패킷 암호화(비트연산, AES)

서버와 클라이언트 사이에 패킷을 암호화 하여 전송을 하려고 계획했다.

 

생각한 2가지 방법은 일단 모두 대칭키 방식이다.

첫 번째는 단순히 바이트 배열에 대한 비트연산을 활용하는 방법,

두 번째는 AES 암호화를 사용하는 방법.

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간단한 비트 연산

 

xor 연산을 이용하여 암호화 및 복호화하는 방법이다.

public byte[] Encrypt(byte[] data, byte[] key)
{
    byte[] encrypted = new byte[data.Length];
    for (int i = 0; i < data.Length; i++)
    {
        encrypted[i] = (byte)(data[i] ^ key[i % key.Length]);
    }
    return encrypted;
}

public byte[] Decrypt(byte[] data, byte[] key)
{
    return Encrypt(data, key);
}

 

구현이 간단하고 빠를 것으로 생각된다. 그러나 다음의 취약점이 예상되기도 한다.

1. key 값 노출

2. 키 값 예측이나 패턴을 찾아내는 공격에 취약

 

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AES (Advanced Encryption Standard) 사용

 

System.Security.Cryptography.dll 어셈블리에 포함된 암호화 방법이고 AES 암호화 방식을 사용한다. AES 암호화 방식에는 Key와 IV(Initialize Vector) 값을 가지고 암호화 및 복호화가 진행된다.

https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.security.cryptography?view=net-8.0

System.Security.Cryptography Namespace

 

사용방법은 간단하다. Create()를 이용하면 된다.

public static byte[] Encrypt(byte[] plainBytes, byte[] key, byte[] iv)
{
    using (Aes aes = Aes.Create())
    {

        aes.Key = key;
        aes.IV = iv;
        aes.Mode = CipherMode.CBC;
        aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;

        byte[] encrpypted;
        using (ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor(key, iv))
        {
            encrpypted = encryptor.TransformFinalBlock(plainBytes, 0, plainBytes.Length);

            return encrpypted;
        }
    }
}

public static byte[] Decrypt(byte[] encryptedBytes, byte[] key, byte[] iv)
{
    using (Aes aes = Aes.Create())
    {
        aes.Key = key;
        aes.IV = iv;
        aes.Mode = CipherMode.CBC;
        aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;

        byte[] decrypted;
        using (ICryptoTransform decryptor = aes.CreateDecryptor(key, iv))
        {
            decrypted = decryptor.TransformFinalBlock(encryptedBytes, 0, encryptedBytes.Length);

            return decrypted;
        }
    }
}

 

key와 iv값은 base64 바이트 배열로 가지고 있어야 한다. 만약 올바르지 않은 key나 iv값에 대해 암호화/복호화를 하려고 하면 예외가 발생할 것이다.

이 두 값은 plaintext를 직접 convert할 수도 있고, Aes 클래스에 의해서 랜덤으로 생성할 수도 있다.

Aes 클래스 생성 시 무작위로 Key와 IV값이 설정된다. (아래에서 GenerateKey()와 GenerateIV()는 사실 불필요한 코드이기도 하다.

실행 때마다 무작위로 새롭게 만들기 때문에 실행결과는 매번 달라진다.

byte[] keyBytes;
byte[] ivBytes;
using (Aes myAes = Aes.Create())
{
    myAes.GenerateKey();
    myAes.GenerateIV();

    keyBytes = myAes.Key;
    ivBytes = myAes.IV;
    Console.WriteLine(Convert.ToBase64String(keyBytes));
    Console.WriteLine(Convert.ToBase64String(ivBytes));
}

Key, Iv

 

코드 자체는 간단하지만 단순히 비트 연산을 하는 것보다는 무거워서 빈번하게 실행될 경우 cpu 자원을 많이 사용할 가능성이 있을 것이다. 또한 2개의 값(key, iv)를 모두 안전하게 가지고 있어야 한다는 점이 유의할 점이다.

 

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대칭키를 이용한 암호화 방식 2가지에 대한 코드를 살펴보았다.

 

아직도 어떻게 해야할지 잘 모르는 것은 ...

 

 

Key 값을 어떻게 저장할 것인가!?!??!?!?!?!

 

 

1. 코드에 직접 하드코딩하여 넣기

이 방법은 만천하에 key값을 공개하는 것과 마찬가지이다. 실제로 여러가지 프로그램으로 빌드된 어플리케이션의 코드를 알 수 있는 방법이 있다.

 

2. 코드가 아닌 메모리에 들고 있기

서버와의 통신을 통해 key값을 얻어오거나 파일을 통해 읽어서 메모리에 올리는 방법이 있다. 1번 방법처럼 대놓고 key를 공개하는 것은 아닐 수도 있지만 마찬가지로 별 차이가 없을 수 있다. 어플리케이션이 실행되고 있다는 것은 관련 값들이 메모리에 있다는 것이고 여러 툴을 이용해 현재 프로세스의 메모리 값을 확인하고 읽고 컨트롤 할 수 있는 위험이 남아있다.

 

 

대안

 

1. SecureString 사용

SecureString을 이용해 암호화/복호화 시에만 잠깐 메모리에서 사용하고 사용이 끝나면 즉시 메모리에서 제거하는 방법이다. 메모리에 저장하는 문자열 자체(char 집합체...)가 암호화 되어있긴 하다. (결국 이 것도 완벽한 보안을 제공하지는 않는다. 심지어 새 코드에서는 사용하지 않는 것을 추천한다고 나와있기도 하다.)

https://learn.microsoft.com/ko-kr/dotnet/api/system.security.securestring?view=net-8.0

SecureString Class (System.Security)

 

https://github.com/dotnet/platform-compat/blob/master/docs/DE0001.md

 

2. 키를 주기적으로 변경

주기적으로 키를 변경하여 공격자가 한 번 획득한 키로 오랫동안 공격하는 것을 방지할 수 있다.

 

3. 키를 안전한 저장소에 저장

마찬가지로 필요시에만 메모리에 로드하고 사용이 끝나면 삭제한다.

 

4. 메모리 암호화 기술 사용

?? (메모리에 저장된 데이터를 암호화하여 외부로부터 보호하는 방식이라는데 자세한 내용은 아직 잘 모르겠다.)

 

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메모용

https://stackoverflow.com/questions/18324149/how-to-securely-handle-aes-key-and-iv-values

How to securely handle AES “Key” and “IV” values

https://stackoverflow.com/questions/18324149/how-to-securely-handle-aes-key-and-iv-values

How to securely handle AES “Key” and “IV” values

https://stackoverflow.com/questions/68257954/store-and-retrieve-aes-key-to-file

Store and retrieve AES key to file