네트워크 - HTTP/HTTPS 차이점, HTTPS란?

 

오늘 포스팅할 내용은 간단하게 HTTP와 HTTPS와의 차이점을 보고 더 나아가 HTTPS에 대해 다루어보려 한다. 

 

HTTP VS HTTPS

웹 개발을 하는 개발자라면 HTTP 프로토콜이라는 것을 모르지 않을 것이다. HTTP란 Hypertext Transfer Protocol의 약자이다. OSI 7계층 중 응용계층에 위치하고 있는 프로토콜이다. 이 프로토콜은 간단히 네트워크 구간에서 HTML문서를 전송하기 위한 통신규약이다. 물론 HTML 문서만을 주고 받는 것은 아니지만 간단히 쉽게 HTML을 주고 받기 위한 프로토콜이라고 생각하자. 그렇다면 HTTPS란 무엇일까? HTTPS는 Hypertext Transfer Protocol Over Secure Socket Layer의 약자로 Secure라는 단어가 포함되어 있는 것을 보면 알 수 있듯이 보안이 강화되면 HTTP 프로토콜이다. 지난 포스팅 중에 Wireshark를 이용해 간단히 HTTP의 패킷을 분석해보았을 때, POST로 보낸 데이터가 평문 텍스트로 그대로 노출되어 있는 것을 볼 수 있었다. 즉, 암호화되지 않은 데이터를 전송하기 때문에 서버와 클라이언트가 주고 받는 메시지를 그대로 노출하기 때문에 보안에 아주 취약하다. 이러한 점을 보완하여 보안을 더욱 강화한 프로토콜이 HTTPS인 것이다. 

 

2019/08/01 - [네트워크(기초)] - 네트워크 - Wireshark(와이어샤크) 설치 및 패킷 분석 예제

네트워크 - Wireshark(와이어샤크) 설치 및 패킷 분석 예제

 

그렇다면 HTTPS는 어떻게 동작할까? 간단히 HTTPS는 SSL이라는 보안 프로토콜 위에서 동작하는 HTTP라고 생각 할 수 있다.

 

그렇다면 SSL,TLS란 무엇일까? 아래 그림과 같이 살펴보자.

 

SSL(Secure Sockey Layer)란 보안 소켓 계층을 이르는 것으로, 인터넷 상에서 데이터를 안전하게 전송하기 위한 인터넷 암호화 통신 프로토콜을 말한다. SSL은 전자상거래 등의 보안을 위해 넷스케이프에서 처음 개발되었고, 시간이 지나 IETF에 의해 SSL3.0을 이용해TLS(Transport Layer Security)로 표준화 하였다. 즉, 간단히 이야기하면 SSL == TLS이다.(물론 표준화되면서 기능상 차이가 있을 지는 모르지만 결국 SSL를 표준화한 것이 TLS이다.)

 

위의 그림을 보자. SSL/TLS는 어떠한 계층에 올라가있을까? 사실 어느 계층에 속해있다고 이야기하기는 힘들다. SSL/TLS는 응용계층과 전송계층 사이에서 동작하는 독립적인 프로토콜이라고 생각하면 좋다. 자세한 동작 방식을 설명하기 전에 간단한 SSL 플로우를 이야기하자면 응용계층의 HTTP 프로토콜에서 사용자의 데이터를 받고 전송계층으로 캡슐화되기 이전에 SSL 프로토콜에 의해서 사용자의 데이터가 암호화된다. 그리고 서버는 전송계층에서 세그먼트를 받아 SSL 계층에서 데이터를 복호화하여 응용계층까지 보낸다. 즉, 우리는 SSL 프로토콜만 적용하면 마치 애플리케이션은 SSL을 TCP로 인식하고 TCP는 SSL을 애플리케이션으로 인식하는 것처럼 통신하기 때문에 우리가 별도로 통신에 대해 손댈것은 없다.

 

SSL은 TCP 위에서 Record Protocol을 통해 실질적인 보안서비스를 제공하고 Handshake Procotol, Change Cipher Spec Protocol, Alert Protocol을 통해 SSL 동작에 관한 관리를 하게 된다. 

 

1.Record Protocol

Record protocol은 데이터의 압축을 수행하여 안전한 TCP패킷으로 변환하고, 데이터 암호화 및 무결성을 위한 메시지 인증을 수행하는 프로토콜로 Handshake Protocol, Change Cipher Spec Protocol, Alert Protocol 그리고 Application Protocol을 감싸는 역할을 한다.

 

-Protocol 필드에는 Change Cipher Spec을 나타내는 20이 들어간다.

-data를 보내기 좋게 자르거나 붙이고 선택적으로 압축하여 MAC(Message Authentication Code)을 적용하고 암호화하여 이를 TCP로 전달

 

2.Change Cipher Spec Protocol

암호화 알고리즘과 보안 정책을 송수신 측간에 조율하기 위해 사용하는 프로토콜로 프로토콜의 내용에는 단 하나의 바이트, 언제나 1이라는 값이 들어간다.

 

3.Alert Protocol

2바이트로 구성되며, 첫번째 바이트에는 warning 또는 fatal이 들어가고 두번째 바이트에는 handshake, change cipher spec, record protocol 수행 중 발생하는 오류메시지가 들어가게 된다.

 

-Warning : 주의해야 하는 문제, 연결 미종료

-Fatal : 매우 중요한 문제, 연결 종료

 

4.Handshake Protocol

암호 알고리즘 결정, 키 분배, 서버 및 클라이언트 인증을 수행하기 위해 사용되는 프로토콜이다. 아래 그림은 간단한 해당 프로토콜의 동작방식이다.

 

 

SSL 전체 통신 과정

자 지금까지 이론을 다루어 보았는데, 실제 동작에 대해서 알아보자. 우선 SSL 설명 전에 암호화 방식에 대해 간단히 다루어보자.

 

암호를 만드는 행위인 암호화를 할 때 사용하는 일종의 비밀번호를 키(key)라고 한다. 이 키에 따라서 암호화된 결과가 달라지기 때문에 키를 모르면 암호를 푸는 행위인 복호화를 할 수 없다.

 

-대칭키 : 하나의 키로 데이터를 암호화하고 복호화한다. 하나의 키로 암복호화를 하기 때문에 해당 키가 노출된다면 보안상 아주 치명적인 문제가 발생한다. 장점이라고 하면 암복호화에 드는 비용이 적다.

 

대칭키 방식은 단점이 있다. 암호를 주고 받는 사람들 사이에 대칭키를 전달하는 것이 어렵다는 점이다. 대칭키가 유출되면 키를 획득한 공격자는 암호의 내용을 복호화 할 수 있기 때문에 암호가 무용지물이 되기 때문이다. 이런 배경에서 나온 암호화 방식이 비대칭키(공개키)방식이다.

 

-비대칭키 : 2개의 키(공개키,비공개키)로 암호화&복호화한다. 즉, 공개키로 데이터를 암호화하면 반드시 비밀키로만 복호화 가능하고 비밀키로 데이터를 암호화하면 공개키로만 복호화할 수 있다.  이 방식에 착안해서 두개의 키 중 하나를 비공개키(private key, 개인키, 비밀키라고도 부른다)로하고, 나머지를 공개키(public key)로 지정한다. 비공개키는 자신만이 가지고 있고, 공개키를 타인에게 제공한다. 그렇다면 암호화,복호화의 주체가 되는 키에 따른 특징을 무엇일까?

1)암호화-공개키,복호화-비공개키 : 진짜 데이터를 암호화하여 보호하기 위한 목적이다.

2)암호화-비공개키,복호화-공개키 : 인증을 위한 목적이다. 즉, 서버에서 비공개키로 데이터를 암호화해서 보냈고 클라이언트에서 공개키로 복호화가 된다면 최소한 해당 서버는 클라이언트 입장에서 신뢰할 수 있다는 인증과정을 거치게 된것이다.

 

위의 두개의 개념들은 SSL에서 사용되는 개념이다. 꼭 알아두어야 한다. SSL에서는 두가지 방식을 혼합하여 사용한다.

 

 

위의 그림을 살펴보자. 우리가 평소에 아는 것은 Client&Server이다. 하지만 위에 Host responps with valid SSL certificate 라는 생소한 것이 있다. 이것은 무엇일까?

 

CA

인증서의 역할은 클라이언트가 접속한 서버가 클라이언트가 의도한 서버가 맞는지를 보장하는 역할을 한다. 이 역할을 하는 민간기업들이 있는데 이런 기업들을 CA(Certificate authority) 혹은 Root Certificate 라고 부른다. CA는 아무 기업이나 할 수 있는 것이 아니고 신뢰성이 엄격하게 공인된 기업들만이 참여할 수 있다. 그 중에 대표적인 기업들은 아래와 같다. 수치는 현시점의 시장점유율이다. (위키피디아 참조)

• Symantec (VeriSign, Thawte, Geotrust) with 42.9% market share
• Comodo with 26%
• GoDaddy with 14%
• GlobalSign with 7.7%

SSL을 통해서 암호화된 통신을 제공하려는 서비스는 CA를 통해서 인증서를 구입해야 한다. CA는 서비스의 신뢰성을 다양한 방법으로 평가하게 된다.

 

즉, 개발자 입장에서 우리가 서버를 개발하는 개발자이다. 모든 개발이 끝나고 오픈을 하기위해 HTTPS를 적용하려고 한다. 그렇다면 우리는 신뢰할 수 있는 CA 기업에 인증서를 구입하여야 한다.(물론 무료인 인증서도 있지만 브라우저가 신뢰할 수 있는 CA이며 무료인 것은 많지 않다. 1년간 무료 인증서를 제공하는 starcom이라는 기업뿐이다.) 인증서를 구입하면 CA는 우리에게 무엇을 줄까? 바로 인증서를 준다. 정확히 말하면 CA기업의 비밀키를 이용하여 암호화한 인증서를 주는 것이다. 그렇다면 인증서에는 어떠한 정보가 들어가 있을까?

 

SSL 인증서에 들어가 있는 정보

• 서비스의 정보(인증서를 발급한 CA, 서비스의 도메인 등)
• 서버 측 공개키(공개키의 내용, 공개키의 암호화 방법)

위에서는 이야기 하지 않았지만 CA기업은 우리에게 암호화된 인증서 + 서버에서 사용할 비밀키까지 쥐어준다. 그렇기 때문에 해당 비밀키와 함께 사용될 공개키를 SSL 인증서 안에 담아주는 것이다. 집중한 사람은 여기서 의문이 생길 것이다. 그러면 서버에서 사용할 비밀키를 받았고 클라이언트가 사용할 공개키는 인증서 안에 담겨 있는데, 그렇다면 CA의 비밀키로 암호화된 인증서를 복호화할 공개키는 어디있지? 답은 브라우저에 있다. 우리가 사용하는 크롬,IE,사파리,파이어폭스 등에는 이미 신뢰할 수 있는 CA 기관의 리스트와 해당 기관의 공개키를 이미 가지고 있다. 나머지 내용은 밑에서 설명한다.

 

SSL의 인증서의 역할

그렇다면 SSL 인증서가 우리에게 해주는 역할은 무엇일까?

1. 클라이언트가 접속한 서버가 신뢰 할 수 있는 서버임을 보장한다.
2. SSL 통신에 사용할 공개키를 클라이언트에게 제공한다.

 

위의 그림을 보면서 자세한 동작을 확인하자.

 

1)클라이언트는 브라우저에 들어가 접속한 URL을 치고 엔터를 친다.

-HTTP 통신을 위해서는 3-way-handshake(TCP연결수립)라는 동작을 한다.  하지만 HTTPS는 HTTP와는 조금 다른 3-way-handshake 작업을 한다. 위 4번의 handshake protocol글을 참조하자.

즉, HTTPS의 3-way-handshake 과정에서 클라이언트는 서버에게 SSL 인증서를 전달받는다. 그리고 전달받은 SSL인증서를 브라우저가 내부적으로 가지고 있는 CA리스트와 CA공개키를 이용해 신뢰할 수 있는 기관의 인증서인지를 검사한다. 그리고 데이터 암호화를 위한 대칭키를 생성한다.

 

 

다음은 Wireshark를 이용하여 HTTPS 통신의 패킷을 분석한 결과이다.

 

 

다수의 과정을 통해 클라이언트가 서버에 접속한다. 다시 뒤로 돌아가서 HTTPS로 통신을 하면 네트워크 통신과정에서 주고 받는 데이터가 암호화 된다. 그렇다면 클라이언트의 데이터는 어떻게 암호화할까? SSL은 대칭키와 비대칭키를 혼합해서 사용한다고 했다. 즉, 클라이언트의 데이터는 대칭키로 암호화한다! 그렇다면 이 대칭키는 어떻게 만들까? 인증서에는 클라이언트가 사용할 공개키 밖에 없다고 했는데? 이것은 위의 그림의 과정 중에 만들어진다. Client Hello,Server Hello 등의 과정에서 클라이언트와 서버는 각각 생성한 랜덤 데이터를 주고 받는다. 또한 사용 가능한 암호화 방식들을 주고 받는다. 대칭키는 바로 서로 주고 받는 랜덤 데이터를 이용하여 만들게 되는 것이다. 그리고 매번 통신을 할때 3-way-handshake 과정을 거치는데 이때 매번 새로운 대칭키가 만들어진다.

어? 대칭키는 키 유출시에 보안에 굉장히 취약하다고 했는데.. 여기서 바로 인증서에 있는 클라이언트 공개키를 이용하는 것이다. 인증서에 있는 공개키를 이용하여 랜덤데이터(클,서)로 만든 대칭키를 암호화하는 것이다. 그리고 서버에서는 자신의 비공개키로 암호화된 대칭키를 복호화하고 복호화된 대칭키로 클라이언트 데이터를 다시 복호화한다. 복잡하다.. 다시 정리해보자

 

1.클라이언트가 접속한 서버가 신뢰 할 수 있는 서버임을 보장한다.

1)클라이언트는 서버로 접속하여 CA의 SSL 인증서를 응답으로 받는다.

2)브라우저는 SSL인증서가 신뢰할 수 있는 CA기관의 인증서인지 확인한다.(여기서 브라우저가 내부적으로 가지고 있는 CA리스트와 각 CA의 공개키를 이용해 SSL인증서를 복호화한다.)

 

처음에 비밀키로 암호화하고 공개키로 복호화하면 인증과 같은 용도로 사용된다고 이야기했다.

 

2.SSL 통신에 사용할 공개키를 클라이언트에게 제공한다.

1)클라이언트와 서버의 3-way-handshake 과정에서 클라이언트와 서버가 생성한 랜덤데이터를 이용해 대칭키를 만든다.

2)클라이언트는 해당 대칭키로 서버에 보낼 데이터를 암호화한 후에 SSL인증서에 담겨있는 공개키를 이용하여 대칭키를 암호화한다.

3)암호화한 데이터와 암호화한 대칭키를 서버로 전송한다.

4)서버는 자신의 비밀키로 암호화된 대칭키를 복호화하고 해당 대칭키로 클라이언트가 보낸 암호화된 데이터를 복호화한다.

 

공개키로 암호화하고 비밀키로 복호화하는 것은 진짜 보낼 데이터를 암호화하여 노출되지 않게 할 용도로 사용한다 이야기했다. 

 

필자의 설명이 부족할 것 같아 이고잉님이 정리하신 글을 다시 반복해서 올린다.

 

결론부터 말하면 SSL은 암호화된 데이터를 전송하기 위해서 공개키와 대칭키를 혼합해서 사용한다. 즉 클라이언트와 서버가 주고 받는 실제 정보는 대칭키 방식으로 암호화하고, 대칭키 방식으로 암호화된 실제 정보를 복호화할 때사용할 대칭키는 공개키 방식으로 암호화해서 클라이언트와 서버가 주고 받는다. 이 설명만으로는 이해하기 어려울 것이다. 아래의 관계만 일단 머리속에 기억해두고 좀 더 구체적인 설명으로 넘어가자.

• 실제 데이터 : 대칭키
• 대칭키의 키 : 공개키

컴퓨터와 컴퓨터가 네트워크를 이용해서 통신을 할 때는 내부적으로 3가지 단계가 있다. 아래와 같다.

악수 -> 전송 -> 세션종료

이것은 은밀하게 일어나기 때문에 사용자에게 노출되지 않는다. 이 과정에서 SSL가 어떻게 데이터를 암호화해서 전달하는지 살펴보자.

1. 악수 (handshake)

사람과 사람이 소통을 할 때를 생각해보자. 우선 인사를 한다. 인사를 통해서 상대의 기분과 상황을 상호탐색을 하는 것이다. 이 과정이 잘되야 소통이 원활해진다. 클라이언트와 서버 사이도 마찬가지다. 실제 데이터를 주고 받기 전에 클라이언트와 서버는 일종의 인사인 Handshake(진짜로 사용하는 기술용어다)를 한다. 이 과정을 통해서 서로 상대방이 존재하는지, 또 상대방과 데이터를 주고 받기 위해서는 어떤 방법을 사용해야하는지를 파악한다.

SSL 방식을 이용해서 통신을 하는 브라우저와 서버 역시 핸드쉐이크를 하는데, 이 때 SSL 인증서를 주고 받는다. 이 과정은 앞에서 설명한 바 있다. 인증서에 포함된 서버 측 공개키의 역할은 무엇일까를 이제 알아보자.

공개키는 이상적인 통신 방법이다. 암호화와 복호화를 할 때 사용하는 키가 서로 다르기 때문에 메시지를 전송하는 쪽이 공개키로 데이터를 암호화하고, 수신 받는 쪽이 비공개키로 데이터를 복호화하면 되기 때문이다. 그런데 SSL에서는 이 방식을 사용하지 않는다. 왜냐하면 공개키 방식의 암호화는 매우 많은 컴퓨터 자원을 사용하기 때문이다. 반면에 암호화와 복호화에 사용되는 키가 동일한 대칭키 방식은 적은 컴퓨터 자원으로 암호화를 수행할 수 있기 때문에 효율적이지만 수신측과 송신측이 동일한 키를 공유해야 하기 때문에 보안의 문제가 발생한다. 그래서 SSL은 공개키와 대칭키의 장점을 혼합한 방법을 사용한다. 그 핸드쉐이크 단계에서 클라이언트와 서버가 통신하는 과정을 순서대로 살펴보자.

1. 클라이언트가 서버에 접속한다. 이 단계를 Client Hello라고 한다. 이 단계에서 주고 받는 정보는 아래와 같다.
   • 클라이언트 측에서 생성한 랜덤 데이터 : 아래 3번 과정 참조
   • 클라이언트가 지원하는 암호화 방식들 : 클라이언트와 서버가 지원하는 암호화 방식이 서로 다를 수 있기 때문에 상호간에 어떤 암호화 방식을 사용할 것인지에 대한 협상을 해야 한다. 이 협상을 위해서 클라이언트 측에서는 자신이 사용할 수 있는 암호화 방식을 전송한다.
   • 세션 아이디 : 이미 SSL 핸드쉐이킹을 했다면 비용과 시간을 절약하기 위해서 기존의 세션을 재활용하게 되는데 이 때 사용할 연결에 대한 식별자를 서버 측으로 전송한다.
      
2. 서버는 Client Hello에 대한 응답으로 Server Hello를 하게 된다. 이 단계에서 주고 받는 정보는 아래와 같다.
   • 서버 측에서 생성한 랜덤 데이터 : 아래 3번 과정 참조
   • 서버가 선택한 클라이언트의 암호화 방식 : 클라이언트가 전달한 암호화 방식 중에서 서버 쪽에서도 사용할 수 있는 암호화 방식을 선택해서 클라이언트로 전달한다. 이로써 암호화 방식에 대한 협상이 종료되고 서버와 클라이언트는 이 암호화 방식을 이용해서 정보를 교환하게 된다.
   • 인증서
      
3. 클라이언트는 서버의 인증서가 CA에 의해서 발급된 것인지를 확인하기 위해서 클라이언트에 내장된 CA 리스트를 확인한다. CA 리스트에 인증서가 없다면 사용자에게 경고 메시지를 출력한다. 인증서가 CA에 의해서 발급된 것인지를 확인하기 위해서 클라이언트에 내장된 CA의 공개키를 이용해서 인증서를 복호화한다. 복호화에 성공했다면 인증서는 CA의 개인키로 암호화된 문서임이 암시적으로 보증된 것이다. 인증서를 전송한 서버를 믿을 수 있게 된 것이다.
   
   클라이언트는 상기 2번을 통해서 받은 서버의 랜덤 데이터와 클라이언트가 생성한 랜덤 데이터를 조합해서 pre master secret라는 키를 생성한다. 이 키는 뒤에서 살펴볼 세션 단계에서 데이터를 주고 받을 때 암호화하기 위해서 사용될 것이다. 이 때 사용할 암호화 기법은 대칭키이기 때문에 pre master secret 값은 제 3자에게 절대로 노출되어서는 안된다.
   
   그럼 문제는 이 pre master secret 값을 어떻게 서버에게 전달할 것인가이다. 이 때 사용하는 방법이 바로 공개키 방식이다. 서버의 공개키로 pre master secret 값을 암호화해서 서버로 전송하면 서버는 자신의 비공개키로 안전하게 복호화 할 수 있다. 그럼 서버의 공개키는 어떻게 구할 수 있을까? 서버로부터 받은 인증서 안에 들어있다. 이 서버의 공개키를 이용해서 pre master secret 값을 암호화한 후에 서버로 전송하면 안전하게 전송할 수 있다.
    
4. 서버는 클라이언트가 전송한 pre master secret 값을 자신의 비공개키로 복호화한다. 이로서 서버와 클라이언트가 모두 pre master secret 값을 공유하게 되었다. 그리고 서버와 클라이언트는 모두 일련의 과정을 거쳐서 pre master secret 값을 master secret 값으로 만든다. master secret는 session key를 생성하는데 이 session key 값을 이용해서 서버와 클라이언트는 데이터를 대칭키 방식으로 암호화 한 후에 주고 받는다. 이렇게해서 세션키를 클라이언트와 서버가 모두 공유하게 되었다는 점을 기억하자.
    
5. 클라이언트와 서버는 핸드쉐이크 단계의 종료를 서로에게 알린다.

2. 세션

세션은 실제로 서버와 클라이언트가 데이터를 주고 받는 단계이다. 이 단계에서 핵심은 정보를 상대방에게 전송하기 전에 session key 값을 이용해서 대칭키 방식으로 암호화 한다는 점이다. 암호화된 정보는 상대방에게 전송될 것이고, 상대방도 세션키 값을 알고 있기 때문에 암호를 복호화 할 수 있다.

그냥 공개키를 사용하면 될 것을 대칭키와 공개키를 조합해서 사용하는 이유는 무엇을까? 그것은 공개키 방식이 많은 컴퓨터 파워를 사용하기 때문이다. 만약 공개키를 그대로 사용하면 많은 접속이 몰리는 서버는 매우 큰 비용을 지불해야 할 것이다. 반대로 대칭키는 암호를 푸는 열쇠인 대칭키를 상대에게 전송해야 하는데, 암호화가 되지 않은 인터넷을 통해서 키를 전송하는 것은 위험하기 때문이다. 그래서 속도는 느리지만 데이터를 안전하게 주고 받을 수 있는 공개키 방식으로 대칭키를 암호화하고, 실제 데이터를 주고 받을 때는 대칭키를 이용해서 데이터를 주고 받는 것이다.

3. 세션종료

데이터의 전송이 끝나면 SSL 통신이 끝났음을 서로에게 알려준다. 이 때 통신에서 사용한 대칭키인 세션키를 폐기한다.

 

HTTPS와 SSL 인증서 - 생활코딩

여기까지 간단히 HTTP와 HTTPS의 차이점, HTTPS의 동작방법을 다루어보았다.