암호화 모드 (Modes of Operation)
암호화 모드는 블록 암호를 사용하여 한 블록보다 긴 평문을 안전하게 암호화하는 방법을 정의한다.
블록 암호는 기본적으로 고정된 크기(예: AES의 경우 128비트)의 데이터만 처리할 수 있기 때문에, 더 큰 데이터를 처리하기 위해서는 특별한 운영 모드가 필요하다.
암호화 모드의 중요성
암호화 모드는 블록 암호의 보안성과 효율성을 크게 향상시킨다.
적절한 모드를 선택함으로써 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다:
- 패턴 은닉: CBC, CFB 등의 모드는 평문의 패턴을 숨겨 암호 분석을 어렵게 한다.
- 오류 전파 제어: OFB, CTR 모드는 오류 전파를 제한하여 데이터 손상을 최소화한다.
- 병렬 처리: ECB, CTR 모드는 병렬 처리를 통해 암호화 속도를 향상시킨다.
- 스트리밍 지원: CFB, OFB, CTR 모드는 스트림 암호처럼 사용할 수 있어 실시간 데이터 처리에 적합하다.
주요 암호화 모드와 특징
ECB (Electronic Codebook) 모드
작동 방식:
- 평문을 동일한 크기의 블록으로 나눕니다
- 각 블록을 독립적으로 암호화합니다
- 같은 평문 블록은 항상 같은 암호문 블록을 생성합니다
장점:
- 구현이 단순합니다
- 병렬 처리가 가능합니다
- 각 블록이 독립적이므로 오류가 전파되지 않습니다
단점:
- 패턴이 그대로 드러나는 취약점이 있습니다
- 데이터 패턴을 숨기지 못합니다
- 암호문 블록의 재배열 공격에 취약합니다
CBC (Cipher Block Chaining) 모드
작동 방식:
- 이전 블록의 암호문과 현재 평문 블록을 XOR 연산합니다
- 그 결과를 암호화하여 현재 블록의 암호문을 생성합니다
- 첫 블록은 초기화 벡터(IV)를 사용합니다
장점:
- 같은 평문이라도 다른 암호문을 생성합니다
- 패턴을 효과적으로 숨깁니다
- 메시지 인증이 가능합니다
단점:
- 병렬 암호화가 불가능합니다
- 오류가 다음 블록으로 전파됩니다
- IV가 필요하며, IV는 예측 불가능해야 합니다
CFB (Cipher Feedback) 모드
작동 방식:
- 이전 암호문 블록을 암호화합니다
- 암호화된 결과와 평문을 XOR 연산합니다
- 스트림 암호처럼 동작합니다
장점:
- 스트림 암호처럼 실시간 처리가 가능합니다
- 자체 동기화가 가능합니다
- 패딩이 필요 없습니다
단점:
- 병렬 암호화가 불가능합니다
- 오류가 전파됩니다
- IV가 필요합니다
OFB (Output Feedback) 모드
작동 방식:
- IV를 암호화하여 키스트림을 생성합니다
- 키스트림과 평문을 XOR 연산합니다
- 순수한 스트림 암호처럼 동작합니다
장점:
- 키스트림을 미리 생성할 수 있습니다
- 비트 오류가 전파되지 않습니다
- 패딩이 필요 없습니다
단점:
- IV가 재사용되면 안전하지 않습니다
- 병렬 처리가 어렵습니다
- 메시지 변조에 취약할 수 있습니다
CTR (Counter) 모드
작동 방식:
- 카운터 값을 암호화하여 키스트림을 생성합니다
- 키스트림과 평문을 XOR 연산합니다
- 각 블록이 독립적으로 처리됩니다
장점:
- 병렬 처리가 가능합니다
- 랜덤 접근이 가능합니다
- 비트 오류가 전파되지 않습니다
단점:
- 카운터 값이 중복되면 안전하지 않습니다
- 메시지 변조에 취약할 수 있습니다
- 인증 기능이 없습니다
GCM (Galois/Counter Mode)
작동 방식:
- CTR 모드로 암호화를 수행합니다
- Galois 필드 연산을 사용하여 인증 태그를 생성합니다
- 암호화와 인증을 동시에 제공합니다
장점:
- 높은 성능을 제공합니다
- 인증된 암호화를 제공합니다
- 병렬 처리가 가능합니다
단점:
- 구현이 복잡합니다
- 잘못 사용하면 보안 문제가 발생할 수 있습니다
- 특허 문제가 있을 수 있습니다
실제 응용 시 고려사항
보안 요구사항:
- 기밀성만 필요한가, 인증도 필요한가?
- 오류 전파가 문제가 되는가?
- 병렬 처리가 필요한가?
성능 요구사항:
- 처리해야 할 데이터의 크기
- 실시간 처리 필요성
- 하드웨어 자원의 제약
구현 복잡성:
- 개발 리소스의 가용성
- 유지보수 용이성
- 검증과 테스트의 용이성
미래 전망과 발전 방향
새로운 모드의 개발:
- 양자 내성을 고려한 모드
- 경량 암호화를 위한 모드
- 특수 목적의 모드
표준화:
- 기존 모드의 개선
- 새로운 모드의 표준화
- 보안 평가 기준의 발전
응용 분야 확대:
- IoT 보안
- 클라우드 보안
- 5G/6G 통신 보안