[Security] SSL

SSL 개념

• Secure Socket Layer
• Netscape 사에서 웹 서버와 브라우저 사이의 보안을 위해 개발한 것
• Certificate Authority(CA)라 불리는 서드 파티로부터 서버와 클라이언트 인증하는데 사용
• 전송된 모든 데이터가 비 공개로 유지
• TLS(Transport Layer Security)라고도 함

 

SSL 동작 원리

TLS 단계 기본 절차

1. 지원 가능한 알고리즘 서로 교환
2. 키 교환, 인증
3. 대칭키 암호로 암호화하고 메시지 인증

SSL 인증서

• 클라이언트와 서버간의 통신을 제3자가 보증해주는 전자화된 문서
• 클라이언트가 서버에 접속한 직후에 서버는 클라이언트에게 이 인증서 정보를 전달
• 클라이언트는 이 인증서 정보가 신뢰할 수 있는 것인지를 검증 한 후에 다음 절차를 수행

SSL 인증서는 다음과 같은 정보가 포함됨

• 서비스의 정보(인증서를 발급한 CA, 서비스의 도메인 등)
• 서버 측 공개키(공개키의 내용, 공개키의 암호화 방법)

SSL과 SSL 디지털 인증서를 이용했을 때의 이점

• 통신 내용이 공격자에게 노출되는 것을 막을 수 있습니다.
• 클라이언트가 접속하려는 서버가 신뢰할 수 있는 서버인지를 판단할 수 있습니다.
• 통신 내용의 악의적인 변경을 방지할 수 있습니다.

CA

• 인증서의 역할은 클라이언트가 접속한 서버가 클라이언트가 의도한 서버가 맞는지를 보장
• 이 역할을 하는 민간기업들을 CA(Certificate Authority) 혹은 Root Certificate라 무름
• SSL을 통해서 암호화된 통신을 제공하려는 서비스는 CA를 통해서 인증서를 구입해야 함

SSL 동작 방법

• 암호화된 데이터를 전송하기 위해서 공개키와 대칭키를 혼합해서 사용
• 클라이언트와 서버가 주고받는 실제 정보는 대칭키 방식으로 암호화하고, 대칭키 방식으로 암호화된 실제 정보를 복호화할 때 사용할 대칭키는 공개키 방식으로 암호화

Handshake

• 프로토콜 버전번호 교환
• 양쪽이 알고 있는 pre master secret 키 생성 및 교환
• 양쪽의 신원 인증
• 채널을 암호화 하기 위한 임시 세션 키 생성

 

1. 클라이언트가 서버에 접속합니다. 이 단계를 Client Hello라고 합니다. 이 단계에서 주고 받는 정보는 아래와 같습니다.

• 클라이언트 측에서 생성한 랜덤 데이터
• 클라이언트가 지원하는 암호화 방식들: 클라이언트와 서버가 지원하는 암호화 방식이 서로 다를 수 있기 때문에 상호간에 어떤 암호화 방식을 사용할 것인지에 대한 협상을 해야 합니다. 이 협상을 위해서 클라이언트 측에서는 자신이 사용할 수 있는 암호화 방식을 전송하게 됩니다.
• 세션 아이디: 이미 SSL 핸드쉐이킹을 했다면 비용과 시간을 절약하기 위해서 기존의 세션을 재활용하게 되는데 이때 사용할 연결에 대한 식별자를 서버 측으로 전송합니다.

 

2. 서버는 Client Hello에 대한 응답으로 Server Hello를 하게 됩니다. 이 단계에서 주고 받는 정보는 아래와 같습니다.

• 서버 측에서 생성한 랜덤 데이터
• 서버가 선택한 클라이언트의 암호화 방식: 클라이언트가 전달한 암호화 방식 중에서 서버 쪽에서도 사용할 수 있는 암호화 방식을 선택해서 클라이언트로 전달합니다. 이로써 암호화 방식에 대한 협상이 종료되고 서버와 클라이언트는 이 암호화 방식을 이용해서 정보를 교환하게 됩니다.
• 인증서

 

3. 클라이언트는 서버의 인증서가 CA에 의해서 발급된 것인지를 확인하기 위해서 클라이언트에 내장된 CA 리스트를 확인합니다.

• CA 리스트에 인증서가 없다면 사용자에게 경고 메시지를 출력하게 됩니다.
• 인증서가 CA에 의해서 발급된 것인지를 확인하기 위해서 클라이언트에 내장된 CA의 공개키를 이용해서 인증서를 복호화합니다.
• 복호화에 성공했다면 인증서는 CA의 개인키로 암호화된 문서임이 암시적으로 보증된 것입니다. 
• 이러한 절차로 인증서를 전송한 서버를 신뢰할 수 있게 됩니다.

 

클라이언트는 2번 단계를 통해서 받은 서버의 랜덤 데이터와 클라이언트가 생성한 랜덤 데이터를 조합해서 pre master secret이라는 키를 생성하게 됩니다.

이 키는 뒤에서 살펴볼 세션 단계에서 데이터를 주고 받을 때 암호화하기 위해서 사용될 것입니다.

 이 때 사용할 암호화 기법은 대칭키이기 때문에 pre master secret 값은 제 3자에게 절대로 노출 되어서는 안됩니다.

 

이 pre master secret 값을 어떻게 서버에 전달할까요? 이때 사용하는 방법이 바로 공개키 방식입니다. 

서버의 공개키로 pre master secret 값을 암호화해서 서버로 전송하면 서버는 자신의 비공개키로 안전하게 복호화 할 수 있습니다. 

그럼 서버의 공개키를 어떻게 구할 수 있을까요? 서버로부터 받은 인증서 안에 들어있습니다.

이 서버의 공개키를 이용해서 pre master secret 값을 암호화한 후에 서버로 전송하면 안전하게 전송할 수 있습니다.

 

4. 서버는 클라이언트가 전송한 pre master secret 값을 자신의 비공개키로 복호화합니다.

이로서 서버와 클라이언트가 모두 pre master secret 값을 공유하게 되었습니다.

그리고 서버와 클라이언트는 모두 일련의 과정을 거쳐서  pre master secret 값을 master secret 값으로 만듭니다.

master secert 은 session key를 생성하는데 이 session key 값을 이용해서 서버와 클라이언트는 데이터를 대칭키 방식으로 암호화한 후에 주고 받게 됩니다.

이렇게해서 세션키를 클라이언트와 서버가 모두 공유하게 됩니다.

 

5. 클라이언트와 서버는 핸드쉐이크 단계의 종료를 서로에게 알립니다.

 

세션

세션은 실제로 서버와 클라이언트가 데이터를 주고받는 단계입니다.

이 단계에서 핵심은 정보를 상대방에게 전송하기 전에 session key 값을 이용해서 대칭키 방식으로 암호화 한다는 점입니다.

암호화된 정보는 상대방에게 전송될 것이고, 상대방도 세션키 값을 알고 있기 때문에 암호를 복호화 할 수 있습니다.

 

그냥 공개키를 사용하면 될 것을 대칭키와 공개키를 조합해서 사용하는 이유는 무엇일까요?

그것은 공개키 방식이 많은 컴퓨터 파워를 사용하기 때문입니다.

만약 공개키를 그대로 사용하면 많은 접속이 몰리는 서버는 매우 큰 비용을 지불해야 할 것입니다. 

반대로 대칭키는 암호를 푸는 열쇠인 대칭키를 상대에게 전송해야 하는데, 암호화가 되지 않은 인터넷을 통해서 키를 전송하는 것은 위험하기 때문입니다.

그래서 속도는 느리지만 데이터를 안전하게 주고 받을 수 있는 공개키 방식으로 대칭키를 암호화하고, 실제 데이터를 주고 받을 때는 대칭키를 이용해서 데이터를 주고 받는 것입니다.

 

세션 종료

데이터의 전송이 끝나면 SSL 통신이 끝났음을 서로에게 알려줍니다. 이 때 통신에서 사용한 대칭키인 세션키를 폐기하게 됩니다.

 

 

대칭키 / 비대칭키 차이

대칭키 암호의 장점과 공개키 암호의 장점을 채택하여 용량이 큰 정보는 대칭키로 암호화하고, 암호화에 사용된 대칭키는 공개키로 암호화하여 대상에게 전달하는 하이브리드 암호화 방법이 일반적으로 활용됨

	대칭형 암호	비 대칭형 암호
설명	비 공개키 암호 방식 암호화와 복호화에 같은 암호 키(비밀키)를 사용 일반적인 평문 데이터베이스를 암호화 하거나 통신 시 송수신 데이터를 암복호화 할 때 사용 데이터 변환 방식 블록암호 고정된 크기의 블록 단위로 암호화, 복호화 연산을 수행 암호키 크기에 따라 64 ~ 256비트 블록 크기로 연산 파이스텔 블록 구조 SPN 블록 구조 스트림 암호	공개키 암호 방식 암호화와 복호화를 위해 서로 다른 암호 키를 사용 주로 키 교환이나 메시지 또는 인증(전자서명) 등에 사용 개인키로 암호화 한 정보는 그 쌍이 되는 공개키로만 복호화 가능 반대로 공개키로 암호화 한 정보는 그 쌍이 되는 개인키로만 복호화 가능
종류	DES, IDEA, AES, RC, SEED AES: DES를 대체하기 위해 나왔으며 키의 크기는 128, 192, 256 비트 지원	RSA 큰 수의 소인수분해가 매우 어렵다는 것을 기반 대칭키 암호화보다 더 나은 키 분배 가능 범용적으로 사용 가능(인증서, 비밀번호) 대칭키 암호화보다 훨씬 느림 대체적으로 bit 수가 많고 수행 시간이 길어짐 DSA Digital Signature Algorithm의 약자로 디지털 서명 표준(Digital Signature Standard) 관련 특정 알고리즘  디지털 서명 기능 관련 특정 알고리즘 디지털 서명 기능 이외 사용 불가(암호,키 교환 사용불가) ECC 타원곡선 암호(ECC, Elliptic Curve Cryptography) 알고리즘 다른 공개키 암호 시스템보다 작은 키 길이에도 동일한 보안 수준 적용 가능 휴대용 장비 같은 자원이 제한되는 환경에서 특별히 선호 RSA 방식에 비해 상대적으로 더 느림 ElGamal
장점	공개 키 암호와 비교하여 계산 속도가 빠름	암호화키 사전 공유 불필요 통신 대상의 추가가 용이 인증 기능 제공
단점	암호키가 배송 과정에서 노출되면 아무리 뛰어난 암호화 알고리즘을 사용했더라도 정보 노출 위험	암/복호화가 대칭형 암호에 비해 현저하게 느림 중간자 공격(MITM: Man In The Middle Attack)에는 취약

 

PKI 구성 요소

• Public Key Infrastructure, 공개 키 기반구조
• 공개 키 암호 방식을 바탕으로 한 디지털 인증서를 활용하는 소프트웨어, 하드웨어, 사용자, 정책 및 제도 등을 총칭
• 인증기관(CA, Certificate Authority), 등록기관(RA, Registration Authority), 검증기관(VA, Validation Authority), 사용자로 구성

인증서 발급 과정

1. 사용자는 등록대행기관(RA)에 인증서 발급 요청
2. 등록대행기관(RA)는 사용자의 신원을 확인한 후, 인증기관(CA)에 인증서 발행을 요청
3. 인증기관(CA)은 검증기관(VA)로부터 유효성을 확인하여 인증서 발행 및 레파지토리에 보관
4. 사용자에게 인증서를 전달함으로써 발급 완료
5. 사용자는 이 인증서를 이용해 온라인 상점 등에서 거래 시도
6. 검증기관에서는 인증서의 유효성을 검증함으로써 온라인 거래를 성사시킴

인증서 검증방식

• CRL: 전자서명 인증서 폐지 목록, 최신상태 유지
• OSCP: 실시간으로 인증서의 유효성을 검증할 수 있는 프로토콜
• SCVP: 인증성 유효성 여부와 특정 인증서까지의 인증서 체인 유효성을 검증

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References

• https://12bme.tistory.com/80
• https://opentutorials.org/course/228/4894
• https://brownbears.tistory.com/332