Hash for Security

4 분 소요

1. Hash

해시(hash)는 단방향 암호화 기법이다. 평문을 암호화 된 텍스트로 만들어준다. 해시 함수(hash function)를 사용해 평문(plain text)을 암호화 된 문자열로 변환한다. 암호화 된 문자열은 고정된 길이를 갖는 데 이를 다이제스트(digest)라고 한다. 단방향이기 때문에 암호화 된 문자열을 다시 평문으로 복호화가 불가능하다. 일부만 변경되어도 전혀 다른 값이 된다는 특징 때문에 다음과 같은 용도로 사용하다.

메시지의 오류나 변조를 탐지할 수 있는 무결성 확인 용도로 사용한다.
복호화 할 필요가 없는 비밀번호, 전자투표, 전자상거래 등에 사용된다.

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1.1. Hash Function

해시 함수는 암호화 알고리즘을 의미한다. 다음과 같은 특징을 가진다.

입력 값이 일부만 변경되어도 다른 다이제스트 값을 출력한다.
- 입력 값에 아주 작은 변화만으로도 전혀 다른 다이제스트 값을 가지며 이를 눈사태 효과라고 한다.
입력 값에 상관 없이 고정된 길이의 다이제스트 값을 출력한다.
복호화가 불가능하지만, 입력 값이 같다면 같은 출력 값을 보장한다.
복잡하지 않은 알고리즘을 사용하기 때문에 CPU와 메모리 같은 시스템 자원을 덜 소모한다.

1.2. Kind of Algorithms

다음과 같은 종류의 해시 알고리즘들이 있다.

MD5(Message-Digest Algorithm 5)
- 1992년 128비트 길이로 만들어진 알고리즘이다.
- 해시 값을 고속으로 출력할 수 있으며 현재는 많은 약점이 노출되어 단독으로 사용되지 않는다.
SHA-1(Secure Hash Algorithm-1)
- 1995년에 발표된 규격으로 160비트 해시 값을 생성한다.
- 2017년 2월에 해시 충돌 약점을 이용한 브루트 포스 공격으로 돌파되어 현재는 사용하지 않는다.
SHA-2(Secure Hash Algorithm-2)
- SHA-1을 개량하여 2001년 NIST(미국 표준 기술 연구소)에 의해 표준화 된 규격이다.
- 뒤에 붙는 숫자에 따라 해시 값의 길이와 블록 크기 등이 결정되며 길수록 안정성이 높아집니다.
- 현재는 SHA-256이나 SHA-512가 주로 사용된다.

2. Problems

해시는 훌륭한 보안 수단이지만, 다음과 같은 문제점이 있다.

브루트 포스(brute force) 공격이 가능하다.
- 해시는 자원 소모가 적기 때문에 처리 속도가 빠른데 이는 장점이자 취약점이 된다.
- 고성능의 GPU를 사용하면 수많은 값을 비교할 수 있기 때문에 모두 대입하여 뚫릴 가능성이 높다.
다른 입력 값을 암호화하더라도 같은 다이제스트 출력 값을 가질 수 있다.
- 해싱 충돌이 발생한 경우이다.
- 다른 입력이지만, 변환된 다이제스트 출력 값만을 비교한다면 보안이 뚫릴 수 있다.
사전 공격이 가능하다.
- 여러가지 암호 유형의 데이터를 대량으로 미리 암호화하고 테이블에 저장하는데 이를 레인보우 테이블(rainbow table)라고 한다.
- 동일한 입력에 대해선 항상 같은 출력이기 때문에 다이제스트 값을 탈취했다면 레인보우 테이블을 통해 평문 값을 찾아낼 수 있다.
- MD5 해시 알고리즘 같은 경우에는 이미 인터넷에 수많은 레인보우 테이블이 노출되어 있다고 한다.

이런 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 보조 수단을 사용한다.

솔트(salt)
- 일종의 랜덤 텍스트이며 이를 함께 섞어 다이제스트를 생성한다.
- 스토리지에 저장되는 비밀번호를 보호하기 위해 사용된다.
- 솔트 값이 유저마다 다르다면 한 명의 비밀번호가 유출되더라도 다른 사람의 비밀번호는 안전한다.
- 해시 값을 알더라도 레인보우 테이블에서 일치하는 비밀번호를 찾기 어렵습니다.

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키 스트레칭(key stretching)
- 해싱을 여러 차례 수행한다.
- 여러 차례 해싱을 수행하기 때문에 더 많은 시간이 소요된다.

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3. Practice

스프링 시큐리티(spring security)에 포함된 해시 기능들을 살펴보자.

PBKDF2(Password-Based Key Derivation Fucntion)
- 솔트를 적용한 후 해시 함수를 임의의 반복 횟수만큼 적용한다.
BCrypt
- 패스워드 저장을 목적으로 설계되었습니다.
- 패스워드를 생성할 때 랜덤한 솔트를 사용하기 때문에 다른 인코딩 결과를 반환한다.
SCrypt
- 다이제스트를 생성할 때 메모리 오버헤드를 갖도록 설계되었습니다.
- 브루트 포스 공격을 방지할 때 사용되며 PBKDF2, BCrypt보다 강력한 보안을 제공한다.

이들 중 BCrypt와 JDK(Java Development Kit)이 기본적으로 제공하는 MessageDigest를 사용한 예제를 살펴보자.

3.1. Use Bcrypt in Spring Security

Bcrypt 클래스를 먼저 사용해보자.

BCrypt 클래스는 랜덤한 솔트를 사용해 매번 새로운 해시 값을 생성한다.
checkpw 메소드는 전달받은 평문과 다이제스트가 동일한지 확인한다.
BCrypt 알고리즘의 다이제스트는 솔트 정보를 함께 포함하고 있기 때문에 매번 새로운 해시 값을 만들어져도 동일한지 확인 가능하다.

package action.in.blog;

import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.security.crypto.bcrypt.BCrypt;
import org.springframework.security.crypto.bcrypt.BCryptPasswordEncoder;

import static org.hamcrest.MatcherAssert.assertThat;
import static org.hamcrest.Matchers.equalTo;

class SpringSecurityCryptoTests {

    Logger logger = LoggerFactory.getLogger(SpringSecurityCryptoTests.class);

    @Test
    void bcrypt_test() {
        var password = "Hello World";
        var salt1 = BCrypt.gensalt();
        var salt2 = BCrypt.gensalt();
        var firstDigest = BCrypt.hashpw(password, salt1);
        var secondDigest = BCrypt.hashpw(password, salt2);


        logger.info(salt1);
        logger.info(salt2);
        logger.info(firstDigest);
        logger.info(secondDigest);


        assertThat(firstDigest.equals(secondDigest), equalTo(false));
        assertThat(BCrypt.checkpw(password, firstDigest), equalTo(true));
        assertThat(BCrypt.checkpw(password, secondDigest), equalTo(true));
    }

    ...
}

다음과 같은 로그를 확인할 수 있다.

같은 평문을 암호화하지만 서로 다른 다이제스트 값이 출력된다.
해시 암호화에 사용한 솔트 값이 다이제스트에 포함되어 있다.

40:55.404 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$/F0RcK9VrT.b5TDxLtwC9u
40:55.407 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$BIWirX2YhEodCaZRo/hNSe
40:55.407 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$/F0RcK9VrT.b5TDxLtwC9u1mgfKOPFtJk9JTZbAQtKxoBZxtXx2Vu
40:55.408 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$BIWirX2YhEodCaZRo/hNSe3EEXfpualrce8YQPsS1xf.CYdy7cvwq

이번엔 BCryptPasswordEncoder 클래스를 사용한다. PasswordEncoder 인스턴스는 스프링 시큐리티의 인증 프로세스에서 사용된다.

동일한 평문을 암호화하지만, 다이제스트 값은 동일하지 않다.
matches 메소드를 사용하면 해당 평문과 다이제스트가 동일한지 확인할 수 있다.

class SpringSecurityCryptoTests {

    Logger logger = LoggerFactory.getLogger(SpringSecurityCryptoTests.class);

    @Test
    void password_encoder_test() {
        var sut = new BCryptPasswordEncoder();
        var password = "Hello World";
        var firstDigest = sut.encode(password);
        var secondDigest = sut.encode(password);


        logger.info(firstDigest);
        logger.info(secondDigest);


        assertThat(firstDigest.equals(secondDigest), equalTo(false));
        assertThat(sut.matches(password, firstDigest), equalTo(true));
        assertThat(sut.matches(password, secondDigest), equalTo(true));
    }
}

다음과 같은 로그를 볼 수 있다.

같은 평문을 암호화하지만 서로 다른 다이제스트 값이 출력된다.

21:42:00.038 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$Q.LHWjEFfe36IFNDgvlLteEP8ESU.AALYFNWr/MpFLvSO.fA88mZe
21:42:00.041 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$8RzhABRyuSsl94G1K.hN8OZehAT8kobDBG4N3FTZHJgII1OfmzrBG

3.2. Use MessageDigest with SHA-256 Algorithm in JDK

이번엔 MessageDigest 클래스를 사용해 평문을 암호화해본다.

MessageDigest 클래스를 사용할 때 원하는 알고리즘을 지정한다.
- SHA-256 알고리즘을 사용한다.
솔트와 키 스트레칭 작업을 별도로 수행해야 한다.
- 아래 예제에선 5회 스트레칭을 수행한다.

package action.in.blog;

import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;

class JavaSecurityTests {

    Logger logger = LoggerFactory.getLogger(JavaSecurityTests.class);

    private String getSalt() {
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        byte[] salt = new byte[16];
        random.nextBytes(salt);
        return getStringFromBytes(salt);
    }

    private String getStringFromBytes(byte[] bytes) {
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            builder.append(String.format("%02x", b));
        }
        return builder.toString();
    }

    private String getDigest(String password, String salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        var messageDigest = MessageDigest.getInstance("SHA-256"); // 1
        byte[] tempDigest = null;
        for (int index = 0; index < 5; index++) { // 2
            String passwordOrDigest = index == 0 ? password : new String(tempDigest, StandardCharsets.UTF_8);
            String saltedPassword = passwordOrDigest + salt;
            messageDigest.update(saltedPassword.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            tempDigest = messageDigest.digest();
        }
        return getStringFromBytes(tempDigest);
    }

    @Test
    void message_digest_test() throws NoSuchAlgorithmException {
        var password = "Hello World";
        var salt = getSalt();
        var digest = getDigest(password, salt);


        logger.info(salt);
        logger.info(digest);
    }
}

다음과 같은 로그를 확인할 수 있다.

16:12:44.813 [Test worker] INFO action.in.blog.JavaSecurityTests -- 86070f069b31a07521eb1d0637951054
16:12:44.817 [Test worker] INFO action.in.blog.JavaSecurityTests -- 0effc8662724e98e5bcf4dba84df56a5893b335929bad70560074dffe7a94ea8

TEST CODE REPOSITORY

https://github.com/Junhyunny/blog-in-action/tree/master/2023-06-25-hash-for-security

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강준현

Hash for Security

1. Hash

1.1. Hash Function

1.2. Kind of Algorithms

2. Problems

3. Practice

3.1. Use Bcrypt in Spring Security

3.2. Use MessageDigest with SHA-256 Algorithm in JDK

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참고

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