[論文レビュー] Augmenting Encrypted Search: A Decentralized Service Realization with Enforced Execution

Shengshan Hu, Chengjun Cai+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 36被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、中央サーバーへの信頼を必要とせず、検索結果の正しさと整合性を保証するブロックチェーンベースのスマートコントラクトを用いた分散型の検索可能な対称暗号化（SSE）方式を提案する。パブリックおよびプライベートブロックチェーンを活用することで、検証可能で改ざん不能な実行を実現し、クライアント側での結果検証の必要性を排除し、複数ユーザー間での複雑な照会をサポートする。

ABSTRACT

Searchable symmetric encryption (SSE) allows the data owner to outsource an encrypted database to a remote server in a private manner while maintaining the ability for selectively search. So far, most existing solutions focus on an honest-but-curious server, while security designs against a malicious server have not drawn enough attention. A few recent works have attempted to construct verifiable SSE that enables the data owner to verify the integrity of search results. Nevertheless, these verification mechanisms are highly dependent on specific SSE schemes, and fail to support complex queries. A general verification mechanism is desired that can be applied to all SSE schemes. In this work, instead of concentrating on a central server, we explore the potential of the smart contract, an emerging blockchain-based decentralized technology, and construct decentralized SSE schemes where the data owner can receive correct search results with assurance without worrying about potential wrongdoings of a malicious server. We study both public and private blockchain environments and propose two designs with a trade-off between security and efficiency. To better support practical applications, the multi-user setting of SSE is further investigated where the data owner allows authenticated users to search keywords in shared documents. We implement prototypes of our two designs and present experiments and evaluations to demonstrate the practicability of our decentralized SSE schemes.

研究の動機と目的

• 悪意ある脅威モデル下で中央集権型サーバーに対する検証可能性と信頼性の欠如を解消すること。
• 基礎となる照合の複雑さやデータ構造にかかわらず、すべてのSSE方式に適用可能な汎用的な検証メカニズムを設計すること。
• パブリックおよびプライベートブロックチェーン上のスマートコントラクトを用いて、信頼なしの分散型検索実行を可能にすること。
• 認証済みユーザーが安全に共有暗号化ドキュメントを検索できるマルチユーザー環境をサポートすること。
• 提案された分散型SSE方式の実用性と効率性を、実世界の展開シナリオにおいて評価すること。

提案手法

• 論文は、パブリックブロックチェーン用の分散型SSE方式Π（パブリックブロックチェーン用）およびプライベートブロックチェーン用のΠ⁺（プライベートブロックチェーン用）を設計し、スマートコントラクトを用いて検索および更新操作の正しく実行を保証する。
• スマートコントラクトは暗号化データベースを維持し、検索照合を検証可能で状態なしの方法で実行し、結果が暗号的に信頼できるものであり、改ざん不能であることを保証する。
• シャーディングされたブロックチェーン環境での効率的な照合を可能にするために、独自の暗号化インデックス構造を設計した。
• 機密性と整合性を確保するため、擬似ランダム関数（PRFs）とハッシュ関数を活用し、標準的な暗号的仮定に基づいて安全性を証明した。
• スマートコントラクト実行論理に照合論理を埋め込むことで、ブール型照合やマルチキーワード照合などの複雑な照合をサポートする。
• システムはイーサリアム（パブリック）およびプライベートブロックチェーン（Hyperledger Fabric）の両方で実装・評価され、実際のテストネットワークでの実用的性能を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンスマートコントラクトに基づく分散型アーキテクチャは、暗号化検索システムにおけるクライアント側での検索結果検証の必要性を排除できるか？
• RQ2 基礎となる設計や照合の表現力にかかわらず、すべてのSSE方式に適用可能な汎用的な検証メカニズムをどのように構築できるか？
• RQ3 パブリックブロックチェーンとプライベートブロックチェーンの両方で分散型SSEを展開する際の、セキュリティと効率性のトレードオフは何か？
• RQ4 分散型暗号化検索システムにおいて、共有暗号化ドキュメントへのマルチユーザーへのアクセスをどのように安全にサポートできるか？
• RQ5 ブロックチェーンプラットフォームにSSEを展開することで生じる性能のオーバーヘッドは何か？そして、実用的利用のための緩和策はあるか？

主な発見

• 提案された分散型SSE方式ΠおよびΠ⁺は、クライアント側での検証を一切必要とせず、検索結果が暗号的に正しく保証されることを達成しており、整合性と正しさを確保する。
• ブール型照合やマルチキーワード照合などの複雑な照合をサポートしており、実世界の多くの暗号化検索ワークロードに適用可能である。
• 性能評価では、検索および更新操作が効率的にスケーリングすることを示した。検索時間はO(dw)、更新時間はO(tw)であり、既存の中央集権型SSE方式と同等の効率性を達成している。
• イーサリアムおよびHyperledger Fabricへの実装は、方式が実際のブロックチェーン環境で展開可能であることを示しており、通信および計算コストが両方の操作でO(|W_id|)で上限に抑えられている。
• シャーディングされたブロックチェーンアーキテクチャの使用により、スケーラビリティが著しく向上し、並列実行が可能になり、大規模展開における遅延が低減された。
• 方式のセキュリティは、標準的な仮定に基づいて形式的に証明されており、基礎となる暗号的プリミティブの擬似ランダム性に依存している。