컴퓨터 네트워크 chapter 08 데이터 압축과 보안 임효택

1. PART 02 프로토콜 컴퓨터 네트워크 chapter 08 데이터 압축과 보안 임효택

2. PART 02 프로토콜 데이터 압축 • 허프만(Huffman) 코드 • 허프만 코드는 가장 널리 쓰이는 압축 방법 • 문자가 나타나는 빈도수에 따라 그 크기를 다르게 하는 것 : 빈도수 의존 코드(frequency dependent code) • 모음과 'L', 'R', 'S', 'N', 'T' 등과 같이 자주 나타나는 문자들은 더 작은 비트를 할당 • 예제 : 각각의 확률이 0.5, 0.3, 0.15, 0.05인 4개의 값 x1, ..., x4가 있다고 가정 • 만일 x1, ..., x4값 각각을 나타내기 위해 코드 값 00, 01, 10 11을 사용한다 면 X값을 전송하기 위해 2비트가 필요 • 그러나 만일 x1을 나타내기 위해 0, x2를 나타내기 위해 10, x3을 나타내기 위해 110, x4를 나타내기 위해 111을 사용한다면, 평균 0.5 x 1 + 0.3 x 2 + 0.15 x 3 + 0.05 x 3 = 1.7 비트가 필요

3. PART 02 프로토콜 허프만(Huffman) 코드 • 접두코드(prefix code) • 허프만 알고리즘 • 단 하나의 노드만을 가지고 있는 이진 트리와 각 문자를 매핑 • 각 트리에 문자들의 빈도수를 할당: 트리의 가중치(weight) • 두개의 가장 작은 가중치를 가지고 있는 트리를 찾아 하나의 트리로 합치고 새로운 루트 노드를 만들어 낸다.(이 새 트리의 가중치는 합쳐진 두 트리의 가중치의 합) • 마지막으로 하나의 트리가 남을 때까지 이 과정을 반복 • 이 과정이 끝났을 때 원래 노드들의 각각은 마지막 이진 트리의 말단 노드(leaf)가 된다. • 이진 트리에서 루트로부터 말단 노드에 이르는 유일한 길(path)이 있게 되고 이 길이 허프만 코드가 된다. 그것은 각 왼쪽 자식 포인터에 0을 할당하고 오른쪽 자식 포인터 에 1을 할당해서 결정

4. PART 02 프로토콜 허프만(Huffman) 코드 • 허프만 코드 생성 과정 [그림 8.2] 허프만 코드의 생성 과정

5. PART 02 프로토콜 Run Length Encoding • 허프만 코드는 알려져 있는 문자의 빈도수를 알아야 함 • 팩스는 종이의 밝은 부분과 어두운 부분에 해당하는 비트를 전송 →직접적으로 문자를 전송하지 않음 • Run Length Encoding 기법은 단순하지만 확실한 접근을 시도 → 0 또는 1이 계속 해서 나타나는 비트 문자열을 분석해서 모든 비트를 보내는 대신에 다만 0과 1이 몇 번 나타나는 횟수를 전송 • 팩시밀리 신호를 부호화하고 압축하는데 사용되는 간단하면서도 효율적인 데이터 압축 알고리즘

6. PART 02 프로토콜 Run Length Encoding • 팩시밀리 전송을 위해 페이지를 줄단위로 주사하고 각 줄을 따라 일정 간격의 점들 에 의해 반사되는 빛의 밝기를 측정 • 흰점을 0으로 나타내고 검은점을 1로 나타낸다고 가정하자. 만일 팩시밀리가 1인치당 200줄을 스캔하고, 각 줄마다 1인치당 200개의 점들의 밝기를 측정한다면 8.5인치×11인치 크기의 페이지를 200x200x8.5x11=3.74x10**6개의 비트로 표현 • 이 비트들을 9600bps 모뎀으로 전송한다면 6.5분이 걸림 • 팩시밀리는 긴 0들의 열을 전송하는 대신에 두 1사이의 연속적인 0의 개수를 보낸다. 예를 들어 0a가 a개의 연속적인 0을 나타낸다고 표기하면, 1 0a 1 0b 1 0c 1 0d와 같은 스트링(string)은 A B C D와 같이 부호화된다. • 여기서 A는 a의 이진수 표현이고, B는 b의, C는 c의, D는 d의 이진수 표현이다. 따라서 만일 a = 600(3인치 길이의 흰점에 해당)이면 A=1001011000 이 되고 따라서 600개의 0을 전송하는 대신에 단지 10비트만 전송하면 된다.

7. PART 02 프로토콜 상대적 인코딩(Relative Encoding) • 비디오 전송에서 이미지들은 팩스의 어둡고 환한 이미지 전송과 텍스트 파일 전송에 비해 매우 복잡 • 전에 소개된 방법는 이미지 압축에 도움이 되지 않음 • 하나의 비디오 이미지는 거의 반복을 가지고 있지 않지만 여러 이미지들에 대해서는 많은 반복이 있음 • 상대적 인코딩은 각각의 프레임을 개별적인 단위로서 다루고 압축하려고 시도하지 않고 각 프레임이 전의 것보다 얼마나 다른지를 고려 • 정보를 압축하고 보내는 것은 프레임들간의 차이가 아주 작을 때 효과적이 된다.

8. PART 02 프로토콜 상대적 인코딩(Relative Encoding) • 상대적 인코딩의 원리 • 처음 프레임은 보내지고 수신기의 버퍼에 이것이 저장 • 송신기는 두 번째 프레임을 처음 것과 비교하고 그 차이를 인코드 그리고 그것을 프레임 포맷으로 보내게 된다 • 수신기는 그 프레임을 얻고 그 프레임이 가지고 있는 차이를 적용해서 송신 기가 가졌던 두 번째 프레임을 만들어 냄 • 두 번째 프레임을 버퍼에 저장하고 계속해서 새로운 프레임에 대해서 위의 과정을 반복

9. PART 02 프로토콜 Lempel-Ziv 인코딩 • 최근에 데이터를 압축하는 또하나의 방법 • 흔하게 되풀이되어지는 문자열을 찾아서 단지 한번만 저장 • 한번 저장된 동일한 단어나 문장은 원래의 것을 가리키는 포인터와 길이를 나타 내는 값으로 대치 • UNIX 압축 명령(compress 명령어)와 MS-DOS의 ARC 유틸리티에서 이 알고리즘이 사용 • 이 알고리즘을 사용하면 긴 파일을 거의 1/2길이로 압축 • "the other one is the oldest”을 Lempel-Ziv 알고리즘으로 압축 • the o[1,3]r[4,2]is[3,1][1,5]ld[3,1][16,1][1,1] • [1,3]에서 1은 문장의 첫 번째 문자를 의미하며 3은 길이가 3임을 의미한다.

10. PART 02 프로토콜 Lempel-Ziv 인코딩 • 반복되는 문자열의 길이가 길수록 이 알고리즘의 효율은 증가 • Lempel-Ziv 알고리즘의 실제구현은 위에서 설명한 원래의 알고리즘과 약간 다르다. • 즉 실제로는 구현이 쉽도록 수정된 알고리즘을 사용하게 되는데 대신에 압축율 이 조금 떨어진다.

11. PART 02 프로토콜 보안 8.2.1 암호화 • 일반적으로 컴퓨터 시스템에서 사용되는 정보 암호화는 특정한 키(key)값을 이용하여 평문(plain text)으로 된 정보를 암호문(cipher text)으로 바꾸는 작업.

12. PART 02 프로토콜 고전적인 암호 방식 • 고전적인 암호 방식 중 하나는 시져(Julius Caesar) 황제가 만든 것으로서 각 문자를 알파벳 순서상 세 자리 뒤의 문자로 대체하는 방법에 기초 • 예: 영어 문자 알파벳을 사용하여 이 방법에 의해서 대문자로 변환하면 평문 'Caesar'는 암호문 'FDHVDU'가 된다. • 이 방법은 암호문을 세 자리 대신 k 자리만큼 문자를 이동시키는 것으로 일반화 • 이 방법은 k를 키로 한 순환이동 방법: 대체암호(substitution cipher) • 치환암호(transposition cipher) : 대체암호 방식과 함께 고전적인 암호 방식의 한 부류 • 평문의 심볼들을 재배치하는 방법이다.(순서를 재배열)

13. PART 02 프로토콜 관용 암호 방식(conventional cryptosystem) • 관용 암호 방식은 가장 널리 알려지고 또 일반적으로 사용되고 있는 암호 방식 • 컴퓨터 시스템과 통신망 등의 정보 암호화에 많이 이용 • 암호화 키와 복호화 키가 동일한 대칭 알고리즘을 사용 • 통신망에서 사용될 경우 일반적으로 세션키(session key) 또는 비밀키(secret key) 로 불리우는 이 대칭키를 암호화 이전에 서로 분배(distribution)해야하는 부담

14. PART 02 프로토콜 관용 암호 방식(conventional cryptosystem) • 키분배는 비용 증대와 시간 지연이라는 단점을 가진다. • 그러나 암호화 작업과 복호화 작업에서 계산량이 적고 빠르다는 장점으로 인하여 현재 가장 많이 사용 • 사용 예 • 미국 IBM에서 개발한 DES: 56비트의 키를 사용 • IDEA(International Data Encryption Standard) • 128비트의 비교적 큰 키를 사용 • PGP(Pretty Good Privacy)에서 사용 • 일본 NTT에서 개발한 FEAL(fast data encryption algorithm) 등 • 특히 DES는 가장 일반적으로 사용되는 암호 방식으로서 UNIX의 패스워드 처리 및 자료 저장에 응용 • [정의 8-1] 관용 암호 방식의 조건: p 258

15. PART 02 프로토콜 관용 암호 방식(conventional cryptosystem) [그림 8.4] 관용 암호 방식 개념도

16. PART 02 프로토콜 공개키 암호 방식(public key cryptosystem) • 관용 암호 방식의 가장 큰 문제점이었던 키분배 문제를 해결한 암호 방식 • 암호화 키와 복호화 키가 서로 다른 비대칭 알고리즘을 사용하고 암호화 키는 안전한 경로를 사용할 필요 없이 공개해도 무방하다는 특징을 갖는다.

17. PART 02 프로토콜 공개키 암호 방식(public key cryptosystem) • 키분배에 따르는 부담이 크게 줄어 듬 • 통신망에서 사용하기에는 관용 암호화 방식보다 더 적합하다고 판단되어짐 • 암호화 및 복호화 작업에 필요한 계산량이 너무 크다는 치명적인 단점 • 효율적인 고속 하드웨어의 지원이 없이는 현실적으로 적용하기 어렵다. • 대표적인 알고리즘은 최초의 공개키 방식으로 알려져 있는 RSA(Rivest, Shamir, Adleman) 알고리즘 • [정의 8-2] 공개키 암호 방식의 조건 : p259

18. PART 02 프로토콜 공개키 암호 방식(public key cryptosystem) [그림 8.5] 공개키 암호 방식 개념도

19. RSA 알고리즘 – (1) • 1977년 리베스트(R. Rivest), 샤미르(A. Shamir), 아델먼(L. Adelman) 이 개발. • 가장 많이 사용되는 비대칭 암호화 알고리즘. • 매우 큰 두 소수는 소인수분해가 매우 어렵다는 것에 기반. • 데이터를 암호화 하고 복호화 하는데 한 쌍의 키를 이용.

20. RSA 알고리즘 – (2) • 소수인 p와 q를정함. (1과 자신으로만 나눌 수 있는 수) • n 은 p와 q의곱. (즉 : n = PQ) • Ф(파이)는 p와 q에 각각 1을 뺀수를 곱한 것. (즉 : Ф = (p-1)(q-1) ) • 이 조건에 만족하는 e 를 찾는다. 1 < e < Ф, gcd(e, Ф) = 1 • 다음조건에 맞는 d를 찾는다. 1 < d < Ф, edmod Ф ≡ 1 • 이 계산식으로 구해진 수들 n , e , d

21. RSA 알고리즘 – (3) • Public key (e , n ) 생성됨. • Private key (d, n ) 생성됨. • Public key는 공개 , private key는 비공개. • 앞서 나온 p와 q와 Ф도 비공개.

22. RSA 알고리즘 사용예-(1) • p = 11 , q = 3 이라고 가정. • n = 33 :: (n=pq) • Φ=(11 - 1)(3 - 1 ) = 20 • 위의 구해진 수로 e를 구한다. • gcd(e, Φ) = 1 과 1 < e < Φ 두 조건을 만족해야 함. • gcd(e, (p-1)(q-1) ) = 1 이면 • gcd(e, (p-1))=1 과 gcd(e, (q-1))=1 도 만족

23. RSA 알고리즘 사용예-(2) e 를 구하는 예제 • 1 < e < 20 중 가장 작은 소수 순으로 대입 • gcd(2, 10)=2 • gcd(2, 2)=2 <- 1이 아니므로 X. • gcd(3, 10)=1 • gcd(3, 2)=1 <- e값이 1을 만족함으로 O. d를 구하는 예제 • ed mod Φ ≡ 1 (ed-1) mod Φ ≡ 0 (3d-1) mod 20 ≡ 0

24. RSA 알고리즘 사용예-(3) • 위의 식으로 1 < d < 20 인 d값을 구한다. • d = 7. 위 식으로 구해진 값들. • p는 11 , q는 3 , n은 33 • Φ는 20 , e는 3 , d는 7 • public key 는 (3,33) • private key 는 (7,33)

25. RSA 알고리즘 사용예-(4) • Public key 과 Private key 를 이용. • 암호화/ 복호화 를 구현. • 암호화할 m을 5라고 가정. • public key키 (3,33)을 이용해서 암호화. • 암호화된 숫자는 26 :: (124%33=26) C = m^e mod n C = 5^3 mod 33 = 125 mod 33 = 26

26. RSA 알고리즘 사용예-(5) • 이제 private key (7,33)를 이용해서 복호화. • m이 5로복호화 됨. • 문자등도 가능 하도록 아스키 코드 등등을 이용 • 죄다 숫자로 변형해서 암/복호화 하면된다. • 중간에 C값과 public key 값을 알게되더라도 d 값을 모르면 복호화가 불가능 함. m = C^d mod n m = 26^7 mod 33 = 8031810176 % 33 = 5

27. PART 02 프로토콜 공개키 분배 방식(public key distribution cryptosystem) • 공개키 분배 방식은 관용 암호 방식의 키분배 부담을 해결한 대칭 알고리즘 방식이다. • 이 방식의 기본적인 아이디어는 관용 암호 방식의 암호화 및 복호화 작업의 계산량이 적다는 장점과 공개키 암호 방식의 키를 공개할 수 있다는 장점을 결합하는 것이다. [그림 8.6] 공개키 분배 방식 개념도

28. PART 02 프로토콜 디지털 서명(digital signature) • 디지털 서명은 일반적인 문서 서명의 개념을 컴퓨터에 도입한 것으로서, • 하나의 전자적인 메세지가 유일한 것이며 • 또한 그 문서의 전송자가 누구라는 것을 추적하거나 증명할 수 있도록 하는 방법을 말한다. • 디지털 서명은 메세지 송신자의 인증이 본래 손으로 쓰여진 서명과 같은 역할을 하는 것으로 생각한다. • 디지털 서명은 전산화된 업무 및 회계 처리, 그리고 인터넷을 통한 전자 우편이나 정보의 전달에 주로 이용 • 보안 시스템의 중요성이 높아질수록 활용도가 매우 높아질 것으로 기대되는 기술 • [정의 8-4] 디지털 서명의 조건

29. PART 02 프로토콜 인터넷에서의 보안 • 공개 네트워크(public Network) • 전화망이나 인터넷처럼 네트워크 상의 개체들이 상호 자유롭게 정보를 주고받을 수 있도록 기반구조가 되는 네트워크 • 사설 네트워크(Private Network) • 한 조직이나 개인이 소유한 네트워크, 해당 조직에 관련된 사용자만 사용 가능 • 가상 사설망, Virtual Private Network • 인터넷과 같은 Public Network를 사용하여 private network를 구축하게 해주는 기술 혹은 네트워크

30. PART 02 프로토콜 IPSec (IP Security Protocol) • IPSec은 전송모드(Transport mode)와 터널모드(Tunnel mode)를 제공 • 전송 모드 • IP 페이로드만 암호화 되며, 원래의 IP Header는 그대로 둔다. • 원본 패킷에 대하여 최소의 바이트 수만 추가된다는 장점 • 공개 네트워크 상에서의 모든 장비가 해당 패킷에 대한 최종 목적지를 부가적인 작업 없이 알 수 있다. • [그림 8.8]와 [그림 8.9]은 전송모드를 적용하기 전과 후의 패킷 형태이다. [그림 8.8] IPSec 전송모드를 적용하기 전의 패킷 [그림 8.9] IPSec 전송모드를 적용한 후의 패킷

31. PART 02 프로토콜 IPSec (IP Security Protocol) • 터널 모드 • 모든 초기의 IP Datagram이 암호화 되며, 기존의 원본 패킷을 기초로 안호화된 새로운 IP 패킷이 만들어진다. • 라우터와 같은 네트워크 장비가 IPSec 프로토콜 상에서의 Proxy로 동작할 수 있다. • 전체 패킷을 암호화 하므로, 실질적인 전송 호스트와 목적지는 노출되지 않으므로 침입을 위한 분석을 하기가 어렵다. • 가상의 터널이 존재 • [그림 8.10]과 [그림 8.11]는 터널 모드를 위하여 암호화된 패킷의 형태를 각각의 IPv4와 IPv6로 나타낸 것이다. [그림 8.10] IPSec 터널 모드 적용 전 패킷 [그림 8.11] IPSec 터널 모드 적용 후 패킷

32. PART 02 프로토콜 SSL (Secure Socket Layer) • 양방향 프로토콜, Netscape Communications Corporation이 인터넷 상의 보안과 기밀을 보장하기 위해 개발한 규약 • SSL 규약은 서버와 클라이언트의 진위 확인을 하도록 해준다. • 암호화와 인증, 메시지 확인 규칙 등의 방법을 통해 송수신 경로의 보안과 안정성을 유지시켜 줄 수 있다. • 양방향 핸드쉐이크 방식을 띄는 프로토콜 • 완전 핸드쉐이크 방식, 지속적 세션 수행 방식

33. PART 02 프로토콜 SSL (Secure Socket Layer) • Full handshake 방식

34. PART 02 프로토콜 SSL (Secure Socket Layer) • Resume Session

35. PART 02 프로토콜 VPN에서의 IPSec과 SSL의 비교 • Virtual Private Networks(VPNs)는 그들의 내부적인 Private Network를 사용하여, 외부 인터넷으로의 확장성을 제공한다. • VPN은 외부에 대하여 폐쇄적인 환경을 구축하고자 하는 분야에서 널리 사용 • IPSec과 SSL을 VPN에 적용함으로 인한 장단점. • 장점 : 응용 계층 프로토콜에 독립적인 보안 연결을 제공 • 단점 : 세 가지의 관점에서 단점을 분석 • 관점 1 : 제한성 • 관점 2 : 확장성 및 호환성 • 관점 3 : 플랫폼에 대한 제한