Implementierung von kryptographischen Sicherheitsverfahren für Apache Cassandra und Apache HBase

Spaltenfamiliendatenbanken (engl.: „column family databases“ oder „wide column stores“) sind wegen ihres flexiblen Datenmodells beliebt, das eine weitgehend schemalose Datenverwaltung ermöglicht. Diese Datenbanken (insbesondere HBase und Cassandra als quelloffene Produkte) werden auch von einigen großen Cloud-Dienstanbietern als Database-as-a-Service bereitgestellt. Eine Verschlüsselung der Transportschicht (also eine Sicherung der Verbindung zwischen Kundenrechner und der Cloud-Datenbank) ist in der Regel vorgesehen. Jedoch wird eine darüberhinausgehende Verschlüsselung der Daten innerhalb der Datenbank entweder gar nicht oder zu spät (d. h. erst auf Datenbankseite) unterstützt. Die Daten sind daher im Klartext zugreifbar für den Dienstanbieter. Im Falle eines Einbruchs in das Datenbanksystem kann darüber hinaus auch ein externer Angreifer vollen Zugriff auf die Daten erhalten. Verschlüsselung ist daher notwendig, um Daten vor unbefugtem Zugriff zu schützen. Insbesondere sollte die gesamte Schlüsselverwaltung sowie die Ver- und Entschlüsselungsoperationen auf Kundenseite erfolgen, damit die Vertraulichkeit der Daten gewahrt bleibt. Traditionelle starke Verschlüsselungsverfahren führen jedoch dazu, dass die Daten nicht mehr effizient verwaltet werden können: eine Suche nach übereinstimmenden Werten, eine Sortierung oder eine Aggregation (zum Beispiel Summierung) der Daten ist nicht möglich. Zur Lösung dieser Probleme wurden in der Theorie zahlreiche Verschlüsselungsverfahren vorgeschlagen, die gewisse Eigenschaften des Klartextes erhalten (sogenannte durchsuchbare und ordnungserhaltende Verschlüsselung). In diesem Artikel behandeln wir zum einen die derzeit vorhandenen Angebote, HBase und Cassandra als Database-as-a-Service zu nutzen und zum Anderen stellen wir unsere Implementierungen von Verschlüsselungsverfahren vor, die es ermöglichen, Cloud-Datenbanken (und zwar speziell HBase und Cassandra) mit verschlüsselten Daten zu nutzen.