비대칭 암호화 vs. 대칭 암호화

대칭 암호화는 컴퓨터 연산 속도가 빠르기 때문에 대량의 데이터를 보호하는 데 탁월합니다. 예를 들어 귀하의 하드 드라이브에 있는 파일 암호화, VPN(새 창) 터널을 통과하는 트래픽 암호화, 또는 데이터베이스의 콘텐츠 암호화 등이 있습니다. 일반적인 대칭 알고리즘에는 AES 및 ChaCha20이 포함됩니다.

근본적인 약점은 다음과 같습니다. 처음에 키를 어떻게 공유하나요? 보안되지 않은 채널을 통해 키를 보내면, 이를 가로챈 공격자가 모든 것을 복호화할 수 있습니다. 이것이 키 분배 문제이며, 비대칭 암호화가 해결하는 과제입니다.

이로써 키 분배 문제가 완전히 해결됩니다. 이전에 통신한 적이 없는 두 명의 낯선 사람이 안전한 채널을 설정할 수 있습니다. 한 사람이 공개 키를 게시하면 다른 사람이 그 키로 메시지를 암호화하고, 키 소유자만이 답장을 읽을 수 있습니다. 이것은 종단 간 암호화, HTTPS 및 전자서명의 기반이 됩니다.

단점은 복잡한 수학 연산으로 인해 비대칭 암호화가 대칭 암호화보다 약 1,000배 느리다는 점입니다. 비대칭 암호화만으로 대용량 파일이나 지속적인 데이터 스트림을 암호화하는 것은 비실용적입니다.

일반적인 비대칭 알고리즘은 다음과 같습니다:

• RSA(Rivest–Shamir–Adleman)
• 키 교환을 위한 ECDH 및 전자서명을 위한 Ed25519와 같은 타원 곡선 암호화(ECC)
• 양자 컴퓨터의 공격에 견디도록 설계되어 2024년 NIST에 의해 표준화된 최신 양자 내성 비대칭 알고리즘인 ML-KEM

실제로는 대칭 및 비대칭 암호화가 단독으로 사용되는 경우는 거의 없습니다. 가장 안전한 시스템은 이 두 가지를 결합합니다. 즉, 비대칭 암호화를 사용하여 키를 안전하게 교환한 다음, 대칭 암호화를 사용하여 실제 데이터를 보호합니다. 이를 통해 비대칭 암호화의 보안성과 대칭 암호화의 속도를 모두 누릴 수 있습니다.

암호화는 메시지의 내용을 숨기지만, 누가 보냈는지 증명하지는 못합니다. 이를 위해서는 인증이 필요합니다. 즉, 메시지가 실제로 주장된 보낸 사람에게서 왔고 전송 중에 승인되지 않은 변경이 없었는지 확인하는 방법입니다.

비대칭 암호화는 전자서명을 통해 이를 가능하게 합니다. 보낸 사람은 공개 키로 암호화하는 대신, 자신의 비밀 키로 데이터를 서명합니다. 해당 공개 키를 가진 사람은 누구나 서명을 검증하여 보낸 사람의 신원과 콘텐츠가 변경되지 않았음을 모두 확인할 수 있습니다.

데이터 자체의 경우, 대부분의 현대 프로토콜은 단 한 번의 작업으로 암호화와 무결성 검증을 동시에 수행하는 암호인 인증된 암호화를 사용합니다. 대표적인 예로 AES-GCM 및 ChaCha20-Poly1305가 있으며, 둘 다 Proton 서비스 전반에서 사용됩니다. 전송 중에 암호문의 단 하나의 비트라도 변경되면 복호화에 실패하고 변조된 데이터는 거부됩니다.

대칭 및 비대칭 암호화는 양자 컴퓨터로부터 매우 다른 위협에 직면해 있으며, 그 차이를 이해하는 것은 업계가 어떻게 대비하고 있는지 파악하는 데 중요합니다.

기존의 비대칭 암호화는 큰 수의 소인수분해(RSA) 또는 이산 대수 문제 해결(ECDH)과 같은 까다로운 수학적 문제에 의존합니다. 쇼어 알고리즘을 사용하는 양자 컴퓨터는 이러한 종류의 문제를 특히 잘 해결하여, 기존의 비대칭 암호화를 대규모로 무력화합니다.

대칭 암호화는 훨씬 더 강력한 내성을 가지고 있습니다. 이는 양자 컴퓨터가 연산 속도를 높일 수 있지만, 충분한 크기의 키를 무용지물로 만들 정도는 아닌 무차별 대입 공격(가능한 모든 키를 시도함)에 의존하기 때문입니다. 256비트 대칭 키는 알려진 양자 공격에 대해 여전히 안전하므로, 실제 키 크기를 더 늘릴 필요는 없습니다.

이것이 바로 ML-KEM과 같은 양자 내성 알고리즘이 비대칭 암호화의 대체재로 설계된 이유입니다. 대칭 암호화는 크게 변하지 않는 반면, 오늘날 RSA 및 ECDH가 사용되는 위치를 이들이 대신하게 됩니다.