[論文レビュー] Airtnt: Fair Exchange Payment for Outsourced Secure Enclave Computations

Mustafa Al-Bassam, Alberto Sonnino+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2018

Security and Verification in Computing参考文献 33被引用数 18

ひとこと要約

Airtnt は、ブロックチェーンベースのスマートコントラクトとオフチェーン決済チャネルを用いて、信頼実行環境（TEEs）における支払いとセキュアな計算結果のフェアな交換を可能にする、信頼性のない分散型フレームワークである。暗号的証明、実行チェックポイントごとのマイクロペイメント、第三者による紛争解決に依存しない仕組みにより、リクエスタおよび実行ノードの両方が詐欺から保護される。

ABSTRACT

We present Airtnt, a novel scheme that enables users with CPUs that support Trusted Execution Environments (TEEs) and remote attestation to rent out computing time on secure enclaves to untrusted users. Airtnt makes use of the attestation capabilities of TEEs and smart contracts on distributed ledgers to guarantee the fair exchange of the payment and the result of an execution. Airtnt makes use of off-chain payment channels to allow requesters to pay executing nodes for intermediate "snapshots" of the state of an execution. Effectively, this step-by-step "compute-payment" cycle realises untrusted pay-as-you-go micropayments for computation. Neither the requester nor the executing node can walk away and incur monetary loss to the other party. This also allows requesters to continue executions on other executing nodes if the original executing node becomes unavailable or goes offline.

研究の動機と目的

• 相互に信頼できないリクエスタとプロバイダが存在する分散型 TEE ベース計算市場において、フェアな交換メカニズムが欠如しているという問題に対処する。
• 相互の信頼を必要とせず、信頼できる第三者が不要な状況で、ユーザーのタスクをリモートの TEE 対応ノード上で安全かつ検証可能な形で実行することを可能にする。
• 決済チャネルを介したチェックポイントベースのマイクロペイメントを導入することで、リクエスタの支払い不能リスクやノードの不正行動のリスクを軽減する。
• 元のノードが障害またはオフラインになった場合に代替ノードで実行を継続できるようにすることで、フォールトトレランスを支援する。
• 大規模な計算結果をブロックチェーン上に保存しないことで、ブロックチェーンの肥大化を回避し、暗号的証明とオフチェーンステート更新に依存する。

提案手法

• 実行の整合性を保証し、リモート証明レポートを生成するために、Intel SGX や類似の TEE を活用する。
• 分散型レジストリ上のスマートコントラクトを用いて、支払いと結果のフェアな交換を仲介する信頼性のないメディエーターとしての役割を果たす。
• 各実行チェックポイント後にマイクロペイメントを可能にするために、オフチェーン決済チャネルを活用し、ブロックチェーン上のトランザクション負荷を低減する。
• 各ステート遷移が暗号的に検証され、報酬が支払われる段階的計算-支払いサイクルを導入する。
• 両当事者が実行ステートと支払いにコミットするプロトコルを設計し、いずれの当事者も利益を得て逃走することを防ぐ。
• 暗号的証明（例：証明署名）を用いて、結果と実行ステートを束ね、検証可能な正しさを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互に信頼できない当事者が存在する分散型 TEE ベース計算市場において、支払いと結果のフェアな交換はどのように達成できるか？
• RQ2 決済チャネルを介したマイクロペイメントは、長時間にわたる TEE 実行中のリクエスタの支払い不能リスクを低減するために有効か？
• RQ3 大規模な結果をブロックチェーン上に保存しない状況で、実行の整合性をどのように暗号的に検証できるか？
• RQ4 障害または不正な実行ノードが発生した場合、リクエスタやプロバイダに損失が生じないよう保証するメカニズムは何か？
• RQ5 チェックポイントベースのマイクロペイメントモデルは、実世界のワークロードにおいて、パフォーマンスとリソース利用効率にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• Airtnt は、相互の信頼や第三者の仲介を必要とせず、分散型 TEE 実行市場における支払いと結果のフェアな交換を成功裏に実現した。
• 実行チェックポイントごとのマイクロペイメントに決済チャネルを活用することで、リクエスタの支払い不能リスクが低減され、元のノードが故障した場合の代替ノードへの移行も可能になった。
• 「ライフのゲーム」と「OCR」ワークロードにおける評価では、頻繁なチェックポイントによるセキュリティの向上と、帯域幅およびエンclaveのオーバーヘッド増加に起因する効率の低下との明確なトレードオフが確認された。
• システムは大規模な計算結果をブロックチェーン上に保存しないため、トランザクションコストとオンチェーン検証負荷を顕著に低減した。
• TEE からの暗号的証明により、正しく実行された結果のみが受け入れられ、その他の逸脱は暗号的に検出可能であることが保証された。
• 少なくとも1つのノードが誠実である限り、コンセンサスと検証メカニズムにより、最大半数のノードが悪意を持っていても、プロトコルは強いセキュリティ保証を維持した。