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🔐 블록 암호 운용 모드 — ECB vs CBC

AES 같은 블록 암호는 한 번에 고정 크기(예: 16바이트) 블록 하나만 암호화한다. 데이터가 그보다 길면 여러 블록으로 잘라 운용 모드(mode of operation) 규칙에 따라 이어 붙인다. 같은 키·같은 알고리즘이라도 모드 선택 하나로 안전성이 크게 갈린다. 아래 "ECB 펭귄" 데모로 그 차이를 눈으로 확인해 보자.

1 ECB 펭귄 — 패턴이 그대로 새어 나온다

그림을 8×8 픽셀 블록으로 나눠 각 블록을 "암호화"한다. ECB는 블록마다 독립적으로 암호화하므로 같은 평문 블록 → 항상 같은 암호문 블록이 되어, 큰 색 덩어리·윤곽선 같은 패턴이 암호문에도 남는다. CBC는 각 블록을 암호화 전에 직전 암호문 블록과 XOR해 연쇄시키므로 같은 평문이라도 매번 달라져 노이즈처럼 보인다.

그림 키

원본 평문
plaintext

ECB 암호문 패턴 노출
pattern leaks

CBC 암호문 노이즈
looks random

※ 실제 AES가 아니라 원리를 보여 주기 위한 교육용 시뮬레이션이다(블록 내용을 해시해 색으로 매핑). 핵심 성질 — "ECB는 반복 블록이 반복 패턴으로 남는다" — 은 실제 AES-ECB에서도 똑같이 나타난다.

2 어떻게 블록을 이어 붙이나

3 IV — 첫 블록을 위한 "가짜 앞 블록"

CBC의 첫 블록은 XOR할 "직전 암호문"이 없다. 그래서 IV(Initialization Vector, 초기화 벡터)라는 랜덤한 블록을 하나 만들어 대신 XOR한다. IV 규칙:

✅ 매번 새로 랜덤 생성

같은 평문·같은 키라도 IV가 다르면 암호문 전체가 달라진다. 그래서 "이 메시지 = 저번 그 메시지"임을 공격자가 못 알아챈다.

✅ 비밀은 아니어도 됨

IV는 암호문 맨 앞에 그냥 붙여 보내도 안전하다. 복호화하려면 필요하기 때문. 단 예측 가능하면 안 된다.

❌ 고정 IV / 0으로 채운 IV

ECB와 비슷한 약점이 부활한다 — 같은 시작을 가진 두 메시지는 앞부분 암호문이 똑같이 나온다.

❌ 재사용(nonce reuse)

CTR·GCM 같은 스트림형 모드에서 nonce를 재사용하면 키스트림이 겹쳐 XOR 한 방에 평문이 드러난다. 치명적.

4 실제로는 이렇게 쓴다 (Python)

직접 XOR 연쇄를 짤 일은 거의 없다. 라이브러리에 모드를 지정하고, 인증 암호화(AEAD) 모드를 고르는 게 요즘 권장이다.

# pip install cryptography
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM
import os

key   = AESGCM.generate_key(bit_length=256)
nonce = os.urandom(12)              # 매번 새로! 재사용 금지
aead  = AESGCM(key)

ct = aead.encrypt(nonce, b"secret message", None)
pt = aead.decrypt(nonce, ct, None)   # 변조되면 예외 발생 → 무결성까지 보장

# CBC를 꼭 써야 한다면 (레거시 호환 등)
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
iv = os.urandom(16)
enc = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv)).encryptor()
# 평문은 16바이트 배수로 패딩(PKCS7) 필요, 그리고 별도 MAC로 무결성 확인해야 함

5 모드 한눈 비교

모드	연쇄	병렬	패딩	무결성	평가
ECB	없음	암·복호 모두	필요	없음	❌ 쓰지 말 것
CBC	암호문 체인	복호화만	필요	없음(별도 MAC)	⚠️ 레거시
CTR	카운터 스트림	암·복호 모두	불필요	없음(별도 MAC)	⚠️ nonce 관리 주의
GCM	CTR + 인증	암·복호 모두	불필요	✅ 내장(AEAD)	✅ 기본 선택

정리 — ① 블록 암호는 그 자체론 "16바이트 한 조각"만 처리한다. ② 긴 데이터를 어떻게 잇느냐가 모드다. ③ ECB는 패턴을 노출해 실패했고(펭귄!), CBC는 IV와 체이닝으로 이를 가린다. ④ 하지만 CBC도 변조 탐지는 못 하므로, 오늘날은 암호화와 인증을 한 번에 하는 AES-GCM 같은 AEAD 모드가 표준이다.