[論文レビュー] A Practical Solution to Yao's Millionaires' Problem and Its Application in Designing Secure Combinatorial Auction

Sankarshan Damle, Boi Faltings+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2019

Auction Theory and Applications参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、半誠実な第三者の公証人を用いて、値を露呈せずに2つの整数を安全に比較する、定常時間の新規手法であるプライバシー保護比較（PPC）を提案する。この手法により、実用的で共謀耐性かつ検証可能なセキュアな組み合わせ入札プロトコル（TPACAS）を実現し、入札価格、入札トポロジー、および敗者入札者の身元のプライバシーを、入札者でさえも知ることができない状態で保持する。従来の手法に比べて顕著な性能向上を達成する。

ABSTRACT

The emergence of e-commerce and e-voting platforms has resulted in the rise in the volume of sensitive information over the Internet. This has resulted in an increased demand for secure and private means of information computation. Towards this, the Yao's Millionaires' problem, i.e., to determine the richer among two millionaires' securely, finds an application. In this work, we present a new solution to the Yao's Millionaires' problem namely, Privacy Preserving Comparison (PPC). We show that PPC achieves this comparison in constant time as well as in one execution. PPC uses semi-honest third parties for the comparison who do not learn any information about the values. Further, we show that PPC is collusion-resistance. To demonstrate the significance of PPC, we present a secure, approximate single-minded combinatorial auction, which we call TPACAS, i.e., Truthful, Privacy-preserving Approximate Combinatorial Auction for Single-minded bidders. We show that TPACAS, unlike previous works, preserves the following privacies relevant to an auction: agent privacy, the identities of the losing bidders must not be revealed to any other agent except the auctioneer (AU), bid privacy, the bid values must be hidden from the other agents as well as the AU and bid-topology privacy, the items for which the agents are bidding must be hidden from the other agents as well as the AU. We demonstrate the practicality of TPACAS through simulations. Lastly, we also look at TPACAS' implementation over a publicly distributed ledger, such as the Ethereum blockchain.

研究の動機と目的

• eコマースや電子投票システムにおいて、機密データを保護する必要があるが、効率的でプライベートな比較プロトコルが不足している問題に対処すること。
• 複数のプライバシー層（入札価格、入札トポロジー、敗者入札者の身元）を保持する、安全で実用的かつ検証可能な組み合わせ入札を設計すること。
• Ethereumのようなパブリックブロックチェーン上にプライバシー保護型入札を実装可能にすること。ただし、プライベートな入札情報が露呈されないことを保証すること。
• 既存のセキュアな入札プロトコルに比べて計算コストを低減しつつ、強固なプライバシー保証を維持すること。

提案手法

• PPCはPedersenコミットメントを用いて、2つの整数間の比較についてゼロ知識検証を可能にし、参加者が実際の値を学習しないことを保証する。
• 半誠実な第三者の公証人システムを採用し、1回の実行で比較を完了させ、O(1)の時間計算量を達成する。
• プロトコルは共謀耐性に設計されており、公証人が共謀しても、暗号的コミットメントのおかげで入力値を推測できない。
• TPACASは、PPCをセキュアな組み合わせ入札フレームワークに統合し、入札者が暗号化された入札と商品バンドルを提出する。唯一、勝者にのみ情報が公開される。
• 入札者と公証人間のオフチェーン通信を用いて比較と勝者決定が行われるが、ブロックチェーン上のスマートコントラクトは登録と最終決済を担当する。
• スマートコントラクトを用いて公証人手数料をインcentivizeすることで、誠実な行動を促し、改ざんを防ぐ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1回の比較あたり1回の実行で動作し、定常時間で動作するセキュアな比較プロトコルを設計できるか？
• RQ2 組み合わせ入札において、他の参加者および入札者自身からも、入札価格、入札トポロジー、敗者入札者の身元を保護できるか？
• RQ3 Ethereumのようなパブリックブロックチェーン上にプライバシー保護型組み合わせ入札を実装可能か？ただし、パフォーマンスやセキュリティが損なわれないことを保証する。
• RQ4 提案されたプロトコルは、既存のセキュアな入札プロトコルに比べて、計算コストを最小限に抑えつつ、社会的厚生をどの程度維持できるか？

主な発見

• 15商品、25入札のインスタンスにおいて、TPACASは平均近似比1.13を達成し、収益損失が最小限で社会的厚生が強く保持されていることを示している。
• 15商品、100入札のインスタンスにおいて、TPACASは平均して約54分で完了し、単一商品入札ですら2.5時間以上を要する従来手法に比べ顕著な高速化を達成している。
• 価格および商品比較の検証—TPACASで最も計算コストがかかるステップ—は依然として効率的かつスケーラブルであり、実用的導入を可能にしている。
• 各参加者のバンドルサイズが少なくとも2以上である場合、入札トポロジーのプライバシーは高い確率で保持される。これは、現実の組み合わせ入札において現実的である。
• ハイブリッドオンチェーン／オフチェーンアーキテクチャのおかげで、Ethereum上でも実用的であることが示された。スマートコントラクトは登録と最終決済を管理する。
• Pedersenコミットメントの使用により、比較の正当性をゼロ知識で検証可能となり、入力が露呈されないまま正しさが保証される。