[논문]실시간 데이터 이중화를 위한 고속 블록 전송기술 설계

한재승; 안재훈; 김영환; 박창원

실시간 데이터 이중화를 위한 고속 블록 전송기술 설계
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한재승 (전자부품연구원 휴먼케어시스템연구센터) , 안재훈 (전자부품연구원 휴먼케어시스템연구센터) , 김영환 (전자부품연구원 휴먼케어시스템연구센터) , 박창원 (전자부품연구원 휴먼케어시스템연구센터)

본 논문에서는 데이터 이중화 저장시스템의 장애발생으로 인한 백업서버 데이터 손실을 보호하기 위해 무 손실 실시간 데이터 이중화 시스템 설계방안을 제안한다. 이는 원본서버의 데이터와 백업서버의 데이터가 특정 시점 T에서 100% 일치하지 않는 비동기 방식을 동기방식으로 해결하기 위한 시스템 설계 제안으로, 원본서버의 데이터 생성과 동시에 실시간 데이터 백업을 목적으로 한다. 이를 위해 전송단계에서 필요한 가장 빠른 압축인 LZ4 압축 알고리즘을 기반으로 Intel AVX 명령어를 사용하여 보다 압축속도를 증진시켜 실시간 시스템을 구축한다. 또한 전송 중 보안위협으로부터 보호하기 위해 Key 전달 기법과 AES 암호화 알고리즘에 대해 기술한다.

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문제 정의

데이터 이중화에 앞서 데이터를 안전하게 전달하기 위해 암호화는 필수적이다. 이 모듈은 암호화에 필요한 AES Key를 원본 서버와 백업 서버에 안전하게 제공하는 것을 목적으로 한다. 이는 RSA 암호화 알고리즘을 통한 Key전달 기법을 사용하여 원본 서버의 AES Key를 백업 서버에 전달한다.
하지만 기존 이중화 시스템은 실시간 데이터 동기화 기능은 제공되지 않아 백업 서버 장애 발생 시 100% 데이터 복구는 어려운 상황이다. 이에 본 논문에서는 무손실 데이터 동기화를 목적으로 실시간 데이터 이중화 방법과 시스템을 제시한다.

제안 방법

백업 서버의 장애 발생 시 데이터 유실 원인은 원본 서버와의 데이터 동기화가 실시간으로 이루어지지 못하기 때문이다. 본 논문에서 제안하는 실시간 데이터 이중화 시스템은 백업서버 장애 발생 시 복구되지 않는 데이터를 100% 복구하기 위해 다음 Fig3과 같은 시스템 설계를 제안한다.
본 논문에서 제안하는 실시간 데이터 이중화 시스템의 핵심은 ‘압축이 얼마나 빠른 시간 내에 완료 되는가’ 이다.
본 논문에서 제안하는 실시간 데이터 이중화는 원본 서버와 백업 서버의 실시간 데이터 동기화가 핵심 요소이다. 이를 위해 가장 빠른 압축 알고리즘 LZ4에 Intel AVX 명령어를 적용하고, 빠른 블록 암호화 기법인 AES 알고리즘의 사용을 제안하는 바이다. 향후 연구에서는 LZ4 알고리즘에 Intel AVX 명령어를 적용하여 속도 향상 방안을 연구하고자 한다.

이론/모형

이는 비대칭형 암호화 알고리즘과 비교해서 암호화 속도가 빠르지만, 상대방과 안전한 Key 공유가 어렵고 통신 상대방이 많아질수록 Key 관리에 어려움이 있다. AES는 SubByte, ShiftRow, MixColumns, AddRoundKey 알고리즘을 사용한다[4].
데이터 이중화를 위해 원본 서버의 데이터를 백업 서버에 전달해야 한다. 이 때 실시간 데이터 이중화 시스템의 전송 속도를 보장하며, 보안성이 뛰어난 블록 단위 AES 암호화 알고리즘을 사용한다. AES 암호화에 필요한 Key는 Key모듈로부터 이미 할당 받았으므로, 데이터를 해당 Key로 암호화만 하면 된다.

성능/효과

1. Key 관리모듈은 데이터 암호화에 필요한 AES Key를 원본 서버와 백업 서버에 안전하게 전달하는 역할을 한다. 2.
LZ4 압축 모듈은 LZ4 압축 알고리즘을 기반으로 Intel AVX 명령어를 적용하여 원본 데이터 크기를 빠르게 압축하는 역할을 한다. 3. AES 암호화 모듈은 AES 암호화 알고리즘을 사용하여 데이터 전송 시 보안 위협으로부터 정보 보호의 목적을 갖는다.
본 논문에서 제안하는 실시간 데이터 이중화는 원본 서버와 백업 서버의 실시간 데이터 동기화가 핵심 요소이다. 이를 위해 가장 빠른 압축 알고리즘 LZ4에 Intel AVX 명령어를 적용하고, 빠른 블록 암호화 기법인 AES 알고리즘의 사용을 제안하는 바이다.
위 결과에서 볼 수 있듯이 SISD와 SIMD는 같은 계산 결과를 보이지만 속도 면에서 큰 차이를 보인다. 따라서 Intel AVX 명령어를 LZ4 압축 알고리즘에 적용한다면 보다 빠른 속도로 압축이 가능할 것이다.
인터넷과 스마트폰의 보급은 데이터 폭발 현상을 일으켰고 이는 빅데이터, 클라우드, 인공지능, IoT, VR/AR, Digital Twin 등 주요 IT기술의 기반 데이터를 확보할 수 있게 되었다. 하지만 이러한 기술은 높은 데이터 의존도를 가지기 때문에 데이터 보호는 선택이 아닌 필수가 되었다.

후속연구

위 결과에서 볼 수 있듯이 SISD와 SIMD는 같은 계산 결과를 보이지만 속도 면에서 큰 차이를 보인다. 따라서 Intel AVX 명령어를 LZ4 압축 알고리즘에 적용한다면 보다 빠른 속도로 압축이 가능할 것이다. 때문에 LZ4 압축 알고리즘의 적절한 함수에 Intel AVX 명령어를 삽입하는 것이 중요한데, LZ4 Format은 Block이라는 일정 크기의 데이터가 반복해서 압축되므로 반복되는 함수에 Intel AVX 명령어 적용 시 성능 향상을 가질 수 있다.
이를 위해 가장 빠른 압축 알고리즘 LZ4에 Intel AVX 명령어를 적용하고, 빠른 블록 암호화 기법인 AES 알고리즘의 사용을 제안하는 바이다. 향후 연구에서는 LZ4 알고리즘에 Intel AVX 명령어를 적용하여 속도 향상 방안을 연구하고자 한다.

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