[論文レビュー] Authenticated Append-only Skip Lists

Petros Maniatis, Mary Baker|ArXiv.org|Feb 7, 2003

Cloud Data Security Solutions参考文献 8被引用数 13

ひとこと要約

この論文では、改ざん検出可能で、追加のみ可能な暗号的に安全なデータ構造である認証付き追加専用スキャンリスト（AASL）を紹介する。これにより、短いダイジェストを用いてシーケンスにコミットでき、任意の要素の属していることと位置を示すコンactな証明を生成できる。これにより、悪意ある管理者が偽のエントリを生成したり、矛盾する証明を提供したりすることを防ぎ、改ざんのない整合性を保証する。

ABSTRACT

In this work we describe, design and analyze the security of a tamper-evident, append-only data structure for maintaining secure data sequences in a loosely coupled distributed system where individual system components may be mutually distrustful. The resulting data structure, called an Authenticated Append-Only Skip List (AASL), allows its maintainers to produce one-way digests of the entire data sequence, which they can publish to others as a commitment on the contents and order of the sequence. The maintainer can produce efficiently succinct proofs that authenticate a particular datum in a particular position of the data sequence against a published digest. AASLs are secure against tampering even by malicious data structure maintainers. First, we show that a maintainer cannot ``invent'' and authenticate data elements for the AASL after he has committed to the structure. Second, he cannot equivocate by being able to prove conflicting facts about a particular position of the data sequence. This is the case even when the data sequence grows with time and its maintainer publishes successive commitments at times of his own choosing. AASLs can be invaluable in reasoning about the integrity of system logs maintained by untrusted components of a loosely-coupled distributed system.

研究の動機と目的

• 中央管理者が信頼できない、相互に信頼しない分散システムにおいて、信頼できる改ざん検出可能なシステムログを維持する課題に対処すること。
• 長期間にわたり成長し続けるシーケンスに対しても、効率的で暗号的に検証可能な属する証明を提供できるスケーラブルなデータ構造を設計すること。
• 悪意ある管理者が新しいエントリを偽造したり、同じシーケンスの位置について矛盾する証明を提供したりすることを防ぎ、一貫性と整合性を保つこと。
• 外部のコンponentが、データソースを信頼せず、公開されたダイジェストと短い証明のみを用いて、ログエントリの真正性と順序を検証できるメカニズムを提供すること。

提案手法

• AASLは、各ノードがデータ要素と、可換ハッシュ関数を用いて計算された暗号的認証子を含む階層的スキャンリスト構造を用いる。
• スキャンリストの各レベルはハッシュチェーンによって保護され、認証子が上位に伝搬され、全シーケンスを表す短いダイジェストを形成する。
• 属する証明は、ルートからターゲット要素までスキャンリストをたどることで構築され、要素の存在と位置を検証するために必要なノードと認証子のみを収集する。
• 進捗証明は、時間経過に伴うシーケンスの一貫性を検証するもので、ある時点で発行されたダイジェストが、後の証明によって矛盾することを防ぐ。
• 衝突耐性のあるハッシュ関数の使用と、すべての検証パスが中間の認証子値を一致させる必要がある証明システムにより、暗号的セキュリティが保証される。
• ダイジェストが発行された後に、データを改ざん・再配置・挿入しようとすると、認証子チェーンの一貫性が破壊されるため、検証アルゴリズムで検出できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間にわたり成長する非常に長いシーケンスに対しても、効率的で短い属する証明と位置の証明を提供できる、暗号的に安全な追加専用データ構造を設計できるか？
• RQ2 悪意ある管理者が、ダイジェスト発行後に実際に追加されていないデータ要素について有効な証明を生成できないようにできるか？
• RQ3 複数の独立して検証可能なコミットメントを、時間経過とともに保持でき、後のダイジェストが以前のものと一貫していることを保証できるか？
• RQ4 改ざん（特に構造の管理者自身によるものでさえも）に対して強い保証を維持しつつ、証明サイズを対数的サイズに抑え、検証を効率的に行えるか？

主な発見

• AASL構造は、全シーケンスの内容と順序にコミットする単方向のダイジェストを提供し、リモート参加者が短い証明を用いて任意のデータ要素の整合性を検証できる。
• 悪意ある管理者は、ダイジェスト発行後に実際に追加されていないデータ要素について、有効な証明を生成できないことを保証する。
• 同様の位置について、2つの矛盾する証明を生成できない（等価性攻撃を防ぐ）：管理者は、異なる時刻や異なるダイジェストコミットメントにおいても、同じ位置について2つの有効な証明を生成できない。
• 証明システムにより、すべての検証パス（属する証明、進捗証明、ダイジェスト検証）が中間の認証子値を一致させなければならないため、一貫性攻撃を防げる。
• シーケンスが無限に成長し、管理者が任意の時刻にダイジェストを発行しても、セキュリティモデルは成立し、長期間にわたり監査可能性を保つ。
• 性能測定の結果、AASLはシーケンス長に対して対数的サイズの証明を生成・検証でき、大規模システムにおいて実用的であることが示された。