[論文レビュー] Lamassu: Storage-Efficient Host-Side Encryption

Peter Shah, Won So|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2015

Cloud Data Security Solutions参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

Lamassu は、ファイルデータストリーム内に暗号化メタデータを直接埋め込むことで、セキュリティを損なわずにストレージベースの重複削除を実現するホスト側ブロックレベルの収束型暗号化システムである。従来の暗号化と同等のパフォーマンスを達成しながら、共有ストレージにおける重複削除を維持し、外部のメタデータストアやアプリケーションの変更を不要にする。

ABSTRACT

Many storage customers are adopting encryption solutions to protect critical data. Most existing encryption solutions sit in, or near, the application that is the source of critical data, upstream of the primary storage system. Placing encryption near the source ensures that data remains encrypted throughout the storage stack, making it easier to use untrusted storage, such as public clouds. Unfortunately, such a strategy also prevents downstream storage systems from applying content-based features, such as deduplication, to the data. In this paper, we present Lamassu, an encryption solution that uses block-oriented, host-based, convergent encryption to secure data, while preserving storage-based data deduplication. Unlike past convergent encryption systems, which typically store encryption metadata in a dedicated store, our system transparently inserts its metadata into each file's data stream. This allows us to add Lamassu to an application stack without modifying either the client application or the storage controller. In this paper, we lay out the architecture and security model used in our system, and present a new model for maintaining metadata consistency and data integrity in a convergent encryption environment. We also evaluate its storage efficiency and I/O performance by using a variety of microbenchmarks, showing that Lamassu provides excellent storage efficiency, while achieving I/O throughput on par with similar conventional encryption systems.

研究の動機と目的

• 企業環境におけるホスト側暗号化と下流のストレージ重複削除の両立を図ること。
• 既存のアプリケーションやストレージコントローラーを変更せずに、暗号化データの重複削除を可能にすること。
• 専用のメタデータストアやキーサーバーの必要性を排除し、導入を簡素化し、攻撃面を縮小すること。
• 収束型暗号化システムにおいて、クラッシュに耐えうる一貫性とデータ整合性の検証を提供すること。
• 本番規模のストレージシステムにおいて、強固なセキュリティと実用的なパフォーマンスの両立を実現すること。

提案手法

• 平文コンテンツを暗号化ハッシュによって決定的に導出するブロック指向のメッセージロック収束型暗号化を採用する。
• 収束型暗号化メタデータを各ファイルのデータストリームに直接埋め込むことで、外部メタデータストレージの必要性を排除する。
• 各テナントの秘密鍵を用いて収束鍵を導出し、同じ鍵を持つテナント間でのみ重複削除が可能になるようにする。
• システムクラッシュ時でもメタデータとデータが同期されたままであることを保証する一貫性モデルを導入し、アトミックな書き込みとチェックサム検証を用いる。
• FUSEベースのファイルシステムを介した透過的な統合を実現し、アプリケーションやストレージコントローラーの変更なしに導入可能にする。
• 標準的な暗号（例：AES）に秘密鍵の拡張を加え、平文と秘密鍵の両方の推測を必要とするため、選択平文攻撃に対して耐性を持つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックレベルのホスト側暗号化において、収束型暗号化を実用的かつ共有ストレージシステムにおける重複削除を維持できるか？
• RQ2 外部メタデータストアやパフォーマンスのペナルティなしに、暗号化メタデータを透過的に管理できるか？
• RQ3 システムクラッシュ後に収束型暗号化環境でデータの一貫性と整合性を保証するメカニズムは何か？
• RQ4 複雑なキーサーバー・アーキテクチャに依存せずに、選択平文攻撃に対して強固なセキュリティを維持できるか？
• RQ5 実世界のワークロードにおいて、このようなシステムのパフォーマンスは従来の暗号化と比べてどの程度か？

主な発見

• Lamassu は、従来の暗号化システムと同等の I/O スループットを達成し、最小限のパフォーマンスオーバーヘッドを実現した。
• 同じ秘密鍵を共有する複数のホスト間で重複削除が維持され、効率的なストレージ利用が可能になった。
• メタデータがデータストリーム内に埋め込まれたため、外部メタデータストアの必要性がなくなり、導入が簡素化された。
• 攻撃者が平文と秘密鍵の両方を推測する必要があるため、Lamassu は選択平文攻撃に対して耐性を持つ。
• アトミックな書き込みとチェックサム検証により、システムクラッシュ後でも一貫性と整合性が保たれた。
• 本ソリューションはアプリケーションおよびストレージコントローラーに対して透過的であり、既存の企業環境へのシームレスな統合が可能である。