연쇄 암호화 (Cascade Ciphering)

연쇄 암호화(cascade ciphering)는 여러 블록 암호 시스템을 순서대로 연결해 암호화하는 방식이며, 이렇게 연결된 전체를 캐스케이드 암호(cascade cipher, CC)라고 합니다. 연결된 각 시스템을 '단계'라고 합니다. CC의 평문은 첫 번째 단계의 평문 역할을 하고, i번째 단계의 암호문은 (i+1)번째 단계의 평문이 되며, 마지막 단계의 암호문은 CC의 암호문이 됩니다. 일반적으로 CC는 다중 암호화 또는 곱 암호화라고도 합니다. 일부 자료에서는 캐스케이드 암호화를 통계적으로 독립적인 키를 사용하는 것으로 정의하는 반면, 곱 암호는 독립적이지 않은 키를 사용할 수 있습니다.

작동 방식

1. 1단계: 평문을 첫 번째 암호와 첫 번째 키로 암호화합니다.
2. 2단계: 그 결과를 두 번째 암호와 다른 키로 다시 암호화합니다.
3. 3단계(이상): 모든 단계가 적용될 때까지 반복하며, 마지막 단계의 출력이 전체 암호문입니다.

복호화는 역순으로 진행합니다. 마지막 단계의 키로 먼저 풀고, 첫 번째 단계의 키로 마지막에 풉니다. 메시지를 상자에 넣어 잠그고, 그 상자를 더 큰 상자에 넣어 다른 키로 잠그는 과정을 떠올리면 이해하기 쉽습니다. 받는 사람은 바깥 상자부터 차례로 열어야 합니다.

캐스케이드 대 곱 암호

1. 캐스케이드 암호:
   일반적으로 각 단계에서 통계적으로 독립적인 키를 사용한다는 것을 의미합니다. 즉, 한 단계의 키를 안다고 해서 다른 단계의 키에 대한 정보를 얻을 수 없습니다.
2. 곱 암호:
   서로 독립적이지 않은 키, 예를 들어 하나의 키에서 파생한 단계별 키를 사용할 수 있습니다. 여러 라운드의 단순한 변환을 겹쳐 하나의 강한 암호를 만드는 현대 블록 암호의 설계 원리도 넓은 의미의 곱 암호에 해당합니다.

안전성에 관한 알려진 결과

• 첫 단계의 중요성: 마우러(Ueli Maurer)와 매시(James Massey)는 1993년, 독립적인 키를 쓰는 캐스케이드는 일반적인 공격 모델에서 적어도 첫 번째 단계의 암호만큼은 깨기 어렵다는 것을 보였습니다. 반대로 어느 단계의 암호보다 반드시 강하다고는 보장되지 않습니다.
• 중간자 공격(meet-in-the-middle): 같은 암호를 두 번 겹치면 키 길이는 두 배가 되지만, 양쪽에서 계산해 중간 값을 맞추는 공격 때문에 실제 강도는 키 하나보다 조금 높아지는 정도에 그칩니다. 이 때문에 DES를 강화할 때 이중 DES 대신 세 단계를 쓰는 3DES가 채택되었습니다.

장점

• 위험 분산: 서로 다른 알고리즘을 겹치면, 그중 하나에서 약점이 발견되더라도 다른 단계가 보호를 유지할 수 있습니다.
• 유연성: 다양한 암호화 알고리즘을 조합해 쓸 수 있습니다.

단점

• 키 관리 부담: 단계마다 독립적인 키가 필요하므로 관리해야 할 키가 늘어납니다.
• 성능: 단계 수만큼 암호화와 복호화를 반복하므로 처리 속도가 느려집니다.
• 기대보다 낮은 강도: 중간자 공격처럼 단계를 늘린 만큼 강도가 늘지 않는 경우가 있으며, 각 단계의 암호가 약하면 기대한 만큼 강도가 높아지지 않을 수 있습니다.

캐스케이드 암호화의 활용

대표적인 예는 3DES와, VeraCrypt처럼 AES·Twofish·Serpent 등 여러 알고리즘을 겹쳐 쓰는 옵션을 제공하는 디스크 암호화 소프트웨어입니다. 다만 오늘날 대부분의 시스템은 검증된 단일 알고리즘(예: AES)을 충분한 키 길이로 쓰는 쪽을 택합니다.