TLS 1.3 Handshake의 암호학적 흐름 완전 해석

TLS 1.3 핸드셰이크 암호학적 흐름 완전 해석 리뷰

TLS 1.3 핸드셰이크, 깊이 파고드는 여정

TLS 1.3 핸드셰이크는 현대 인터넷 보안의 핵심입니다. 웹사이트 접속부터 이메일 전송, 클라우드 서비스 이용까지, 우리의 디지털 생활 곳곳에서 데이터를 안전하게 보호하는 역할을 수행하죠. 하지만 그 복잡한 내부 작동 방식은 많은 이들에게 여전히 블랙박스처럼 느껴집니다. 이 리뷰에서는 TLS 1.3 핸드셰이크의 암호학적 흐름을 자세히 분석하고, 그 중요성과 작동 원리를 명확하게 설명하고자 합니다. 단순히 기술적인 설명을 나열하는 것을 넘어, 실제 사용 사례와 보안 관점을 고려하여 이해하기 쉽도록 풀어낼 것입니다.

TLS 1.3 핸드셰이크란 무엇인가

TLS(Transport Layer Security)는 네트워크를 통해 통신하는 두 애플리케이션 간의 개인 정보 보호와 데이터 무결성을 제공하는 암호화 프로토콜입니다. TLS 1.3은 이전 버전인 TLS 1.2에 비해 보안성과 성능 면에서 크게 개선된 최신 버전입니다. 핸드셰이크는 클라이언트와 서버가 안전한 통신을 시작하기 전에 서로를 인증하고 암호화 키를 교환하는 과정입니다. 이 과정에서 사용되는 암호화 알고리즘과 키 교환 방식이 핵심적인 보안 요소가 됩니다.

핸드셰이크의 기본 단계

• ClientHello 클라이언트가 지원하는 TLS 버전, 암호 스위트 목록 등을 서버에 전송합니다.

• ServerHello 서버가 클라이언트가 제시한 목록에서 사용할 TLS 버전과 암호 스위트를 선택하여 응답합니다. 서버 인증서도 함께 전송됩니다.
• Authentication 서버는 인증서를 통해 자신의 신원을 증명합니다. 클라이언트는 인증서를 검증하여 서버가 진짜인지 확인합니다.
• Key Exchange 클라이언트와 서버는 암호화 키를 안전하게 교환합니다. Diffie-Hellman 키 교환 방식이 주로 사용됩니다.
• Finished 핸드셰이크가 완료되었음을 알리는 메시지를 서로 교환합니다.

TLS 1.3의 주요 특징과 기능

TLS 1.3은 이전 버전에 비해 여러 가지 중요한 특징과 기능을 제공합니다. 이러한 개선 사항들은 보안성을 강화하고, 연결 속도를 향상시키며, 프로토콜의 복잡성을 줄이는 데 기여합니다.

보안 강화

• 지원 중단된 취약한 암호 스위트 제거 RC4, DES, 3DES 등 취약점이 발견된 암호 스위트를 더 이상 지원하지 않습니다.

• Perfect Forward Secrecy(PFS) 강제 세션 키가 노출되더라도 과거의 통신 내용을 해독할 수 없도록 PFS를 강제합니다. Ephemeral Diffie-Hellman(DHE) 또는 Elliptic-Curve Diffie-Hellman Ephemeral(ECDHE) 키 교환 방식을 사용합니다.
• 0-RTT 재개 이전에 연결했던 서버와 다시 연결할 때, 핸드셰이크 과정을 생략하고 데이터를 즉시 전송할 수 있습니다. 이는 연결 속도를 크게 향상시킵니다.

성능 향상

• 단순화된 핸드셰이크 불필요한 단계와 메시지를 제거하여 핸드셰이크 과정을 간소화했습니다.

• 0-RTT 재개 위에서 언급했듯이, 연결 속도를 획기적으로 향상시킵니다.

프로토콜 단순화

• 필수적인 기능만 남김 선택적인 기능을 줄이고 필수적인 기능만 남겨 프로토콜의 복잡성을 줄였습니다. 이는 구현 및 유지 관리를 용이하게 합니다.

암호학적 흐름 상세 분석

TLS 1.3 핸드셰이크의 핵심은 암호학적 흐름입니다. 각 단계에서 어떤 암호화 알고리즘이 사용되고, 키가 어떻게 교환되는지 이해하는 것이 중요합니다.

ClientHello 메시지

클라이언트는 ClientHello 메시지를 통해 서버에게 자신의 정보를 알립니다. 여기에는 다음과 같은 정보가 포함됩니다.

• Supported Versions 클라이언트가 지원하는 TLS 버전 목록

• Random 랜덤 바이트 시퀀스. 세션 키 생성에 사용됩니다.
• Cipher Suites 클라이언트가 지원하는 암호 스위트 목록. 각 암호 스위트는 암호화 알고리즘, 키 교환 알고리즘, 해시 함수 등을 지정합니다.
• Extensions 추가적인 기능 또는 매개변수를 협상하기 위한 확장 필드. 0-RTT 데이터 지원 여부, 서버 이름 표시(SNI) 등이 포함될 수 있습니다.

ServerHello 메시지

서버는 ClientHello 메시지를 받은 후 ServerHello 메시지를 통해 응답합니다. 여기에는 다음과 같은 정보가 포함됩니다.

• Version 서버가 선택한 TLS 버전

• Random 랜덤 바이트 시퀀스. 세션 키 생성에 사용됩니다.
• Cipher Suite 서버가 선택한 암호 스위트
• Extensions 추가적인 기능 또는 매개변수를 협상하기 위한 확장 필드

인증서 (Certificate) 메시지

서버는 ServerHello 메시지 이후에 자신의 인증서를 클라이언트에게 전송합니다. 인증서는 서버의 신원을 증명하는 데 사용됩니다. 클라이언트는 인증서를 발급한 인증 기관(CA)을 확인하고, 인증서의 유효 기간, 도메인 이름 등을 검증하여 서버가 진짜인지 확인합니다.

Key Exchange (키 교환)

TLS 1.3에서는 주로 Diffie-Hellman 키 교환 방식이 사용됩니다. 클라이언트와 서버는 서로의 공개 키를 교환하고, 각자의 개인 키를 사용하여 공유 비밀 키를 생성합니다. 이 공유 비밀 키는 이후 통신을 암호화하는 데 사용됩니다.

DHE (Diffie-Hellman Ephemeral) 매 세션마다 새로운 키를 생성합니다. 따라서 세션 키가 노출되더라도 과거의 통신 내용을 해독할 수 없습니다 (Perfect Forward Secrecy).

ECDHE (Elliptic-Curve Diffie-Hellman Ephemeral) 타원 곡선 암호화를 사용한 Diffie-Hellman 키 교환 방식입니다. DHE에 비해 더 작은 키 크기로 동일한 수준의 보안성을 제공합니다.

Finished 메시지

핸드셰이크의 마지막 단계에서는 클라이언트와 서버가 Finished 메시지를 서로 교환합니다. 이 메시지는 핸드셰이크가 성공적으로 완료되었음을 확인하고, 키 교환 과정에서 생성된 키가 올바른지 검증하는 데 사용됩니다.

TLS 1.3의 장점과 단점

TLS 1.3은 여러 가지 장점을 제공하지만, 몇 가지 단점도 존재합니다. 이러한 장단점을 고려하여 실제 환경에 적용해야 합니다.

장점

• 향상된 보안성 취약한 암호 스위트 제거, PFS 강제 등을 통해 보안성을 크게 강화했습니다.

• 빠른 연결 속도 단순화된 핸드셰이크, 0-RTT 재개 등을 통해 연결 속도를 향상시켰습니다.
• 프로토콜 단순화 불필요한 기능을 제거하여 프로토콜의 복잡성을 줄였습니다.

단점

• 구형 시스템과의 호환성 문제 TLS 1.3을 지원하지 않는 구형 시스템과의 호환성 문제가 발생할 수 있습니다.

• 중간자 공격 탐지 어려움 0-RTT 재개는 연결 속도를 향상시키지만, 중간자 공격을 탐지하기 어렵게 만들 수 있다는 우려가 있습니다.
• 구현 복잡성 최신 암호화 기술을 사용하므로 구현이 복잡할 수 있습니다.

실제 사용 경험 및 성능 분석

TLS 1.3을 실제 환경에서 사용해본 결과, 보안성과 성능 면에서 뚜렷한 개선 효과를 확인할 수 있었습니다. 특히 웹사이트 접속 속도가 빨라지고, 보안 경고가 줄어드는 것을 체감할 수 있었습니다.

웹사이트 접속 속도 TLS 1.3을 지원하는 웹사이트에 접속할 때, 핸드셰이크 시간이 단축되어 페이지 로딩 속도가 빨라졌습니다. 특히 0-RTT 재개를 지원하는 웹사이트에서는 더욱 빠른 접속 속도를 경험할 수 있었습니다.

보안 경고 감소 TLS 1.3은 취약한 암호 스위트를 사용하지 않으므로, 브라우저에서 발생하는 보안 경고가 줄어들었습니다. 이는 사용자에게 더 안전한 웹 환경을 제공합니다.

서버 자원 사용량 감소 TLS 1.3은 핸드셰이크 과정을 간소화하여 서버의 자원 사용량을 줄여줍니다. 이는 서버의 성능을 향상시키고, 더 많은 사용자를 동시에 처리할 수 있도록 합니다.

TLS 1.2와의 비교

TLS 1.3은 이전 버전인 TLS 1.2에 비해 여러 가지 면에서 개선되었습니다. 주요 차이점을 비교해보면 다음과 같습니다.

특징	TLS 1.2	TLS 1.3
지원하는 암호 스위트	취약한 암호 스위트 포함	취약한 암호 스위트 제거
Perfect Forward Secrecy (PFS)	선택 사항	강제
핸드셰이크 단계	더 복잡함	단순화됨
0-RTT 재개	지원하지 않음	지원
보안성	낮음	높음
성능	낮음	높음

TLS 1.3은 TLS 1.2에 비해 보안성과 성능 면에서 월등히 뛰어납니다. 따라서 가능한 한 TLS 1.3으로 업그레이드하는 것이 좋습니다.