블록 암호화 모드 종류외 사용법

블록 암호화 모드 종류와 사용법

블록 암호 알고리즘을 다양한 방식으로 운용하여 더욱 안전하고 효율적인 암호 시스템을 구축하는 데 적절한 방식을 선정하여 사용합니다.

파이썬 예시를 통해 사용법을 알아 봅니다.



블록 암호 운영 모드 종류

■ ECB (Electronic Codebook) 모드:

각 블록을 독립적으로 암호화하는 가장 간단한 모드입니다.

• 장점: 병렬 처리가 가능하고 구현이 간단합니다.
• 단점: 동일한 평문 블록은 항상 동일한 암호문 블록으로 변환되므로 패턴 분석 공격에 취약합니다.
• 사용 예: 이미지 압축 등 데이터의 무결성이 중요하지 않은 경우

 
ECB를 이용한 암호화 예시

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import os

# 평문 데이터
plaintext = b'This is a secret message that we want to encrypt.'

# 16 바이트 키 생성 (AES-128)
key = os.urandom(16)

# ECB 모드에 맞게 암호화 함수 정의
def encrypt_ecb(plaintext, key):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.ECB(), backend=default_backend())
    encryptor = cipher.encryptor()
    ciphertext = encryptor.update(plaintext) + encryptor.finalize()
    return ciphertext

# ECB 모드에 맞게 복호화 함수 정의
def decrypt_ecb(ciphertext, key):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.ECB(), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    decrypted_text = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()
    return decrypted_text

# 패딩: AES 블록 크기에 맞게 16바이트 배수로 맞춰야함
def pad(data):
    padding_length = 16 - (len(data) % 16)
    return data + bytes([padding_length] * padding_length)

def unpad(data):
    padding_length = data[-1]
    return data[:-padding_length]

# 평문 패딩
padded_plaintext = pad(plaintext)

# 암호화
ciphertext = encrypt_ecb(padded_plaintext, key)
print('Ciphertext:', ciphertext)

# 복호화
decrypted_padded_plaintext = decrypt_ecb(ciphertext, key)
decrypted_plaintext = unpad(decrypted_padded_plaintext)
print('Decrypted plaintext:', decrypted_plaintext)

 



■ CBC (Cipher Block Chaining) 모드:

각 블록을 이전 암호문 블록과 현재 평문 블록을 XOR 연산한 후 암호화합니다.

• 장점: 동일한 평문 블록이 다른 암호문 블록으로 암호화되어 패턴이 드러나지 않습니다. 즉 ECB 모드보다 훨씬 안전하며, 오류 전파 특성이 있어 데이터 무결성을 보장합니다.
• 단점: 순차 처리해야 하므로 병렬 처리가 어렵습니다.
• 사용 예: 파일 암호화, 통신 보안 등

 
 CBC 를 이용한 암호화 예시

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import os

# 평문 데이터
plaintext = b'This is a secret message that we want to encrypt.'

# 16 바이트 키 생성 (AES-128)
key = os.urandom(16)

# 초기화 벡터 (IV) 생성
iv = os.urandom(16)

# CBC 모드에 맞게 암호화 함수 정의
def encrypt_cbc(plaintext, key, iv):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
    encryptor = cipher.encryptor()
    ciphertext = encryptor.update(plaintext) + encryptor.finalize()
    return ciphertext

# CBC 모드에 맞게 복호화 함수 정의
def decrypt_cbc(ciphertext, key, iv):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    decrypted_text = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()
    return decrypted_text

# 패딩: AES 블록 크기에 맞게 16바이트 배수로 맞춰야 함
def pad(data):
    padding_length = 16 - (len(data) % 16)
    return data + bytes([padding_length] * padding_length)

def unpad(data):
    padding_length = data[-1]
    return data[:-padding_length]

# 평문 패딩
padded_plaintext = pad(plaintext)

# 암호화
ciphertext = encrypt_cbc(padded_plaintext, key, iv)
print('Ciphertext:', ciphertext)

# 복호화
decrypted_padded_plaintext = decrypt_cbc(ciphertext, key, iv)
decrypted_plaintext = unpad(decrypted_padded_plaintext)
print('Decrypted plaintext:', decrypted_plaintext)

 


■ CFB (Cipher Feedback) 모드:

이전 암호문 블록을 암호화한 결과와 현재 평문 블록을 XOR 연산한 후 다음 암호문 블록을 생성합니다.

• 장점: 평문과 암호문의 길이가 같아 패딩이 필요 없습니다. 스트림 암호처럼 사용할 수 있으며, 오류 전파: 초기화 벡터(IV) 또는 이전 암호문 블록에서 발생한 오류가 이후 블록에 영향을 미칩니다. 즉, 오류 전파 특성이 있어 데이터 무결성을 보장합니다.
  
• 단점: CBC 모드와 마찬가지로 각 블록이 이전 블록의 결과에 의존하기 때문에 병렬 처리가 어렵습니다.  
• 사용 예: 통신 보안, 스트림 암호화

 
CFB 를 이용한 암호화 예시

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import os

# 평문 데이터
plaintext = b'This is a secret message that we want to encrypt.'

# 16 바이트 키 생성 (AES-128)
key = os.urandom(16)

# 초기화 벡터 (IV) 생성
iv = os.urandom(16)

# CFB 모드에 맞게 암호화 함수 정의
def encrypt_cfb(plaintext, key, iv):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CFB(iv), backend=default_backend())
    encryptor = cipher.encryptor()
    ciphertext = encryptor.update(plaintext) + encryptor.finalize()
    return ciphertext

# CFB 모드에 맞게 복호화 함수 정의
def decrypt_cfb(ciphertext, key, iv):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CFB(iv), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    decrypted_text = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()
    return decrypted_text

# 암호화
ciphertext = encrypt_cfb(plaintext, key, iv)
print('Ciphertext:', ciphertext)

# 복호화
decrypted_plaintext = decrypt_cfb(ciphertext, key, iv)
print('Decrypted plaintext:', decrypted_plaintext)

■ OFB (Output Feedback) 모드:

OFB 모드는 초기화 벡터(IV)를 암호화하여 생성된 값을 평문 블록과 XOR하여 암호화하는 방식입니다.
이 방식은 각 블록이 독립적으로 처리될 수 있기 때문에, 블록 단위로 순차적으로 암호화할 필요 없이 병렬 처리가 가능합니다.

• 장점: 스트림 암호: 스트림 암호처럼 사용할 수 있으며, 평문과 암호문의 길이가 같아 패딩이 필요 없습니다.  오류 전파가 없습니다. 이는 데이터 무결성에 좋습니다.
  
  
• 단점:
  CBC, CFB 모드와 마찬가지로 초기화 벡터(IV)를 암호화 알고리즘에 반복적으로 적용하여 암호화 값을 생성하기 때문에  순차 처리해야 합니다.
  주기성 문제: OFB 모드는 초기화 벡터(IV)를 암호화 알고리즘에 반복적으로 적용하여 암호화 값을 생성합니다. 이 과정에서 주기성이 발견될 경우, 암호화의 안전성이 저하될 수 있습니다.
  비트 반전 공격: 공격자가 암호문 블록을 비트 반전시키면, 대응하는 평문 블록도 비트 반전됩니다. 이는 암호문의 무결성을 해칠 수 있습니다.
• 사용 예: 통신 보안, 스트림 암호화

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import os

# 평문 데이터
plaintext = b'This is a secret message that we want to encrypt.'

# 16 바이트 키 생성 (AES-128)
key = os.urandom(16)

# 초기화 벡터 (IV) 생성
iv = os.urandom(16)

# OFB 모드에 맞게 암호화 함수 정의
def encrypt_ofb(plaintext, key, iv):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.OFB(iv), backend=default_backend())
    encryptor = cipher.encryptor()
    ciphertext = encryptor.update(plaintext) + encryptor.finalize()
    return ciphertext

# OFB 모드에 맞게 복호화 함수 정의
def decrypt_ofb(ciphertext, key, iv):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.OFB(iv), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    decrypted_text = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()
    return decrypted_text

# 암호화
ciphertext = encrypt_ofb(plaintext, key, iv)
print('Ciphertext:', ciphertext)

# 복호화
decrypted_plaintext = decrypt_ofb(ciphertext, key, iv)
print('Decrypted plaintext:', decrypted_plaintext)

 
 

1. 키 생성: os.urandom(16)을 사용하여 16 바이트의 AES-128 키를 생성합니다.
2. 초기화 벡터(IV) 생성: os.urandom(16)을 사용하여 16 바이트의 IV를 생성합니다. IV는 각 메시지마다 새롭게 생성되어야 합니다.
3. 암호화 함수 정의: Cipher와 encryptor를 사용하여 평문을 OFB 모드로 암호화합니다.

 

 

■ CTR (Counter) 모드:

카운터 값을 암호화하여 키 스트림을 생성하고, 이를 평문 블록과 XOR 연산합니다.

• 장점: 병렬 처리가 가능하며, 스트림 암호처럼 사용할 수 있습니다.
• 단점: 카운터 값 관리가 필요합니다.
• 사용 예: 디스크 암호화, 통신 보안

 

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import os

# 평문 데이터
plaintext = b'This is a secret message that we want to encrypt.'

# 16 바이트 키 생성 (AES-128)
key = os.urandom(16)

# 16 바이트의 초기 카운터 값 생성
nonce = os.urandom(16)

# CTR 모드에 맞게 암호화 함수 정의
def encrypt_ctr(plaintext, key, nonce):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CTR(nonce), backend=default_backend())
    encryptor = cipher.encryptor()
    ciphertext = encryptor.update(plaintext) + encryptor.finalize()
    return ciphertext

# CTR 모드에 맞게 복호화 함수 정의
def decrypt_ctr(ciphertext, key, nonce):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CTR(nonce), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    decrypted_text = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()
    return decrypted_text

# 암호화
ciphertext = encrypt_ctr(plaintext, key, nonce)
print('Ciphertext:', ciphertext)

# 복호화
decrypted_plaintext = decrypt_ctr(ciphertext, key, nonce)
print('Decrypted plaintext:', decrypted_plaintext)

 
 

1. 키 생성: os.urandom(16)을 사용하여 16 바이트의 AES-128 키를 생성합니다.
2. 초기 카운터 값(Nonce) 생성: os.urandom(16)을 사용하여 16 바이트의 초기 카운터 값을 생성합니다. Nonce는 각 메시지마다 새롭게 생성되어야 합니다.
3. 암호화 함수 정의: Cipher와 encryptor를 사용하여 평문을 CTR 모드로 암호화합니다.
4. 복호화 함수 정의: Cipher와 decryptor를 사용하여 암호문을 복호화합니다.

 

■ 암호화 모드 비교
 
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구분	장점	단점	사용 예
ECB	간단, 병렬 처리	패턴 분석 취약	이미지 압축
CBC	안전, 오류 전파	순차 처리	파일 암호화, 통신 보안
CFB	스트림 암호, 오류 없음	순차 처리	통신 보안
OFB	스트림 암호, 오류 없음	순차 처리	통신 보안
CTR	병렬 처리, 스트림 암호	카운터 관리	디스크 암호화, 통신 보안