C#의 암호화 및 해시 기능 구현: 안전한 데이터 보호의 비밀 🔐

안녕, 친구들! 오늘은 정말 흥미진진한 주제로 여러분과 함께할 거야. 바로 C#을 사용해서 암호화와 해시 기능을 구현하는 방법에 대해 알아볼 거거든. 🕵️‍♂️ 이 주제는 프로그램 개발에서 정말 중요한 부분이야. 특히 요즘같이 개인정보 보호가 중요한 시대에는 더더욱 그렇지.

우리가 일상적으로 사용하는 많은 애플리케이션들, 예를 들어 재능넷 같은 재능 공유 플랫폼에서도 사용자의 개인정보를 안전하게 보호하기 위해 이런 기술들을 사용하고 있어. 그럼 이제 본격적으로 C#에서 어떻게 암호화와 해시 기능을 구현하는지 자세히 알아보자구!

1. 암호화의 기초: 대칭키와 비대칭키 암호화 🔑

자, 이제 본격적으로 암호화에 대해 알아보자. 암호화는 크게 두 가지로 나눌 수 있어: 대칭키 암호화와 비대칭키 암호화. 이 두 가지 방식의 차이점을 알아보고, C#에서 어떻게 구현하는지 살펴볼 거야.

1.1 대칭키 암호화

대칭키 암호화는 하나의 키로 암호화와 복호화를 모두 수행하는 방식이야. 쉽게 말해서, 자물쇠를 잠그고 열 때 같은 열쇠를 사용하는 것과 비슷해. 이 방식은 빠르고 효율적이지만, 키를 안전하게 공유하는 것이 중요해.

C#에서 대칭키 암호화를 구현할 때는 주로 AES(Advanced Encryption Standard)를 사용해. AES는 현재 가장 널리 사용되는 대칭키 암호화 알고리즘 중 하나야. 자, 이제 C#에서 AES를 사용해 텍스트를 암호화하고 복호화하는 간단한 예제를 볼까?

using System;
using System.IO;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

class AESExample
{
    static void Main()
    {
        string originalText = "안녕하세요, 재능넷입니다!";
        string password = "mySecretPassword123";

        // 암호화
        string encryptedText = EncryptString(originalText, password);
        Console.WriteLine($"암호화된 텍스트: {encryptedText}");

        // 복호화
        string decryptedText = DecryptString(encryptedText, password);
        Console.WriteLine($"복호화된 텍스트: {decryptedText}");
    }

    static string EncryptString(string text, string password)
    {
        byte[] salt = new byte[16];
        new RNGCryptoServiceProvider().GetBytes(salt);

        using (var aes = new RijndaelManaged())
        {
            var key = new Rfc2898DeriveBytes(password, salt, 1000);
            aes.KeySize = 256;
            aes.BlockSize = 128;
            aes.Key = key.GetBytes(aes.KeySize / 8);
            aes.IV = key.GetBytes(aes.BlockSize / 8);

            using (var ms = new MemoryStream())
            {
                ms.Write(salt, 0, salt.Length);
                using (var cs = new CryptoStream(ms, aes.CreateEncryptor(), CryptoStreamMode.Write))
                {
                    byte[] textBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(text);
                    cs.Write(textBytes, 0, textBytes.Length);
                    cs.FlushFinalBlock();
                }
                return Convert.ToBase64String(ms.ToArray());
            }
        }
    }

    static string DecryptString(string cipherText, string password)
    {
        byte[] cipherBytes = Convert.FromBase64String(cipherText);
        byte[] salt = new byte[16];
        Array.Copy(cipherBytes, 0, salt, 0, 16);

        using (var aes = new RijndaelManaged())
        {
            var key = new Rfc2898DeriveBytes(password, salt, 1000);
            aes.KeySize = 256;
            aes.BlockSize = 128;
            aes.Key = key.GetBytes(aes.KeySize / 8);
            aes.IV = key.GetBytes(aes.BlockSize / 8);

            using (var ms = new MemoryStream())
            {
                using (var cs = new CryptoStream(ms, aes.CreateDecryptor(), CryptoStreamMode.Write))
                {
                    cs.Write(cipherBytes, 16, cipherBytes.Length - 16);
                    cs.FlushFinalBlock();
                }
                return Encoding.UTF8.GetString(ms.ToArray());
            }
        }
    }
}

이 예제에서는 AES 알고리즘을 사용해서 문자열을 암호화하고 복호화하는 방법을 보여주고 있어. EncryptString 메서드는 원본 텍스트와 비밀번호를 받아서 암호화된 문자열을 반환하고, DecryptString 메서드는 암호화된 문자열과 비밀번호를 받아서 원본 텍스트를 복원해.

여기서 주목할 점은 salt를 사용한다는 거야. salt는 무작위로 생성된 바이트 배열로, 암호화 과정에 추가되어 보안을 강화해. 이렇게 하면 같은 비밀번호로 암호화하더라도 매번 다른 결과가 나오기 때문에 공격자가 패턴을 파악하기 어려워져.

1.2 비대칭키 암호화

비대칭키 암호화는 두 개의 서로 다른 키를 사용해. 하나는 공개키(public key)고, 다른 하나는 개인키(private key)야. 공개키로 암호화한 데이터는 개인키로만 복호화할 수 있고, 반대로 개인키로 암호화한 데이터는 공개키로만 복호화할 수 있어. 이 방식은 키 교환 문제를 해결하고 디지털 서명 등에 활용돼.

C#에서 비대칭키 암호화를 구현할 때는 주로 RSA(Rivest-Shamir-Adleman) 알고리즘을 사용해. RSA는 큰 숫자의 소인수분해의 어려움을 이용한 알고리즘으로, 현재까지도 안전한 것으로 알려져 있어. 자, 이제 C#에서 RSA를 사용해 텍스트를 암호화하고 복호화하는 예제를 살펴볼까?

using System;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

class RSAExample
{
    static void Main()
    {
        string originalText = "안녕하세요, 재능넷입니다!";

        // RSA 키 쌍 생성
        using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider(2048))
        {
            // 공개키와 개인키 추출
            string publicKey = rsa.ToXmlString(false);
            string privateKey = rsa.ToXmlString(true);

            Console.WriteLine("원본 텍스트: " + originalText);

            // 공개키로 암호화
            byte[] encryptedData = Encrypt(originalText, publicKey);
            Console.WriteLine("암호화된 데이터: " + Convert.ToBase64String(encryptedData));

            // 개인키로 복호화
            string decryptedText = Decrypt(encryptedData, privateKey);
            Console.WriteLine("복호화된 텍스트: " + decryptedText);
        }
    }

    static byte[] Encrypt(string text, string publicKey)
    {
        using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider())
        {
            rsa.FromXmlString(publicKey);
            byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(text);
            return rsa.Encrypt(data, false);
        }
    }

    static string Decrypt(byte[] data, string privateKey)
    {
        using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider())
        {
            rsa.FromXmlString(privateKey);
            byte[] decryptedData = rsa.Decrypt(data, false);
            return Encoding.UTF8.GetString(decryptedData);
        }
    }
}

이 예제에서는 RSA 알고리즘을 사용해서 문자열을 암호화하고 복호화하는 방법을 보여주고 있어. 먼저 RSACryptoServiceProvider를 사용해서 2048비트 길이의 RSA 키 쌍을 생성해. 그리고 이 키 쌍에서 공개키와 개인키를 추출해서 각각 암호화와 복호화에 사용해.

Encrypt 메서드는 원본 텍스트와 공개키를 받아서 암호화된 바이트 배열을 반환하고, Decrypt 메서드는 암호화된 바이트 배열과 개인키를 받아서 원본 텍스트를 복원해.

비대칭키 암호화의 장점은 키 교환 문제를 해결할 수 있다는 거야. 공개키는 말 그대로 공개해도 괜찮기 때문에, 안전하지 않은 채널을 통해서도 키를 교환할 수 있어. 하지만 RSA는 대칭키 암호화에 비해 연산 속도가 느리다는 단점이 있어. 그래서 실제로는 대칭키 암호화와 비대칭키 암호화를 함께 사용하는 하이브리드 방식을 많이 사용해.

2. 해시 함수: 데이터 무결성과 비밀번호 저장의 핵심 🔒

이제 해시 함수에 대해 알아볼 차례야. 해시 함수는 임의의 길이의 데이터를 고정된 길이의 데이터로 매핑하는 함수야. 해시 함수의 중요한 특징은 단방향성이야. 즉, 해시값으로부터 원래의 입력값을 알아내는 것이 사실상 불가능해.

C#에서는 다양한 해시 알고리즘을 제공해. 가장 많이 사용되는 것들은 MD5, SHA-1, SHA-256 등이야. 하지만 MD5와 SHA-1은 이제 보안상 취약점이 발견되어 중요한 데이터의 해시에는 사용하지 않는 것이 좋아. 대신 SHA-256이나 더 강력한 알고리즘을 사용하는 것이 좋지.

자, 이제 C#에서 SHA-256을 사용해 문자열의 해시를 생성하는 간단한 예제를 볼까?

using System;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

class HashExample
{
    static void Main()
    {
        string originalText = "안녕하세요, 재능넷입니다!";
        string hashedText = ComputeSha256Hash(originalText);

        Console.WriteLine($"원본 텍스트: {originalText}");
        Console.WriteLine($"해시된 텍스트: {hashedText}");
    }

    static string ComputeSha256Hash(string rawData)
    {
        using (SHA256 sha256Hash = SHA256.Create())
        {
            byte[] bytes = sha256Hash.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(rawData));

            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
            {
                builder.Append(bytes[i].ToString("x2"));
            }
            return builder.ToString();
        }
    }
}

이 예제에서는 SHA256 클래스를 사용해서 문자열의 해시를 생성해. ComputeSha256Hash 메서드는 원본 문자열을 받아서 SHA-256 해시를 계산하고, 이를 16진수 문자열로 변환해서 반환해.

해시 함수는 주로 두 가지 목적으로 사용돼:

1. 데이터 무결성 검증: 파일이나 메시지가 전송 과정에서 변조되지 않았는지 확인할 때 사용해.
2. 비밀번호 저장: 사용자의 비밀번호를 안전하게 저장할 때 사용해.

특히 비밀번호 저장에 대해서는 조금 더 자세히 알아볼 필요가 있어. 단순히 비밀번호를 해시하는 것만으로는 충분하지 않아. 왜냐하면 같은 비밀번호는 항상 같은 해시값을 만들어내기 때문에, 공격자가 미리 계산된 해시 테이블(레인보우 테이블)을 사용해 비밀번호를 추측할 수 있거든.

이를 방지하기 위해 솔트(salt)라는 것을 사용해. 솔트는 무작위로 생성된 문자열로, 비밀번호에 추가되어 해시됨으로써 같은 비밀번호라도 다른 해시값을 만들어내게 해. 자, 이제 C#에서 솔트를 사용해 비밀번호를 안전하게 해시하는 예제를 볼까?

using System;
using System.Security.Cryptography;

class PasswordHashExample
{
    static void Main()
    {
        string password = "mySecurePassword123";

        // 비밀번호 해시 생성
        var (hashedPassword, salt) = HashPassword(password);
        Console.WriteLine($"해시된 비밀번호: {Convert.ToBase64String(hashedPassword)}");
        Console.WriteLine($"솔트: {Convert.ToBase64String(salt)}");

        // 비밀번호 검증
        bool isValid = VerifyPassword(password, hashedPassword, salt);
        Console.WriteLine($"비밀번호 검증 결과: {isValid}");
    }

    static (byte[] hashedPassword, byte[] salt) HashPassword(string password)
    {
        using (var deriveBytes = new Rfc2898DeriveBytes(password, 32, 10000, HashAlgorithmName.SHA256))
        {
            byte[] salt = deriveBytes.Salt;
            byte[] hashedPassword = deriveBytes.GetBytes(32);
            return (hashedPassword, salt);
        }
    }

    static bool VerifyPassword(string password, byte[] storedHash, byte[] storedSalt)
    {
        using (var deriveBytes = new Rfc2898DeriveBytes(password, storedSalt, 10000, HashAlgorithmName.SHA256))
        {
            byte[] newHash = deriveBytes.GetBytes(32);
            return CryptographicOperations.FixedTimeEquals(newHash, storedHash);
        }
    }
}

이 예제에서는 Rfc2898DeriveBytes 클래스를 사용해. 이 클래스는 PBKDF2(Password-Based Key Derivation Function 2) 알고리즘을 구현한 것으로, 비밀번호 기반 키 유도 함수야. 이 함수는 솔트를 사용하고, 해시를 여러 번 반복해서 계산함으로써 무차별 대입 공격(brute-force attack)을 어렵게 만들어.

HashPassword 메서드는 비밀번호를 받아서 해시된 비밀번호와 솔트를 반환해. 여기서 10000은 반복 횟수를 나타내는데, 이 값이 클수록 해시 계산에 시간이 더 오래 걸리고, 따라서 무차별 대입 공격에 더 강해져.

VerifyPassword 메서드는 사용자가 입력한 비밀번호, 저장된 해시, 그리고 솔트를 받아서 비밀번호가 올바른지 검증해. 여기서 CryptographicOperations.FixedTimeEquals 메서드를 사용한 것에 주목해. 이 메서드는 일정한 시간 동안 비교를 수행함으로써 타이밍 공격을 방지해.

3. 디지털 서명: 메시지의 진정성과 무결성 보장 ✍️

이제 디지털 서명에 대해 알아볼 차례야. 디지털 서명은 메시지의 진정성(authenticity)과 무결성(integrity)을 보장하는 암호화 기술이야. 쉽게 말해, 누가 메시지를 보냈는지 확인할 수 있고, 메시지가 전송 과정에서 변조되지 않았다는 것을 보장할 수 있어.

디지털 서명은 비대칭키 암호화를 기반으로 해. 서명을 생성할 때는 개인키를 사용하고, 서명을 검증할 때는 공개키를 사용해. 이렇게 하면 누구나 서명을 검증할 수 있지만, 서명을 생성할 수 있는 사람은 개인키를 가진 사람뿐이야.

C#에서는 RSACryptoServiceProvider 클래스를 사용해 디지털 서명을 구현할 수 있어. 자, 이제 C#에서 디지털 서명을 생성하고 검증하는 예제를 볼까?