일상에서 분리하여 보기 어려운 암호학

 암호학은 정보를 보호하고 보안을 유지하기 위해 암호화 및 복호화 기술을 사용하는 학문이다. 암호학의 주요 목표는 기밀성, 무결성, 인증, 비밀성을 유지하는 것이다. 암호학에서 사용되는 방법 중 대칭키 암호화는 송신자와 수신자가 동일한 비밀키를 사용하여 데이터를 암호화하고 복호화하는 방식을 말한다. 이 방식은 비교적 간단하고 빠르며 주로 대량의 데이터를 암호화하는 데 적합하다. 대칭키 암호화는 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용하는 단일 키를 사용하는 특징을 가지며 또 비 대칭키 암호화에 비해 연산 속도가 빠르다. 비밀키를 관리하며 안전하게 관리하고 전달하는 것이 중요하다. 키가 유출되면 암호화된 데이터의 보안 또한 위험해진다. 대칭키 암호화 동작의 과정은 송신자와 수신자가 공유할 비밀키를 생성하고 송신자가 비밀키를 사용하여 원문 데이터를 암호문으로 변환한다. 변환된 암호문을 수신자에게 전송한다. 수신자가 비밀 키를 사용하여 암호문을 원본 데이터로 변환하는 과정을 거친다. 대칭키 암호화는 연산속도가 빠르고 대량의 데이터를 효율적으로 암호화할 수 있지만 비밀키를 안전하게 공유하며 저장하기가 어려울 수 있다. 특히나 많은 사용자 간에 키를 관리해야 하는 경우 문제가 된다. 그리고 사용자가 많아질수록 각 사용자 간에 별도의 비밀키를 관리해야 하므로 관리 복잡성이 증가한다. 비 대칭키 암호화는 공개키와 개인 키 두 개의 키를 사용하여 데이터를 암호화하고 복호화하는 방식이다. 공개키는 누구나 알 수 있지만 개인 키는 비밀로 유지된다. 디지털 서명은 전자 문서나 메시지의 작성자와 내용을 인증하기 위해 사용되는 암호화 기술이다. 디지털 서명은 문서의 무결성을 보장하며 작성자의 신원을 확인하여 문서가 변조되지 않았음을 증명한다. 디지털 서명의 동작 과정은 문서 해시 생성이 먼저다. 서명할 전자 문서나 메시지에 대해 해시 함수를 적용하여 고정된 길이의 해시 값을 생성한다. 이 해시 값은 문서의 고유한 요약본이다. 생성된 해시 값을 작성자의 개인 키를 사용하여 암호화한다. 이 암호화된 해시 값이 디지털 서명이다. 작성자는 디지털 서명과 원본 문서를 수신자에게 전송하고 수신자는 작성자의 공개키를 사용하여 디지털 서명을 복호화하여 해시값을 얻는다. 그런 다음 원본 문서에 대해 동일한 해시 함수를 적용하여 해시값을 생성하고 두 해시값이 일치하면 문서가 변조되지 않았음을 확인이 가능하다. 디지털 서명의 암호화 방법을 사용하는 사례로는 전자메일과 소프트웨어 배포, 전자 상거래, 문서 서명이 있다. 전자 메일은 작성자를 인증하며 메일 내용이 전송 중에 변조되지 않았음을 보장한다. 소프트웨어 배포는 개발자가 배포하는 소프트웨어에 디지털 서명을 추가하여 사용자에게 출처와 무결성을 보장한다. 전자 상거래는 온라인 거래에서 거래 당사자의 신원을 확인하고 거래 내용이 위조되지 않았음을 보장한다. 문서 서명은 법적 계약서나 금융 문서 등 중요한 문서에 대해 무결성을 보장하고 작성자의 신원을 인증하는 데 사용된다. 디지털 서명은 무결성이 보장되며 서명자의 신원 확인이 가능하고 서명자에게 자신이 서명한 문서를 부인할 수 없게 부인 방지에 대한 장점이 있다. 반면에 키 관리가 어려워 개인 키를 안전하게 관리해야 하며 키가 유출되면 서명의 보안이 위협받는다. 또 연산이 복잡하고 속도가 느릴 수 있다. 해시 함수는 임의 길이를 가진 데이터를 고정된 길이의 해시값으로 변환하는 함수이다. 해시 함수는 주로 데이터의 무결성을 확인하거나 암호화 알고리즘에서 중요한 역할을 한다. 해시 함수는 임의의 길이를 가진 문자열이나 파일 등에 데이터를 입력하고 입력된 데이터를 해시 함수에 넣어 변환 과정을 거친다. 그러면 고정된 길이의 해시값을 생성한다. 이 해시값은 입력 데이터의 고유한 요약본이다. 해시 함수의 주요 특징은 입력 데이터의 길이에 상관없이 항상 고정된 길이의 해시값을 출력하고 동일한 입력 데이터에 대해서는 항상 동일한 해시값을 출력한다. 또 서로 다른 두 입력 데이터가 같은 해시값을 출력하는 경우를 충돌이라고 하는데 좋은 해시 함수는 충돌이 발생할 확률이 매우 낮다. 그리고 해시값을 통해 원래 입력 데이터를 역으로 추정하는 것이 거의 불가능하며 입력 데이터를 해시값으로 쉽게 변환할 수 있지만 해시값에서 입력 데이터를 복원하는 것은 거의 불가능하다. 해시 함수는 파일이 전송되거나 저장될 때, 해시값을 함께 전송하여 데이터가 변조되지 않았는지 검증이 가능하고 디지털 서명에서 전자 문서의 무결성과 작성자의 신원을 인증하기 위해 해시 함수를 사용한다. 사용자가 비밀번호를 직접 저장하지 않고 해시값을 저장하여 보안을 강화하며 블록체인의 각 블록은 이전 블록의 해시값을 포함하여 연결되며 데이터의 무결성과 신뢰성을 보장한다. 이처럼 해시 함수는 입력 데이터의 고유한 요약본을 생성하여 다양한 보안 및 데이터 무결성 검증에 사용된다. 데이터를 안전하게 전송하기 위해 다양한 암호 기법을 결합한 암호 프로토콜도 암호학의 한 방법이다. 이처럼 암호학은 현대 정보 보안의 중요한 요소로 인터넷 통신, 금융 거래, 데이터 저장 등 다양한 분야에서 사용된다. 초기의 암호는 메시지 보안에 초점이 맞추어져 군사 또는 외교적인 목적으로 사용되었지만, 현재는 메시지 보안 이외에도 인증과 서명 등을 암호의 범주에 포함해 우리의 일상에서 떼 놓을 수 없는 중요한 분야가 되었다. 암호학의 발전과 연구는 계속해서 진행 중이며 새로운 보안 위협에 대응하기 위해 더욱 강력한 알고리즘과 방법이 개발되고 있다.