암호문 정책 ABE (CP-ABE)

암호문 정책 속성 기반 암호화(CP-ABE)에서는 암호화 주체가 접근 정책을 암호문에 직접 삽입합니다. 사용자는 자신의 속성 집합을 부호화한 비밀 키를 보유합니다. 암호문에 삽입된 접근 정책을 사용자의 속성이 만족하는 경우에만 복호화가 성공합니다. 암호화 주체는 암호화 시점에 정책을 지정하여 누가 복호화할 수 있는지 결정합니다.

CP-ABE의 접근 정책은 속성에 대한 단조 부울식으로 표현하며, 일반적으로 선형 비밀 공유 방식(LSSS)이나 접근 트리로 나타냅니다. 정책에는 AND 게이트, OR 게이트, 임계값 게이트를 포함할 수 있습니다. AND 게이트는 나열된 모든 속성을 요구하고, OR 게이트는 그중 하나만 요구하며, t-of-n 임계값 게이트는 나열된 n개 속성 중 최소 t개를 요구합니다. 이러한 게이트를 중첩하면 복잡한 접근 구조를 표현할 수 있습니다.

병원 정보 시스템을 생각해 보겠습니다. 의료 보고서는 다음 정책으로 암호화할 수 있습니다. (역할=의사 AND 부서=심장내과) OR 역할=관리자. 심장 전문의는 {역할=의사, 부서=심장내과} 속성을 가지므로 복호화할 수 있습니다. 영상의학 전문의는 {역할=의사, 부서=영상의학과} 속성을 가지므로 부서=심장내과가 없어 복호화할 수 없습니다. 관리자는 {역할=관리자}를 가지므로 항상 복호화할 수 있습니다. 이 정책은 단순한 접근 제어 목록이 아니라 암호학적으로 시행됩니다.

가장 영향력 있는 실용적인 CP-ABE 구성은 Waters(2011)가 제안했으며, 타원 곡선의 쌍선형 페어링을 기반으로 합니다. 이 구성에서 기관은 마스터 비밀과 공개 키를 생성합니다. 사용자 비밀 키는 특정 속성 집합에 대해 생성됩니다. 암호화 과정에서는 선형 비밀 공유를 사용해 접근 정책을 부호화한 암호문을 만듭니다. 보안은 판별 쌍선형 Diffie-Hellman(DBDH) 가정에 근거해 증명됩니다.

CP-ABE 방식은 속성 공간을 처리하는 방법에 따라 달라집니다. 소규모 속성 공간 구성은 설정 시 가능한 속성 전체 집합을 미리 정해야 하므로 유연성이 제한되지만, 더 효율적인 방식을 구현할 수 있습니다. 대규모 속성 공간 구성(Rouselakis-Waters 2013, Attrapadung 2014)은 설정 시 미리 정하지 않고도 지수적으로 큰 공간에서 속성을 사용할 수 있습니다. 따라서 모든 가능성을 미리 선언하지 않아도 사용자 식별자나 시간 기록 같은 속성을 사용할 수 있습니다.

CP-ABE는 키 위임을 지원할 수 있습니다. 기관은 하위 기관에 속성의 일부에 대한 키를 발급할 수 있으며, 하위 기관은 키의 권한을 더 제한할 수는 있지만 확장할 수는 없습니다. 이를 통해 계층적인 속성 관리를 구현할 수 있습니다. 회사 수준의 기관이 부서 수준의 키를 발급하고, 부서 기관이 직원 키를 발급하는 방식입니다. 이 속성은 키 위임 안전성이라고 하며, 위임된 키로는 위임자가 복호화할 수 없었던 어떤 것도 복호화할 수 없습니다.

실용적인 CP-ABE 구현으로는 Java 페어링 기반 암호학(jpbc) 라이브러리와 프로토타이핑에 적합한 charm-crypto 파이썬 프레임워크가 있습니다. OpenABE 라이브러리(Zeutro)는 CP-ABE와 KP-ABE를 지원하는 C++ 구현으로, 실제 운영에 적합합니다. RABE는 CP-ABE를 구현한 Rust 구현체입니다. 이러한 라이브러리는 BN-256 및 BLS12-381 곡선에서 페어링 기반 연산을 구현합니다.

CP-ABE의 대표적인 응용 분야는 클라우드 저장소에서의 세밀한 접근 제어입니다. 파일 소유자는 문서를 정책으로 암호화한 뒤 업로드합니다. 속성이 정책을 만족하는 사용자는 누구든 다운로드하고 복호화할 수 있으며, 클라우드 제공자는 누가 접근할지 알 필요도 없고 접근 제어 목록을 관리할 필요도 없습니다. 클라우드 제공자는 요청하는 모든 사람에게 암호문을 제공하며, 정책은 암호문 자체에서 시행됩니다.

CP-ABE 연산에는 쌍선형 페어링 계산이 포함되며, 이는 대칭 암호화보다 훨씬 느립니다. 최신 CPU에서 BN-256의 단일 페어링 연산은 약 1~3ms가 걸립니다. 복호화 비용은 만족되는 속성 수에 따라 선형적으로 증가합니다. 속성이 10~20개인 정책의 경우 복호화에 10~60ms가 걸리므로 사용자와 직접 상호작용하는 애플리케이션에는 허용할 수 있지만, 고빈도 자동화 시스템에는 너무 느립니다.

표준 CP-ABE에서는 암호문을 보는 누구에게나 접근 정책이 공개되며, 정책 자체는 암호화되지 않습니다. 정책 은닉 CP-ABE(또는 부분 정책 은닉 CP-ABE)는 권한이 없는 주체에게 정책 속성의 일부 또는 전체를 숨겨 추가적인 개인정보 보호를 제공합니다. 정책을 완전히 숨기려면 더 복잡한 구성과 상당히 큰 성능 오버헤드가 필요합니다. 대부분의 실제 배포에서는 표준적인 정책 공개형 CP-ABE를 사용하며 접근 정책이 관찰될 수 있다는 점을 받아들입니다.

CP-ABE에서 키 폐기는 중요한 실용적 과제입니다. 사용자의 속성이 변경되거나(부서를 떠나거나 자격 증명이 폐기되는 경우) 이전 속성으로 암호화된 모든 암호문을 다시 암호화하는 작업은 비용이 많이 듭니다. 실용적인 방법으로는 속성 버전 관리(각 속성의 버전 번호 증가), 프록시 재암호화를 사용한 암호문 갱신, 또는 CP-ABE를 시간 기반 속성과 결합하여 기관에서 정기적으로 키를 갱신하도록 하는 방법이 있습니다.

CP-ABE에서 접근 정책은 어디에 삽입됩니까?

CP-ABE는 암호문에 접근 정책을 삽입하고, 사용자 키에는 속성 집합을 부호화합니다. 속성이 정책의 AND, OR, 임계값 게이트를 만족하면 복호화가 성공합니다. Waters 2011은 쌍선형 페어링을 기반으로 한 대표적인 실용 구성입니다. 대규모 속성 공간 변형은 동적인 속성 공간을 지원합니다. CP-ABE는 서버 측 접근 제어 목록 없이 세밀한 접근 제어를 제공하기 위해 클라우드 저장소에 배포됩니다. 키 폐기는 여전히 실용적인 과제이며, 속성 버전 관리나 프록시 재암호화로 해결합니다.