KR100737359B1

KR100737359B1 - 암호화된 컬럼의 인덱스 구축방법

Info

Publication number: KR100737359B1
Application number: KR1020060097710A
Authority: KR
Inventors: 강희창; 문대원; 김유호
Original assignee: (주)이글로벌시스템
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2007-07-10
Also published as: KR20060121772A; WO2008041810A1; US8281153B2; JP4827969B2; US20100169665A1; JP2010506289A

Abstract

본 발명은 비밀키 암호 알고리즘으로 암호화된 데이터베이스의 컬럼에 대해 색인 검색을 할 수 있도록 인덱스를 생성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 색인 방법은 평문을 기준으로 정렬 순서가 유지될 수 있도록 재 암호화하는 단계와 재 암호화된 데이터를 기준으로 새로운 인덱스를 생성하는 단계와 생성된 인덱스가 조건 검색시 인덱스 검색을 수행할 수 있도록 하는 암호화된 컬럼의 도메인 인덱스 구축방법을 포함한다.

컬럼암호화, 암호화인덱싱, 색인검색, 데이터베이스암호화

Description

암호화된 컬럼의 인덱스 구축방법{Method to create Indexes for encrypted column}

도 1은 종래의 인덱스 검색 기동 구조에 대한 예시도

도 2는 종래의 인덱스 검색에 따른 실행계획에 대한 예시도

도 3은 암호화된 데이터의 특징을 설명하는 예시도

도 4는 암호화된 데이터에 대해 인덱스가 지원되지 않는 경우의 예시도

도 5는 본 발명의 일 실시예에서 암호화된 컬럼에 대한 인덱스 구축과 인덱스 검색이 가능토록하는 순서도

도 6은 본 발명의 다른 실시예에서 암호화된 컬럼에 대한 인덱스 구축과 인덱스 검색이 가능토록하는 순서도

도 7은 도 5의 방법에 따른 인덱스 구축 후 결과 및 인덱스 검색 절차 예시도

도 8은 도 6의 방법에 따른 인덱스 구축 후 결과 및 인덱스 검색 절차 예시도

도 9는 인덱스 검색이 지원되지 않는 경우의 실행계획에 대한 예시도

도 10은 인덱스 검색이 지원되는 경우의 실행계획에 대한 예시도

본 발명은 암호화된 컬럼에 대한 인덱스(색인)를 생성하고 생성된 인덱스를 사용하여 인덱스 검색이 원활히 될 수 있게 하는 방법에 대한 것이다. 데이터베이스는 많은 양의 데이터를 저장하고 원하는 검색 조건으로 쉽고 빠르게 찾고자 하는데 그 목적이 있다. 빠른 검색은 저장된 데이터를 이용하는 응용프로그램의 성능에 절대적인 영향을 주므로 데이터베이스라는 개념이 만들어진 이후, 검색 성능을 제고하기 위한 노력이 많이 이루어져 왔다. 최초의 데이터베이스라 할 만한 ISAM 파일의 경우에서 부터 검색을 빠르게 하기 위해 인덱스를 사용해 왔고, 최근의 상용 RDBMS에서도 꾸준히 검색 성능을 높이기 위한 노력이 경주되어 왔으며 이 노력의 중심에는 인덱스가 있다.

인덱스를 생성한다는 것은 컬럼 데이터를 순서적으로 재배치한다는 것을 의미한다. 도 1을 보면 인덱스를 이용하여 검색 성능을 높이는 방법을 알 수 있다. 즉 사원정보를 갖는 테이블(101)의 사원번호에 대하여 인덱스를 생성함으로써 사원번호로 검색을 실시할 때 검색을 빠르게 할 수 있도록 하는 것이다. 인덱스( 색인)-사번(103)은 사원번호를 정렬하여 저장하고 각 사원번호에 해당하는 원 테이블(101)의 열번호를 저장한다. 특정 사원번호 '198701013'(105)를 검색하고자 하면 사원번호가 정렬되어 있으므로 B-Tree 인덱스 검색 등을 통해 빠르게 해당 정보를 찾아낼 수 있으며, 찾아낸 사원번호에 해당하는 열번호(107)를 바로 알 수 있게 된다. 이 열번호(107)와 같은 열번호를 갖는 행을 원 테이블(101)과 비교함(109)으로써 원하는 모든 정보들을 빠르게 찾아낼 수 있다. 이러한 방법을 적용함으로써 검색성능을 높일 수 있게 된다. 도 2를 보면 사원번호로 인덱스(색인) 이 생성된 이후 인덱스(색인) 번호를 조건으로 검색을 수행하게 되면(201) 생성된 인덱스 로 인덱스 검색을 실시하는 것을 (203) 알 수 있는 실행계획을 볼 수 있다.

데이터의 분포도(cardinality)에 따라 다양한 인덱스 기법이 사용되고 있으며, 현재 B-Tree가 가장 빠른 인덱스 기법으로 알려져 있고, 그 이외에 분포도가 적은 경우에 Bitmap 인덱스 기법이 사용되고 있고, 가공된 데이터를 이용하는 FBI(Function Based Index) 기법이 종종 사용되고 있다.

암호화된 컬럼에 대해 일반적인 인덱스를 생성하는 기법은 불가능하다고 알려져 있다. 인덱스를 생성하기 위한 기본 전제는 데이터의 정렬이다. 데이터를 암호화하고 나면 평문(암호화 되기 전의 원래 데이터:Plain Text)과의 정렬 순서(Sort ordering)가 바뀌게 되므로 암호화된 데이터로 인덱스를 생성하더라도 검색 결과값이 달라지게되어 의미가 없어지는 것이다. 또한 암호화된 데이터에 대한 유추가능성을 없애기 위한 IV(Initial Vector)를 적용한 경우이면 평문과 암호문 사이의 1:1 관계가 이루어 지지 않아 암호문 데이터에 대해 인덱스를 생성하는 것은 의미가 없어지게 된다. 도 3을 보면 암호화된 테이블(301)에서의 데이터를 볼 수 있는데, 암호화 된 데이터(303)는 의미를 알 수 없을 뿐만 아니라 정렬 순서도 전혀 알 수가 없다. 도 4는 암호화된 테이블의 사원번호 컬럼을 일반 인덱스 로 구축한 이후의 검색 결과를 보여준다. 즉 암호화된 테이블 '사원_CUB'를 활용하기 위한 VIEW '사원'을 통해 검색(401)한 결과 인덱스가 구축되어 있음에도 불구하고 인덱스 검색을 실행하지 않고 Full Table Scan (403)이 실행됨을 알 수 있다.

이러한 한계 때문에 일부에서는 암호문 데이터를 평문으로 복호화하여 인덱스를 생성하는 경우가 있으나, 이는 평문이 저장되게 되는 상황이므로 보안성의 측면에서 암호화를 하지 않은 것과 같은 결과를 초래하게 된다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 암호화된 컬럼에 대해 보안성을 해치지 않고 인덱스를 생성하여 검색성능을 제고할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 암호화 컬럼에 대한 인덱스 검색이 지원되는 경우에도 암호화 이전에 사용하였던 질의문장을 변형하지 않고 사용할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 특징은, 암호화되어 있는 컬럼을 갖는 테이블을 저장하는 데이터 베이스에서, 상기 암호화된 컬럼에 대해 인덱스를 구축하는 방법에 있어서, (a) 상기 테이블로부터 암호화된 컬럼 데이터를 읽는 단계; (b) 상기 읽은 암호화된 컬럼 데이터를 복호화하는 단계; (c) 상기 복호화된 컬럼 데이터로부터 평문을 기준으로 정렬 순서가 유지될 수 있도록 상기 복호화된 컬럼 데이터를 재 암호화하는 단계; (d) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터를 도메인 인덱스로 사용할 인덱스용 테이블로 저장하는 단계; (e) 상기 저장된 인덱스용 테이블에 인덱스를 생성하는 단계; (f) 상기 생성된 인덱스용 테이블과 인덱스용 테이블에 생성된 인덱스로 도메인 인덱스를 구축하는 단계;를 포함하는 암호화된 컬럼의 인덱스 구축방법이다.
상기 본 발명의 한 특징에 의한 암호화된 컬럼의 인덱스 구축방법에서, (d) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터를 도메인 인덱스로 사용할 인덱스용 테이블로 저장하는 단계는, (d1) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터를 이용하여 일반 테이블 혹은 인덱스구조테이블(Index Organized Table)의 형태로 인덱스용 테이블을 생성하는 단계; (d2) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터를 인덱스용 테이블에 저장하는 단계;를 포함할 수 있으며, (e) 상기 저장된 인덱스용 테이블에 인덱스를 생성하는 단계는, (e1) 상기 인덱스용 테이블의 재 암호화된 컬럼 데이터를 갖는 컬럼에 대한 B-트리 인덱스를 생성하는 단계; (e2) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터가 저장된 컬럼에 대해 재암호화된 형태의 인덱스를 함수기반인덱스(Function Based Index)의 형태로 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 본 발명에 의한 암호화된 컬럼의 인덱스 구축방법은, 바람직하게는 도 5와 도 6에 표시된 바와 같은 두 가지 절차중의 하나를 따른다.

도 5를 보면 암호화된 컬럼의 암호화된 데이터를 읽고(501) 읽은 데이터를 복호화(503)한다. 이 는 평문을 기준으로 재 암호화를 실시(505)하기 위함이다. 복호화한 평문을 재 암호화하는 데는 2가지 이유가 있다. 그 이유중 한가지는 평문을 기준으로 정렬 순서를 얻어내기 위함이다. 암호화한 데이터는 정렬 순서가 의미없어지므로 복호화한 평문을 기준으로 정렬 순서를 얻어 낸다. 그 이유중 두번째는 평문을 저장하지 않도록 하기 위한 재 암호화이다. 재 암호화된 데이터를 기준으로 인덱스를 위한 테이블을 생성함으로써 평문이 저장되어 보안성을 약화시키는 일을 발생시키지 않기 위함이다. 인덱스를 위해 저장되어 있는 데이터는 일반 질의문으로 내용을 볼 수는 없으나, 저장장치의 블럭을 직접 읽어냄으로써 얼마든지 내용을 살펴 볼 수 있으므로 복호화된 혹은 원래의 평문을 인덱스 의 기준으로 삼아서는 안된다. 따라서 재 암호화 과정(505)는 필수적인 단계이다. 재 암호화 과정(505)에서 확보한 정렬 순서와 보안성의 확보를 근거로 재 암호화된 데이터를 이용하여 인덱스용 테이블을 구축한다.(507) 인덱스 용 테이블은 재 암호화된 데이터를 한개의 컬럼으로 또한 암호화된 원래 테이블의 열번호를 또 하나의 컬럼으로 하는 두 개의 컬럼으로 구성되는 일반 테이블, 혹은 인덱스구조테이블 (IOT:Index Organized Table) 형태로 구축한다. 바람직한 실시 예에서는 재 암호화 데이터와 원 암호화 테이블의 열번호를 갖는 일반 테이블의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다. 바람직한 실시 예에서 재 암호화 데이터와 원 암호화 테이블의 열 번호를 갖는 IOT형태로 구축되기도 하나 검색 성능 면에서 일반데이블의 형태를 갖는 것이 효과가 있음을 확인하였다. 따라서 앞으로의 설명은 일반 테이블의 형태로 재 암호화 데이터와 원 암호화 테이블의 열번호를 저장한 테이블을 기준으로 한다.

질의문 수행시 암호화된 컬럼을 기준으로 하는 인덱스 검색을 지원하기 위하여 재 암호화 데이터와 원 암호화 테이블의 열번호를 갖는 테이블에 대해 재 암호화 데이터를 갖는 컬럼을 기준으로 인덱스를 생성(509)한다. 도 2에서 보는 것과 같이 질의문 수행시 인덱스 검색(Index Range Scan)(203)이 수행되게 하기 위함이다.

바람직한 실시 예에서는 암호화된 컬럼 읽기에서부터 재 암호화된 데이터를 이용한 인덱스 용 테이블 구축까지를(501, 503, 505, 507) 하나의 절차로 수행하게 된다. 이 때 사용하는 기법은 외부 절차 호출을 이용하게 된다. 인덱스 용 테이블의 암호화 데이터로 인덱스를 구축한 결과를 보여주는 것이 도 7이 된다.

도 7을 참조하여 암호화된 데이터에 대한 인덱스 검색이 어떻게 이루어지는지를 설명하면 다음과 같다. 암호화된 데이터를 갖는 테이블(701)에는 암호화된 데이터와 열번호가 있다. 재 암호화된 테이터를 갖는 테이블(703)에는 재 암호화된 데이터와 암호화된 테이블(701)의 열번호 및 재 암호화된 데이터를 갖는 테이블의 열번호가 존재한다. 재 암호화된 테이블(703)의 재 암호화된 컬럼에 대한 인덱스 (색인:705)는 재 암호화된 데이터와 재 암호화된 테이블(703)의 열번호를 갖는다.

사원번호로 검색을 실시하는 경우, 재 암호 테이블의 인덱스 로부터 해당되는 사원번호를 찾게 되는데, 인덱스가 구축되어 있으므로 인덱스 검색을 실시할 수 있어 빠르게 해당 데이터를 찾아낼 수 있게 된다.(707). 재 암호화된 테이블에 대한 색인에서 원하는 데이터를 찾게 되면 해당되는 재 암호화된 테이블의 열번호는 바로 찾아지게 된다. 찾아진 재 암호화된 테이블의 열번호를 이용하여 재 암호화된 테이블의 해당 행을 바로 찾게 되며(709), 1차적인 인덱스 검색이 완료된다. 재 암호화 테이블에서 찾아진 행에는 암호화된 테이블(701)의 열번호가 존재하고 이 열번호를 이용하여 암호화된 테이블의 해당 행을 찾아간다.(711) 암호화 테이블에서 찾아진 행에는 암호화된 사원번호가 존재하고 암호화된 사원번호를 복호화(713)하면 최종적으로 원하는 결과를 얻을 수 있다.

본 발명의 암호화된 컬럼에 대한 인덱싱의 방법을 구현할 수 있는 또 다른 절차는 도 6에서 설명하고 있으며 이에 대한 설명은 다음과 같다.

도 6를 보면 암호화된 컬럼의 암호화된 데이터를 읽고(601) 읽은 데이터를 복호화(603)한다. 이 는 평문을 기준으로 재암호화를 실시(605)하기 위함이다. 복호화한 평문은 재 암호화하는 데는 2가지 이유가 있다. 그 이유중 한가지는 평문을 기준으로 정렬 순서를 얻어내기 위함이다. 암호화한 데이터는 정렬 순서가 의미없으므로 복호화한 평문을 기준으로 정렬 순서를 얻어낸다. 그 이유중 두번째는 평문을 저장하지 않도록 하기 위한 재 암호화이다. 재 암호화된 데이터를 기준으로 인덱스를 위한 테이블을 생성함으로써 평문이 저장되어 보안성을 약화시키는 일을 발생시키지 않기 위함이다. 인덱스를 위해 저장되어 있는 데이터는 일반 질의문으로 내용을 볼 수는 없으나, 저장장치의 블럭을 직접 읽어냄으로써 얼마든지 내용을 살펴 볼 수 있으므로 복호화된 혹은 원래의 평문을 인덱스 의 기준으로 삼아서는 안된다. 따라서 재 암호화 과정(605)는 필수적인 단계이다. 재 암호화 과정(605)에서 확보한 정렬 순서와 보안성의 확보를 근거로 재 암호화된 데이터를 이용하여 암호화 테이블에 대한 함수기반인덱스( Function Based Index )를 구축한다.(607) 재 암호화된 데이터를 이용하여 구축된 FBI는 재 암호화된 데이터를 컬럼으로 구성된다. 데이터베이스 내부적으로 보면 정렬된 재 암호화 데이터 컬럼과 암호화 테이블의 열번호로 이루어지는 인덱스가 구축되는 것이다. 바람직한 실시 예에서는 질의문 수행시 암호화된 컬럼을 기준으로 하는 인덱스 검색을 지원하기 위하여 재 암호화 데이터와 원 암호화 테이블의 열번호를 갖는 FBI에 대해 인덱스 검색이 실시되며, 도 2에서 보는 것과 같이 질의문 수행시 인덱스 검색(203)이 수행된다.

바람직한 실시 예에서는 암호화된 컬럼 읽기에서 재 암호화된 데이터를 이용한 FBI 구축을(601, 603, 605, 607) 하나의 절차로 수행하게 된다. 이 때 사용하는 기법은 외부 절차 호출을 이용하게 된다. 인덱스 용 테이블의 암호화 데이터로 인덱스를 구축한 결과를 보여주는 것이 도 8이 된다.

도 8을 참조하여 암호화된 데이터에 대한 인덱스 검색이 어떻게 이루어지는지 설명하면 다음과 같다. 암호화된 데이터를 갖는 테이블(801)에는 암호화된 데이터와 열번호가 있다. 재 암호화된 데이터를 갖는 FBI(803)은 재 암호화된 데이터와 암호화된 테이블(801)의 열번호를 갖는다.

사원번호로 검색을 실시하는 경우, 암호 테이블의 FBI로부터 해당되는 사원번호를 찾게 되는데, 인덱스가 구축되어 있으므로 인덱스 검색을 실시할 수 있어 빠르게 해당 데이터를 찾아낼 수 있게 된다.(805). 암호화된 테이블에 대한 FBI에서 원하는 데이터를 찾게 되면 해당되는 암호화된 테이블의 열번호는 바로 찾아지게 된다(807). 암호화 테이블에서 찾아진 행에는 암호화된 사원번호가 존재하고 암호화된 사원번호를 복호화(809)하면 최종적으로 원하는 결과를 얻을 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이러한 암호화된 컬럼에 대한 인덱스 검색 절차를 질의어의 변경없이 데이터베이스 옵티마이저가 수행할 수 있도록 하는 방법은 도메인 인덱스를 사용하는 것이다. 암호화된 테이블은 질의어상에 그대로 나타나지 않고, VIEW를 통해서 접근하게 된다. 암호화된 데이터에 대한 복호화 과정을 외부 절차 호출을 이용할 수 있게 하기 때문이다. 그러나 질의어에 조건문이 포함되는 경우, 그리고 조건문안에 암호화된 컬럼에 대한 검색 조건이 존재하는 경우에는 기존에 사용하던 문장을 그대로 사용하게 되면 VIEW에서 정의된 대로 암호화된 모든 컬럼을 복호화한 이후에 조건문에 정의된 검색 조건과 비교를 하게 되므로 색인 검색을 할 수 있도록 설정이 되어 있다 하더라도 무조건 모든 컬럼을 복호화해야만 한다. 따라서 위와 같은 상황인 경우, 즉 질의어에 조건문이 포함되어 있고 조건문 내에 암호화된 컬럼에 대한 검색조건이 명기되어 있는 경우에는 조건문을 자동적으로 재 구성하여 준비된 인덱스를 사용할 수 있도록 해주어야만 한다. 본 발명에서는 도메인 인덱스 기법을 사용하여 질의어를 자동 변경하여 구축된 인덱스를 사용할 수 있게 한다.

도 9는 암호화 컬럼에 대한 인덱스가 구축되어 있음에도 불구하고 질의문 변경이 자동적으로 일어나지 않아 모든 데이터에 대한 Scan이 발생하는 것을 보여주고 있다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 도 10은 암호화된 컬럼에 대한 인덱스가 구축되어 있고 질의문 자동 변경을 적용한 이후 VIEW를 통한 검색이 도메인 인덱싱을 수행하고 있음을 보여주고 있다. 따라서 암호화된 컬럼에 대한 인덱스 구축과 조건문의 자동적인 변경에 따라 응용프로그램과의 독립성을 보장함은 물론 인덱스 검색을 수행할 수 있어 암호화하기 전의 검색 성능을 발휘할 수 있게 된다.

본 발명에 따르면 암호화되어 있는 컬럼에 대한 인덱스를 생성할 수 있고, 인덱스 검색을 수행하여 암호화된 컬럼에 대한 검색 성능을 획기적으로 제고할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 암호화된 컬럼을 갖고 있는 테이블에 대해 암호화된 컬럼에 대한 조건 검색시 일치 검색, 전방일치검색, 범위검색등을 막론하고 응용프로그램과의 독립성을 유지하면서 인덱스 검색을 수행할 수 있는 방법을 제공한다.

Claims

암호화되어 있는 컬럼을 갖는 테이블을 저장하는 데이터 베이스에서, 상기 암호화된 컬럼에 대해 인덱스를 구축하는 방법에 있어서,

(a) 상기 테이블로부터 암호화된 컬럼 데이터를 읽는 단계;

(b) 상기 읽은 암호화된 컬럼 데이터를 복호화하는 단계;

(c) 상기 복호화된 컬럼 데이터로부터 평문을 기준으로 정렬 순서가 유지될 수 있도록 상기 복호화된 컬럼 데이터를 재 암호화하는 단계;

(d) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터를 도메인 인덱스로 사용할 인덱스용 테이블로 저장하는 단계;

(e) 상기 저장된 인덱스용 테이블에 인덱스를 생성하는 단계;

(f) 상기 생성된 인덱스용 테이블과 인덱스용 테이블에 생성된 인덱스로 도메인 인덱스를 구축하는 단계;를 포함하는 암호화된 컬럼의 인덱스 구축방법.
제 1항에 있어서,

(d) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터를 도메인 인덱스로 사용할 인덱스용 테이블로 저장하는 단계는,

(d1) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터를 이용하여 일반 테이블 혹은 인덱스구조테이블(Index Organized Table)의 형태로 인덱스용 테이블을 생성하는 단계;

(d2) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터를 인덱스용 테이블에 저장하는 단계;를 포함하는 암호화된 컬럼의 인덱스 구축방법.
제 1항에 있어서,

(e) 상기 저장된 인덱스용 테이블에 인덱스를 생성하는 단계는,

(e1) 상기 인덱스용 테이블의 재 암호화된 컬럼 데이터를 갖는 컬럼에 대한 B-트리 인덱스를 생성하는 단계 ;

(e2) 상기 재 암호화된 컬럼 데이터가 저장된 컬럼에 대해 재암호화된 형태의 인덱스를 함수기반인덱스(Function Based Index)의 형태로 생성하는 단계를 포함하는 암호화된 컬럼의 인덱스 구축방법 .
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