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2. 해시 알고리즘(Hash Cryptography)

c_turtle 2025. 5. 4. 16:24

블록체인에서 블록은 고유의 해시값을 가진다.

이 해시값은 블록에서 가지고 있는 데이터를 암호화 알고리즘을 통해 변화시킨 고유값이다.

해시값을 통해 이전 블록에 대한 정보와 현재 블록에 대한 식별값을 나타낸다.

 

 

1. SHA-256 해시 알고리즘

미국국가안보국 NSA(National Security Agency)에서 개발한 암호화 알고리즘.

단방향 알고리즘으로 비밀번호 저장, 디지털 문서 검사, 블록체인 등에 이용한다.

 

2. 해시 알고리즘의 필수 5 요소

  1. 단방향(One-Way) - 암호화 이후에 다시 원문으로 돌릴 수 없음
  2. 결정적(Deterministic) - 동일한 값을 입력하면 항상 동일한 결과값이 나옴
  3. 빠른 연산속도(Fast Computation) - 결과가 나오기 까지 연산 속도가 빨라야함
  4. 쇄도 효과(The Avalanche Effect) - 입력값에 아주 작은 차이가 발생해도 결과값은 아주 다른 값이 도출됨
  5. 충돌저항성(Must withstand collisions) - 서로 다른 입력값이 동일한 해시값을 만들어내기 어렵다

 

3. 충돌 저항성에 대한 보충(GPT 답변)

 

해싱 알고리즘의 특징인 충돌저항성에 대해 알려줘 Must withstand collisions
 

 

ChatGPT의 말:

해싱 알고리즘의 **충돌 저항성(Collision Resistance)**은 가장 핵심적인 보안 특성 중 하나입니다. 다음과 같이 설명할 수 있습니다:

🔐 충돌 저항성 (Collision Resistance)이란?

**"서로 다른 두 입력값이 동일한 해시값을 만들어내기 어렵다"**는 특성입니다.

✅ 정의:

  • 해시 함수 H(x)에 대해, x≠y 이면서도 H(x)=H(y) 가 되는 충돌(collision) 을 찾는 것이 현실적으로 불가능해야 한다는 것.

📌 쉽게 말하면:

  • 누군가 일부러 다른 입력값 두 개를 넣어 같은 해시값을 만들려고 해도 매우 어렵거나 불가능해야 합니다.
  • 예:
    H("hello") = 0x123456
    H("world") = 0x123456 ← 이런 일이 있어선 안 됨!

🧠 왜 중요한가?

  • 해시 함수는 디지털 서명, 무결성 검증, 블록체인 등에서 사용되며,
  • 만약 충돌이 쉽게 난다면, 공격자가 해시값만 같은 가짜 데이터를 만들어 위조할 수 있습니다.
    • 예: 악성 문서를 서명된 정상 문서로 바꾸는 것처럼 보이게 할 수 있음.

💥 이미 깨진 해시 함수들:

  • MD5, SHA-1 등은 더 이상 충돌 저항성이 확보되지 않아 보안용으로 사용되지 않음.

✍️ 요약:

충돌 저항성이란
서로 다른 두 입력값이 같은 해시값을 갖도록 만드는 것이 매우 어렵다는 특성입니다.

Sha-256은 어떤 방식으로 충돌저항성을 보장할 수 있어?
 

ChatGPT의 말:

좋은 질문입니다! SHA-256이 충돌저항성을 어떻게 보장 또는 달성하는지를 이해하려면, 이 알고리즘의 설계 원리와 암호학적 기법을 살펴봐야 합니다.

✅ SHA-256이 충돌저항성을 보장하는 방식

1. 압축 함수 기반 구조 (Merkle–Damgård 구조)

  • SHA-256은 Merkle–Damgård 구조를 사용합니다.
  • 입력 데이터를 일정한 크기로 나눈 뒤, 이전 결과값과 현재 블록을 조합하여 반복적으로 처리합니다.
  • 이 구조는 전체 메시지를 처리한 후 **고정 크기의 출력값(256비트)**을 생성하는데, 중간 결과에 영향을 주기 때문에 충돌을 찾기가 매우 어렵습니다.

2. 비선형 수학적 연산

  • SHA-256은 내부에서 여러 **비선형 함수(NOT, AND, XOR, ROTR, SHR)**를 반복적으로 사용합니다.
  • 단순한 수학적 패턴이나 역산이 어렵도록 설계되어 있어, 의도적으로 충돌을 유도하는 것이 거의 불가능합니다.

3. 라운드 함수의 반복 (64번)

  • SHA-256은 메시지 스케줄과 라운드 함수 등을 통해 64번의 반복적인 연산을 수행합니다.
  • 이 과정에서 작은 변화도 결과값에 큰 영향을 미치는 Avalanche Effect가 발생해, 충돌 가능성을 현저히 줄입니다.

4. 출력 공간의 방대함 (2^256)

  • SHA-256의 출력은 256비트로, 가능한 출력 조합이 2^256개입니다.
  • **생일 역설(Birthday Paradox)**에 의한 충돌 확률조차도 실질적으로는 비현실적으로 낮음.
    • 충돌이 날 확률이 50%에 도달하려면 약 2^128번의 시도가 필요함 → 현재 기술로는 불가능한 수준.

5. 공개 검증된 설계

  • SHA-256은 미국 NIST가 공개한 SHA-2 패밀리 중 하나로, 전 세계 수많은 암호학자들이 분석해 왔습니다.
  • 아직까지 실용적인 충돌 공격이 성공한 사례가 없음.

⚠️ 다만, 주의할 점

  • SHA-256은 이론적으로는 충돌이 존재할 수밖에 없습니다 (출력 공간은 유한하므로).
  • 다만 그것을 찾는 데 필요한 시간과 자원이 현실적으로 불가능하기 때문에 "충돌저항성이 확보되었다"고 판단합니다.

📌 결론

SHA-256은

  • 구조적 설계(압축 함수 + Merkle–Damgård),
  • 복잡한 수학적 연산,
  • 충분히 큰 출력 공간,
  • 검증된 반복 구조
    를 통해 충돌을 "현실적으로 불가능"하게 만들어 충돌저항성을 보장합니다.

필요하다면 SHA-256의 작동 구조도 시 각적으로 설명해드릴 수 있어요. 그림으로 보고 싶으신가요?

 

 

 

🔍 이미지 설명:

  1. 입력 메시지
    • 어떤 길이든 입력이 가능하며, 먼저 정해진 블록 크기로 나누기 위해 패딩이 추가됩니다.
  2. 패딩 처리
    • 전체 길이 정보 등을 포함한 비트가 추가되어, 메시지가 정확히 512비트 블록 단위로 나뉘게 됩니다.
  3. 블록 처리 (B1, B2, ..., Bn)
    • 각 블록은 순차적으로 처리되며, 이전 블록의 결과가 다음 블록에 영향을 줍니다.
  4. 압축 함수
    • 각 블록은 64 라운드에 걸쳐 비선형 함수, 회전 연산, XOR 등을 통해 복잡하게 변형됩니다.
    • 이 구조 덕분에 입력이 조금만 달라도 완전히 다른 해시 출력이 나옵니다 (Avalanche 효과).
  5. 최종 출력: 256비트 해시값
    • 고정된 256비트 크기의 해시값이 생성되며, 충돌을 유도하기 매우 어렵습니다.