Public Key와 Private Key의 역할

Public Key와 Private Key의 역할

Public Key와 Private Key의 역할

Public Key와 Private Key의 역할

디지털 서명(Digital Signature)은 메시지의 무결성을 보장하고, 송신자의 신원을 확인할 수 있는 암호화 기술입니다. 이 과정에서는 공개 키(public key)와 개인 키(private key)를 사용하여 서명을 생성하고, 이를 검증할 수 있습니다. 이 글에서는 Python을 사용해 공개 키와 개인 키를 생성하고, 이 키들로 서명을 생성 및 검증하는 방법을 설명합니다.

1. 공개 키와 개인 키의 역할

• 개인 키 (Private Key): 송신자가 자신만이 알고 있는 비밀 키로, 이 키를 사용해 데이터를 암호화하거나 서명을 생성합니다.
• 공개 키 (Public Key): 수신자가 알고 있는 공개 키로, 이 키를 사용해 개인 키로 생성된 서명을 검증하거나 암호화된 데이터를 복호화합니다.
• 서명 프로세스:

1. 송신자는 개인 키로 서명을 생성합니다.
2. 수신자는 공개 키로 서명을 검증하여 메시지가 변조되지 않았음을 확인합니다.

공개 키(public key)와 개인 키(private key)는 비대칭 암호화 방식의 핵심 요소입니다. 이 두 가지는 서로 밀접한 수학적 관계를 가지며, 이를 이용해 데이터를 암호화하고 서명을 검증하는 데 사용됩니다. 이 관계는 주로 RSA나 ECC 같은 암호화 알고리즘을 통해 구현되며, 비대칭 키 암호화의 주요 특성은 다음과 같습니다.

a. 공개 키와 개인 키의 역할

• 공개 키 (Public Key): 이름 그대로 누구나 알 수 있는 키입니다. 주로 데이터를 암호화하거나, 개인 키로 생성된 서명을 검증하는 데 사용됩니다.
• 개인 키 (Private Key): 소유자만이 알고 있는 비밀 키입니다. 개인 키는 데이터를 복호화하거나, 서명을 생성하는 데 사용됩니다. 절대로 타인과 공유되지 않아야 합니다. 이 두 키는 한 쌍으로 존재하며, 그 관계는 아래와 같습니다.

b. 공개 키와 개인 키의 수학적 관계

• 비대칭성: 공개 키로 암호화된 데이터는 개인 키로만 복호화할 수 있습니다. 마찬가지로, 개인 키로 서명한 데이터를 공개 키로만 검증할 수 있습니다.
• 수학적 연관성: 공개 키와 개인 키는 수학적으로 연결되어 있지만, 공개 키로부터 개인 키를 유추하기는 매우 어렵습니다. 이는 주로 소인수분해 문제(예: RSA) 또는 타원 곡선 알고리즘(ECC)의 복잡성에 기초하여 설계됩니다.

2. Python에서 RSA 키 쌍 생성 및 서명 생성

cryptography 라이브러리는 Python에서 공개 키 기반 암호화를 다루기 위한 인기 있는 라이브러리입니다. 이를 이용해 RSA 키를 생성하고 서명을 만드는 방법을 설명하겠습니다.

2.1. cryptography 라이브러리 설치

먼저, cryptography 라이브러리를 설치합니다.

pip install cryptography

2.2. RSA 키 쌍 생성

RSA 키 쌍을 생성하려면 개인 키와 공개 키를 생성해야 합니다.

from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa

# RSA 키 쌍 생성
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
    backend=default_backend()
)

public_key = private_key.public_key()

# 개인 키와 공개 키 생성 완료

2.3. 메시지에 서명 생성

이제 생성된 개인 키로 메시지에 서명을 추가합니다. 서명은 메시지의 해시 값에 대해 개인 키로 암호화한 것입니다.

from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding

# 서명할 메시지
message = b"A message I want to sign"

# 개인 키로 서명 생성
signature = private_key.sign(
    message,
    padding.PSS(
        mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
        salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
    ),
    hashes.SHA256()
)

print("Signature:", signature)

위 코드에서 메시지의 해시 값은 SHA-256 알고리즘을 사용하여 계산되며, PSS 패딩 방식을 통해 서명이 안전하게 처리됩니다.

2.4. 서명 검증

서명이 올바른지, 즉 메시지가 변조되지 않았는지 확인하기 위해 공개 키로 서명을 검증할 수 있습니다.

# 공개 키로 서명 검증
try:
    public_key.verify(
        signature,
        message,
        padding.PSS(
            mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
            salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
        ),
        hashes.SHA256()
    )
    print("서명 검증 성공: 메시지가 변경되지 않았습니다.")
except Exception as e:
    print("서명 검증 실패:", e)

3. 공개 키와 개인 키 저장 및 로드

생성된 공개 키와 개인 키를 파일에 저장하고, 나중에 다시 불러올 수 있습니다.

3.1. 개인 키 저장

from cryptography.hazmat.primitives import serialization

# PEM 형식으로 개인 키를 저장
with open("private_key.pem", "wb") as key_file:
    key_file.write(
        private_key.private_bytes(
            encoding=serialization.Encoding.PEM,
            format=serialization.PrivateFormat.TraditionalOpenSSL,
            encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()  # 암호화를 원하면 비밀번호 설정 가능
        )
    )

3.2. 공개 키 저장

# PEM 형식으로 공개 키 저장
with open("public_key.pem", "wb") as key_file:
    key_file.write(
        public_key.public_bytes(
            encoding=serialization.Encoding.PEM,
            format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
        )
    )

3.3. 저장된 키 로드

저장된 키는 다음과 같이 다시 로드할 수 있습니다.

개인 키 로드

with open("private_key.pem", "rb") as key_file:
    private_key = serialization.load_pem_private_key(
        key_file.read(),
        password=None,
        backend=default_backend()
    )

공개 키 로드

with open("public_key.pem", "rb") as key_file:
    public_key = serialization.load_pem_public_key(
        key_file.read(),
        backend=default_backend()
    )