AI for Network Security: Message Authentication & Key Management

AI 네트워킹 중간범위 — 노션 강의 노트를 옵시디언용으로 정리한 노트.

Authentication 요구사항

인증은 다음을 반드시 검증할 수 있어야 한다.

1. Message came from apparent source— 메시지가 명시된 출처/작성자로부터 왔는지.
2. Contents have not been altered— 내용이 변경되지 않았는지.
3. Sent at a certain time or sequence— (경우에 따라) 특정 시간/순서로 전송되었는지.

• 능동적 공격(데이터 및 트랜잭션 위조, falsification)에 대한 보호가 목적.

Message Authentication 구현 3가지

• (1) Conventional Encryption 기반: 송신자·수신자만 키 공유. 암호화 자체로 인증 수행(M → Encrypt(K) → C, 복호화 성공 = 인증 성공).
• (2) Encryption 없이 인증: 메시지는 평문, 대신 authentication tag를 추가 → (M, Tag).
• (3) MAC (Message Authentication Code): 메시지와 키의 함수로 계산. MAC = F(K, M) (K = 공유 비밀 키, M = 메시지).
• 송신: MAC = F(K, M) → (M, MAC) 전송 / 수신: MAC' = F(K, M) 계산 후 비교.
• 핵심: 암호화 없이도 “secret key + function”으로 인증 가능.

One-way Hash Function

• 개념: 메시지를 고정 길이 fingerprint로 변환 (M → H(M)).
• 특징: 역산 불가능, 작은 입력 변화 → 큰 출력 변화.
• secret value 활용: 해시 전에 비밀값을 추가 H(K || M) → MAC의 초기 형태.

Secure Hash Function 조건

1. 임의 길이 입력 허용
2. 고정 길이 출력
3. 계산이 쉬움
4. Preimage resistance(역산 불가)
5. Second preimage resistance(같은 해시 갖는 다른 입력 찾기 어려움)
6. Collision resistance(충돌쌍 찾기 어려움)

속성	의미
Preimage	역산 불가
Collision	같은 hash 찾기 어려움

Simple Hash Function (XOR)

• 정의: C_i = b_i1 ⊕ b_i2 ⊕ ... ⊕ b_im (비트별 XOR 기반).
• 문제점: 선형성 → 충돌 쉽게 발생, cryptographic hash로 부적합.

해시 알고리즘 (SHA-1, MD5)

SHA-1

• 구조: 입력 → padding → 512-bit block 분할 → 반복 처리. 출력: 160-bit digest.
• 내부: 4 stage × 20 step = 80 step, chaining value 업데이트. Iterative compression function.

MD5

• 출력 128-bit, 512-bit block. 상태 변수 A, B, C, D.
• 4 round × 16 = 64 step. 비선형 함수(F, G, H, I) + modular addition + bit rotation.
• 흐름: padding → block 분할 → 반복 연산 → 상태 누적 → digest.

Hash 비교

알고리즘	출력	step
SHA-1	160-bit	80
MD5	128-bit	64
RIPEMD-160	160-bit	160

HMAC

• 등장 배경: hash는 빠르고 library가 많음 → MAC으로 활용.
• 핵심 아이디어: Hash + Secret Key → MAC.
• 구조:
• inner = H((K ⊕ ipad) || M)
• outer = H((K ⊕ opad) || inner) → 최종 HMAC(K, M).
• Why it works: 단순 H(K || M)는 length extension attack에 취약. HMAC은 두 번 hashing + key mixing(ipad, opad)으로 공격을 방지.
• 특징: 보안성 높음, 성능 빠름, 표준으로 널리 사용.

전체 연결 구조

Message Authentication
 ├── Encryption 기반
 ├── MAC
 │    └── HMAC (hash 기반 MAC)
 └── Hash (SHA-1, MD5)

• 진화 과정: Encryption → MAC → Hash → HMAC.
• 핵심 원리: Authentication = Hash + Secret.
• 설계 패턴: Integrity → Hash / Authentication → MAC·HMAC / 효율성 → HMAC.

대칭키 vs 비대칭키 (Public-Key)

• 대칭키의 근본 문제: 키를 미리 공유해야 함(key distribution problem), 누가 보냈는지 증명 어려움(authentication 한계), 키 하나 유출 시 전체 붕괴 → 이를 해결하려 **비대칭키(public/private)**등장.
• 구성: plaintext(M), encryption(E)/decryption(D) 알고리즘, public key(Ku), private key(Kr), ciphertext(C).
• C = E(Ku, M), M = D(Kr, C) → 공개키로 암호화, 개인키로 복호화.

기능	방법
기밀성	상대방 public key로 암호화
인증	내 private key로 서명

• Encryption(기밀성): 송신자가 수신자 public key로 암호화 → 오직 수신자만 private key로 복호화.
• Authentication(디지털 서명): 송신자가 private key로 서명 → 누구나 public key로 검증 → “이 사람 맞다” 증명.
• 해결하는 문제: Key Distribution(공개키는 그냥 공개하면 됨), Digital Signature 가능(MAC은 못 하는 부인 방지).
• 요구사항: 키 생성 쉬움 / 암복호화 쉬움 / private key 추론 매우 어려움 / ciphertext→plaintext 복구 어려움. 핵심: 정상 사용 계산은 쉽고, 공격(역산)은 어려움.

RSA

• 동작: C = M^e mod N, M = C^d mod N. 공개키 (e, N), 개인키 (d, p, q).
• 안전성 근거: 큰 수 N = p × q를 p, q로 소인수분해하기 매우 어려움 (Integer Factorization Problem).
• 특징: 매우 널리 사용되나 느림 → 대용량 데이터에는 부적합.

Diffie-Hellman (키 교환)

• 목적: 암호화가 아니라 키를 공유하는 것. 공개 채널에서 비밀값을 직접 공유하지 않고 같은 공유 키를 계산.
• 공통 파라미터(공개): 큰 소수 p, 생성자 g.
• 각자 비밀값 선택: Alice x, Bob y.
• 공개값 교환: Alice→Bob X = g^x mod p, Bob→Alice Y = g^y mod p.
• 공유 키 계산: Alice k = Y^x mod p, Bob k = X^y mod p → 둘 다 k = g^(xy) mod p로 동일.
• 안전성 근거: Discrete Log Problem (이산 로그 문제).
• 단점: 인증 없음 → MITM 공격 가능. 실제로는 DH + 인증(RSA, certificate)을 함께 사용.

실무 관점 (현대 시스템)

1. Diffie-Hellman → 세션 키 생성
2. RSA / Signature → 상대 인증
3. 이후 대칭키로 통신(빠름)

• 이유: 비대칭키는 느리고 대칭키는 빠름.