DES (Data Encryption Standard) 대칭키 암호화 알고리즘

DES (Data Encryption Standard) 대칭키 암호화 알고리즘

안녕하세요, '소프트웨어 공장'입니다. 오늘은 대칭키 암호화 알고리즘 중 하나인 DES(Data Encryption Standard)에 대해 알아보겠습니다. DES는 데이터 보호를 위해 널리 사용되었던 암호화 알고리즘으로, 1970년대 후반에 미국 정부 표준으로 지정되었습니다. 이제 DES의 작동 원리와 특징, 그리고 JAVA와 Linux C 언어로 구현하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.

DES란 무엇인가?

DES(Data Encryption Standard)는 IBM에서 개발하고 1977년 미국 국가 표준으로 지정된 블록 암호화 알고리즘입니다. DES는 데이터를 64비트 블록으로 나누어 암호화하며, 56비트의 비밀키를 사용합니다. DES는 16번의 Feistel 구조 라운드를 통해 데이터를 암호화합니다.

이 암호화 알고리즘은 대칭키 암호화 방식을 사용하므로, 데이터 암호화와 복호화를 위해 동일한 키를 사용합니다. DES의 가장 큰 특징은 짧은 키 길이(56비트)로 인해 현대의 컴퓨팅 환경에서는 비교적 쉽게 크랙이 가능하다는 점입니다. 이로 인해 DES는 현재 보안성 측면에서 더 이상 권장되지 않지만, 그 역사적 중요성으로 인해 암호화 공부에 중요한 학습 자료로 남아있습니다.

DES의 작동 원리

DES는 64비트 평문을 16번의 Feistel 네트워크를 거쳐 암호화합니다. 각 라운드는 다음과 같은 단계를 거칩니다.

1. 초기 치환(IP): 64비트의 입력 데이터는 초기 치환(IP)을 통해 정해진 규칙에 따라 재배열됩니다.
2. 16개의 라운드: 각 라운드에서 데이터는 두 부분으로 나뉘고, 오른쪽 부분이 특정 함수와 키에 의해 변환된 후 왼쪽 부분과 XOR 연산이 이루어집니다. 이후 왼쪽과 오른쪽 부분의 역할이 교환됩니다. 이 과정을 16번 반복합니다.
3. 최종 치환(IP-1): 마지막으로, 최종 치환(IP-1)을 통해 암호화가 완료됩니다.

DES의 핵심은 Feistel 구조와 키 스케줄링입니다. 56비트의 비밀키는 각 라운드에서 서로 다른 48비트의 서브키로 변환되어 사용됩니다.

DES의 장단점

• 장점: DES는 설계가 간단하며, 하드웨어적으로 구현했을 때 매우 빠른 성능을 제공합니다. 이는 DES가 널리 사용되었던 이유 중 하나입니다.
• 단점: 56비트 키 길이로 인해 현대의 계산 능력을 이용하면 짧은 시간 안에 모든 키를 대입해보는 브루트 포스 공격이 가능합니다. 이로 인해 DES는 현재 더 안전한 AES(Advanced Encryption Standard)로 대체되었습니다.

JAVA로 DES 구현 예제

이제 JAVA 언어로 간단히 DES 알고리즘을 구현하는 예제를 살펴보겠습니다. Java에서는 javax.crypto 패키지를 사용하여 DES를 쉽게 구현할 수 있습니다.

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class DESExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 키 생성
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("DES");
        SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

        // 평문 설정
        String plainText = "Hello, DES Encryption!";

        // 암호화
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
        String encryptedText = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
        System.out.println("Encrypted Text: " + encryptedText);

        // 복호화
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedText));
        String decryptedText = new String(decryptedBytes);
        System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);
    }
}

코드 설명

• KeyGenerator를 사용해 DES 비밀키를 생성합니다.
• Cipher 클래스를 이용해 암호화 및 복호화를 수행합니다.
• DES/ECB/PKCS5Padding 모드를 사용하여 간단한 DES 암호화를 구현했습니다.

Linux C 언어로 DES 구현 예제

Linux 환경에서 C 언어로 DES를 구현하려면 OpenSSL 라이브러리를 사용할 수 있습니다. 다음은 OpenSSL을 이용해 DES 암호화를 구현한 간단한 예제입니다.

#include <openssl/des.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

void handleErrors() {
    fprintf(stderr, "An error occurred\n");
    exit(1);
}

int main() {
    // 평문 설정
    unsigned char plainText[] = "Hello, DES Encryption!";
    unsigned char keyBytes[] = "12345678"; // DES 키는 8바이트 길이
    DES_cblock key;
    DES_key_schedule schedule;

    // 키 설정
    memcpy(key, keyBytes, 8);
    if (DES_set_key_checked(&key, &schedule) != 0) {
        handleErrors();
    }

    // 암호화
    unsigned char encryptedText[32];
    DES_cblock ivec = {0}; // 초기화 벡터 설정
    DES_ncbc_encrypt(plainText, encryptedText, strlen((char *)plainText) + 1, &schedule, &ivec, DES_ENCRYPT);
    printf("Encrypted Text: %s\n", encryptedText);

    // 복호화
    unsigned char decryptedText[32];
    memset(ivec, 0, sizeof(ivec)); // 초기화 벡터 다시 설정
    DES_ncbc_encrypt(encryptedText, decryptedText, strlen((char *)plainText) + 1, &schedule, &ivec, DES_DECRYPT);
    printf("Decrypted Text: %s\n", decryptedText);

    return 0;
}

코드 설명

• DES_cblock와 DES_key_schedule을 사용하여 키와 스케줄을 설정합니다.
• DES_set_key_checked() 함수를 이용해 키를 설정하고, 이를 통해 암호화 및 복호화 스케줄을 준비합니다.
• DES_ncbc_encrypt() 함수를 이용해 데이터를 암호화 및 복호화합니다.
• 이 예제에서는 NCBC 모드를 사용하여 암호화를 수행하였습니다.

결론

DES는 간단한 설계와 빠른 성능 덕분에 한때 매우 널리 사용되었던 대칭키 암호화 알고리즘입니다. 하지만, 56비트의 짧은 키 길이로 인해 현대 보안 요구사항을 충족하지 못하기 때문에 현재는 더 강력한 알고리즘인 AES로 대체되었습니다. DES를 이해하는 것은 블록 암호의 작동 원리와 암호학의 발전 과정을 이해하는 데 큰 도움이 됩니다.
오늘은 DES의 기본적인 원리와 JAVA, Linux C 언어로 DES를 구현하는 방법을 살펴보았습니다.
감사합니다.