SSL / TLS (Secure Sockets Layer / Transport Layer Security)

* SSL/TLS : 웹 브라우저와 서버 양단(Client/Server 환경) TCP 기반 통신 시(보통 위치가 지정되지 않은 구성의 VPN이나 일반 웹서비스), 응용 계층 및 TCP 전송 계층 사이 보안 채널 형성 및 암호화하는 보안 프로토콜

- SSL에서 TLS로 변경되었지만, 방식은 동일

- 각 프로토콜이 SSL을 사용 할 시, 이를 구분하기 위한 고유 Well-Known 포트 할당
(HTTPS-443/TCP, SMTPS-465/TCP, FTPS-990/TCP, TELNETS-992/TCP 등)

 

 

 

* SSL 제공 보안 서비스

SSL 보안 서비스	내용
기밀성 (Confidentiality)	* 대칭 암호(Symmetric Cipher)를 이용한 송수신 메세지 암호화를 통해, 기밀성 제공
무결성 (Integrity)	* 메세지 인증 코드(MAC : Message Access Code)를 통해, 송수신 메세지의 위/변조 여부를 확인할 수 있는 무결성 제공
인증 (Authentication)	* 공개키 인증서를 이용한 Server/Client 간 상호 인증을 수행

 

 

 

* SSL/TLS 프로토콜 구조(STACK)

SSL/TLS 프로토콜 구조

1) SSL/TLS 계층 및 세부 프로토콜

계층	세부 프로토콜	내용
상위 계층	Handshake Protocol	* 종단 간에 보안 파라미터(Security Parameter)를 협상함
	Change Cipher Spec	* 종단 간 협상된 보안 파라미터를 이후부터 적용/변경함을 알림
	Alert	* SSL/TLS 통신 과정에서 발생하는 오류를 통보
	Application Data	* Application 계층의 데이터를 전달
하위 계층	Record	* 적용/변경된 보안 파라미터를 이용하여 실제 암/복호화, 무결성 보호, 압축/압축 해제 등의 기능을 제공

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2) 상태 유지(Stateful) Protocol : 완전 협상(Full Handshake)을 통해 세션을 생성, 해당 세션 정보를 공유하는 다수의 연결을 단축협상(Abbreviated Handshake)을 통해 생성하는 세션과 연결 기반의 상태 유지 프로토콜

SSL/TLS 상태 유지 프로토콜

- Stateful Session State 정보 : 양 종단간 완전 협상을 통해 생성되는 상태정보로, 세션이 유지되는 동안은 지속적으로 다수의 연결에 의해 사용되는 보안 파라미터 정보가 관리됨

필드	설명
Session ID	* 둘 사이의 세션 식별자, 32 Byte로 구성
peer certificate	* 상대방의 인증서 (X.509v3)
cipher spec (암호 명세)	* 암호 명세로 아래 정보를 담고 있음 - 대칭 암호 알고리즘, 키 길이, 블럭 암호 모드 등 - HMAC용 해시 알고리즘
compression method	* 압축 방식, 현재는 Null만 정의
master secret	* 키 블럭 생성을 위한 Server와 Client가 공유하는 48Byte 비밀값 * 완전 협상을 통해 생성한 premaster secret, server random, client random을 조합/해시하여 master secret 생성 * server random, client random은 master secret 생성을 위한 salt 값 역할
is resumable	* 현재 세션이 재사용 될 수 있는지 여부 플래그 - 여러 연결에 의해 다시 사용될 수 있는지를 의미

- SSL/TLS Connection State 정보 : 실제 데이터 송수신 단위로, 단축 협상을 통해 생성되며 세션 상태를 공유하면서 통신을 수행

필드	설명
Server/Client Random	* 단축 협상을 통해 서버/클라이언트가 생성한 32Byte 난수 값 * 세션에 저장된 master secret와, 단축 협상을 통해 생성된 Client random, Server random을 조합/해시하여 키 블럭을 생성한 후, 이를 이용하여 다양한 키를 생성 * Server/Client random은 키 블럭 생성을 위한 salt 역할 수행
Server/Client write key	* 서버/클라이언트가 암호화에 사용하는 비밀키
Server/Client Write MAC Secret	* 서버/클라이언트가 MAC 생성 시 사용하는 인증 키
Server/Client Write IV	* 서버/클라이언트가 블록 암호 모드에 사용하는 IV(Initialize Vector)
Sequence number	* 전송 메세지 순번

- 세션 상태정보(Session State)와 연결 상태(Connection State) 정보를 이용한 키 생성 과정

SSL/TLS Key 생성 과정

• 완전 협상을 통해 주고 받은 Premaster Secret, Client/Server Random을 조합(해시)하여 Master Secret 생성
• 생성한 Master Secret은 다수 연결이 이용할 수 있도록 세션 상태에 저장
• 이후, 단축 협상을 통해 주고 받은 Client/Server Random과 세션에 저장된 Master Secret을 조합(해시)한 결과로 Key Block을 생성
• Key Block으로부터, Server/Client 각각의 암호용 비밀키(Write Key), MAC용 인증키(Write MAC Key), 블럭 암호 모드용 IV를 계산해 냄

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3) 완전 협상 과정(Full HandShake) Protocol

SSL/TLS 완전 협상 과정

SSL/TLS 완전협상 과정	내용
1. Client Hello	* 클라이언트가 지원 가능한 SSL/TLS 버전, 암호 도구 목록(Cipher Suites), 압축 방식 등을 Server에 전달하는 메세지 * Client Random : 클라이언트가 생성하는 32Byte 난수값 - 임의 난수 28byte + 현재 시간 및 날짜 4byte으로, Master Secret 및 Key Block 생성 시, Salt 역할 수행 * Session ID : 서버 세션 식별을 위한 ID - 클라이언트가 처음 세션을 생성할 때(완전 협상)에는, 빈값을 전달하고, 이미 생성된 세션을 재사용할 때(단축 협상)에는, 세션 ID를 담아서 전달 * 암호 도구 목록(Cipher Suites) : 클라이언트에서 지원 가능한 정보를 담아서 전송 - 키 교환 및 인증 알고리즘, 암호 명세(Cipher Spec)으로 구성 -> 형식 : SSL/TLS_(키 교환 및 인증 알고리즘)_WITH_(Cipher Spec) - Cipher Spec(암호 명세) : 대칭 암호 알고리즘, 암호키 길이, 블럭 암호모드, HMAC용 해시 알고리즘 등으로 구성 ex) TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256 : 키 교환 및 인증 알고리즘으로 RSA 사용, 대칭 암호 알고리즘으로 AES 사용, 암호키 길이 256bit, 블록 암호 모드는 CBC, HMAC용 해시 알고리즘은 SHA-256 사용 ex) TLS_DHE_DSS_WITH_AES_256_GCM_SHA256 : 키 교환 알고리즘으로 DHE(Ephemeral Diffie-Hellman), 인증 알고리즘으로 DSS, 대칭 암호 알고리즘 AES, 암호 키 길이 256, 블럭 암호 모드 GCM, HMAC용 해시 알고리즘 SHA-256 사용 * SSL/TLS에서 Diffie-Hellman 키 교환 유형 1. Ephemeral Diffie-Hellman(임시 디피 헬먼) : 매 협상 시 마다, 새 Diffie Hellman 개인키(임의 정수값)을 생성, 공개 Diffie-Hellman 매개변수에 대한 서명(Cipher Suite의 인증/서명 알고리즘 이용)을 통해 인증을 수행 2. Anonymous Diffie-Hellman(익명 디피 헬먼) : 임시 방식과 동일하게 새로운 Diffie-Hellman 개인키(임의 정수값)을 생성하나, 매개변수에 대한 인증을 수행하지 않아 MITM 공격에 취약, 해당 키 교환 방식의 Cipher Suite는 사용하지 않는 것을 권고
2. Server Hello	* 사용할 SSL/TLS 버전, 암호 도구(Ciper Suite), 압축 방식 등을 클라이언트에 전달하는 메세지 * Server Random : 서버가 생성하는 32byte 난수값 - 임의 난수 28byte + 현재 시간 및 날짜 4byte로, master secret 및 Key block 생성 시, Salt 역할 수행 * Session ID : 새롭게 생성하거나 존재하는 세션 ID 정보
3. Server Certificate (선택적 메세지)	* 필요 시, 서버 인증서 목록(서버 인증서 및 인증서에 서명한 인증기관들의 인증서 목록)을 클라이언트에게 전달
4. Server Key Exchange (선택적 메세지)	* 필요 시, 키 교환에 필요한 정보를 전달 - 키 교환 알고리즘으로 Ephemeral Diffie-Hellman을 사용할 시, 공개 Diffie-Hellman 매개변수(소수 p, 원시근 g, 서버 Diffie-Hellman 공개키)를 서명 알고리즘으로 서명하여, 서명값과 함께 전달
5. Certificate Request (선택적 메세지)	* 필요 시, 클라이언트 인증을 위한 인증서를 요청 - 요청 시, 서버측에서 인증 가능한 인증기관 목록을 제공
6. Server Hello Done	* Server Hello 종료 과정을 알림
7. Client Certificate (선택적 메세지)	* 필요 시(서버의 Certificate Request 메세지 수신 시), 클라이언트 인증서 목록을 전달
8. Client Key Exchange	* 키 교환에 필요한 premaster secret을 생성 후 서버에 전달하는 메세지 - 키 교환 알고리즘에 따라 premaster secret 생성 방식이 다름 RSA : premaster secret(난수값) 생성 후 수신한 서버 인증서의 공개키를 이용하여 암호화 전송 Diffie-Hellman : 클라이언트 Diffie-Hellman 공개키를 생성하여 서버에 전달, 클라이언트와 서버는 각각 Diffie-Hellman 연산을 통해 공통의 premaster secret 생성
9. Certificate Verify (선택적 메세지)	* 필요 시(서버의 Certificate Request 메세지 수신 시), 클라이언트가 보낸 인증서에 대한 개인키를, 클라이언트가 가지고 있음을 증명 - 현재까지의 핸드셰이크 과정에서 주고 받은 메세지와, master secret을 조합한 해시값에, 클라이언트의 개인키로 서명하여 전달
10. Change Cipher Spec	* 협상한 암호명세(Cipher Spec)를 이후부터 적용/변경함을 알리는 메세지
11. Finished	* 협상 완료를 서버에 알림
12. Change Cipher Spec	* 협상한 암호명세(Cipher Spec)를 이후부터 적용/변경함을 알리는 메세지
13. Finished	* 협상 완료를 클라이언트에 알림

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4) 단축 협상 과정(Abbreviated Handshake)

SSL/TLS 단축 협상 과정

SSL/TLS 단축협상 과정	내용
1. Client Hello	* 사용할 Session ID와 Client Random을 전달
2. Server Hello	* Server Random을 전달

- 나머지 과정은 위 이미지와 동일하나, 일정시간 클라이언트의 요청이 없어, 서버측 세션 정보가 만료될 시, 만료된 세션을 클라이언트가 요청하게 되면, 새로운 세션 ID를 생성하여 클라이언트에게 전달 후, Full Handshake를 수행

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5) Recored Protocol 동작 방식 : 협상된 알고리즘을 이용하여 메세지를 압축/압축 해제, 무결성 검증, 암/복호화하여 송수신 하는 기능을 수행

Record Protocol 동작 방식

SSL/TLS Record Protocol 순서	내용
1. 단편화	* Application Data를 일정 크기로 단편화 수행
2. 압축 후 MAC 추가	* 단편화된 데이터를 협상을 통해 적용된 압축 알고리즘으로 압축 후, MAC 값을 계산하여 추가
3. 암호화	* 압축된 데이터와 MAC값을, 협상을 통해 적용된 암호 알고리즘으로 암호화
4. Record 헤더 추가	* 암호화된 데이터에 Record 헤더를 추가하여 전송

 

 

 

* PFS (Perfect Forward Secrecy : SSL/TLS와 완전 순방향 비밀성) : SSL/TLS 통신의 서버 개인키 노출 문제점을 해결하기 위해 등장한 암호학적 성질을 순방향 비밀성(FS) 또는 완전 순방향 비밀성(PFS)라고 칭함

1. SSL/TLS 통신 서버 개인키 노출 문제점 특징

1. 서버 공개키와 개인키를 이용, 키 교환을 수행(RSA 방식)할 시, 공격자는 MITM을 통해 트래픽을 가로채고, 서버 개인키를 이용하여 세션키/비밀키 및 송수신 데이터 복호화가 가능

2. 희생자는 유출된 서버 인증서를 폐기(CRL 또는 OCSP Protocol을 통한 폐기)하여도, 유출된 서버 개인키로 보호되는 이전 트래픽 정보를 공격자가 보관한다면, 이들 모두 복호화가 가능

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2. PFS : 클라이언트 서버 간, 키 교환에 사용되는 개인키가 노출 되어도, 이전 트래픽의 세션키/비밀키 기밀성은 그대로 유지되어 통신 내용을 알 수 없는 암호학적 성질

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3. SSL/TLS 통신의 PFS 지원 : 키 교환 때 마다 클라이언트/서버가 새로운 Diffie-Hellman 개인키(임의 정수 값)을 생성하는 Ephemeral(임시) Diffie-Hellman 키 교환을 통해 클라이언트/서버간 공통의 비밀값을 생성, 서버 개인키는 서버의 Diffie-Hellman 파라미터를 인증하는 목적으로만 사용 (키 교환 용도 x)하여, 서버 개인키 노출에 따른 취약점을 방지

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4. PFS 적용의 어려움 : Diffie-Hellman 키 교환은 RSA에 비해 처리 속도가 느려, DHE(Ephemeral Diffie-Hellman), ECDHE(Elliptic Curve DHE) 관련 cipher suite를 비활성화 하는 경우가 존재하거나, 특정 웹 브라우저의 경우 해당 기능 자체를 지원하지 않아, 호환성을 위해 RSA 키 교환을 함께 사용하는 경우가 존재

 

 

 

* SSL/TLS History : 2020년 대부분 TLS 1.2를 사용하나 TLS 1.3으로 변경되고 있는 추세

프로토콜	역사 설명
SSL 1.0	취약점으로 인한 외부 미공개 처리
SSL 2.0 ~ 3.0	SSL DROWN ATTACK, 패딩 오라클 공격
TLS 1.0 ~ TLS 1.2	SSL POODLE ATTACK으로 포로토콜 하향화 문제
TLS 1.2	속도, 프라이버시 이슈(SNI 차단으로 인한) 문제
TLS 1.3	신규 TLS 최신 암호화 버전 출시

 

 

 

* SSL/TLS 복호화(Offloading) : 별도 SSL 암/복호화 장비를 통해, 이후 네트워크단의 부하를 감소시키는 기능/장비
(즉, 암/복호화를 대신해주는 장비)

SSL 암/복호화 매커니즘

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* SSL/TLS 복호화 장비 특징

- SSL 환경으로 변화하며 문제였던, 암호화로 인한 보안솔루션 탐지기능 문제점 해결

- 암/복호화 전용 장비를 통해 서버 증설 비용 절감 및 성능 향상

- 암/복호화에 대한 단일 포인트 확인 가능