대칭 키 암호화 방식

1. 개요

대칭 키 암호화 방식(Symmetric Key Cryptography)은 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용하는 암호화 기법이다. 이 방식의 핵심 원리는 송신자와 수신자가 같은 키를 공유하고 있어야만 데이터를 안전하게 주고받을 수 있다는 것이다. 대표적인 대칭 키 암호화 알고리즘으로는 AES, DES, 3DES 등이 있으며, 해당 방식은 대량의 데이터 암호화와 같은 고속 처리가 필요한 환경에서 널리 사용된다.

2. 기본 개념

다음은 암호학에서 사용되는 기본 개념에 대한 설명이다.

메시지(Plaintext) : 일반적으로 암호화되지 않고 전송 또는 저장된 데이터를 의미한다.
암호화(Encryption) : 특별한 지식을 소유한 사람들을 제외하고는 누구든지 읽어볼 수 없도록 알고리즘을 이용하여 처리하는 방식을 말한다.
암호문(Ciphertext) : 암호 알고리즘을 이용하여 평문에 수행한 암호화의 결과이다.
복호화(Decryption) : 암호화된 정보를 원래의 형태로 되돌리는 처리 방식을 말한다.

3. 원리

대칭 키 암호화 방식의 이해를 돕기 위해 다음과 같이 두 가지의 과정으로 나누어 설명한다.

3-1. 대칭 키 생성

< 대칭 키 암호화 방식을 채택하기 위한 사전 조건 : 안전한 대칭 키의 전달 >

윈터는 대칭 키를 생성한다.
윈터는 대칭 키를 복사 후 USB에 넣어 오프라인으로 카리나에게 전달한다. 이로써, 윈터와 카리나는 동일한 대칭 키를 소유하게 된다.
이후 한국에 있는 카리나는 해외에 있는 윈터에게 메시지를 보내려고 한다. 단, 메시지는 유출되선 안된다.

3-2. 암호화 및 복호화 과정

카리나는 메시지를 작성한다.
카리나는 메시지를 대칭 키로 암호화한다.
카리나는 암호문을 윈터에게 전송한다.
윈터는 암호문을 대칭 키로 복호화한다.
윈터는 메시지를 확인한다.

4. 장점

대칭 키 암호화 방식의 장점은 다음과 같다.

연산속도 상대적으로 빠름 : 대칭 키 암호화 방식은 암호화와 복호화 과정에서 복잡한 수학적 연산이 적기 때문에, 처리 속도가 매우 빠르다. 특히 대량의 데이터를 처리해야 할 때 효율적으로 작동하며, 성능 면에서 뛰어난 장점을 제공한다.
구현이 비교적 간단 : 하나의 키로 암호화와 복호화를 모두 수행하기 때문에 대칭 키 암호화 방식은 키 관리나 알고리즘 구현이 공개 키 암호화 방식에 비해 단순하다. 이로 인해 암호화 시스템 설계나 소프트웨어 적용 과정도 상대적으로 용이하다.

공개 키 암호화 방식은 공개 키와 개인 키 간의 수학적 연관성을 증명해야 하는 복잡한 과정에 비해, 대칭 키 암호화는 단일 키를 기반으로 작동하므로 더 간단할 것임을 직관적으로 생각해 볼 수 있겠다.

5. 단점

하지만 하나의 키를 사용함에 따라 발생하는 단점은 다음과 같다.

대칭 키를 안전하게 전달하기 위한 방법이 제한됨 : 카리나와 윈터가 공유하는 하나의 대칭 키는 서로 간의 메시지 암복호화하는 데 사용된다. 이 때문에 두 사람 모두 해당 키가 외부에 유출되지 않도록 각별히 주의해야 한다. 하지만 안전하게 키를 전달할 수 있는 방법이 마땅치 않기 때문에 초기 키 교환 과정 자체가 보안상 취약점이 될 수 있다.
대칭 키 관리의 어려움 : 만약 윈터가 다른 멤버들과도 대칭 키 암호화를 사용한다면, 각 멤버와 개별적으로 하나씩 대칭 키를 생성해 공유해야 한다. 예를 들어 3명의 멤버와 통신한다면, 윈터는 3개의 대칭 키를 안전하게 교환하고, 각 암호문에 맞는 키를 골라 복호화해야 한다. 이를 더 확장해 학교, 지역, 국가 단위로 적용한다면, 개인당 관리해야 할 키의 수는 𝒏(𝒏−𝟏)÷𝟐 개로 기하급수적으로 늘어난다. 결과적으로 대칭 키 방식은 사용자가 많아질수록 키 관리가 매우 복잡해진다는 단점이 있다.