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데이터베이스 보안을 위한 암호화된 데이터 교체 기법 및 시스템

본 포스트는 Pay-metric, inc. 의 System and method for rotating data in a crypto system (2008) 특허에 대한 요약 및 의견입니다.

기존 데이터 교체 서비스는 응용 프로그램과 통합돼 있어 암호 키의 주기적인 변경과 다수 응용 프로그램에 빈번히 적용되기에는 어려움이 있었다. 통용되는 암호 키의 구성과 관리에 다수의 기법 및 절차들이 필요로 했기 때문에 응용사례별로 다수 데이터의 교체 서비스에 대한 별도의 관리가 어려웠다. 또한 암호 키의 구성과 관리를 해야 하는 복잡성으로 인해 암호 키에 대한 정책 변경이 어려웠다. 데이터 교체 서비스의 부하가 시스템 자원을 고갈시켜 응용프로그램 서비스 중단 상태로 만들거나 품질 저하를 일으킬 수 있었다. 암호 키 변경 및 데이터 교체 시에도 응용프로그램이 온라인 상태로 유지시켜 주기 위한 소프트웨어의 제공이 필요하다.


기술 현환

현재 데이터베이스 보안은 암호화 기술과 접근 통제 기술이 주로 사용된다. 암호화 기술은 보안성은 상대적으로 높으나 처리 속도가 늦고 접근 통제 기술은 속도는 빠르나 보안 성이 낮다. 기존의 암호화 기반 데이터베이스는 암호 키를 교체할 때 데이터베이스 서비스를 일시 중단해야 하는 문제점이 있다.


요약

암호화된 데이터를 중앙에서 관리하는 이 기법은 시스템에 저장된 데이터를 구 키를 적용하여 복호화 하고, 새로운 키를 적용하여 암호화 한 다음 데이터를 교제하는 과정을 이루며 이것이 진행되는 동안에도 서비스 중단 없이 가능하다. 암호 시스템은 중앙 데이터 관리와 한 개 또는 다수의 응용 프로그램을 위한 다양한 암호 연산을 수행한다. 암호 시스템은 자체 자원에 의해 암호 기능을 수행하므로, 응용프로그램 자원에 부하를 줄일 수 있다. 또 한 암호시스템은 저장 시스템을 포함하는데 토큰방식(Token mechanism)에 의해 데이터를 제출 및 요청할 수 있다. 성능 균형 및 부하 균형 기능을 지원하고 키 상태 매트릭스, 데이터 사용량 정보, 불필요 데이터 삭제, 보고 및 시스템 이용실태 기록의 기능을 수행할 수 있다.

암호 시스템이 구성된 환경은 암호시스템, 하드웨어로 구성된 암호기, 한 개 또는 다수의 응용프로그램으로 구성된다. 암호 시스템은 암호 데이터베이스, 암호 모듈, 메모리, 저장매체, 한 개 또는 다수의 응용 프로그램 인터페이스와 데이터 교체 서비스를 포함한다. 암호 데이터베이스에는 다수의 활성화된 암호 키에 관한 참조(reference)를 동시에 저장할 수 있다. 암호 키는 정기적으로 변경되기 때문에 암호 시스템은 한 개 또는 다수의 데이터 교체 과정과 활성화된 암호 키의 정책을 정의할 수 있다. 암호모듈의 입력은 평문 형태이며 출력은 암호문 또는 평문이고 응용프로그램 인터페이스를 통해 복수의 응용 프로그램과 연결된다.

토큰방식에서 암호시스템에 데이터를 송신하면 데이터를 암호화하고 데이터베이스에 저장된다. 암호시스템은 토큰을 생성하고 응용프로그램에 그 토큰을 전송하면 응용프로그램은 데이터베이스에 토큰을 저장한다. 변형된 토큰 기반 기법서는 응용프로그램이 데이터 종류에 따라 토큰을 정의하고 토큰과 데이터를 암호화 시스템에 전송하면 암호화 시스템은 이를 암호화하고 정의한 토큰에 생성된 내부참조를 생성한 후 응답하게 된다. 검색 과정은 토큰을 이용해 암호화된 데이터를 검색하고 검색된 데이터를 암호모듈에 의해 복호화한 후 답신할 수 있다. 암호 시스템은 정기적으로 암호 키를 교체하는 작업을 수행한다. 키는 암호모듈에만 저장되고 암호 데이터베이스에는 키 참조가 저장된다.

데이터 교체는 키 교체 작동이 수행될 때 데이터 교체도 동작하게 되는데 연결된 한 개의 컴퓨터 또는 데이터 교체 서비스의 각 인스턴스가 동시에 수행할 수 있다. 구 활성화된 키로 복호화 한 다음, 신 활성화된 키로 암호화되고 저장된 복호키 참조에 의해, 데이터 교체가 종료되지 않은 상태에서도 데이터 요청 응답에 응할 수 있다. 데이터 교체 알고리즘의 입력은 현재 활성화된 암호 키의 참조 등이며 출력은 복호 상태이다. 예비 할당단계에서는 암호 데이터베이스에 저장된 구 데이터를 포함한 구획을 할당하는데 예비, 마지막 할당시간이 기록된다. 검색 시에 예비 할당된 구획 내의 모든 구 데이터를 검색하여 데이터 구조에 저장하고 이 단계에서는 참조 일시를 변경하지 않는다. 복호화 실패 시 집계를 증가하여 기록하고, 확인 시 구획이 여전히 예비할당 되었는지를 확인하고 할당 시간을 갱신한다. 교체 시 구 데이터를 신 데이터로 덮어쓴다. 해제 시 예비할당 구획을 해제하고 출력 시 복호화 실패를 포함한 복호화 상태를 출력한다.

암호화된 데이터 교체가 진행되는 동안에도 데이터베이스 서비스를 지속적으로 제공할 수 있고 중앙 집중적인 방법이기 때문에 대량으로 운영되는 대규모 네트워크에도 응용 될 수 있다. 또한 지불 산업계 표준 PCI DSS(Payment Card Industry Data Security Standard)를 준수하는 데이터 백업 지원 효과도 있다.


결론 및 의견

현재 데이터베이스 보안을 위해 데이터를 암호화하는 방법은 데이터를 통채로 해킹 당한 사례가 발생하고 있는 현재 예전과 다르게 실제 운영하는 서비스에서도 많은 부분 적용하려는 노력을 기울이고 있다. 하지만 이미 서론에서 제기 되었던 키 변경 시 시스템에 야기될 수 있는 서비스의 중단 문제로 최초 암호화 키 설정 후 두 번 다시 바꾸지 않는 시스템도 있고, 조금 보안의식이 강한 시스템 관리자라면 서비스 중단과 품질의 저하도 불사하고 암호화된 데이터의 키를 재설정 하기 위해 많은 노력을 하고 있다.

데이터베이스 보안을 위한 암호화된 데이터 교체 기법에서 제시된 방법을 이용하면 키의 재설정 부담이 줄어드는 것은 사실이다. 하지만 시스템 구성상 암호화 시스템의 보안성 높은 데이터와는 별개로 암호 시스템과 응용프로그램 간의 복호화된 데이터의 전송으로 보안의 취약점을 들어내고 있다.

배포용 프로그램에서 위 시스템을 적용할 경우 응용프로그램과 암호 시스템 사이의 통신은 RFC나 Web Service등을 통해서 가능할 것이지만 실제 통신되는 데이터는 복호화된 데이터 이거나 아직 암호화 되지 않은 데이터 이기 때문에 보안상 취약하다. 만약 이 통신구간에 SSL 같은 보안 채널을 이용한다 하더라도 배포된 응용프로그램의 경우 해킹에 대해 안전할 수 없기 때문에 바람직한 적용 예는 아니라고 생각한다. 따라서 이 시스템은 같은 네트워크 또는 하나의 시스템으로 구성된 서로 신뢰된 서비스에서만 사용하는 것이 바람 직할 것이다.

더 나아가 제안하고 싶은 것은 이 시스템을 신뢰된 서비스 구간에서 적용 하더라도 암호 시스템의 데이터가 취약한 네트워크를 통해 직접적으로 해킹 당했을때 데이터 유출의 피해는 불가피할 것이다. 따라서 암호 시스템의 집중된 키 관리 방법을 분산한다면 더 보안성이 우수한 시스템이 될 것이다.

모든 데이터가 동일한 키를 이용해 암호화 하는 것이 아니라 어플리케이션 또는 어플리케이션을 통해 서비스 받고 있는 사용자 마다 각기 다른 키를 이용해 데이터의 암호화/복호화를 할 수 있다면 보안 향상에 도움이 될 것이다. 또한 그 키의 저장을 암호 시스템에 하는 것이 아니라 모든 관리를 사용자에게 전적으로 위임할 수 있다면 가장 이상적일 것이다.

웹 서비스 같은 시스템 이라면 초기 설계 시 암호화 시스템 자체에 키를 보관하지 않고 보안 채널로 전송되는 사용자의 패스워드 입력을 키로 사용하도록 설계할 수 있다. 특정 데이터 요청시 이 키를 이용해 복호화된 데이터를 전송해 줄 수 있을 것이다. 패스워드 일치 여부 체크 또한 입력받은 패스워드를 키로 이용해 암호화 시스템의 특정 데이터를 복호화 하고 유효한 체크섬을 추출해내 유효성을 확인 받을 수 있다.

키를 교환해야 하는 문제점은 주기적으로 사용자에게 패스워드 재설정 요구를 위한 인터페이스를 마련함으로써 해결할 수 있다. 사용자의 패스워드 변경시 기존에 제시된 예비할당 방법대로 암호시스템의 데이터 교체가 일어나게 할 수 있다.