[논문 리뷰] Lamassu: Storage-Efficient Host-Side Encryption

Peter Shah, Won So|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 16.

Cloud Data Security Solutions참고 문헌 11인용 수 9

한 줄 요약

Lamassu는 파일 데이터 스트림 내부에 암호화 메타데이터를 직접 통합함으로써 보안을 훼손하지 않은 채 스토리지 기반 중복 제거를 가능하게 하는 호스트 측 블록 수준의 수렴형 암호화 시스템이다. 기존 암호화 방식과 유사한 성능을 달성하면서도 공유 스토리지 간 중복 제거를 유지함으로써 외부 메타데이터 저장소나 애플리케이션 수정 없이도 구현이 가능하다.

ABSTRACT

Many storage customers are adopting encryption solutions to protect critical data. Most existing encryption solutions sit in, or near, the application that is the source of critical data, upstream of the primary storage system. Placing encryption near the source ensures that data remains encrypted throughout the storage stack, making it easier to use untrusted storage, such as public clouds. Unfortunately, such a strategy also prevents downstream storage systems from applying content-based features, such as deduplication, to the data. In this paper, we present Lamassu, an encryption solution that uses block-oriented, host-based, convergent encryption to secure data, while preserving storage-based data deduplication. Unlike past convergent encryption systems, which typically store encryption metadata in a dedicated store, our system transparently inserts its metadata into each file's data stream. This allows us to add Lamassu to an application stack without modifying either the client application or the storage controller. In this paper, we lay out the architecture and security model used in our system, and present a new model for maintaining metadata consistency and data integrity in a convergent encryption environment. We also evaluate its storage efficiency and I/O performance by using a variety of microbenchmarks, showing that Lamassu provides excellent storage efficiency, while achieving I/O throughput on par with similar conventional encryption systems.

연구 동기 및 목표

• 기업 환경에서 호스트 측 암호화와 후속 스토리지 중복 제거 간의 갈등을 해결하기 위해.
• 기존 애플리케이션이나 스토리지 컨트롤러를 수정하지 않고도 암호화된 데이터의 중복 제거를 가능하게 하기 위해.
• 전용 메타데이터 저장소나 키 서버가 필요 없도록 하여 배포를 단순화하고 공격 표면을 줄이기 위해.
• 수렴형 암호화 시스템에서 시스템 장애 이후에도 일관성과 데이터 무결성 검증을 보장하기 위해.
• 생산 규모의 스토리지 시스템에서 강력한 보안과 실용적인 성능 간의 균형을 확보하기 위해.

제안 방법

• 암호화 키를 평문 콘텐츠를 암호화 해시 함수를 통해 결정적으로 유도하는 블록 기반 메시지 锁 정수형 암호화를 사용한다.
• 수렴형 암호화 메타데이터를 각 파일의 데이터 스트림에 직접 삽입함으로써 외부 메타데이터 저장소의 필요성을 제거한다.
• 각 테넌트별 비밀 키를 사용해 수렴형 키를 유도함으로써, 동일한 비밀 키를 공유하는 테넌트 간에만 중복 제거가 가능하도록 한다.
• 원자적 쓰기와 체크섬 검증을 통해 시스템 장애 후에도 메타데이터와 데이터가 동기화되어 유지되는 일관성 모델을 도입한다.
• FUSE 기반 파일 시스템을 통해 투명한 통합을 지원함으로써 애플리케이션이나 스토리지 컨트롤러를 수정하지 않고도 배포가 가능하다.
• 표준 암호화(예: AES)에 비밀 키 확장을 적용하여, 선택된 평문 공격에 저항할 수 있도록 하며, 이를 위해 평문과 비밀 키를 모두 추측해야 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록 수준의 호스트 측 암호화에 대해 수렴형 암호화를 실용적으로 적용할 수 있는가? 이는 공유 스토리지 시스템에서 중복 제거를 유지하는 데에도 적용된다.
• RQ2 외부 메타데이터 저장소나 성능 저하 없이 암호화 메타데이터를 어떻게 투명하게 관리할 수 있는가?
• RQ3 시스템 장애 이후 수렴형 암호화 환경에서 데이터 일관성과 무결성을 확보하기 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 복잡한 키 서버 아키텍처에 의존하지 않고도 선택된 평문 공격에 대해 강력한 보안을 유지할 수 있는가?
• RQ5 실제 워크로드에서 이러한 시스템의 성능은 기존 암호화 방식과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• Lamassu는 기존 암호화 시스템과 유사한 I/O 스루풋을 달성하며, 최소한의 성능 오버헤드를 보인다.
• 동일한 비밀 키를 공유하는 여러 호스트 간에 중복 제거가 유지되어 효율적인 스토리지 활용이 가능하다.
• 메타데이터가 데이터 스트림 내부에 통합되어 있어 외부 메타데이터 저장소가 필요 없으며, 배포가 간편해진다.
• 공격자가 평문과 비밀 키를 모두 추측해야 하므로, 선택된 평문 공격에 저항한다.
• 원자적 쓰기와 체크섬 검증을 통해 시스템 장애 후에도 일관성과 무결성이 유지된다.
• 애플리케이션과 스토리지 컨트롤러 모두에게 투명하므로, 존재하는 엔터프라이즈 환경에 원활하게 통합될 수 있다.