전자서명과 PKI: 디지털 문서의 신뢰를 검증하는 방식

문서의 출처와 변조 여부를 함께 증명한다

전자서명은 디지털 문서나 메시지가 누구에게서 왔는지, 서명 후 내용이 바뀌지 않았는지를 확인하는 기술적 수단이다. 종이 문서의 물리적 서명에 대응하며, 전자문서 작성자를 식별하고 변조 여부를 증명한다.

전자서명에서 다루는 성질은 다음과 같다.

인증(Authentication): 서명자의 신원을 확인한다.
무결성(Integrity): 서명 이후 문서가 변경됐는지 감지한다.
부인방지(Non-repudiation): 서명자가 나중에 서명 사실을 부인하지 못하게 한다.
기밀성(Confidentiality): 필요한 경우 문서 내용을 보호한다.

법적 효력은 전자서명법을 기반으로 한다

우리나라에서는 전자서명법이 전자서명의 법적 효력과 요건을 정한다. 이 법은 1999년 처음 제정됐고 여러 차례 개정됐으며, 2020년 전면 개정으로 공인인증서 제도를 폐지하고 전자서명 수단 간 차별을 없애는 방향으로 바뀌었다.

전자서명 활용과 연결되는 법적 기반에는 전자서명의 효력과 인증업무의 기본 사항을 다루는 전자서명법, 행정기관의 전자서명 이용을 규정하는 전자정부법, 전자상거래에서의 활용과 관계되는 전자상거래 등에서의 소비자보호에 관한 법률이 있다.

PKI에서 서명과 검증이 이어지는 흐름

전자서명은 주로 공개키 기반 구조(PKI, Public Key Infrastructure)를 사용한다. 공개키와 개인키 쌍을 사용하는 비대칭 암호화 방식으로, 서명 생성에는 개인키를 사용하고 검증에는 공개키를 사용한다.

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서명자는 먼저 문서에 해시 함수를 적용해 고정 길이의 다이제스트(digest)를 만든다. 이 다이제스트를 개인키(private key)로 암호화해 전자서명을 생성한 뒤, 원본 문서와 함께 전송한다.

수신자는 받은 문서에 같은 해시 함수를 적용해 다이제스트를 만들고, 서명자의 공개키(public key)로 전자서명을 복호화해 원본 다이제스트를 얻는다. 두 다이제스트가 일치하면 문서의 무결성과 출처를 확인할 수 있다.

공개키, 인증서, 경량 알고리즘의 선택

RSA, DSA(Digital Signature Algorithm), ECDSA(Elliptic Curve DSA)는 공개키 기반 전자서명에 사용되는 알고리즘이다. 비대칭 암호화를 기반으로 하며 가장 널리 활용되는 방식이다.

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인증서 기반 전자서명은 PKI 환경에서 발급된 디지털 인증서를 이용한다. 인증기관(CA, Certificate Authority)이 서명자의 신원을 보증하며, X.509 표준을 따르는 인증서가 주로 쓰인다.

IoT 디바이스처럼 리소스가 제한된 환경에서는 경량 전자서명 알고리즘을 사용할 수 있다. XMSS(eXtended Merkle Signature Scheme), LMS(Leighton-Micali Signatures)가 이에 해당한다.

행정·금융·의료·블록체인에서의 활용

전자정부와 행정 영역에서는 전자민원 서비스의 증명서 발급과 신청서 제출, 공공기관 내부 결재에 전자서명을 활용한다. 정부24와 민원24 등의 전자정부 서비스가 예시다.

금융과 상거래에서는 인터넷뱅킹의 금융 거래 인증, 온라인 전자계약의 법적 효력 부여, 전자세금계산서의 전자적 발행 및 보관에 사용된다. 은행 앱의 계좌이체와 카카오싸인, 네이버 전자계약 등의 전자계약 플랫폼도 활용 사례다.

의료 분야에서는 전자의무기록(EMR)의 무결성을 보장하고, 전자처방전에서 약사가 처방의사의 신원을 확인하는 데 쓰인다. 병원정보시스템의 의사 전자서명이 대표적이다.

블록체인과 암호화폐에서는 거래의 소유권 증명과 스마트 계약의 실행 조건 처리에 전자서명이 결합된다. 비트코인 트랜잭션 서명과 이더리움 스마트 계약이 예시다.

해시와 인증서 관리가 검증의 기반이 된다

해시 함수는 임의 길이의 입력을 고정 길이 출력으로 바꾸며 문서 무결성 검증에 쓰인다. SHA-256, SHA-3, BLAKE2 등이 사용된다. 해시값에서 원본 데이터를 역산할 수 없는 일방향성, 서로 다른 입력이 같은 해시값을 만들 가능성이 극히 낮은 충돌 저항성, 작은 입력 변화가 출력의 큰 변화로 이어지는 눈사태 효과가 핵심 성질이다.

공개키 암호화에서는 공개키와 개인키 쌍을 사용한다. RSA는 소인수분해의 어려움, DSA는 이산대수 문제의 어려움에 기반한다. ECDSA는 타원곡선 암호화를 활용하며 더 짧은 키 길이로 동등한 보안 수준을 제공한다.

PKI에서 인증서 관리는 전자서명의 신뢰성을 뒷받침한다. 인증기관(CA)은 디지털 인증서를 발급하고 관리하며, 등록기관(RA)은 사용자 신원을 확인해 CA에 인증서 발급을 요청한다. 인증서 취소 목록(CRL)은 유효기간이 끝나기 전에 취소된 인증서의 목록이고, OCSP(Online Certificate Status Protocol)는 인증서 상태를 실시간으로 확인하는 프로토콜이다.

개인키 유출과 인증서 신뢰 체인을 운영한다

전자서명 체계의 보안은 개인키를 얼마나 안전하게 관리하는지에 달려 있다. 개인키가 유출되면 서명 위조가 가능하다. 하드웨어 보안 모듈(HSM), 스마트카드나 USB 토큰 같은 물리적 저장 장치, 생체인증과 결합한 다중 인증이 대응 수단이 될 수 있다.

인증서 발급·갱신·취소 과정도 관리 대상이다. 2011년 DigiNotar 사례처럼 인증기관이 침해되면 대규모 보안 위협으로 이어질 수 있다. CRL 업데이트 주기는 취소 정보 전파를 지연시킬 수 있고, 복잡한 인증 체계에서는 신뢰 체인 검증 자체가 어려워질 수 있다.

양자 컴퓨팅 이후를 대비한다

양자 컴퓨터의 발전은 현재 사용되는 여러 암호화 알고리즘에 위협이 될 수 있다. RSA, DSA, ECDSA는 양자 컴퓨터의 쇼어 알고리즘에 취약할 수 있다.

포스트 양자 암호(PQC) 알고리즘의 개발과 도입, 격자 기반·해시 기반·코드 기반 암호화 연구, NIST의 포스트 양자 암호화 표준화 프로젝트 참여가 대응 방향으로 제시된다.

모바일과 분산 환경으로 확장되는 전자서명

스마트폰과 태블릿 사용 증가에 따라 모바일 환경에 맞춘 전자서명 최적화가 진행되고 있다. 지문·얼굴·홍채 인식과의 통합, 개인키를 클라우드에 안전하게 저장하고 필요할 때 접근하는 클라우드 기반 서명, 원격 서버에서 서명 생성 프로세스를 수행하는 원격 서명이 발전 방향이다.

블록체인 기반 전자서명은 분산원장 기술을 활용한다. 중앙 기관 없이 신원 증명이 가능한 탈중앙화 신원 확인(DID), 조건 충족 시 전자서명 생성·검증을 실행하는 스마트 계약 연동, 블록체인에 남은 서명 이력을 이용한 투명한 감사 추적이 여기에 포함된다.

국가와 서비스 간 상호운용성을 위해 표준화도 이어지고 있다. ETSI(European Telecommunications Standards Institute)는 유럽 전자서명 표준을 개발하고, ISO/IEC JTC 1/SC 27은 국제 정보보호 기술 표준을 다룬다. W3C는 XML 서명과 JSON 서명 등을 포함한 웹 기반 전자서명 표준을, IETF는 인터넷 환경의 전자서명 프로토콜 표준을 다룬다.

전자서명은 문서 인증을 넘어 IoT, 블록체인, 클라우드 등 여러 디지털 환경에 통합되며 발전할 전망이다. 디지털 전환(Digital Transformation)이 가속화되면서 이러한 변화도 더 빠르게 진행될 것이다.