상호 간 암호화 스팩 공유에 관하여

최근에 타 업체와 같이 암호화에 관해서 협의한 적이 있었습니다.

다들 어떻게 하는지는 잘 모르겠지만, 일반적으로 아래와 같이 의견교환을 할 것입니다.

암호화 스팩

알고리즘 : AES-256
암호화키 : abcdefghijklmnopqrstuvwxyz123457890
인코딩 : UTF-8

알고리즘, 암호화키 만 보내는 경우가 일반적이며, 인코딩을 보내지 않는 경우도 심심찮게 확인할 수 있습니다. 그리고 샘플코드 라도 첨부파일로 보내주면 다행인데, 그렇지 않은 경우도 허다합니다. 일부 경우에는 검증되지 않은 블로그 포스트나 링크를 보내주고 그대로 해달라고 하기도 합니다.

참으로 답답한 현실이 아닐수가 없습니다. 저도 과거 주니어 시절에는 잘 모르고 위 처럼 의사소통을 하기도 하였는데, 지금 생각하면 얼굴이 붉어지는 일입니다 ㅠ

많은 개발자 들이 암호화에 대한 정확한 이해가 없이 의사소통을 하고 이런 방식이 어느 순간부터 대중화(?) 된 것 같습니다. 여기에 관련해서 해당 부분에 대한 간략한 이론적인 내용을 알아보고, 이제부터는 어떻게 암호화 스팩을 상호 간 공유해야 하는지 알아보겠습니다.

짚고 넘어가야할 부분은 여기서는 대중적으로 상호 간 통신 시 가장 많이 쓰이는 대칭키 암호화 방식으로 이야기 하겠습니다. 코드는 Java 기준으로 설명하겠습니다.

암호화 인터페이스

public interface Crypto {
  // 암호화
  String encrypt(String plain);
  // 복호화
  String decrypt(String cipher);
}

일반적으로 대부분의 개발자들은 개발 시 암/복호화를 위해서 위와 같은 인터페이스가 필요할 것입니다.

반론으로 왜 byte[] 가 지원되지 않는가?, 왜 암호화 키를 입력 받지 않는가도 있지만, 그것은 생각하지 않겠습니다.

위와 같은 간단한 인터페이스를 통해서 간단하게 암호화가 가능하게 할려면 최소 아래와 같은 내용을 확인해야합니다.

대칭키 암호화 시 스팩

암호화 알고리즘
- key size
- 필요에 따라서 block size
암호화 모드
Padding 방식
암호화 키
- 일부 암호화 모드에서는 초기화벡터 도 필요함
암호문자열 바이트인코딩 + 문자인코딩
키문자열(암호화키, 초기화벡터) - 바이트 간 인코딩 방식 (문자인코딩, 바이트인코딩 둘 다 가능)
- 암호 문자열과 인코딩 방식과 키문자열 인코딩 방식이 다르면 필요

말로 풀어서 쓰니 어려우니 예를 들어서 위 내용을 풀어보겠습니다.

암호화 알고리즘 : AES
- key size : 256 bit
- block size : 128 bit (AES의 블록사이즈는 128로 고정입니다. 고로 block size는 skip해도 됩니다.)
암호화 모드 : CBC
Padding 방식 : PKCS5
암호화키 : 12345678901234567890123456789012 (32자)
- 초기화벡터 : 1234567890123456 (16자)
암호문 인코딩 방식 : Base64 + UTF-8
키 인코딩 방식 : ASCII (문자인코딩)

이렇게 보아도 이해가 잘 안되는 거 같습니다. 그래서 위에서 선언한 인터페이스를 구현하면서 어떻게 해당 내용이 구현되는지 보면서 알아보겠습니다.

암호화 인터페이스 구현

암호화 알고리즘, 모드, 패딩

public class AES256Crypto implements Crypto {

  // 알고리즘/모드/패딩
  private static final String algorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";

  // 암호화
  public String encrypt(String plain) {
    Cipher c = Cipher.getInstance(algorithm);
    // TODO
    return null;
  }
  ...
}

기본적으로 알고리즘, 모드, 패딩이 필요합니다.

알고리즘은 암호화 알고리즘이며 예제의 경우 AES 방식을 사용합니다. 블록암호화 방식이기 때문에 Byte Padding이 필요합니다.
모드는 암호화 방식입니다. 예제의 경우 CBC를 사용하는데 이럴 경우 초기화 벡터가 필요합니다.
블록 암호화 방식이기 때문에 padding 방식이 필요합니다.

예제의 경우 우선 암호화(encrypt) 부터 구현하겠습니다.

참고 : 블럭암호 AES Padding와 암호화 모드

암호화 키, key size

public class AES256Crypto implements Crypto {
  // 알고리즘/모드/패딩
  private static final String algorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
  // 암호화 키
  private final String secretKey;

  public AESCrypto(String secretKey) {
    if (secretKey.length != 256 / 8) {
      throw new IllegalArgumentException("'secretKey' must be 256 bit");
    }
    this.secretKey = secretKey;
  }

  // 암호화
  public String encrypt(String plain) {
    Cipher c = Cipher.getInstance(algorithm);
    // TODO
    return null;
  }
  ...
}

256 bit 암호화 방식이기 때문에 키 입력에 대한 유효성을 추가하였습니다. - 아직은 논란이 있는 코드입니다. key size가 암호화 알고리즘의 bit 수를 가르키는 것과 동일하게 됩니다. 즉 AES256 이라는 것은 암호화 키 사이즈가 256 bit 라는 말과 동일합니다.

초기화 벡터, block size

public class AES256Crypto implements Crypto {
  // 알고리즘/모드/패딩
  private static final String algorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
  // 암호화 키
  private final String secretKey;
  // 초기화 벡터
  private final String iv;

  public AESCrypto(String secretKey, String iv) {
    if (secretKey.length != 256 / 8) {
      throw new IllegalArgumentException("'secretKey' must be 256 bit");
    }
    if (iv.length != 128 / 8) {
      throw new IllegalArgumentException("'iv' must be 128 bit");
    }
    this.secretKey = secretKey;
    this.iv = iv;
  }

  // 암호화
  public String encrypt(String plain) {
    Cipher c = Cipher.getInstance(algorithm);
    // TODO
    return null;
  }
  ...
}

AES의 block size는 128 bit 고정이기 때문에 별 다른 변화가 없습니다.

AES의 모태가 되는 Rijendael알고리즘 경우에는 128 192 256 bit이기 때문에 달라질 수 있습니다.

단, 초기화벡터(iv)의 경우 block size와 같아야 하기 때문에 128 bit 여야합니다. iv의 경우 더 강력한 암호화를 위해서는 암호화 요청 시 마다 달라지는 것이 보안에 더 좋으나, 예제이므로 우선은 초기 세팅으로 표현하겠습니다.

암호문 인코딩

public interface Encoder {
  // string -> bytes
  byte[] encode(String str);
  // bytes -> string
  String decode(byte[] bytes);
}

갑자기 새로운 인터페이스가 추가되었습니다. 암호문을 인코딩 하기 위해서는 위와 같은 인터페이스가 필요하기 때문입니다.

간단하게 설명하면 string -> bytes 가 encode이며, bytes -> string 는 decode입니다. 기본적으로 인코딩은 charset와 연관관계가 깊은 문자인코딩으로 생각하기 쉬운데, 암호화의 경우에는 암호화로 인해 문자인코딩과는 별개의 규칙이 없는 bytes가 반환되므로 문자로 표현할 수 없게 됩니다.

고로 암호문을 위한 인코딩 은 1차적으로 문자(charset)와 연관없는 인코딩이 가능해야합니다. 즉 문자열을 기준으로 해서 byte화 시키는 문자인코딩과는 다르게 bytes를 기준으로 문자열화 시키는 인코딩 방식이 필요 하게 됩니다.

가장 간단하게는 bytes를 16진수 기반으로 표현하는 Hex 방식이나 Base64 방식을 사용하는 것이 좋습니다.

예제는 Base64 방식으로 진행하겠습니다.

암호문 Base 64 인코딩 구현

public class Base64Encoder implements Encoder {
  // base64는 아스키 코드 내로 표현가능한 인코딩 방식
  private static final String ASCII = "US-ASCII";

  // string -> bytes
  public byte[] encode(String str) {
    return Base64.encodeBase64(str.getBytes(ASCII));
  }
  // bytes -> string
  public String decode(byte[] bytes) {
    return new String(Base64.decodeBase64(bytes), ASCII);
  }
}

편의상 Exception 핸들링은 제외하였습니다.

위 구현체를 바탕으로 AES256Crypto 를 계속 구현해 보겠습니다. 아까 예시에서 정의한 “암호문 인코딩 방식 : Base64 + UTF-8” 에서 UTF-8 은 이후에 나옵니다. Base64Encoder에 정의된 것과 혼동하면 안됩니다. : base64 스팩 자체가 ASCII에 의존하는 방식입니다.

참고 : 위키백과-base64

암호문 구현체에 암호문 인코더 주입

public class AES256Crypto implements Crypto {
  // 알고리즘/모드/패딩
  private static final String algorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
  // 암호화 키
  private final String secretKey;
  // 초기화 벡터
  private final String iv;
  // 문자인코딩 방식
  private final String charset = "UTF-8";
  // 암호문 바이트 인코더
  private Encoder encoder = new Base64Encoder();
  ...

  // 암호화
  public String encrypt(String plain) {
    // 암호화 키 생성
    byte[] keyData = secretKey.getBytes("US-ASCII");
    SecretKey secureKey = new SecretKeySpec(keyData, "AES");

    Cipher c = Cipher.getInstance(algorithm);
    // 암호화 키 주입, iv 생성 주입, 초기화 - 이상하지만 우선 무시
    c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secureKey, new IvParameterSpec(iv.getBytes("US-ASCII")));
    // 문자인코딩 방식을 통한 string -> byte 변환 후 암호화
    byte[] encrypted = c.doFinal(plain.getBytes(charset));
    // encoder#encode를 통한 byte -> string 변환
    return encoder.encode(encrypted);
  }
  ...
}

객체 변수로 charset 항목이 UTF-8로 추가되었습니다. 그리고 encoder 객체도 default로 생성된 상태입니다.

입력받은 plain은 문자열 이기 때문에 문자인코딩 방식을 통해서 byte로 변환하겠습니다.

// 문자인코딩 방식을 통한 string -> byte 변환
plain.getBytes(charset)

Java에서는 기본적으로 String#getBytes(String charset) 메소드가 있기 때문에 이것을 이용해서 bytes로 변환하였습니다.

암호화 한 후 bytes 로 반환된 값을 문자열로 출력해야하는데 이럴 경우에는 바이트 인코딩 방식이 필요합니다. 위에서 미리 선언해 둔 Encoder인터페이스를 통해서 변환하겠습니다.

// encoder.encode를 통한 byte -> string 변환
encoder.encode(encrypted);

이렇게 해서 1차적으로 암호화 부분 구현이 완료되었습니다.

키 관련된 부분은 우선 무시하겠습니다. 그냥 봐도 좀 이상하지만 다음에 수정하겠습니다.

키 인코더 구현

public class StringEncoder implements Encoder {
  // 문자인코딩
  private final String charset;

  public StringEncoder(String charset) {
    this.charset = charset;
  }
  // string -> bytes
  public byte[] encode(String str) {
    return str.getBytes(charset);
  }
  // bytes -> string
  public String decode(byte[] bytes) {
    return new String(bytes, charset);
  }
}

갑자기 매우 단순한 키 인코더 구현체가 나와서 당황스러울 듯 합니다. 하지만 키 인코딩의 경우 문자인코딩, 바이트인코딩 방식 둘 다 가능하기 때문에 위와 같이 Encoder 인터페이스를 통한 구현체를 제공하는 것이 다형성이 도움이 되기 때문에 이렇게 구성해보았습니다.

지금의 예제는 ASCII 방식으로 암호화 키와 초기화 벡터를 제공하지만 이런 경우에는 키 bytes 구성이 아스키 기반으로 인해서 단순해 집니다. 고로 가능하면 다양한 바이트 구성이 가능한 base64나 hex를 이용해서 키 bytes를 제공할 수 있게 하는 것이 보안에 유리합니다.

우선 예제를 위해서 위 StringEncoder를 사용하는 것으로 진행하겠습니다.

*중요한 점은 위 인코더는 문자인코딩 방식이기 때문에 암호문 인코더로 사용하면 정상적인 암/복호화가 불가능 하게 됩니다.**

암호문 구현체에 키 인코더 주입 후 변경

public class AES256Crypto implements Crypto {
  // 알고리즘/모드/패딩
  private static final String algorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
  // 암호화 키
  private final String secretKey;
  // 초기화 벡터
  private final String iv;
  // 문자인코딩 방식
  private final String charset = "UTF-8";
  // 암호문 바이트 인코더
  private Encoder encoder = new Base64Encoder();
  // 키 인코더
  private Encoder keyEncoder = new StringEncoder("US-ASCII");
  ...

  // 암호화
  public String encrypt(String plain) {
    // 암호화 키 생성 - keyEncoder를 이용
    byte[] keyData = keyEncoer.encode(secretKey);
    SecretKey secureKey = new SecretKeySpec(keyData, "AES");

    Cipher c = Cipher.getInstance(algorithm);
    // 암호화 키 주입, iv 생성 주입, 초기화 - iv의 경우 keyEncodr를 이용
    c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secureKey, new IvParameterSpec(keyEncoer(iv));
    byte[] encrypted = c.doFinal(plain.getBytes(charset));
    return encoder.encode(encrypted);
  }
  ...
}

keyEncoder를 이용해서 암호화 키와 초기화 벡터를 bytes로 성공적으로 변환하였습니다. 여기에서 keyEncoder의 경우 ASCII charset을 기반으로 생성하였는데, 대부분의 경우 암호화 키를 예제(12345678901234567890123456789012)와 같이 영어와 숫자 또는 특수문자 기반으로 문자열을 제공하기 때문에 ASCII 만으로도 충분합니다.

만약 한국어 등을 이용한다면 해당 문자를 표현할 수 있는 charset(ex:UTF-8, EUC-KR)로 변환해야 합니다만 그런 케이스는 거의 없을 것입니다.

위에도 설명했지만 가능하면 문자열 키도 base64 과 같은 바이트 인코딩 방식으로 제공하는 것이 보안에 좋습니다.

복호화 메소드 구현

public class AES256Crypto implements Crypto {
  // 알고리즘/모드/패딩
  private static final String algorithm = "AES/CBC/PKCS5Padding";
  // 암호화 키
  private final String secretKey;
  // 초기화 벡터
  private final String iv;
  // 문자인코딩 방식
  private final String charset = "UTF-8";
  // 암호문 인코더
  private Encoder encoder = new Base64Encoder();
  // 키 인코더
  private Encoder keyEncoder = new StringEncoder("US-ASCII");
  ...

  // 복호화
  public String decrypt(String cipher) {
    // 암호화 키 생성 - keyEncoder를 이용
    byte[] keyData = keyEncoer(secretKey);
    SecretKey secureKey = new SecretKeySpec(keyData, "AES");

    Cipher c = Cipher.getInstance(algorithm);
    c.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secureKey, new IvParameterSpec(keyEncoer(iv));
    // encoder.decode 를 통해서 string -> bytes 변환
    byte[] encrypted = encoder.decode(cipher);
    // 복호화 후 문자인코딩 방식을 통한 byte -> string 변환 후 반환
    return new String(c.doFinal(encrypted), charset);
  }
}

암호화와는 반대로 진행하는 것을 확인할 수 있습니다.

암호화

String#getBytes(String)(문자 인코딩)를 이용해서 bytes로 변환
암호화
encoder.encode(바이트 인코딩)를 이용해서 String으로 변환

복호화

encoder.decode(바이트 디코딩)를 통해서 bytes로 변환
복호화
new String(byte[], String)(문자 디코딩)을 이용해서 String으로 변환

암/복호화 흐름

구현체에 중복코드가 많아서 약간의 리펙토링을 진행하고 전체코드를 보겠습니다.

AES256Crypt 리펙토링

public class AES256Crypto implements Crypto {
  public static final int KEY_SIZE = 256;
  public static final int BLOCK_SIZE = 128;
  private static final String AES = "AES";
  // 알고리즘/모드/패딩
  private static final String algorithm = AES + "/CBC/PKCS5Padding";
  // 암호화 키
  private final SecretKey secretKey;
  // 초기화 벡터
  private final IvParameterSpec iv;
  // 문자인코딩 방식
  private final String charset = "UTF-8";
  // 암호문 인코더
  private Encoder encoder = new Base64Encoder();
  // 키 인코더
  private Encoder keyEncoder = new StringEncoder("US-ASCII");

  public AESCrypto(String secretKey, String iv) {
    this.setSecretKey(secretKey);
    this.setIv(iv);
  }

  private void setSecretKey(String secretKey) {
    byte[] keyBytes = keyEncoder.encode(secretKey);
    if (keyBytes.length != KEY_SIZE / 8) {
      throw new IllegalArgumentException("'secretKey' must be "+ KEY_SIZE +" bit");
    }
    this.secretKey = new SecretKeySpec(keyBytes, AES);
  }

  private void setIv(String iv) {
    byte[] ivBytes = keyEncoder.encode(iv);
    if (ivBytes.length != BLOCK_SIZE / 8) {
      throw new IllegalArgumentException("'iv' must be "+ BLOCK_SIZE +" bit");
    }
    this.iv = new IvParameterSpec(keyEncoer(iv)
  }
  // 암호화
  public String encrypt(String plain) {
    Cipher c = Cipher.getInstance(algorithm);
    c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, this.secretKey, this.iv);
    byte[] encrypted = c.doFinal(plain.getBytes(charset));
    return encoder.encode(encrypted);
  }
  // 복호화
  public String decrypt(String cipher) {
    Cipher c = Cipher.getInstance(algorithm);
    c.init(Cipher.DECRYPT_MODE, this.secureKey, this.iv);
    byte[] encrypted = encoder.decode(cipher);
    return new String(c.doFinal(encrypted), charset);
  }
}

사용 예시

public static Example {
  // 암호화 키
  static final String key = "12345678901234567890123456789012";
  // 초기화 벡터
  static final String iv = "1234567890123456";

  public static void main(String[] args) {
    // 암호화 객체 생성
    Crypto aes256 = new AES256Crypto(key, iv);

    String plain = "1234 가나다라 !@#$"
    // 암호화
    String cipher = aes256.encode(plain);

    // 출력
    System.out.println("plain = " + plain);
    System.out.println("cipher = " + cipher);

    // 복호화
    String plain2 = aes256.decode(cipher);
    System.out.println("plain2 = " + plain2);

    // 검증
    assert plain.equals(plain2);
  }
}

결론

다음과 같은 스팩을 바탕으로 암호화 방식을 공유하자

암호화 알고리즘 : AES
- key size : 256 bit
- block size : 128 bit (AES의 블록사이즈는 128로 고정입니다. 고로 block size는 skip해도 됩니다.)
암호화 모드 : CBC
Padding 방식 : PKCS5
암호화키 : 12345678901234567890123456789012 (32자)
- 초기화벡터 - CBC모드일 경우 : 1234567890123456 (16자)
암호문 인코딩 방식 : Base64(바이트인코딩) + UTF-8(문자인코딩)
키 인코딩 방식 - 암호문 인코딩과 다른경우 : ASCII (문자인코딩, 바이트인코딩 둘 다 가능)

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November 20, 2015

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암호문 구현체에 암호문 인코더 주입

키 인코더 구현

암호문 구현체에 키 인코더 주입 후 변경

복호화 메소드 구현

AES256Crypt 리펙토링

사용 예시

결론

MJ

spring boot 2.4.x 에서 openfeign + hystrix 통합하기

IDDD 14장. 애플리케이션

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