최신 업데이트: 2024년 12월 27일
디피-헬만 키 교환을 사용하면 두 당사자는 개방형 네트워크에서도 공유된 “비밀 키”를 생성할 수 있어, 누군가 정보를 가로채려고 할 때도 그들이 교환하는 정보를 안전하게 보호할 수 있습니다. 이 기술은 오늘날에도 일상적인 도구에서 민감한 데이터를 보호하는 데 여전히 중요합니다.
1976년에 처음 개발된 Diffie-Hellman은 여전히 온라인 보안의 기초가 되고 있습니다. 예를 들어, VPN은 사용자의 장치와 VPN 서버 사이에 암호화된 터널을 설정하여 사용자의 브라우징 활동을 감시하지 못하도록 보호합니다. 또한 HTTPS(웹사이트에서 보는 자물쇠 상징)를 가능하게 하여, 심지어 불안전한 채널에서도 사용자의 개인 정보를 비공개로 유지할 수 있게 해줍니다.
이 글에서 키 교환이 어떻게 작동하는지, 안전한 통신을 위해 왜 필수적인지, 그리고 일상적인 온라인 활동에서 어떻게 사용자를 보호하는지 설명합니다.
디피-헬만 키 교환 방식이란?
디피-헬만 키 교환을 사용하면 다른 사람이 엿듣고 있어도 두 당사자가 공유 비밀 키를 만들 수 있습니다. 이 공유 키를 이용하면 서로 주고받는 메시지를 암호화하고 해독할 수 있습니다.
이 두 당사자(Jen과 Kevin이라고 하겠습니다)가 이 공유 키를 만들기 위해 복잡한 숫자 대신 색상을 사용한다고 상상해 보세요. 작동 방식은 다음과 같습니다.
- 기본 색상에 합의: Jen과 Kevin은 노랑과 같은 공통의 기본 색상에 먼저 합의합니다. 이 기본 색상은 공개되기 때문에 엿듣고 있는 사람이라면 누구나 알 수 있습니다.
- 비밀 색상 선택: 각자 비밀 색상을 선택해 자신만의 것으로 간직합니다. Jen은 파란색을, Kevin은 주황색을 고릅니다.
- 혼합 및 공유: Jen과 Kevin은 각자의 비밀 색을 공통의 노랑색과 혼합합니다. 이렇게 해서 두 가지 새로운 색이 만들어집니다. Jen의 혼합물은 회색 계통의 녹색이 되었고, Kevin의 혼합물은 밝은 주황색이 되었습니다. 그런 다음 이 혼합물을 서로에게 개방된 네트워크를 통해 교환합니다.
- 최종 색상 생성: 혼합된 색상을 교환한 후, 각자 받은 색과 자신의 비밀 색을 다시 혼합합니다. 두 사람 모두 같은 최종 색상(이 예에서는 녹색을 띤 갈색)을 얻게 되는데, 이는 그들만이 알 수 있는 색상입니다. 보안되지 않은 통신 채널을 통해 공유하지 않고 서로에게 보내는 모든 메시지를 암호화하고 해독하는 데 사용합니다.
제3자가 염탐하고 있다면 기본 색상(노란색)과 Jen과 Kevin이 주고받은 두 가지 혼합 색상을 볼 수 있습니다. 하지만 두 사람의 비밀 색을 알지 못하면 비밀 키인 최종 색을 재현할 수 없습니다.
실제 디피-헬만 교환에서는 색상 대신에 (정말) 큰 숫자로 대체됩니다. 최종 키를 계산하기 위해서는 비공개 “색상”(숫자)을 알아야 하기 때문에, 설사 강력한 컴퓨터를 가진다 해도 이를 알아내는 것은 사실상 불가능합니다. “사실상 불가능하다”라고 말하는 이유는, 기술적으로는 공개적으로 알려진 정보를 가지고 최종 키를 계산하는 것이 가능하지만 그 계산이 너무 어렵기 때문입니다. 그 이유를 알아보려면 계속 읽어보세요.
디피-헬만 키 교환이 깨기 거의 불가능한 이유
디피-헬만 키 교환은 이산 로그 문제라는 수학 문제를 기반으로 합니다. 기본 과학용 계산기에 ‘LOG’ 키만 있으면 계산할 수 있는 기저가 10 단위인 일반적인 로그와 달리 이산 로그는 효율적으로 계산할 수 있는 방법이 알려져 있지 않습니다. 물감의 비유를 계속 이어가자면, 최종 비밀 혼합물을 얻기 위해 색을 섞는 것은 쉽지만, 그 혼합물을 분리하여 시작 색을 추출하는 것은 시간과 비용이 매우 많이 듭니다. 이것이 중요한 이유는 다음과 같습니다.
Jen과 Kevin이 공유 키를 생성할 때, 각자 추측하기 어려운 거대하고 무작위로 선택된 숫자를 사용합니다. 혹시 누군가 그들의 교환의 일부를 본다고 해도, 최종 공유 키를 알아내기 위해선 이 비밀스러운 숫자들을 알아야 합니다. 하지만 이산 로그 문제 덕분에, 사용 가능한 정보로부터 “역으로 작업”하여 키를 재생성하는 것은 초고성능 컴퓨터에게조차 엄청나게 어려운 일입니다.
이러한 복잡성 때문에 디피-헬만을 믿을 수 있습니다. 온라인 뱅킹부터 개인 메시징에 이르기까지, 디피-헬만의 강점은 깨기 어려워 사용자의 개인 정보를 안전하게 보호한다는 점입니다.
잠재적 취약점 및 그 해결책
디피-헬만 키 교환은 안전한 전송을 위한 강력한 도구이지만, 단독으로 사용될 경우 특정 취약점이 있습니다.
내장형 인증 부재
가장 큰 문제점은 디피-헬만 키 교환은 내장형 인증 기능이 없어 사용자들이 중간자 공격(man-in-the-middle, MitM)에 노출될 수 있다는 것입니다.
MitM 공격에서는 제3자가 사용자 A와 B 사이의 메시지를 가로챕니다. 이들은 A에게는 B인척하고, 반대로 B에게는 A인척 합니다. 신원을 확인할 방법이 없으면, 사용자는 의도한 대상이 아닌 공격자와 무의식적으로 보안 정보를 교환할 수 있습니다.
이러한 위험을 방지하기 위해, 디피-헬만은 종종 디지털 인증서나 공개 키 알고리즘인 리베스트-샤미어-애들만(Rivest-Shamir-Adleman, RSA)과 같은 인증 방법과 함께 사용됩니다. RSA는 하나는 공개 키, 다른 하나는 개인 키를 포함한 두 개의 키를 사용해 신원을 확인하는 널리 사용되는 암호화 알고리즘입니다.
디피-헬만을 RSA와 결합함으로써, 사용자는 서로의 정체를 확인한 후 안전하게 정보를 공유할 수 있으며, MitM 공격의 위험을 크게 줄일 수 있습니다.
약한 소수 사용: 주의해야 할 또 다른 취약점
디피-헬만 구현 시 약한 혹은 흔한 소수를 사용하는 것은 공격자들에게 취약점을 노출시킬 수도 있습니다. 여기에서 말하는 소수는 두 당사자가 서로에게 보낼 번호를 계산하기 위해 선택한 비밀 번호와 함께 사용하는 수입니다. 만약 상호간에 설정한 소수가 너무 작거나 여러 시스템에서 널리 공유된다면, 공격자들은 이러한 패턴을 이용하여 키 교환을 깨뜨릴 수 있습니다.
디피-헬만을 강화하기 위해서는 최소 2,048 비트(617자리의 십진수에 해당하는 이진수를 생각해보세요) 크기의 고유 소수를 사용하거나, 타원곡선 디피-헬만 이페머럴(Elliptic-Curve Diffie-Hellman Ephemeral) 사용을 고려하는 것이 권장됩니다.
타원곡선 디피-헬만 이페머럴 (Elliptic-Curve Diffie-Hellman Ephemeral)은 더 안전한 “타원곡선” 수를 사용하는 디피-헬만의 한 버전입니다. 타원곡선의 성질에 대해 자세히 설명하지는 않겠지만, 기본 수학 문제가 계산적으로 해결하기 어렵기 때문에 더 안전하다고 말할 수 있습니다. 즉, 더 작은 키 크기(2,048비트와 비교하여 224비트)로 같은 수준의 보안이 가능합니다.
Logjam 공격: 특정 시나리오에서 디피-헬만을 위협하는 요소
특정 경우에 디피-헬만의 또 다른 잠재적 위험은 바로 전송 계층 보안(TLS) 프로토콜과 함께 사용될 때 logjam 공격에 취약할 수 있다는 점입니다. TLS는 인터넷을 통해 전송된 데이터를 암호화하는 보안 프로토콜로, 개인 정보 보호와 보안을 보장합니다. 웹 브라우저에서 “자물쇠” 아이콘을 본다면, 그 사이트가 TLS 암호화를 사용하고 있다는 뜻일 때가 많습니다.
Logjam 공격에서 공격자는 클라이언트와 서버 사이에 있습니다(이것도 MitM 공격의 한 종류입니다). 클라이언트가 Diffie-Hellman을 사용하여 안전한 TLS 연결을 설정하려고 할 때, 공격자는 통신을 가로채서 양쪽 당사자가 약한 512비트 키 사용에 동의하도록 강요합니다.
연결이 약한 512비트 키를 사용하도록 다운그레이드되면 공격자는 미리 계산된 값을 사용하거나 효율적인 계산을 수행하여 Diffie-Hellman 키 교환을 중단하고 암호화 된 통신을 해독할 수 있습니다. 512비트 키가 취약한 이유는 최신 컴퓨터가 이러한 작은 키에 대한 이산 로그 문제를 비교적 빠르게 해결할 수 있기 때문입니다.
디피-헬만 키 교환의 실용적 응용
디피-헬만 키 교환은 온라인 전송 보안을 유지하는 다양한 보안 프로토콜에서 사용됩니다. 여기 데이터 보호에 사용되는 가장 흔한 방법들을 몇 가지 소개합니다.
- TLS 및 HTTPS 연결: 이런 연결은 사용자의 브라우징 활동과 민감한 데이터를 안전하게 보호합니다. 주소창에 “자물쇠” 아이콘이 보이면, 해당 웹사이트가 HTTPS를 사용하고 있는 것을 뜻하는데, 이는 데이터가 사용자의 기기와 사이트 사이에서 전송될 때 이를 암호화하기 위해 TLS를 기반으로 합니다. 디피-헬만은 신용 카드 번호와 로그인 정보와 같은 중요 정보의 보안을 위해 연결을 비공개로 유지하는 데 필요한 암호화 키를 설정하는 데 도움을 줍니다.
- 가상 사설망 (VPN): VPN(예를 들면 ExpressVPN)은 터널을 통해 네트워크 트래픽을 암호화하여 사용자의 데이터를 외부로부터 숨깁니다. 디피-헬만 키 교환은 VPN이 이 터널을 암호화하기 위해 안전한 키를 생성하는데 핵심적인 역할을 하며, 이를 통해 누구도 사용자의 인터넷 트래픽을 가로챌 수 없게 보장합니다.
- IPsec (인터넷 프로토콜 보안): 이는 비공개 네트워크에서 데이터를 안전하게 합니다. IPsec은 주로 기업 네트워크에서 내부 전송을 보호하기 위해 사용됩니다. 디피-헬만은 네트워크 내에서 데이터를 안전하게 유지하는데 사용되는 암호화 키를 설정하는 데에 도움을 줍니다. (여기에서 이러한 프로토콜 및 VPN 서비스에서 사용되는 다른 프로토콜에 대해 자세히 알아보세요.)
에디터 노트: ExpressVPN 및 이 사이트는 동일한 그룹이 소유합니다.
디피-헬만 키 교환의 진화
Diffie-Hellman 키 교환은 만들어진 이래 최신 보안 요구 사항을 따라잡기 위해 몇 가지 변화를 거쳤습니다. 시간이 지남에 따라 개선되고 확장된 몇 가지 방법은 다음과 같습니다.
- 완전 순방향 기밀성 통합: 사이버 보안 위협이 진화하면서 디피-헬만도 발전했습니다. 완전 순방향 기밀성으로 보안을 강화하기 위해 DHE(Ephemeral Diffie-Hellman)와 같은 변형이 개발되었습니다. 이 기능은 개인 키가 미래에 노출되더라도 과거의 통신 내용이 안전하게 보호되도록 보장합니다.
- 타원 곡선으로의 전환: 계산 수요를 줄이기 위해, 타원곡선 디피-헬만(ECDHE)이 도입되었습니다. 기존의 큰 소수 대신 타원 곡선을 사용하여 ECDHE는 더 짧은 키로 유사한 보안을 달성하며, 이는 더 빠르고 효율적이기 때문에 최신 기기에 이상적입니다.
- 단체 대화로의 확장: 디피-헬만의 원래 양자간 모델은 안전한 단체 메시징에 적용되었으며 여러 참여자가 암호화된 통신을 위해 공유 키를 생성할 수 있습니다. 이 도입은 2명 이상의 사용자간 안전한 키 공유를 지원하므로 팀 기반 앱에 적합한 옵션입니다.
이러한 변화들은 디피-헬만이 사이버 보안의 변화하는 환경에서 계속 관련성을 유지하여, 안전한 통신 채널을 설정하는 핵심 프로토콜로 남도록 보장하고 있습니다.
양자 컴퓨팅이 디피-헬만 키 교환의 보안에 영향을 미칠까요?
양자 컴퓨팅은 암호화 분야를 바꿀 수 있는 획기적인 기술로 떠오르고 있습니다. 아직은 기능적인 양자 컴퓨터 개발의 초기 단계에 있으며 언제 현실화될지 예측하기조차 어렵지만, 양자 컴퓨팅이 현실화되면 디피-헬만 암호에 영향을 미칠 수 있습니다.
양자 컴퓨터의 힘
전통적인 컴퓨터가 비트(0과 1)를 사용하여 데이터를 처리하는 것과 달리, 양자 컴퓨터는 큐비트를 사용합니다. 큐비트는 중첩이라는 속성 덕분에 관찰되지 않는 한 한 번에 여러 상태로 존재할 수 있다는 점에서 독특합니다. 즉, 양자 컴퓨터는 복잡한 계산을 전통적인 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 처리할 수 있어, 어려운 문제를 해결하는 강력한 도구가 될 수 있습니다.
수십억 가지 조합이 가능한 금고를 열려고 한다고 상상해 보세요. 기존 컴퓨팅 방식이라면, 맞는 조합을 찾을 때까지 하나씩 시도해야 합니다. 반면 양자 컴퓨팅은 중첩을 통해 여러 가능성을 동시에 처리할 수 있기 때문에, 마치 모든 조합을 동시에 시도하는 것과 같습니다.
이것이 암호학에 어떤 의미를 갖나요? 디피-헬만 같은 오늘날의 많은 암호화 방법은 전통 컴퓨터가 풀기에는 너무 오랜 시간이 걸리는 특정 문제들에 기반하고 있습니다. 하지만 양자 컴퓨터가 더 발전하면서, 예상보다 빠르게 이러한 문제들을 해결할 수 있게 될 텐데, 이는 우리의 현재 보안 방식을 약화시킬 수 있습니다.
양자 컴퓨터가 디피-헬만을 깨트릴 수 있는 방법
위에서 설명했듯이, 디피-헬만의 보안의 핵심은 현존 컴퓨터로는 거의 풀 수 없는 이산 로그 문제, 바로 수학적인 난제에 있습니다. 하지만 양자 컴퓨터는 쇼어의 알고리즘과 같은 특별한 도구를 사용하여 이 문제를 해결할 수 있게 만들어, 디피-헬만 보안의 비밀 키를 밝혀낼 수 있습니다.
쇼어의 알고리즘은 1994년 수학자 피터 쇼어에 의해 개발된 양자 알고리즘으로, 큰 합성 수를 효율적으로 인수 분해하기 위해 고안되었습니다. 쇼어의 알고리즘을 이용하면, 양자 컴퓨터는 오늘날의 기술로는 허용되지 않는 속도로 비밀 키를 계산하여 디피-헬만의 보안을 효율적으로 우회할 수 있습니다. 아직 실현 가능한 단계는 아니지만, 양자 컴퓨팅이 발전할 때마다 우리는 더 가까워지고 있습니다. 그렇기 때문에 암호화 커뮤니티는 ‘양자 이후’ 세상에서 데이터를 보호하기 위한 대안을 적극적으로 모색하고 있습니다.
양자학을 위한 안전한 미래 준비
양자 안전 암호학은 복잡하게 들릴 수 있지만, 목표는 간단합니다. 양자 컴퓨팅의 힘을 견딜 수 있는 암호화 방법을 만드는 것입니다.
유망한 분야 중 하나는 격자 기반 암호학으로, 복잡한 수학적 구조인 격자 위에 보안을 구축합니다. 이 격자들은 심지어 양자 컴퓨터로도 쉽게 해결할 수 없도록 설계되어 강력한 방어선을 제공합니다.
다른 가능한 대안으로는 다변량 암호학이 있는데, 여러 변수의 방정식을 사용해 보안 시스템을 만들고, 타원곡선 이소게니 암호학도 있으며 이는 양자 컴퓨팅 위협을 버티는 타원곡선 사이의 매핑(이소게니)을 찾는 데 의존하는 방법입니다.
이러한 분야를 활발히 연구 및 개발 중인 암호화 커뮤니티는 기술이 발전하는 가운데서도 보안을 유지하기 위해 노력하고 있습니다.
자주 묻는 질문들
디피-헬만 키 교환은 무엇인가요?
디피-헬만 키 교환은 암호화 방식으로 불안전한 네트워크 상에서 두 사용자가 공통의 비밀 키를 생성할 수 있게 합니다. 그런 다음 이 공유 키를 사용하여 통신을 암호화하고 엿듣고 있을 수 있는 제3자로부터 통신을 보호할 수 있습니다.
1976년에 발명된 Diffie-Hellman은 안전한 온라인 커뮤니케이션의 획기적인 기술입니다. 비밀 키를 직접 만나 교환할 필요 없이, 사용자들은 보안이 없는 채널을 통해 통신하면서도 비밀 키를 설정할 수 있게 되었습니다. 오늘날에도 디피-헬만은 HTTPS, VPNs와 같은 많은 안전한 프로토콜을 지탱하는 사이버 보안의 기본 기술로 남아 있습니다.
디피-헬만 키 교환의 목적은 무엇인가요?
디피-헬만 키 교환의 목적은 두 당사자가 안전하게 공유 비밀 키를 생성하는 것입니다. 이를 통해 다른 사람들이 접근할 수 없는 방식으로 정보를 교환할 수 있습니다.
디피-헬만은 물리적으로 만나지 않고도 비밀 키를 설정함으로써 안전한 온라인 통신을 가능하게 합니다. 이 공유 키는 데이터 암호화에 사용되어 메시지가 도용되지 않도록 보호합니다. 디피-헬만은 사이버 보안에서 중요한 역할을 계속하고 있으며, 온라인 뱅킹부터 개인 메시지까지 모든 것을 안전하게 해주면 사용자의 민감한 정보를 보호합니다.
디피-헬만 키 교환에 문제는 무엇인가요?
디피-헬만 키 교환의 주된 문제점은 내장된 인증이 없어 중간자 공격(man-in-the-middle, MitM)에 취약하다는 것입니다. 인증이 없으면 공격자는 신뢰할 수 있는 당사자로 위장하여 통신을 가로챌 수 있습니다.
또한, 양자 컴퓨팅 시대에는 보안과 관련된 또 다른 문제가 발생합니다. 양자 알고리즘은 언젠가 디피-헬만의 수학적 근간인 이산 로그 문제를 더 쉽게 풀 수 있을 것입니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 디피-헬만은 종종 인증 방법과 결합하여 미래의 양자 위협에 맞서 방어하도록 지속적으로 진화 중입니다.