[논문]클라우드 환경에서 안전한 PACS 데이터 전송을 위한 AES 암호화 알고리즘

조영복; 우성희; 이상호

클라우드 환경에서 안전한 PACS 데이터 전송을 위한 AES 암호화 알고리즘
AES Encryption Algorithm for safe PACS data Transmission in the Cloud Environment 원문보기

조영복 (충북대학교) , 우성희 (한국교통대학교) , 이상호 (충북대학교)

제안기법은 도래하는 클라우드 환경에서 원격의료 시스템을 위한 PACS에서 전송되는 의료정보의 정형데이터와 비정형 데이터의 안전한 전달을 위해 제안한다. 정형데이터는 의료영상과 같은 민감한 데이터로 AES암호화해 전달하고 비정형데이터는 의료이미지의 일부에서 비식별화를위해 암호화된 모자이크 비식별화기법을 이용해 전달한다. 암호화키의 안전성 평가를 위해 사이즈를 증가해가며 실험한 결과 128비트의 크기가 196, 256의크기로 암호화해도 128키와 큰 차이를 보이지 않음을 증명하였다.

The proposed scheme is proposed secure transmission of fixed data and unstructured data among medical information transmitted in PACS. Unstructured data uses the AES encryption algorithm as sensitive data And transmitted using encrypted mosaic encryption techniques for the non-identification of medical images, which are regular data. In addition, we have experimented with increasing the key size for encryption. As a result, we did not notice any significant difference between 128 - bit size and 128 - key size even when encrypting the size of 196,256.

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문제 정의

제안 논문은 클라우드 환경에서 안전한 PACS 시스템에서 전송되는 데이터의 안전한 전송을 위한 AES암호화 알고리즘을 제안하였다. 의료영상 데이터의 특성을 고려해 정형데이터와 비정형데이터의 안전성 레벨을 맞춰 정형데이터는 AES 암호화 알고리즘을 이용해 안전하게 전송될 수 있도록 제공하고하고 비정형데이터의 경우 개인프라이버시 보호를 위해 암호화된 비식별화 알고리즘을 제공한다.

제안 방법

제안 논문에서는 속도 최적화를 위해 라운드 키를 포함한 주요 함수는 loop unrolling 기법과 매크로 함수로 구현하였다. 또한 메모리 참조 연산을 최소화하기 위해 빈번하게 사용되는 메모리 값은 특정 변수에 저장하여 레지스터로 연산될 수 있도록 고려하였다. 구현 결과는 그림 5와 같고 프로세서의 clock cycle를기준으로 난수생성 시간을 구현한 결과이다.
실험을 위해 암호화 알고리즘은 Visual studioC++로 AES 암/복호화, 마스킹 알고리즘을 구현하고 128비트의 키 사이즈를 기본으로 키사이즈를 192, 256으로 이미지를 암호화 하며 이미지의 중요 개인식별정보를 마스킹하여 전송시 전송률을 비교하였다. 제안 논문에서는 속도 최적화를 위해 라운드 키를 포함한 주요 함수는 loop unrolling 기법과 매크로 함수로 구현하였다.
실험을 위해 암호화 알고리즘은 Visual studioC++로 AES 암/복호화, 마스킹 알고리즘을 구현하고 128비트의 키 사이즈를 기본으로 키사이즈를 192, 256으로 이미지를 암호화 하며 이미지의 중요 개인식별정보를 마스킹하여 전송시 전송률을 비교하였다. 제안 논문에서는 속도 최적화를 위해 라운드 키를 포함한 주요 함수는 loop unrolling 기법과 매크로 함수로 구현하였다. 또한 메모리 참조 연산을 최소화하기 위해 빈번하게 사용되는 메모리 값은 특정 변수에 저장하여 레지스터로 연산될 수 있도록 고려하였다.
제안 알고리즘은 AES 암호화 기술을 이용해 보안이 취약한 클라우드 환경의 의료데이터를 서로 안전하게 주고 받을수 있도록 데이터를 암호화 함으로 보안문제를 해결한다. PACS 시스템에서 만들어진 의료영상이미지는 크게 의료영상이 담긴 정형데이터와 영상위에 개인식별정보나 기타 의료기기에 의해 나타난 비정형데이터로 분리된다[5].
PACS 시스템에서 만들어진 의료영상이미지는 크게 의료영상이 담긴 정형데이터와 영상위에 개인식별정보나 기타 의료기기에 의해 나타난 비정형데이터로 분리된다[5]. 제안논문에서는 의료영상데이터의 정형데이터와 비정형데이터의 안전한 전송을 위한 의료정보의 암호화와 의료 이미지의 비식별화 기법을 제공 한다.
DICOM은 서로 다른 영상 장비들간 하나의 표준포맷을 선택해 의료영상을 송수신하기 위해 개발되었다[2]. 제안논문은 PACS 시스템에서 만들어진 의료영상이미지의 정형데이터와 비정형데이터의 안전한 전송을 위한 의료정보의 암호화와 의료 이미지의 비식별화 기법을 제공 한다.

대상 데이터

2배의 속도 저하를 보였다. 실험에 사용된 영상은 수골 X-lay 영상을 대상으로 실험하였으며 디지털화된 의료영상의 크기나 영상획득의 기기 종류에 따라 실험 결과는 조금씩 달라 질 수 있을 것이다.

이론/모형

의료정보 암호화를 위해서서는 AES 암호 알고리즘을 이용해 서버 연결구간 정보를 암호화 한다. AES는 암호 및 복호과정에서 생성되는 중간결과값 스테이트(State)를 바이트 단위로 4 * 4의 2차원 행렬로 간단히 표현할 수 있고, 4 * 4의 2차원 행렬은 기존의 행 우선이 아닌 열 우선으로 행렬의 순서를 표시한다.

성능/효과

또한 민감한 데이터의 안전성을 고려해 키 크기에 대한 속도 비율도 측정해본 결과 192, 256비트 역시128비트와 속도 비율이 비슷했으며, 모든 기법의 속도 비율이 128비트에 비해 조금 더 개선되는 것을 알 수 있었다. 64비트 플랫폼에서 전체 라운드가 128비트의 AES암호화로 구현되었을 약 4.67배의 속도 저하만이 발생하고 마스킹을 적용시약 1.2배의 속도 저하를 보였다. 실험에 사용된 영상은 수골 X-lay 영상을 대상으로 실험하였으며 디지털화된 의료영상의 크기나 영상획득의 기기 종류에 따라 실험 결과는 조금씩 달라 질 수 있을 것이다.
제안 알고리즘은 마스킹 암/복호화시 발생하는 함수 호출을 생략할 수 있어 마스킹 변환이 필요한 대응기법보다 상대적으로 효율적인 것으로 나타났다. 또한 민감한 데이터의 안전성을 고려해 키 크기에 대한 속도 비율도 측정해본 결과 192, 256비트 역시128비트와 속도 비율이 비슷했으며, 모든 기법의 속도 비율이 128비트에 비해 조금 더 개선되는 것을 알 수 있었다. 64비트 플랫폼에서 전체 라운드가 128비트의 AES암호화로 구현되었을 약 4.
67배로 빠른 것을 실험을 통해 확인할수 있었다. 제안 알고리즘은 마스킹 암/복호화시 발생하는 함수 호출을 생략할 수 있어 마스킹 변환이 필요한 대응기법보다 상대적으로 효율적인 것으로 나타났다. 또한 민감한 데이터의 안전성을 고려해 키 크기에 대한 속도 비율도 측정해본 결과 192, 256비트 역시128비트와 속도 비율이 비슷했으며, 모든 기법의 속도 비율이 128비트에 비해 조금 더 개선되는 것을 알 수 있었다.
제안하는 AES 마스킹 암호화 알고리은 라운드키 생성과 사전 연산을 제외한 암호화 구간의 속도를 측정한 결과 미 적용 대비 4.67배로 빠른 것을 실험을 통해 확인할수 있었다. 제안 알고리즘은 마스킹 암/복호화시 발생하는 함수 호출을 생략할 수 있어 마스킹 변환이 필요한 대응기법보다 상대적으로 효율적인 것으로 나타났다.
따라서 통계적 처리나 검색에서 의료데이터의 활용이 가능하면서도 안전성을 제공한다. 통신상에 전송되는 민감한 의료데이터로 안전성 강도를 높이기 위해 암호화 키의 강도를 실험함으로 128키와 큰 차이가 없음을 증명 하였다.

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