 함수

패스워드(P), Salt(S), 반복함수(C)를 이용하여 키를 유도함
PKCS#5, NIST SP800-132

해시함수

일방향 함수 (One-way Function)

변수를 통해 함수 값을 구하는 연산은 쉽지만 함수 값으로부터 변수 값을 구하는 것은 매우 어려운 함수
주어진 x에 대해 f(x)를 구하는 것은 쉽지만, y=f(x)가 주어지고 x를 값을 구하는 것은 매우 어려운 함수
해시 함수, f(x) = g^x (이산대수문제), 인수분해문제

충돌 (Collision)

서로 다른 입력 값에 대하여 동일한 해시 값이 출력되는 경우
충돌쌍(collision-pair)
- 충돌이 일어나도록 하는 메시지들의 쌍
- x != x’인 x, x’에 대하여 일방향 함수 H(x) = H(x’)일 때 (x, x’)은 충돌쌍임
일방향 함수는 충돌쌍을 찾기가 어려워야 암호학적으로 유용함

해시 함수 (Hash Function)

임의의 유한 길이의 입력 값을 받아 고정된 크기의 출력값으로 바꾸는 함수
대표적 Hash 함수 : MD5, SHA1, HAS160, SHA2, SHA3,
출력값 : 해시값, 해시코드, 메시지 다이제스트, 인증자, 데이터지문, 해시체크섬

암호학적 Hash 함수의 성질

계산 용이성 (Ease of Computation)
- Hash 함수 h의 해시값 h(x)는 계산하기 쉬움
일방향성 (one-wayness)
- 주어진 임의의 출력값 y에 대해, y=h(x)을 만족하는 입력값 x를 찾는 것이 계산적으로 불가능함
- Preimage Resistance (역상 저항성)
약한 충돌 저항성 (Weak Collision Resistance)
- 주어진 입력값 x에 대해 h(x) = h(x’), x != x’을 만족하는 다른 입력값 x’을 만족하는
  다른 입력값 x’을 찾는 것이 계산적으로 불가능함
- 두 번째 역상 저항성
강한 충돌 저항성 (Strong Collision Resistance)
- h(x) = h(x’)을 만족하는 임의의 두 입력값 x, x’을 찾는 것이 계산적으로 불가능함

암호학적 Hash 함수의 용도

전자서명에서 사용
- 전자서명 시 전체 메시지 대신에 그 메시지를 대표하는 짧은 길이의 해시값에 서명하므로
  효율성을 제공하고 동일한 서명효과를 얻기 위해 사용됨
메시지의 무결성을 제공함
- 메시지에 해시값을 함께 보관하면 그 메시지가 변경되지 않고,
  무결성을 유지한다는 것을 동일한 해시값을 갖는지 비교하여 확인할 수 있음
- 무결성을 제공하기 위해서는 강한 충돌 저항성을 갖는 해시함수이어야 함
패스워드를 안전하게 저장하고 유지하기 위해 사용함
- 유닉스 시스템에서 패스워드를 평문으로 관리하지 않고 대신에 그것의 해시값을 유지함
- 사용자가 패스워드를 입력하면 그것의 해시값을 계산하여 유지하고 있는 해시값과 비교하여
  올바른 패스워드가 입력되었는지 검사함
- password 파일에 대한 접근 권한을 획득하더라도 해시값의 일방향성 특성 때문에 계층의 패스워드를 알 수 없음
스팸 메일을 막는데 사용됨
- e메일을 보내는 송신자에게 상당한 노력을 했다는 증거를 확인하기 전까지 e-메일 수신을 거부하도록 하여 스팸메일을 막도록 함
블록체인 등에서 원장의 무결성을 유지하는데 사용함
비트코인과 같은 암호화폐에서 채굴(Mining) 하는데 사용함

해시 함수의 종류

키가 없는 해시 함수

n비트의 평문을 k비트의 키를 사용하여 m비트의 해시값 출력

전용 해시 함수 : 암호화를 위해 사용하는 함수

Hash 만을 목적으로 최적화된 수행을 하도록 디자인된 해시 함수임
대표적 Hash 함수

모듈 연산을 기초로 한 해시 함수

압축 함수의 기반을 모듈 연산의 반복적인 수행에 두고 있는 해시 함수임
장점 : 내장된 모듈 연산을 사용할 수 있음
단점 : 속도가 빠르지 않고, 안전성의 연구에 대한 역사가 짧음
MASH 계열 함수가 유명함

조정탐지코드 (MDC : Manipulation Detection Code)

키가 없는 해시 함수로 메시지 무결성 제공

키가 있는 해시 함수

메시지 인증코드 (Message Authentification Code)

임의 길이의 메시지를 암호화 비밀키를 사용하여 고정된 출력값을 얻는 Hash 함수임
일반적인 메시지 인증절차는 MAC에 의한 출력인 메시지인증코드(MAC)라는 해시 함수의 특별한 형태로서
대칭키 기술에 의해 메시지를 인증함
송신자와 수신자가 사전에 비밀키를 공유해야 함
메시지의 무결성과 인증을 동시에 수행함
입력값으로 메시지와 키를 받는 키가 있는 해시 함수
대표적으로 CBC-MAC과 HMAC 있음

CBC-MAC

블록 암호에 기반을 둔 가장 널리 사용되는 메시지 인증 알고리즘 (MAC)
블록 암호에 기반으로 한 MAC

HMAC

Hash 함수를 기반으로 한 MAC으로 Bellare, Canetti, Krawczyk가 제안함
두 개의 상수 ipad와 opad를 사용한 키와 XOR함