Supreme Note

암호화

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암호화 (Encryption)

I. 데이터 기밀성 및 무결성 보장의 핵심 기반, 암호화의 개요

  • 정의: 인가되지 않은 제3자의 도청 및 위·변조를 방지하기 위해 수학적 알고리즘과 암호키(Key)를 적용하여 평문(Plaintext)을 해독 불가능한 암호문(Ciphertext)으로 변환하는 보안 기술
  • 특징: 커크호프의 원리, 혼돈과 확산, 기밀성(Confidentiality), 무결성(Integrity), 인증(Authentication), 부인방지(Non-repudiation) 제공

II. 암호화의 아키텍처 및 핵심 기술 요소

가. 암호화의 참조 아키텍처 및 분류 체계

flowchart TB
    subgraph PROCESS["암호화 및 복호화 처리 메커니즘"]
        direction LR
        P1["평문 (Plaintext)<br/>M"] --> ENC["암호화 알고리즘 (E)"]
        K1["암호화 키 (K1)"] --> ENC
        ENC --> C["암호문 (Ciphertext)<br/>C = E_K1(M)"]
        C --> DEC["복호화 알고리즘 (D)"]
        K2["복호화 키 (K2)"] --> DEC
        DEC --> P2["평문 (Plaintext)<br/>M = D_K2(C)"]
    end

    subgraph TAXONOMY["현대 암호 체계의 분류 및 발전 패러다임"]
        direction TB
        
        subgraph SYM["대칭키 암호 (K1 = K2)"]
            direction LR
            BLOCK["블록 암호 (SPN/Feistel)<br/>• AES, ARIA, SEED<br/>• CBC, CTR, GCM 모드"]
            STREAM["스트림 암호 (Keystream)<br/>• ChaCha20, Salsa20<br/>• 실시간 스트리밍/IoT"]
        end

        subgraph ASYM["공개키/비대칭키 암호 (K1 ≠ K2)"]
            direction LR
            CLASSIC["고전 공개키 (수학적 난제)<br/>• RSA (소인수분해)<br/>• ECC/ECDSA (타원곡선 이산대수)"]
            PQC["양자내성암호 (PQC)<br/>• ML-KEM, ML-DSA<br/>• 격자/해시 기반 내성"]
        end

        subgraph PETS["프라이버시 보존 암호 (PETs)"]
            direction LR
            FHE["동형암호 (FHE)<br/>• CKKS, BFV (연산보존)"]
            ZKP["영지식 증명 (ZKP)<br/>• zk-SNARKs (진위검증)"]
            FPE["형태보존 암호 (FPE)<br/>• FF1, FF3-1 (스키마유지)"]
        end
    end

    PROCESS ==> TAXONOMY

  • 평문과 키를 결합해 기밀성을 확보하며, 현대 암호는 대칭키(고속 대용량 처리)와 공개키(키 교환/인증)의 하이브리드 구조를 기본으로 채택

  • 최근 패러다임은 ‘전송/저장 중 데이터 보호’에서 ‘사용/연산 중 데이터 보호(Data-in-Use/동형암호)’ 및 ‘양자 컴퓨터 공격 방어(PQC)‘로 확장

나. 암호화의 핵심 기술 요소

구분핵심 기술(키워드)세부 설명
대칭키 (블록)AES / ARIA / SEEDSPN(AES/ARIA) 및 Feistel(SEED) 구조 기반 정형 블록(128bit) 단위 암호화, 대용량 DB 및 스토리지 저장 암호화 표준
대칭키 (스트림)ChaCha20 / Poly1305의사난수 비트열(Keystream)과 평문의 XOR 연산, 저전력 모바일 환경 및 TLS 1.3 초고속 전송 패킷 암호화에 최적화
블록 운용모드GCM (Galois/Counter Mode)CTR 모드의 병렬 암호화와 Galois 필드 기반 인증 태그 생성을 동시 수행하는 대표적 AEAD(인증 암호화) 표준
공개키 (인수분해)RSA (PKCS #1)큰 소수의 곱을 소인수분해하기 어렵다는 수학적 난제 기반, 키 분배 및 전자서명에 널리 활용(2048~4096bit)
공개키 (이산대수)ECC (ECDH / ECDSA)타원곡선 이산대수 난제(ECDLP) 기반, RSA 대비 짧은 키 길이(256bit)로 동등한 보안성을 제공하여 모바일/인증서 표준 채택
형태보존 암호FPE (Format-Preserving)암호화 후에도 원본 데이터의 길이, 자릿수, 문자 형식을 그대로 유지(FF1, FF3-1), DB 스키마 수정 없는 개인정보 암호화
연산보존 암호동형암호 (FHE / CKKS)암호문을 복호화하지 않고 암호화된 상태 그대로 연산(사칙/행렬 연산)을 수행, 민감 의료/금융 데이터 결합 및 AI 추론 보호
영지식 증명ZKP (zk-SNARKs / STARKs)비밀 정보를 노출하지 않고 해당 정보의 유효성만을 수학적으로 증명하는 알고리즘, DID(분산신원증명) 및 프라이버시 보호
양자내성 암호PQC (FIPS 203 / 204)양자컴퓨터의 쇼어(Shor) 알고리즘에 안전한 격자(ML-KEM, ML-DSA) 기반 차세대 공개키 표준, Crypto-Agility 핵심

III. 암호화 기술 간 비교 및 데이터 전주기 보호 전략

가. 주요 암호화 기술 유형별 비교

비교 항목대칭키 암호 (Symmetric)공개키 암호 (Asymmetric)동형암호 (Homomorphic)양자내성암호 (PQC)
암·복호화 키동일 키 (비밀키 1개)암호화(공개키) ≠ 복호화(개인키)연산키(Evaluation Key) 활용공개키(PK) ≠ 비밀키(SK)
보안 기반블록 라운드 치환/전치수학적 난제 (소인수/이산대수)LWE/RLWE 등 격자 난제고차원 격자, 해시, 코드 난제
처리 속도매우 빠름 (Gbps 급)느림 (대칭키 대비 수백 배 지연)매우 느림 (연산 부하 큼, 가속기 필요)중간 (격자 기반 시 고속 처리 가능)
키 관리/분배사전 안전 채널 공유 필수공개키 자유 배포로 관리 용이연산 주체와 복호화 주체 분리공개키 교환 기반 관리 체계 유지
주요 보호 대상Data-at-Rest, Data-in-Transit키 교환, 전자서명, PKI 인증Data-in-Use (연산 중 보호)양자 시대 통신/인증 인프라

나. 데이터 전주기 암호화 및 전환 전략

  • 데이터 상태별 전주기(Full Lifecycle) 보호:

    • Data-at-Rest (저장 데이터): AES-256-GCM, FPE(주민번호/계좌번호) 적용을 통한 저장소 유출 방지

    • Data-in-Transit (전송 데이터): TLS 1.3 기반 ECDHE/ChaCha20 적용 및 PQC 하이브리드 키 교환 구성

    • Data-in-Use (사용/연산 데이터): 동형암호(CKKS) 및 기밀컴퓨팅(TEE/Enclave)을 결합하여 메모리 상의 원본 데이터 노출 차단

  • 암호 민첩성(Crypto-Agility) 확보: 시스템 중단 없이 암호 알고리즘을 모듈러 방식으로 즉시 교체할 수 있는 구조를 설계하고, 양자컴퓨팅 위협에 대응하여 하이브리드 PQC 전환 로드맵을 단계적으로 수립 필요