[論文レビュー] An Accountable Anonymous Data Aggregation Scheme for Internet of Things

Longfei Wu, Xiaojiang Du+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2018

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、複数の信頼できないIoT企業を介した安全なデータ収集を可能にする、新規で効率的かつ責任追跡可能な匿名データ集約方式を提案する。半信頼性のあるプロバイダーサーバーと、インデックスメッセージ用の一回限りのピアシャッフル機構を活用することで、アクティブおよびパasiveな攻撃に対しても匿名性を保持しつつ、責任追跡性を確保する。実行時間と通信オーバーヘッドの両面でDissentを上回り、特にユーザー数が多く、複数のプロバイダーが関与する状況で顕著な性能向上を示す。

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) has become increasingly popular in people's daily lives. The pervasive IoT devices are encouraged to share data with each other in order to better serve the users. However, users are reluctant to share sensitive data due to privacy concerns. In this paper, we study the anonymous data aggregation for the IoT system, in which the IoT company servers, though not fully trustworthy, are used to assist the aggregation. We propose an efficient and accountable aggregation scheme that can preserve the data anonymity. We analyze the communication and computation overheads of the proposed scheme, and evaluate the total execution time and the per-user communication overhead with extensive simulations. The results show that our scheme is more efficient than the previous peer-shuffle protocol, especially for data aggregation from multiple providers.

研究の動機と目的

• サーバー・ユーザー・サーバーのアーキテクチャにおいて、複数の信頼できないIoT企業にまたがる匿名データ集約の課題を解決すること。
• いかなる単一のIoTサーバーが、損害を被ったとしても、データの真正の発信者を関連付けることができないよう、データの機微性を確保すること。
• パasiveな共謀とアクティブな攻撃（特に複数プロバイダー型モデルに特有の12種類の攻撃ベクトルを含む）に対する責任追跡性を提供すること。
• 特に大規模かつ複数プロバイダー環境下において、Dissentなどの既存プロトコルと比較して通信および計算オーバーヘッドを低減すること。
• 信頼できる第三者に依存しないように、自身のデータを漏洩しない半信頼性のあるプロバイダーサーバーを用いること。

提案手法

• 本方式は二段階プロトコルを採用：まずユーザーがパディング付きRSAを用いてデータを暗号化し、次にインデックスメッセージに対して一回限りのピアシャッフルを適用して関連付けを破壊する。
• 各プロバイダーサーバーは、インデックスメッセージに対して一回だけ直列暗号化および復号化処理を実行し、複数のプロバイダー間での繰り返し計算を最小限に抑える。
• 本プロトコルは公開鍵暗号方式とデジタル署名に依存し、真正性の保証と改ざん検出を実現する。
• 新規のインデックスベースのメッセージルーティング機構により、集約結果の最終的再構成は収集者だけが可能となる一方で、発信者の匿名性は維持される。
• 厳密なメッセージ整合性チェックと検証可能暗号化を用いることで、12件のアクティブ攻撃および2件のパasive共謀攻撃に対して耐性を示す。
• ペアワイズ秘密鍵や頻繁な鍵更新を回避することで、DC-netと比較してセットアップのオーバーヘッドを低減する設計である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サーバー・ユーザー・サーバーのアーキテクチャにおいて、複数の信頼できないIoT企業にまたがるデータ集約において、どのようにしてデータ匿名性を維持できるか？
• RQ2 IoTシステムにおける複数プロバイダー型データ集約に特有の主要な攻撃ベクトルは何か？ そしてそれらはどのように緩和できるか？
• RQ3 信頼できる第三者に依存せずに、効率的かつ責任追跡可能な匿名集約方式を実現できるか？
• RQ4 実行時間および通信オーバーヘッドの観点から、Dissentなどの既存プロトコルと比較して、本方式のパフォーマンスはどのように異なるか？
• RQ5 ユーザー数の増加、データサイズの増大、プロバイダー数の増加が、本方式の効率性に与える影響は何か？

主な発見

• 本方式は、特にユーザー数が増加するにつれて、Dissentと比較して合計実行時間と1ユーザーあたりの通信オーバーヘッドを顕著に低減する。
• 大規模なユーザー群（例：100名以上）では、最適化された直列暗号化／復号化処理のおかげで、本方式の効率的利点がさらに顕著になる。
• 複数のプロバイダーが関与する状況では、本方式のパフォーマンスは安定を保つが、Dissentの実行時間と通信オーバーヘッドは著しく増加する。
• 本方式は、インデックスメッセージごとに一回だけ計算コストの高いピアシャッフルを実行するため、複数のプロバイダーからの集約を効率的に可能にする。
• シミュレーションの結果、Javaの実行速度が元の実装より遅いにもかかわらず、計算および通信の両面で本方式はDissentを上回る性能を示した。
• 本プロトコルは12件のアクティブ攻撃および2件のパasive共謀攻撃に対して効果的に耐性を示し、悪意ある環境下でも匿名性と責任追跡性を両立する。