[論文レビュー] A Secure Database System using Homomorphic Encryption Schemes

Youssef Gahi, Mouhcine Guennoun+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2015

Cryptography and Data Security参考文献 14被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、同型暗号を用いて暗号化されたデータ上で直接SQLクエリを実行できる安全なリレーショナルデータベースシステムを提案する。このシステムは、データの機密性と整合性を保持しつつ、顕著なパフォーマンスのオーバーヘッドがあるものの、正確なクエリ結果を達成する。

ABSTRACT

Cloud computing emerges as an attractive solution that can be delegated to store and process confidential data. However, several security risks are encountered with such a system as the securely encrypted data should be decrypted before processing them. Therefore, the decrypted data is susceptible to reading and alterations. As a result, processing encrypted data has been a research subject since the publication of the RSA encryption scheme in 1978. In this paper we present a relational database system based on homomorphic encryption schemes to preserve the integrity and confidentiality of the data. Our system executes SQL queries over encrypted data. We tested our system with a recently developed homomorphic scheme that enables the execution of arithmetic operations on ciphertexts. We show that the proposed system performs accurate SQL operations, yet its performance discourages a practical implementation of this system.

研究の動機と目的

• 暗号化されたデータを処理する必要があるクラウドコンピューティングにおけるセキュリティリスクを軽減すること。
• 暗号化されたデータを復号せずにSQL操作を安全に実行できるリレーショナルデータベースシステムを設計すること。
• 実際のデータベース環境において、同型暗号を用いた複雑なクエリの実行の可能性とパフォーマンスを評価すること。
• 同型暗号が標準的なSQL操作に適用可能であり、データの整合性と機密性を維持しつつ実装可能であることを示すこと。

提案手法

• 暗号化されたデータ上で算術演算を可能にする同型暗号方式に基づくシステムを構築し、復号なしで計算を実行できるようにする。
• SQLクエリを暗号化されたデータ構造上で直接実行可能な同型演算に変換する。
• データベーススキーマおよびクエリ処理エンジンを変更し、暗号化された関係を扱い、選択、投影、集計などの操作を暗号化された状態で実行できるようにする。
• 任意の関数を暗号化されたデータ上で評価可能な最近開発された完全同型暗号（FHE）方式を実装に使用する。
• 同型演算によるSQLクエリの評価結果が、平文処理による結果と同一であることを検証することで、正しさを保証する。
• 標準的なデータベースワークロードを用いて、暗号化された操作の遅延と計算コストを測定することで、パフォーマンス評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同型暗号は、リレーショナルデータベースシステムに効果的に統合可能であり、暗号化されたデータ上で標準的なSQL操作をサポートできるか？
• RQ2 同型暗号を用いて暗号化されたデータ上で実行されたSQLクエリの結果はどれほど正確か？
• RQ3 平文処理と比較して、暗号化されたデータ上でクエリを実行する際のパフォーマンスのオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ4 提案されたシステムは、実世界のデータベースアプリケーションにおける実用的導入に適しているか？

主な発見

• 本システムは、選択、投影、集計などの標準的なSQLクエリを、暗号化されたデータ上で正しく実行できることを確認した。
• 同型暗号方式により、暗号化されたデータ上で算術演算が可能になり、復号なしで意味のある計算が可能である。
• 正しさは保証されているが、顕著なパフォーマンスのオーバーヘッドが生じており、リアルタイムまたは高スルーレートなアプリケーションには不適切である。
• 評価により、クエリ実行中を通じてデータの機密性と整合性が維持されていることが確認された。