[論文レビュー] Auditable data structures: theory and applications

Andrea Canciani, Claudio Felicioli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2023

Security and Verification in Computing被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、機密データを露呈せずにデータ履歴の一貫性に対する信頼を可能にする、外部監査可能なデータ構造の形式的枠組みを導入する。暗号的ハッシュ値、一貫性証明、パブリックブロックチェーン上のノタリゼーションモデルを組み合わせることで、外部監査官がデータ操作の整合性と順序正しさを検証しつつ、データの機密性を保持できる。実装例としてハイブリッドブロックチェーン環境で検証された。

ABSTRACT

Every digital process needs to consume some data in order to work properly. It is very common for applications to use some external data in their processes, getting them by sources such as external APIs. Therefore, trusting the received data becomes crucial in such scenarios, considering that if the data are not self-produced by the consumer, the trust in the external data source, or in the data that the source produces, can not always be taken for granted. The most used approach to generate trust in the external source is based on authenticated data structures, that are able to authenticate the source when queried through the generation of proofs. Such proofs are useful to assess authenticity or integrity, however, an external user could also be interested in verifying the data history and its consistency. This problem seems to be unaddressed by current literature, which proposes some approaches aimed at executing audits by internal actors with prior knowledge about the data structures. In this paper, we address the scenario of an external auditor with no data knowledge that wants to verify the data history consistency. We analyze the terminology and the current state of the art of the auditable data structures, then we will propose a general framework to support external audits from both internal and external users.

研究の動機と目的

• データ構造の履歴一貫性を監査するための標準的用語とフレームワークの欠如に対処すること。
• 事前にデータやデータ構造の知識を持たない外部監査官が、時間経過に伴うデータ操作の一貫性を検証できること。
• データ機密性を保持しつつ、暗号的証明とブロックチェーンノタリゼーションを用いてデータ履歴の検証を可能にすること。
• 認証済みデータ構造を拡張し、単なるデータ整合性ではなく、操作シーケンスの外部監査可能性をサポートすること。
• 実世界の応用において、監査可能なデータ構造ソリューションを比較・評価するための形式的基盤を提供すること。

提案手法

• データ構造操作、ハッシュ値、一貫性、履歴といったコア用語を定義し、分野の標準化を図ること。
• 内容を隠蔽しつつ証明検証を可能にする一方向のデータ間接参照を用いる外部監査可能なデータ構造の概念を導入すること。
• ノタリゼーションシステムがパブリックブロックチェーンにハッシュ値のシーケンスと一貫性証明を公開することで、外部監査可能性を確保するフレームワークを提案すること。
• パブリックブロックチェーン上で複数のプライベートレジスタの履歴を効率的に圧縮・検証できる、レジスタツリーというデータ構造を採用すること。
• 第二プリイメージ攻撃に耐性を持つ暗号的ハッシュ関数を用いて、ハッシュ値のセキュリティを確保し、偽造を防ぐこと。
• 外部監査官が、新しいデータ構造バージョンが有効な編集操作によって古いバージョンから導出されたことを検証できる一貫性証明を設計すること。

Figure 1: Scheme of the three-party model for data replication

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事前にデータやデータ構造の知識を持たない外部監査官が、データ構造の履歴一貫性をどのように監査できるか？
• RQ2 監査可能なデータ構造分野における研究と比較を標準化するための正式な用語と定義は何か？
• RQ3 データ機密性を保持しつつ、操作履歴の外部検証を可能にするにはどうすればよいか？
• RQ4 スケーラブルで安全かつ効率的なデータ構造の進化に関する外部監査を支えるために必要なアーキテクチャ的要素は何か？
• RQ5 既存のシステム（例：プライベートDLTや証明書失効リスト）は、このフレームワークを用いてどのように強化できるか？

主な発見

• 本論文は、データ構造の一貫性、履歆、一貫性証明といった重要な概念を明確にする形式的用語セットを確立し、ソリューション間の明確な比較を可能にした。
• 提案されたフレームワークにより、外部監査官は生データにアクセスせずに、ハッシュ値と暗号的証明にのみ依存して、データ構造の履歴一貫性を検証できる。
• Traentのハイブリッドブロックチェーンシステムにおける実装例から、1つのパブリックブロックチェーンノタリゼーションが、レジスタツリーを介して複数のプライベートレジスタ履歴の一貫性を検証可能であることが示された。
• 連続するハッシュ値間の一致証明により、フォークや無効な操作を検出でき、データ進化の一意性と正しさが保証される。
• パブリックブロックチェーンによるノタリゼーションにより、プライベートネットワークが信頼できない場合でも、データ履歴の長期的監査可能性と改ざん不可性が確保される。
• 本フレームワークは、監査可能なデジタル製品パスポート、証明書管理、操作履歴が検証可能なプライベートDLTなど、実世界の応用に適している。

Figure 2: Scheme of the two-party model for data outsourcing