클라우드 환경에서의 대용량 데이터 전송의 효율성과 보안성 강화를 위한 부분 암호화 방법 A Partial Encryption Method for the Efficiency and the Security Enhancement of Massive Data Transmission in the Cloud Environment원문보기
클라우드 환경에서의 대용량 암호화 데이터 서비스를 위하여 기존의 암호화 알고리즘을 사용할 경우 데이터 암호화에 많은 시간 소요의 문제점이 대두된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 일반적으로 부분 암호화 방법을 사용한다. 그러나 기존의 부분 암호화 방법은 암호화되지 않은 잔존 영역으로 인해 암호화된 데이터를 유추할 수 있다는 단점이 존재한다. 본 논문에서는 이러한 단점을 해결하기 위해 암호화 속도를 높이면서 보안을 준수하는 부분 암호화 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 헤더 생성, 부분 암호화, 블록 셔플의 과정으로 구성된다. 1단계 헤더 생성 과정에서는 알고리즘에 필요한 헤더 데이터를 생성하고 2단계 부분 암호화 과정에서는 LEA (Lightweight Encryption Algorithm)를 이용하여 데이터의 일부분을 암호화하고 암호화하지 않은 부분의 데이터와 암호화 과정 중에 생성된 블록을 XOR하여 모든 데이터를 변형시키며, 3단계 블록 셔플 과정에서는 헤더에 저장한 셔플 데이터를 이용하여 블록을 섞어 데이터를 알아볼 수 없는 형태로 바꾸어 암호화를 수행한다. 제안하는 방법을 모바일 디바이스에 적용하여 구현한 결과 암호화한 데이터는 알아볼 수 없는 형태로 모두 바뀌어 데이터를 유추할 수 없었고, 암호 키 없이는 데이터를 복원할 수 없었다. 제안하는 방법은 블록 경량 암호화 알고리즘인 LEA에 비해 암호화 속도가 약 273% 정도 향상되어 대용량 데이터를 암호화하는데 있어 빠른 처리가 가능함을 확인하였다.
클라우드 환경에서의 대용량 암호화 데이터 서비스를 위하여 기존의 암호화 알고리즘을 사용할 경우 데이터 암호화에 많은 시간 소요의 문제점이 대두된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 일반적으로 부분 암호화 방법을 사용한다. 그러나 기존의 부분 암호화 방법은 암호화되지 않은 잔존 영역으로 인해 암호화된 데이터를 유추할 수 있다는 단점이 존재한다. 본 논문에서는 이러한 단점을 해결하기 위해 암호화 속도를 높이면서 보안을 준수하는 부분 암호화 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 헤더 생성, 부분 암호화, 블록 셔플의 과정으로 구성된다. 1단계 헤더 생성 과정에서는 알고리즘에 필요한 헤더 데이터를 생성하고 2단계 부분 암호화 과정에서는 LEA (Lightweight Encryption Algorithm)를 이용하여 데이터의 일부분을 암호화하고 암호화하지 않은 부분의 데이터와 암호화 과정 중에 생성된 블록을 XOR하여 모든 데이터를 변형시키며, 3단계 블록 셔플 과정에서는 헤더에 저장한 셔플 데이터를 이용하여 블록을 섞어 데이터를 알아볼 수 없는 형태로 바꾸어 암호화를 수행한다. 제안하는 방법을 모바일 디바이스에 적용하여 구현한 결과 암호화한 데이터는 알아볼 수 없는 형태로 모두 바뀌어 데이터를 유추할 수 없었고, 암호 키 없이는 데이터를 복원할 수 없었다. 제안하는 방법은 블록 경량 암호화 알고리즘인 LEA에 비해 암호화 속도가 약 273% 정도 향상되어 대용량 데이터를 암호화하는데 있어 빠른 처리가 가능함을 확인하였다.
In case of using the existing encrypted algorithm for massive data encryption service under the cloud environment, the problem that requires much time in data encryption come to the fore. To make up for this weakness, a partial encryption method is used generally. However, the existing partial encry...
In case of using the existing encrypted algorithm for massive data encryption service under the cloud environment, the problem that requires much time in data encryption come to the fore. To make up for this weakness, a partial encryption method is used generally. However, the existing partial encryption method has a disadvantage that the encrypted data can be inferred due to the remaining area that is not encrypted. This study proposes a partial encryption method of increasing the encryption speed and complying with the security standard in order to solve this demerit. The proposed method consists of 3 processes such as header formation, partial encryption and block shuffle. In step 1 Header formation process, header data necessary for the algorithm are generated. In step 2 Partial encryption process, a part of data is encrypted, using LEA (Lightweight Encryption Algorithm), and all data are transformed with XOR of data in the unencrypted part and the block generated in the encryption process. In step 3 Block shuffle process, the blocks are mixed, using the shuffle data stored with the random arrangement form in the header to carry out encryption by transforming the data into an unrecognizable form. As a result of the implementation of the proposed method, applying it to a mobile device, all the encrypted data were transformed into an unrecognizable form, so the data could not be inferred, and the data could not be restored without the encryption key. It was confirmed that the proposed method could make prompt treatment possible in encrypting mass data since the encryption speed is improved by approximately 273% or so compared to LEA which is Lightweight Encryption Algorithm.
In case of using the existing encrypted algorithm for massive data encryption service under the cloud environment, the problem that requires much time in data encryption come to the fore. To make up for this weakness, a partial encryption method is used generally. However, the existing partial encryption method has a disadvantage that the encrypted data can be inferred due to the remaining area that is not encrypted. This study proposes a partial encryption method of increasing the encryption speed and complying with the security standard in order to solve this demerit. The proposed method consists of 3 processes such as header formation, partial encryption and block shuffle. In step 1 Header formation process, header data necessary for the algorithm are generated. In step 2 Partial encryption process, a part of data is encrypted, using LEA (Lightweight Encryption Algorithm), and all data are transformed with XOR of data in the unencrypted part and the block generated in the encryption process. In step 3 Block shuffle process, the blocks are mixed, using the shuffle data stored with the random arrangement form in the header to carry out encryption by transforming the data into an unrecognizable form. As a result of the implementation of the proposed method, applying it to a mobile device, all the encrypted data were transformed into an unrecognizable form, so the data could not be inferred, and the data could not be restored without the encryption key. It was confirmed that the proposed method could make prompt treatment possible in encrypting mass data since the encryption speed is improved by approximately 273% or so compared to LEA which is Lightweight Encryption Algorithm.
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문제 정의
본 논문에서 클라우드 서비스에서 안전하고 효율적인 데이터 전송을 위한 PLEA(Partial encryption based on LEA) 방법을 제안한다. 클라우드 환경에서 대용량의 데이터를 암호화하기 위해서는 빠른 연산이 요구되므로 경량 암호화 알고리즘을 사용할 필요가 있으며, 그 중 처리속도가 가장 뛰어난 LEA가 가장 적합할 것으로 판단하여 LEA를 이용한 부분 암호화 알고리즘을 설계한다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 클라우드 환경에서 빠른 암호화가 가능한 부분 암호화 알고리즘을 제안한다. 제안하는 방법은 경량 블록 암호화 알고리즘인 LEA를 이용하여 데이터의 일부분을 암호화한 뒤 암호화과정에서 연산된 데이터와 암호화하지 않은 부분을 XOR연산한 뒤 블록을 섞는 방법을 이용하여 데이터의 전송 효율성과 보안성을 강구한다.
본 논문에서는 클라우드 환경에서의 데이터 보안 및 암호화 효율 향상을 위해 LEA기반의 부분 암호화 기술인 PLEA를 제안하였다. 데이터를 암호화하지 않고 전송하였을 때 공격자의 공격에 의해 데이터가 노출될 위험이 있으며, 클라우드 서버의 운영은 제 3자에 의해 운영되기 때문에 안전한 데이터 보관에 대한 안심을 할 수 없다.
제안 방법
기존의 블록 암호화 알고리즘과 제안하는 방법(PLEA)과의 비교를 위해 각 알고리즘별로 암호화 속도를 측정하였다. Table 4와 Table 5는 데이터의 길이를 10MB부터 100MB까지 암호화 및 복호화를 수행한 속도의 결과이며, Table 6은 이를 바탕으로 계산한 초당 암·복호화 데이터 처리량을 나타낸다.
9의 암·복호화 과정에서 복호화과정은 암호화의 역순으로 진행되는 것을 확인할 수 있으며, i라운드의 암호화 결과를 enc(i)라 하고 i라운드의 복호화 결과를 dec(i)라고 했을 때 각 라운드 함수의 결과는 enc(1)=dec(23), enc(2)=dec(22), ⋯, enc(23)=dec(1) 와 같다. 본 논문에서는 각 라운드 결과인 enc(i)와 hash data를 XOR 한 뒤 암호화하지 않은 데이터와 XOR하여 암호화하지 않은 데이터를 변형시킨다. Hash data는 Fig.
Table 4와 Table 5는 데이터의 길이를 10MB부터 100MB까지 암호화 및 복호화를 수행한 속도의 결과이며, Table 6은 이를 바탕으로 계산한 초당 암·복호화 데이터 처리량을 나타낸다. 실험에 사용한 PLEA의 부분 암호화 modular 단위는 10으로 하여 암호화 및 복호화 속도를 측정하였다. 제안하는 PLEA 방법은 AES 뿐만 아니라 HIGHT, LEA에 비해서도 암·복호화 속도가 월등히 빨랐다.
Kim은 클라우드 환경을 고려한 부분 암호화 방법을 제안하였다[9]. 이는 암호화된 부분과 암호화되지 않는 부분을 메타데이터에 저장하여 구분하며, Initial Key와 Hash 함수를 이용하여 암호화 시 블록마다 각각 다른 키를 생성하여 암호화하는 방법을 사용하였다. 그 결과 암호화 블록에 각각 다른 키를 이용한 암호화로 부분 암호화의 보안성을 높일 수 있었다.
기존 방법들의 경우는 암호화하지 않은 블록이 평문으로 남아있어 데이터의 일부분을 볼 수 있으며, 이를 통해 암호화된 데이터의 유추가능성이 존재하였다. 이러한 문제점을 보안하기 위해 본 논문에서는 LEA를 이용하여 부분 암호화 modular 단위인 k개의 블록 중 하나의 블록을 암호화하고, 각 라운드 당 암호화 결과 데이터와 암호화하지 않은 블록을 XOR 연산을 하여 암호화된 데이터의 유추가 불가능하도록 데이터를 변형시킨다. Fig.
제안하는 방법인 PLEA의 성능을 평가하기 위하여 안드로이드 기반의 모바일 디바이스에서 구글 드라이브에 데이터를 업로드 및 다운로드 시에 제안하는 방법을 적용하여 데이터 암복호화를 수행하였다. 제안하는 PLEA 방법과 블록 암호화 알고리즘별 속도 비교를 위해 AES, HIGHT, LEA 알고리즘을 추가로 구현하였다. AES는 [11]을 참고하여 구현하였고, HIGHT와 LEA는 KISA에서 제공하는 오픈소스를 이용하여 구현하였다[14].
제안하는 PLEA방법은 암호화 속도 향상을 위해 데이터의 일부분을 암호화하는 부분 암호화 방법을 사용하였고, 암호화하지 않은 부분을 XOR 연산을 이용하여 데이터를 변형한 뒤 무작위로 블록을 섞었으며, 셔플 인덱스 정보는 암호화하여 알 수 없도록 하였다. 이렇게 암호화된 데이터는 복호화하지 않고서는 데이터의 내용을 확인할 수 없다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 클라우드 환경에서 빠른 암호화가 가능한 부분 암호화 알고리즘을 제안한다. 제안하는 방법은 경량 블록 암호화 알고리즘인 LEA를 이용하여 데이터의 일부분을 암호화한 뒤 암호화과정에서 연산된 데이터와 암호화하지 않은 부분을 XOR연산한 뒤 블록을 섞는 방법을 이용하여 데이터의 전송 효율성과 보안성을 강구한다. 제안하는 방법의 타당성 입증을 위해 모바일 디바이스 상에서 구현한 뒤 기존 블록 암호화 알고리즘과의 속도 비교 및 클라우드 데이터 업로드 속도를 측정하여 제안하는 방법의 성능을 평가한다.
하지만 모바일 디바이스에서 데이터를 암호화하여 전송하는 경우 디바이스의 오버헤드가 증가하여 처리속도가 늦어지는 단점이 있으며, 기존에 제안된 부분 암호화 알고리즘은 암호화하지 않은 부분에 대한 보안이 취약하다는 단점이 존재하였다. 제안하는 방법은 데이터의 일부분을 암호화한 뒤 암호화하지 않은 부분의 데이터를 변형시키고 블록을 무작위로 섞어 데이터를 보호하였다. 그 결과 제안한 PLEA의 부분 암호화 modular 단위를 10으로 하였을 때 기존 LEA에 비해 처리속도를 274% 향상시켰으며, 암호화되지 않은 부분의 데이터를 변형시킴으로써 기존에 제안된 부분 암호화 알고리즘의 단점을 보완할 수 있었다.
제안하는 방법은 헤더 생성, 데이터 부분 암호화, 블록 셔플 과정으로 구성하며 전체적인 흐름은 Fig. 6과 같다.
제안하는 방법인 PLEA의 성능을 평가하기 위하여 안드로이드 기반의 모바일 디바이스에서 구글 드라이브에 데이터를 업로드 및 다운로드 시에 제안하는 방법을 적용하여 데이터 암복호화를 수행하였다. 제안하는 PLEA 방법과 블록 암호화 알고리즘별 속도 비교를 위해 AES, HIGHT, LEA 알고리즘을 추가로 구현하였다.
본 논문에서 클라우드 서비스에서 안전하고 효율적인 데이터 전송을 위한 PLEA(Partial encryption based on LEA) 방법을 제안한다. 클라우드 환경에서 대용량의 데이터를 암호화하기 위해서는 빠른 연산이 요구되므로 경량 암호화 알고리즘을 사용할 필요가 있으며, 그 중 처리속도가 가장 뛰어난 LEA가 가장 적합할 것으로 판단하여 LEA를 이용한 부분 암호화 알고리즘을 설계한다. 제안하는 방법에서 사용하는 용어는 아래 Table 2와 같다.
대상 데이터
Table 7은 구글 드라이브 어플리케이션과 제안하는 방법인 PLEA를 적용하여 구글 드라이브 API를 이용해 제작한 테스트 어플리케이션의 속도를 측정한 결과이다. PLEA의 부분 암호화 modular 단위는 10으로 하였으며, 실험에 사용된 데이터는 각각 1.2MB, 5.7MB의 이미지 데이터 2개와 8.9MB의 음악 데이터, 35.1MB의 동영상 데이터를 사용하였다. 사진 데이터의 경우 평문으로 전송하는 구글 드라이브 어플리케이션과 테스트 어플리케이션의 속도 차이가 거의 발생하지 않았다.
데이터처리
제안하는 방법은 경량 블록 암호화 알고리즘인 LEA를 이용하여 데이터의 일부분을 암호화한 뒤 암호화과정에서 연산된 데이터와 암호화하지 않은 부분을 XOR연산한 뒤 블록을 섞는 방법을 이용하여 데이터의 전송 효율성과 보안성을 강구한다. 제안하는 방법의 타당성 입증을 위해 모바일 디바이스 상에서 구현한 뒤 기존 블록 암호화 알고리즘과의 속도 비교 및 클라우드 데이터 업로드 속도를 측정하여 제안하는 방법의 성능을 평가한다.
이론/모형
헤더 생성 과정에서는 부분 암호화 modular 단위와 평문 데이터의 길이와 데이터 셔플에 필요한 난수를 생성하여 헤더 데이터에 저장한다. 데이터 부분 암호화 과정에서는 블록 암호화 알고리즘인 LEA를 이용하여 부분 암호화를 수행한다. PLEA의 부분 암호화는 modular 단위로 블록을 선택해 암호화를 수행한다.
실험에 사용된 디바이스의 정보는 아래 Table 3과 같다. 데이터 업로드를 위한 클라우드 저장소는 구글 드라이브를 사용하였으며, 구글 드라이브에 데이터 업로드를 위해 Android Google Drive API를 사용하였다.
LEA(Lightweight Encryption Algorithm)는 빅데이터, 클라우드 등 고속 환경 및 IoT 디바이스와 같은 경량 환경에서 기밀성을 제공하기 위해 2013년도에 개발된 블록 알고리즘으로 2015년 국내 TTA 표준으로 제정되었다[10]. 알고리즘을 경량화하기 위해 S-Box를 이용하지 않고 기본 산술연산인 Addition, Rotation, XOR 연산만을 이용하여 알고리즘을 구현하였다. LEA는 평문 128bit의 데이터를 암호화하는 알고리즘으로 키의 길이에 따라 Table 1과 같이 라운드 반복수가 결정된다.
성능/효과
이는 암호화된 부분과 암호화되지 않는 부분을 메타데이터에 저장하여 구분하며, Initial Key와 Hash 함수를 이용하여 암호화 시 블록마다 각각 다른 키를 생성하여 암호화하는 방법을 사용하였다. 그 결과 암호화 블록에 각각 다른 키를 이용한 암호화로 부분 암호화의 보안성을 높일 수 있었다.
제안하는 방법은 데이터의 일부분을 암호화한 뒤 암호화하지 않은 부분의 데이터를 변형시키고 블록을 무작위로 섞어 데이터를 보호하였다. 그 결과 제안한 PLEA의 부분 암호화 modular 단위를 10으로 하였을 때 기존 LEA에 비해 처리속도를 274% 향상시켰으며, 암호화되지 않은 부분의 데이터를 변형시킴으로써 기존에 제안된 부분 암호화 알고리즘의 단점을 보완할 수 있었다. 향후에는 클라우드 환경에서 모바일 디바이스의 부하를 줄이고 안전한 키 교환 및 관리가 가능한 방법에 대하여 연구할 예정이다.
또한 본 논문에서 제안한 부분 암호화 알고리즘은 암호화되지 않는 부분에 데이터를 변형시킴으로써 기존에 제안한 부분 암호화 알고리즘보다 보안이 향상되었다. 기존의 부분 암호화 알고리즘의 결과인 Fig.
이때 첫 4byte는 헤더의 길이가 되고 이후의 16byte는 암호화된 헤더이며, 이후의 160byte는 암호화 데이터이다. 또한 제안하는 방법으로 암호화된 데이터를 복호화한 결과 평문과 동일한 데이터로 복원됨을 확인할 수 있었다.
부분 암호화 modular 단위가 커질수록 암복호화 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 부분 암호화 modular 단위가 낮을 때는 속도가 급격히 감소하지만 부분 암호화 modular 단위가 커질수록 암복호화 속도의 감소가 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이후의 PLEA를 이용한 실험은 부분 암호화 modular 단위를 10으로 하였다.
13은 10MB의 데이터를 PLEA의 부분 암호화 modular 단위를 0부터 23까지 변경하여 암호화 및 복호화한 속도를 측정한 결과이다. 부분 암호화 modular 단위가 커질수록 암복호화 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 부분 암호화 modular 단위가 낮을 때는 속도가 급격히 감소하지만 부분 암호화 modular 단위가 커질수록 암복호화 속도의 감소가 크지 않은 것을 확인할 수 있었다.
실험에 사용한 PLEA의 부분 암호화 modular 단위는 10으로 하여 암호화 및 복호화 속도를 측정하였다. 제안하는 PLEA 방법은 AES 뿐만 아니라 HIGHT, LEA에 비해서도 암·복호화 속도가 월등히 빨랐다. Table 5의 초당 암·복호화 속도를 확인해보면 제안하는 방법의 초당 암호화 처리 능력은 154.
후속연구
그 결과 제안한 PLEA의 부분 암호화 modular 단위를 10으로 하였을 때 기존 LEA에 비해 처리속도를 274% 향상시켰으며, 암호화되지 않은 부분의 데이터를 변형시킴으로써 기존에 제안된 부분 암호화 알고리즘의 단점을 보완할 수 있었다. 향후에는 클라우드 환경에서 모바일 디바이스의 부하를 줄이고 안전한 키 교환 및 관리가 가능한 방법에 대하여 연구할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
클라우드 저장소의 로그인 보안은 주로 어떤 통신을 이용하여 보호하고 있는가?
만약 공격자에 의해 사용자의 클라우드 저장소에 접근할 수 있는 ID와 Password가 노출된다면, 공격자는 클라우드 저장소에 저장된 사용자의 암호화 데이터의 원본 데이터에 접근할 수 있다. 현재 클라우드 저장소의 로그인 보안은 주로 Https통신을 이용하여 보호하고 있으나 Https통신은 중간자 공격인 SSL Strip공격에 취약하다는 단점이 있다[3]. Fig.
LEA는 무엇인가?
LEA(Lightweight Encryption Algorithm)는 빅데이터, 클라우드 등 고속 환경 및 IoT 디바이스와 같은 경량 환경에서 기밀성을 제공하기 위해 2013년도에 개발된 블록 알고리즘으로 2015년 국내 TTA 표준으로 제정되었다[10]. 알고리즘을 경량화하기 위해 S-Box를 이용하지 않고 기본 산술연산인 Addition, Rotation, XOR 연산만을 이용하여 알고리즘을 구현하였다.
LEA는 S-Box를 이용하지 않고 어떤 연산만을 이용하여 알고리즘을 구현하였는가?
LEA(Lightweight Encryption Algorithm)는 빅데이터, 클라우드 등 고속 환경 및 IoT 디바이스와 같은 경량 환경에서 기밀성을 제공하기 위해 2013년도에 개발된 블록 알고리즘으로 2015년 국내 TTA 표준으로 제정되었다[10]. 알고리즘을 경량화하기 위해 S-Box를 이용하지 않고 기본 산술연산인 Addition, Rotation, XOR 연산만을 이용하여 알고리즘을 구현하였다. LEA는 평문 128bit의 데이터를 암호화하는 알고리즘으로 키의 길이에 따라 Table 1과 같이 라운드 반복수가 결정된다.
참고문헌 (14)
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