[論文レビュー] Dynamic proofs of retrievability with low server storage

Gaspard Anthoine, Jean‐Guillaume Dumas+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2020

Cloud Data Security Solutions参考文献 33被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、有限体上のランダム化線形代数を用いることで、データエンコーディングを必要とせず、効率的な監査、更新、復元を可能にする、新しい動的データ保持証明（Proof of Retrievability, PoR）方式を提示する。この方式は、サーバーのストレージオーバーヘッドを最小限に抑え、サブ線形のサーバーストレージ（o(N)）を達成し、実用的な性能を発揮する。Google Cloud上での1TBファイルの監査は5分未塔、コストは0.08米ドル未塔であり、クライアント側の効率性と公開検証性を暗号技術の強化により実現している。

ABSTRACT

Proofs of Retrievability (PoRs) are protocols which allow a client to store data remotely and to efficiently ensure, via audits, that the entirety of that data is still intact. A dynamic PoR system also supports efficient retrieval and update of any small portion of the data. We propose new, simple protocols for dynamic PoR that are designed for practical efficiency, trading decreased persistent storage for increased server computation, and show in fact that this tradeoff is inherent via a lower bound proof of time-space for any PoR scheme. Notably, ours is the first dynamic PoR which does not require any special encoding of the data stored on the server, meaning it can be trivially composed with any database service or with existing techniques for encryption or redundancy. Our implementation and deployment on Google Cloud Platform demonstrates our solution is scalable: for example, auditing a 1TB file takes just less than 5 minutes and costs less than $0.08 USD. We also present several further enhancements, reducing the amount of client storage, or the communication bandwidth, or allowing public verifiability, wherein any untrusted third party may conduct an audit.

研究の動機と目的

• 既存の動的PoR方式では、元のデータサイズの1.5倍から10倍もの恒常的ストレージオーバーヘッドが生じる問題に対処すること。
• データエンコーディングを必要とせず、動的更新と部分的復元をサポートする、実用的で効率的かつスケーラブルなPoRプロトコルを設計すること。
• 悪意あるサーバーに対する強いセキュリティ保証を維持しながら、クライアントのストレージおよび通信コストを最小限に抑えること。
• 公開検証性を実現し、第三者がクライアントの関与なしにデータ整合性を検証できること。
• 本方式がクラウドインfraストラクチャ上での実世界の展開において、実現可能性と効率性を示すこと。

提案手法

• クライアントがランダム行列Vを生成し、それを用いてデータブロックに基づいた監査チャレンジを計算する、有限体上でのランダム化線形代数検証方式を採用する。
• サーバー側のストレージを最小限に抑えるために、元のデータと小さなコンパクトな行列V（またはその外部化形式）のみを格納し、エンコーディングや冗長性の拡張を回避する。
• 監査は、クライアントのチャレンジベクトルとサーバーの応答とのドット積検証により実施され、高い確率で正しさを保証する。
• 動的更新は、検証行列の影響を受ける部分のみを再計算することで実現され、ブロック単位の効率的変更が可能になる。
• 公開検証性は、検証行列Vへのコミットメントを公開し、離散対数問題が困難な群を用いてゼロ知識風の監査検証を実現することで達成する。
• 標準暗号（例：IND-CPA対称暗号）と互換性があり、既存のデータベースやクラウドサービスに変更を加えずに導入可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なセキュリティと効率性を維持しながら、サブ線形のサーバーストレージオーバーヘッドを実現できる動的PoR方式を設計できるか？
• RQ2 監査効率性やセキュリティを損なわずに、PoRシステムでデータエンコーディングや冗長性を排除することは可能か？
• RQ3 サーバー計算量を増加させることなく、動的PoRプロトコルにおけるクライアントのストレージおよび通信コストを最小限に抑える方法は何か？
• RQ4 複雑な暗号技術に依存せずに、動的PoR環境で効率的な公開検証性を実現できるか？
• RQ5 PoR方式における時間-空間トレードオフの本質的制限は何か？そして、これを明示的に境界づけることは可能か？

主な発見

• 提案方式は、o(N)のサーバーストレージオーバーヘッドを達成し、従来のO(N)以上を要する方式と比較して、恒常的ストレージコストを顕著に削減した。
• Google Cloud上での1TBファイルの監査は5分未塔、コストは0.08米ドル未塔であり、実用的なスケーラビリティを示している。
• 制限付きデバイス上でのクライアント側監査コストは1秒未塔であり、プライベート証明において高い効率性を示している。
• 本プロトコルは、最小限のオーバーヘッドで無制限の部分的復元と更新をサポートしており、動的ワークロードに適している。
• 外部化監査行列ストレージを採用したバージョンでは、クライアントのストレージがO(1)に、通信量がO(√N)にまで削減され、パrameter αを用いて性能トレードオフをバランスさせられる。
• 著者らはPoR方式における時間-空間トレードオフの下界を証明し、サーバーストレージの削減が本質的に計算コストの増加を伴うことを示した。