공개키 암호화와 대칭키 암호화 이해하기: 디지털 보안의 핵심 개념과 활용 가이드

공개키 암호화(Public-Key Cryptography)는 안전한 디지털 통신의 핵심 기술 중 하나로 비대칭 암호화라고도 불립니다. 전통적인 암호화 방식인 대칭키 암호화가 하나의 공유된 비밀키를 사용하는 반면 공개키 암호화는 공개키와 개인키라는 두 개의 키를 사용하여 데이터를 보호합니다. 이러한 두 개의 키 시스템은 정보의 기밀성을 보장할 수 있는 중요한 이점이 있어 이메일 암호화, 안전한 웹 브라우징, 블록체인 등 다양한 현대 기술의 기반이 됩니다.

이번 블로그에서는 공개키 암호화가 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 그리고 오늘날 디지털 세상에서 왜 중요한지에 대해 알아보겠습니다.

공개키 암호화에 대해 설명하기에 앞서 대칭키 암호화가 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다.

 

대칭키 암호화란?

 

대칭키 암호화(Symmetric-Key Cryptography)는 데이터 암호화와 복호화에 하나의 동일한 키를 사용하는 암호화 방식입니다. 이는 공개키와 개인키를 따로 사용하는 비대칭키 암호화와는 대조되는 방식으로 대칭키 암호화는 비교적 빠르고 간단하여 오래전부터 널리 사용되고 있으며,특히 네트워크 내에서 대량의 데이터 전송에 유리합니다.

아래 그림처럼 대칭키 암호는 A와 B가 정보를 주고 받을 때, 다른 누구도 알아볼 수 없도록 하기 위해서 정보를 암호화하고 암호화를 다시 원본으로 바꾸는 복호화(Decryption)하는 과정에 사용됩니다. 이 때 필요한 암호 키는 A와 B가 동일한 키를 사용하며 암호화된 문서를 열어볼 수 있도록 비밀 번호를 공유하는 것과 같고 비밀키가 동일하므로 이를 안전하게 공유하고 보관하는 것이 매우 중요합니다.

대칭키 암호화의 한계점

 

• 키 배포의 어려움: 대칭키 암호화에서는 송신자와 수신자가 동일한 비밀키를 공유해야 하므로, 이 키를 안전하게 전달하는 것이 매우 중요합니다. 그러나 네트워크를 통해 키를 전송하는 과정에서 제3자가 이를 탈취할 위험이 존재합니다.
• 확장성 부족: 네트워크 상에서 다수의 사용자와 통신하려면 각각의 사용자마다 별도의 키를 사용해야 하므로, 키 관리가 복잡해집니다.
• 보안 리스크: 만약 하나의 키가 탈취되면 그 키로 암호화된 모든 데이터가 유출될 수 있어 보안에 취약해질 수 있습니다.

또한 대칭키 암호는 암호 키가 암호화하는 사람과 복호화하는 사람 쌍방이 공유하는 암호 키에 의해서 작동하는 시스템이므로 정보의 암호화(Encryption)에는 사용할 수 있지만 암호 키를 필수적으로 2명 이상이 알고 있는 방식이기 때문에 고유성(Uniqueness)이 없습니다.

그렇다면 고유성이 왜 필요할까요? 이것은 여러분이 계약서를 쓸 때 서명을 하는 원리와 동일합니다. 서명은 다른 사람은 할 수 없는 오직 나만의 행위라는 고유성에 대한 증거입니다. 이를 디지털 상으로 표현하기 위해선 누구도 알 수 없고 오직 나만 알고 있어야 하는 암호 키가 필요합니다. 따라서 고유한 암호키를 가진 시스템도 필요합니다.

이러한 한계점을 극복하기 위해 공개키 암호화라는 것이 나오게 되었습니다.

공개키 암호화란 무엇인가?

 

공개키 암호화는 각 사용자가 공개키(Public Key)와 개인키(Private Key)라는 두 개의 고유 키를 갖는 데이터 암호화 방식입니다. 공개키는 타인과 공유할 수 있는 키이며, 개인키는 비밀로 유지되어야 하는 키입니다. 이 두 키는 수학적으로 서로 연결되어 있지만, 공개키만으로는 개인키를 유추할 수 없습니다. 공개키는 데이터를 암호화하는 데 사용되고 개인키는 이를 해독하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 누군가가 특정 정보(메시지)를 안전하게 보내고 싶다면 수신자의 공개키로 데이터를 암호화하고 수신자는 자신의 개인키로 암호화된 데이터를 복호화하여 내용을 확인할 수 있습니다.

 

공개키 암호화는 어떻게 작동하는가?

 

공개키 암호화는 한 방향으로는 계산하기 쉽지만 반대로는 매우 어려운 수학적 함수에 기반을 둡니다. 공개키 암호화의 주요 단계는 다음과 같습니다.

• 키 생성: 각 사용자는 공개키와 개인키 쌍을 생성합니다. 개인키는 비밀로 유지되며, 공개키는 자유롭게 공유할 수 있습니다.
• 암호화: 송신자가 안전하게 메시지를 전송하고자 할 경우 수신자의 공개키로 데이터를 암호화합니다. 이를 통해 원본 메시지(평문)는 암호화된 형식(암호문)으로 변환되어 제3자가 내용을 알아볼 수 없게 됩니다.
• 복호화: 수신자는 암호화된 메시지를 받아 자신의 개인키를 사용해 이를 복호화합니다. 공개키로 암호화된 데이터는 해당하는 개인키로만 해독할 수 있어 보안을 유지합니다.

공개키 암호화의 중요성

 

공개키 암호화의 주요 장점은 비밀 키를 공유할 필요 없이 안전한 통신을 가능하게 한다는 점입니다. 이는 기존의 대칭키 암호화가 가지는 비밀키 교환의 어려움을 해결하고, 다음과 같은 다양한 보안 기능을 제공합니다.

• 기밀성: 공개키로 암호화된 데이터는 해당 개인키로만 복호화 가능하여, 지정된 수신자만 메시지를 볼 수 있습니다.
• 인증: 공개키 암호화는 발신자의 신원을 확인하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 디지털 서명을 통해 송신자가 신뢰할 수 있는지 검증할 수 있습니다.
• 무결성: 메시지가 전송 중에 변조되지 않았음을 보장할 수 있습니다.
• 부인 방지: 디지털 서명과 같이 개인키를 사용하는 경우, 발신자는 메시지를 보냈음을 부인할 수 없습니다. 이는 법적 계약이나 디지털 합의에 필수적인 기능입니다.

공개키 암호화의 활용 사례

 

공개키 암호화는 다양한 디지털 보안 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

• 디지털 서명: 디지털 서명은 메시지, 문서 또는 소프트웨어의 무결성과 신뢰성을 검증하는 데 사용됩니다. 송신자가 개인키로 서명하면, 수신자는 해당 공개키로 이를 검증할 수 있습니다.
• SSL/TLS 보안 웹 브라우징: SSL(보안 소켓 계층) 및 TLS(전송 계층 보안) 프로토콜은 웹 서버와 브라우저 간에 안전한 연결을 설정하는 데 사용됩니다.
• 이메일 암호화(PGP): PGP(Pretty Good Privacy)는 이메일을 암호화하고 서명하는 데 사용되는 공개키 기반 방식으로, 이메일 수신자만이 내용을 볼 수 있도록 보장합니다.
• 암호화폐와 블록체인: 비트코인을 포함한 암호화폐와 블록체인 기술은 공개키 암호화를 기반으로 하며, 공개키는 지갑 주소로, 개인키는 거래 서명을 위한 수단으로 사용됩니다.
• 파일 암호화 및 보안 데이터 공유: 파일 암호화 도구는 공개키 암호화를 활용하여 민감한 파일을 안전하게 공유할 수 있습니다.

공개키 암호화가 적용된 실제 사례로는 온라인 뱅킹의 인증 과정, 전자상거래에서의 결제 정보 보호, 그리고 VPN(가상 사설망)을 통한 안전한 원격 접속이 있습니다. 이러한 활용 사례는 일상생활에서 우리가 사용하는 다양한 디지털 보안 서비스가 얼마나 중요한지 보여줍니다.

대표적인 공개키 암호 시스템: RSA

 

공개키 암호화의 대표적인 알고리즘으로는 RSA, DSA, ECC 등이 있습니다. 특히 ECC(Elliptic Curve Cryptography)는 RSA에 비해 짧은 키 길이로도 높은 보안성을 제공하여 모바일 기기 등 자원이 제한된 환경에서 널리 사용됩니다.

RSA는 가장 널리 사용되는 공개키 암호화 시스템 중 하나로, 1970년대에 개발되었습니다. 두 개의 큰 소수를 사용해 공개키와 개인키를 생성하며, 이 두 소수의 곱을 인수분해하는 것이 매우 어렵다는 수학적 특성에 기반하여 보안을 유지합니다. RSA는 데이터 전송과 디지털 서명에 널리 사용되며, 현대의 여러 응용 프로그램에서 여전히 중요한 역할을 합니다.

대칭키와 공개키 암호화의 비교

특징	대칭키 암호화	공개키 암호화
속도	빠름	느림
보안성	중간	높음
키 관리	복잡 (다수의 키 필요)	간단 (공개키와 개인키)

 

공개키 암호화의 강점과 한계

 

• 강점: 비밀키를 공유할 필요가 없어 안전한 통신을 단순화하며, 인증, 기밀성, 데이터 무결성을 보장하는 데 강력한 기반을 제공합니다.
• 한계: 대칭키 암호화에 비해 계산 능력과 시간이 더 많이 소요되어 속도가 느리고 대용량 데이터에는 적합하지 않습니다. 또한, 공개키 알고리즘은 양자 컴퓨팅이 등장할 경우 보안 위협에 직면할 가능성이 있습니다.

공개키 암호화의 미래

 

디지털 통신과 데이터 공유가 증가함에 따라 공개키 암호화의 중요성은 더욱 커질 것입니다. 그러나 양자 컴퓨팅의 발전으로 현재의 암호화 시스템이 위험에 처할 가능성도 있어, 이를 대비한 양자 내성 암호(Post-Quantum Cryptography)의 개발이 필요합니다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)를 비롯한 여러 기관이 양자 컴퓨터에 대비한 암호화 알고리즘 표준화를 추진 중입니다.

마무리하며

 

공개키 암호화는 현대 디지털 보안의 근본으로서 안전한 통신, 인증, 데이터 무결성을 제공합니다. 온라인 뱅킹부터 블록체인 기술까지 다양한 분야에 활용되고 있으며, 디지털 시대에 필수적인 보안 도구로 자리잡았습니다. 향후에도 공개키 암호화는 새로운 보안 도전에 대응하며 진화할 것이며, 양자 컴퓨팅과 같은 혁신적 기술이 등장하면서, 다중체인 네트워크 및 새로운 보안 체계를 위한 중요한 이정표가 될 것입니다.