[論文レビュー] Don't Trust the Cloud, Verify: Integrity and Consistency for Cloud Object Stores

Marcus Brandenburger, Christian Cachin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2015

Distributed systems and fault tolerance参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

この論文では、複数の信頼できないクライアント間でクラウドオブジェクトストレージにおけるデータ整合性と一貫性を検証するためのプロトコルであるVICOSを提案する。VICOSは、操作ごとの通信オーバーヘッドを定数に保ちながらフォーク線形化性を達成し、認証付きデータ構造を用いて待機フリーのクライアント操作を可能にし、クライント側の状態レプリケーションを排除し、調整コストを低減することで、先行するシステムを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Cloud services have turned remote computation into a commodity and enable convenient online collaboration. However, they require that clients fully trust the service provider in terms of confidentiality, integrity, and availability. Towards reducing this dependency, this paper introduces a protocol for verification of integrity and consistency for cloud object storage (VICOS), which enables a group of mutually trusting clients to detect data-integrity and consistency violations for a cloud object-storage service. It aims at services where multiple clients cooperate on data stored remotely on a potentially misbehaving service. VICOS enforces the consistency notion of fork-linearizability, supports wait-free client semantics for most operations, and reduces the computation and communication overhead compared to previous protocols. VICOS is based in a generic way on any authenticated data structure. Moreover, its operations cover the hierarchical name space of a cloud object store, supporting a real-world interface and not only a simplistic abstraction. A prototype of VICOS that works with the key-value store interface of commodity cloud storage services has been implemented, and an evaluation demonstrates its advantage compared to existing systems.

研究の動機と目的

• クラウドプロバイダに完全に信頼できない複数クライアント環境における、強力な一貫性と整合性の保証の欠如に対処すること。
• データアウトソーシングの目的に反する、クライアントがシステム状態のローカルコピーを維持する必要を排除すること。
• 信頼できない環境下での複数クライアント設定において、最も強い一貫性保証であるフォーク線形化性を達成すること。ブロッキングや信頼できるコンponentsの必要性なしに実現すること。
• SUNDR、FAUST、Venusのような先行プロトコルと比較して、クライアント数に比例する通信および計算オーバーヘッドを低減すること。これらのプロトコルはクライアント数の増加に伴い性能が著しく低下する。
• 単純化された抽象化ではなく、実世界のクラウドインターフェース（例：階層的ネームスペース）をサポートすることにより、実用的な展開を可能にすること。

提案手法

• VICOSは、クラウドに格納されたデータに対する任意の操作をサポートするため、汎用的な認証付きデータ構造（ADS）に基づいている。
• 整合性と一貫性の両方の検証に二段階プロトコルを用い、一貫性チェックには暗号的ハッシュチェーンを活用する。
• 干渉しない（お互いの効果や出力に影響を及けない）「互換性のある操作」の概念を導入し、待機フリーな実行を可能にする。
• クライアントがシステム状態の完全なコピーを保持する必要がないように、状態をクラウドサーバー上でリモートに管理する。BST や SPORC とは異なり、クライアント側の状態レプリケーションを不要にする。
• 通信オーバーヘッドは、クライアント数に依存せず、操作ごとに定数に保たれる。これに対して、ベクタクロックに基づくシステム（例：FAUST、Venus）は、Ω(n) のスケーリングを示す。
• システムは一般的なクラウドストレージAPI上で実装され、プロトタイプを用いた評価が行われ、低遅延と高スループットを実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クライアントがシステム状態の完全なコピーを保持する必要がない場合に、実用的なシステムが複数クライアントの信頼できないクラウドオブジェクトストレージにおいてフォーク線形化性の一貫性を達成できるか？
• RQ2 整合性および一貫性検証プロトコルにおける通信および計算オーバーヘッドを、クライアント数に依存しない形に低減することは可能か？
• RQ3 信頼できないサーバーと複数の協調しないクライアントを有するシステムにおいて、すべての互換性のある操作に対して待機フリーの意味論を達成する方法は何か？
• RQ4 認証付きデータ構造を用いて、リモートでの状態管理と暗号的一貫性検証を統合するプロトコルは可能か？
• RQ5 このようなシステムを実際のクラウドストレージサービスに展開した場合の性能オーバーヘッドはどの程度か？

主な発見

• VICOSは、複数クライアントの信頼できないモデルにおける最も強い一貫性保証であるフォーク線形化性を達成し、通信時にいかなる不整合も検出可能であることを保証する。
• プロトコルは、クライアント数に依存せず、操作ごとに定数の通信オーバーヘッドしか発生させず、先行するシステムがΩ(n)またはΩ(n²)のスケーリングを示すのとは対照的である。
• VICOSは、すべての互換性のある操作に対して待機フリーのクライアント操作をサポートし、並列実行時でさえブロッキングを回避する。
• 一般クラウドストレージサービス上でのプロトタイプ実装は、SUNDR、FAUST、Venusと比較して顕著に低いオーバーヘッドを示し、遅延およびスループットの観点で測定可能な性能向上を達成した。
• クライアント側の状態レプリケーションではなく、リモートでの状態とハッシュチェーンに依存することで、VICOSはクライアントが操作間でオフラインであってもプロトコルが停止しないことを可能にする。
• システムは、階層的ネームスペースやキーバリュー操作を含む実世界のクラウドインターフェースと互換性があり、実用的な展開に適している。