Hash for Security

1. Hash

해시(hash)는 단방향 암호화 기법입니다. 평문을 암호화 된 테스트로 만들어줍니다. 해시 함수(hash function)을 사용해 고정된 길이의 암호화 된 문자열로 변환합니다. 고정된 길이의 암호화 된 문자열을 다이제스트(digest)라고 합니다.
단방향이기 때문에 암호화 된 문자열을 다시 평문으로 복호화가 불가능합니다. 일부만 변경되어도 전혀 다른 값이 된다는 특징 때문에 다음과 같은 용도로 사용합니다.

• 메시지의 오류나 변조를 탐지할 수 있는 무결성 확인 용도로 사용합니다.
• 복호화 할 필요가 없는 비밀번호, 전자투표, 전자상거래 등에 사용됩니다.

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1.1. Hash Function

해시 함수는 암호화 알고리즘을 의미합니다. 다음과 같은 특징을 가집니다.

• 입력 값이 일부만 변경되어도 다른 다이제스트 값을 출력합니다.
  • 입력 값에 아주 작은 변화만으로도 전혀 다른 다이제스트 값을 가지며 이를 눈사태 효과라고 합니다.
• 입력 값에 상관 없이 고정된 길이의 다이제스트 값을 출력합니다.
• 복호화가 불가능합니다.
• 복잡하지 않은 알고리즘을 사용하기 때문에 CPU와 메모리 같은 시스템 자원을 덜 소모한다.
• 같은 입력 값에 대해 같은 출력 값을 보장합니다.

1.2. Kind of Algorithms

다음과 같은 종류의 해시 알고리즘들이 있습니다.

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

2. Problems

해시는 훌륭한 보안 수단이지만, 다음과 같은 문제점이 있습니다.

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

이런 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 보조 수단을 사용합니다.

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

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• 키 스트레칭(key stretching)
  • 해싱을 여러 차례 수행합니다.
  • 여러 차례 해싱을 수행하기 때문에 더 많은 시간이 소요됩니다.

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3. Practice

스프링 시큐리티(spring security)에서 제공하는 해시 암호화 기능을 사용한 예제 코드를 작성했습니다. 스프링은 다음과 같은 해시 암호화 기능들을 제공합니다.

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

이번 포스트 스프링의 BCrypt와 JDK의 MessageDigest를 사용한 예제 코드를 살펴보겠습니다.

3.1. Using Bcrypt Algorithm

• BCrypt 알고리즘은 랜덤한 솔트를 사용해 매번 새로운 해시 값을 생성합니다.
• checkpw(plainText, hashedCode) 메소드는 전달 받은 평문과 다이제스트가 동일한지 확인합니다.
• BCrypt의 다이제스트는 솔트 정보를 포함하고 있기 때문에 매번 새로운 해시 값을 만들더라도 동일 비밀번호인지 확인 가능합니다.

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));
    }

    @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));
    }
}

Result BCrypt Test

• 같은 평문을 암호화하지만 서로 다른 다이제스트 값이 출력됩니다.
• 해시 암호화에 사용한 솔트 값이 다이제스트에 포함되어 있습니다.

21:40:55.404 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$/F0RcK9VrT.b5TDxLtwC9u
21:40:55.407 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$BIWirX2YhEodCaZRo/hNSe
21:40:55.407 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$/F0RcK9VrT.b5TDxLtwC9u1mgfKOPFtJk9JTZbAQtKxoBZxtXx2Vu
21:40:55.408 [Test worker] INFO action.in.blog.SpringSecurityCryptoTests -- $2a$10$BIWirX2YhEodCaZRo/hNSe3EEXfpualrce8YQPsS1xf.CYdy7cvwq

Result of BCryptPasswordEncoder Test

• 같은 평문을 암호화하지만 서로 다른 다이제스트 값이 출력됩니다.

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. Using SHA-256 Algorithm

• MessageDigest 클래스를 사용하면 원하는 알고리즘을 지정해 사용할 수 있습니다.
• 솔트와 키 스트레칭 작업을 별도로 수행해야 합니다.

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");
        byte[] temp = null;
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String saltedPassword = password + salt;
            messageDigest.update(saltedPassword.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            temp = messageDigest.digest();
        }
        return getStringFromBytes(temp);
    }

    @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);
    }
}

Result

21:45:02.345 [Test worker] INFO action.in.blog.JavaSecurityTests -- a5e2926cdfe3eb63734de5341f14b878
21:45:02.348 [Test worker] INFO action.in.blog.JavaSecurityTests -- 7d5922929108c22e545eb1b819fd15950536b9315a7298e2a5001627987956a5

TEST CODE REPOSITORY

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

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• Jasypt(Java Simplified Encryption)

REFERENCE

• https://en.wikipedia.org/wiki/Bcrypt
• https://jeong-pro.tistory.com/92
• https://ru-magazine.tistory.com/47
• https://tired-overtime.tistory.com/136
• https://blog.humminglab.io/posts/tls-cryptography-10-hash/
• https://st-lab.tistory.com/100
• https://www.baeldung.com/java-password-hashing
• https://en.wikipedia.org/wiki/Bcrypt
• 암호화의 종류와 Bcrypt