[컴퓨터 네트워크] 19. 네트워크 보안: 암호학부터 방화벽까지

네트워크 보안의 핵심 요소
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1. 기밀성 (Confidentiality)
   - 의도된 수신자만 메시지를 읽을 수 있음
   - 구현: 암호화 (Encryption)

2. 무결성 (Integrity)
   - 메시지가 전송 중 변조되지 않았음을 보장
   - 구현: 해시, MAC, 전자서명

3. 인증 (Authentication)
   - 통신 상대방의 신원을 확인
   - 구현: 인증 프로토콜, 인증서

4. 가용성 (Availability)
   - 서비스가 정상적으로 이용 가능한 상태 유지
   - 위협: DDoS 공격

공격자의 위협:
  - 도청 (Eavesdropping): 기밀성 침해
  - 변조 (Modification): 무결성 침해
  - 위장 (Impersonation): 인증 침해
  - 서비스 거부 (DoS): 가용성 침해

대칭키 암호 동작
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      비밀키 K (양측이 공유)
         |                |
         v                v
[평문] --[암호화]--> [암호문] --[복호화]--> [평문]
 "Hello"   E_K()    "xYz!@"    D_K()    "Hello"

특징:
  - 암호화/복호화에 같은 키 사용
  - 빠른 연산 속도
  - 키 분배 문제: 양측이 안전하게 키를 공유해야 함

대칭키 알고리즘
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알고리즘  | 키 길이      | 블록 크기 | 상태
----------+-------------+----------+--------
DES       | 56비트      | 64비트   | 취약 (사용 금지)
3DES      | 168비트     | 64비트   | 안전하지만 느림
AES       | 128/192/256 | 128비트  | 현재 표준
RC4       | 가변        | 스트림   | 취약 (사용 금지)
ChaCha20  | 256비트     | 스트림   | 현대적, TLS 1.3

AES (Advanced Encryption Standard):
  - 2001년 NIST가 DES를 대체하여 선정
  - 블록 암호: 128비트 블록 단위로 처리
  - 라운드 수: 10/12/14 (키 길이에 따라)
  - 현재 가장 널리 사용되는 대칭키 암호

블록 암호 운용 모드
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1. ECB (Electronic Codebook): 각 블록 독립 암호화
   [B1] -> [E] -> [C1]
   [B2] -> [E] -> [C2]
   문제: 같은 평문 블록 -> 같은 암호문 블록 (패턴 노출)

2. CBC (Cipher Block Chaining): 이전 암호문과 XOR 후 암호화
   [B1 XOR IV] -> [E] -> [C1]
   [B2 XOR C1] -> [E] -> [C2]
   장점: 같은 평문이라도 다른 암호문 생성

3. CTR (Counter): 카운터를 암호화하여 평문과 XOR
   [CTR+0] -> [E] -> XOR [B1] -> [C1]
   [CTR+1] -> [E] -> XOR [B2] -> [C2]
   장점: 병렬 처리 가능, 스트림 암호처럼 동작

공개키 암호 동작
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Bob의 키 쌍: (공개키 Kb+, 개인키 Kb-)
  - 공개키: 누구나 알 수 있음
  - 개인키: Bob만 알고 있음

Alice가 Bob에게 메시지 전송:
  [평문 m] --[Kb+로 암호화]--> [암호문] --[Kb-로 복호화]--> [평문 m]

특성:
  - Kb+(m)을 Kb-로만 복호화 가능
  - Kb-를 Kb+로부터 계산하는 것은 계산적으로 불가능
  - 키 분배 문제 해결 (공개키는 자유롭게 배포)
  - 대칭키보다 연산이 느림 (100~1000배)

RSA 동작 원리
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키 생성:
  1. 큰 소수 p, q 선택 (각 1024비트 이상)
  2. n = p x q 계산
  3. z = (p-1)(q-1) 계산
  4. z와 서로소인 e 선택 (공개키의 일부)
  5. e x d mod z = 1인 d 계산 (개인키의 일부)

공개키: (n, e)
개인키: (n, d)

암호화: c = m^e mod n
복호화: m = c^d mod n

보안 근거:
  - n으로부터 p, q를 찾는 것 = 대수 분해 문제
  - 현재 기술로 2048비트 이상의 n은 분해 불가

하이브리드 암호 시스템
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공개키 암호는 느리므로, 실제로는 세션키를 교환할 때만 사용

1. Alice가 랜덤 대칭키(세션키) Ks 생성
2. Alice가 Bob의 공개키로 Ks를 암호화하여 전송
   Kb+(Ks) --> Bob에게 전송
3. Bob이 개인키로 Ks 복호화
   Kb-(Kb+(Ks)) = Ks
4. 이후 양측이 Ks로 AES 대칭키 암호 사용

장점:
  - 공개키: 안전한 키 교환 (느리지만 한 번만)
  - 대칭키: 빠른 데이터 암호화 (대량 데이터)

해시 함수 특성
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H(m) = 고정 길이의 해시값 (메시지 다이제스트)

요구사항:
  - 일방향성: H(m)에서 m을 역산 불가
  - 충돌 저항성: H(m) = H(m')인 서로 다른 m, m' 찾기 어려움
  - 쇄도 효과: 입력이 1비트 변해도 출력이 크게 변함

대표 알고리즘:
  MD5:    128비트 출력 (취약, 사용 금지)
  SHA-1:  160비트 출력 (취약, 사용 금지)
  SHA-256: 256비트 출력 (현재 표준)
  SHA-3:  가변 출력 (차세대 표준)

MAC 동작
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송신자 (Alice):                    수신자 (Bob):
  메시지 m                          수신: m + MAC
  비밀키 s                          비밀키 s
  MAC = H(m + s)                   MAC' = H(m + s)
  전송: m + MAC                    MAC == MAC'? --> 무결성 확인

HMAC (Hash-based MAC):
  HMAC = H(K XOR opad || H(K XOR ipad || m))

  - 단순히 H(m+s)보다 안전한 구조
  - TLS, IPsec 등에서 표준으로 사용

전자서명 동작
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서명 생성 (Alice):
  1. 메시지 m의 해시 계산: h = H(m)
  2. 개인키로 해시를 암호화: sig = Ka-(h)
  3. 전송: m + sig

서명 검증 (Bob):
  1. 메시지 m의 해시 계산: h = H(m)
  2. Alice의 공개키로 서명 복호화: h' = Ka+(sig)
  3. h == h'? --> 서명 유효

전자서명이 제공하는 것:
  - 인증: Alice가 서명했음을 확인
  - 무결성: 메시지가 변조되지 않았음
  - 부인 방지: Alice가 서명 사실을 부인할 수 없음

공개키 인증서 (PKI)
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문제: Bob이 받은 공개키가 정말 Alice의 것인가?
해결: 신뢰할 수 있는 제3자(CA)가 보증

인증서 구조:
  +----------------------------------+
  | 발급 대상: alice.com              |
  | 공개키: Ka+                      |
  | 발급자: DigiCert (CA)            |
  | 유효 기간: 2026.01.01 ~ 2027.01.01 |
  | 서명: CA의 개인키로 서명됨        |
  +----------------------------------+

검증 과정:
  1. Bob이 alice.com의 인증서 수신
  2. CA의 공개키로 인증서의 서명 검증
  3. 유효하면 인증서 내의 Ka+를 신뢰

대표 CA: DigiCert, Let's Encrypt, GlobalSign

TLS의 위치
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[HTTP, SMTP, FTP 등]
[TLS/SSL]
[TCP]
[IP]
[링크 계층]

TLS가 제공하는 보안:
  - 기밀성: 데이터 암호화 (AES 등)
  - 무결성: MAC으로 변조 검출
  - 인증: 서버 인증서로 신원 확인

TLS 1.2 핸드셰이크
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클라이언트                            서버
    |                                   |
    |--- ClientHello ------------------>|
    |    (지원 암호 목록, 랜덤값)        |
    |                                   |
    |<-- ServerHello -------------------|
    |    (선택된 암호, 랜덤값)           |
    |<-- Certificate -------------------|
    |    (서버 인증서)                   |
    |<-- ServerHelloDone ---------------|
    |                                   |
    |--- ClientKeyExchange ------------>|
    |    (프리마스터 시크릿, 서버 공개키로 암호화)|
    |--- ChangeCipherSpec ------------->|
    |--- Finished --------------------->|
    |                                   |
    |<-- ChangeCipherSpec --------------|
    |<-- Finished ----------------------|
    |                                   |
    |=== 암호화된 애플리케이션 데이터 ===|

TLS 1.3 개선사항:
  - 1-RTT 핸드셰이크 (TLS 1.2는 2-RTT)
  - 0-RTT 재연결 지원
  - 안전하지 않은 암호 제거
  - 더 강력한 키 교환 (ECDHE 필수)

IPsec 프로토콜
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1. AH (Authentication Header)
   - 인증과 무결성 제공
   - 암호화 미제공
   - 잘 사용되지 않음

2. ESP (Encapsulating Security Payload)
   - 인증 + 무결성 + 암호화 모두 제공
   - 가장 많이 사용

동작 모드:
  전송 모드 (Transport Mode):
    원본: [IP 헤더][데이터]
    ESP:  [IP 헤더][ESP 헤더][데이터(암호화)][ESP 트레일러][ESP 인증]
    --> 호스트 간 직접 통신 시 사용

  터널 모드 (Tunnel Mode):
    원본: [IP 헤더][데이터]
    ESP:  [새 IP 헤더][ESP 헤더][원본 IP 헤더 + 데이터(암호화)][ESP 트레일러]
    --> VPN 게이트웨이 간 통신 시 사용

VPN 동작
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본사                                    지사
[내부 네트워크] -- [VPN GW] ===IPsec 터널=== [VPN GW] -- [내부 네트워크]
10.1.0.0/16                 인터넷          10.2.0.0/16

패킷 흐름:
  1. 10.1.0.5에서 10.2.0.10으로 패킷 전송
  2. 본사 VPN GW가 패킷을 IPsec ESP로 암호화
  3. 새 IP 헤더: 출발지=본사 GW, 목적지=지사 GW
  4. 인터넷을 통해 암호화된 패킷 전송
  5. 지사 VPN GW가 복호화하여 10.2.0.10으로 전달

IKE (Internet Key Exchange):
  - IPsec SA(Security Association) 설정을 위한 프로토콜
  - 양측 인증 및 키 교환 수행

방화벽 유형
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1. 패킷 필터링 (Packet Filtering)
   - IP 주소, 포트, 프로토콜 기반으로 필터링
   - 상태 비보존: 각 패킷을 독립적으로 판단
   - 빠르지만 정교한 제어 어려움

2. 상태 보존 패킷 필터링 (Stateful Packet Filtering)
   - TCP 연결 상태를 추적
   - 연결이 설정된 패킷만 허용
   - 더 정교한 보안

3. 애플리케이션 게이트웨이 (Application Gateway)
   - 애플리케이션 데이터를 검사
   - HTTP, FTP 등 프로토콜별 세밀한 제어
   - 프록시 서버로 동작

패킷 필터링 규칙 예시
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규칙  | 방향   | 출발지 IP    | 목적지 IP    | 프로토콜 | 포트  | 동작
------+--------+--------------+--------------+---------+------+------
  1   | 인바운드| *            | 10.1.0.0/16 | TCP     | 80   | 허용
  2   | 인바운드| *            | 10.1.0.0/16 | TCP     | 443  | 허용
  3   | 인바운드| *            | 10.1.0.5    | TCP     | 22   | 허용
  4   | 아웃바운드| 10.1.0.0/16| *           | TCP     | *    | 허용
  5   | *      | *            | *            | *       | *    | 거부

해석:
  규칙 1: 외부에서 내부 웹서버(80)로 HTTP 접속 허용
  규칙 2: 외부에서 내부 웹서버(443)로 HTTPS 접속 허용
  규칙 3: 외부에서 특정 서버로 SSH 접속 허용
  규칙 4: 내부에서 외부로 나가는 모든 TCP 허용
  규칙 5: 나머지 모두 거부 (기본 정책)

IDS 유형
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1. 시그니처 기반 IDS
   - 알려진 공격 패턴(시그니처)과 매칭
   - 장점: 알려진 공격에 대해 정확한 탐지
   - 단점: 새로운 공격(제로데이) 탐지 불가

2. 이상 탐지 기반 IDS
   - 정상 트래픽 패턴을 학습하고 이상 탐지
   - 장점: 새로운 공격도 탐지 가능
   - 단점: 오탐(false positive)이 높을 수 있음

배치 위치:
  인터넷 --> [방화벽] --> [IDS] --> [내부 네트워크]

IPS (Intrusion Prevention System):
  - IDS + 자동 차단 기능
  - 탐지된 공격을 실시간으로 차단

네트워크 공격 유형
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1. IP 스푸핑 (Spoofing)
   - 출발지 IP 주소를 위조
   - 대응: 입구 필터링 (Ingress Filtering)

2. DoS/DDoS
   - 대량의 트래픽으로 서비스 마비
   - SYN Flood: TCP 3-way 핸드셰이크 악용
   - 대응: SYN 쿠키, 트래픽 필터링

3. 중간자 공격 (Man-in-the-Middle)
   - 통신 경로에 끼어들어 도청/변조
   - 대응: TLS, 인증서 검증

4. ARP 스푸핑
   - 가짜 ARP 응답으로 트래픽 가로채기
   - 대응: 정적 ARP 테이블, 802.1X

5. DNS 스푸핑
   - 가짜 DNS 응답으로 피싱 사이트 유도
   - 대응: DNSSEC