[論文レビュー] Oblivious Storage with Low I/O Overhead

Michael T. Goodrich, Michael Mitzenmacher+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2011

Cryptography and Data Security参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、$c \geq 2$ が定数であるとき、$O(N^{1/c})$ のクライアント側プライベートメモリを用いて再帰的バッファシャッフル技術を活用することで、1回のデータアクセスあたり $O(1)$ のアロケートI/Oオーバーヘッドを達成する、新しいオーバーサイリouslyストレージ（OS）方式を提案する。この手法は、通信コストとストレージコストを最小限に抑えながら、データ内容およびアクセスパターンのプライバシーを保証し、Amazon S3などのクラウドストレージシステムにおいて、I/O効率と金銭的コストの点で先行するOSソリューションを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

We study oblivious storage (OS), a natural way to model privacy-preserving data outsourcing where a client, Alice, stores sensitive data at an honest-but-curious server, Bob. We show that Alice can hide both the content of her data and the pattern in which she accesses her data, with high probability, using a method that achieves O(1) amortized rounds of communication between her and Bob for each data access. We assume that Alice and Bob exchange small messages, of size $O(N^{1/c})$, for some constant $c\ge2$, in a single round, where $N$ is the size of the data set that Alice is storing with Bob. We also assume that Alice has a private memory of size $2N^{1/c}$. These assumptions model real-world cloud storage scenarios, where trade-offs occur between latency, bandwidth, and the size of the client's private memory.

研究の動機と目的

• 準悪意あるクラウドサーバーからデータ内容およびアクセスパターンを隠す実用的なオーバーサイリouslyストレージシステムを設計すること。
• クラウドベースのデータアウトソーシングにおいて、I/Oオーバーヘッドと通信コストを最小限に抑えつつ、強力なプライバシー保証を維持すること。
• Amazon S3などのクラウドストレージサービスにおけるリモート操作回数を最小限に抑えることで、オーバーサイリouslyアクセスの金銭的コストを削減すること。
• プロトコルの単純化とストレージのボリューム増加の低減を図ることで、既存のORAMおよびOSソリューションを改善すること。
• パrameter $c$ を用いた、クライアントメモリと通信サイズの調整可能なトレードオフを実現しつつ、1回のアクセスあたり $O(1)$ のアロケートI/Oを達成すること。

提案手法

• 本方式は、複数のストレージレベルにわたるデータアイテムおよびダミーインデックスを、再帰的バッファシャッフルアルゴリズムを用いてオーバーサイリously管理することで、アクセスパターンが区別不能であることを保証する。
• クライアント側のプライベートメモリ $O(N^{1/c})$ を用いて、中間バッファおよびメタデータを保持し、リモートI/Oの前に局所的なシャッフルを効率的に行えるようにする。
• 各アクセスは、$O(1)$ のリモートI/Oを含む一連の処理で構成される：1回のgetと1回のdeleteがアクセスごとに実行され、I/O回数は複数の操作にわたってアロケートされる。
• クラウドストレージをキー・バリュー・ストアとしてモデル化し、帯域幅とクライアントメモリのバランスを取るために、メッセージサイズを $O(N^{1/c})$ に設定する。
• 最低レベルでは、オーバーサイリouslyアクセス中に効率的な挿入・削除を可能にする、クックー・ハッシュ構造に類似した構造を用いる。
• 本プロトコルは、完全なORAMシミュレーションの複雑さを避けるために、実世界のクラウドAPIと互換性を持つように設計されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なプライバシー保証を維持しつつ、$O(1)$ のアロケートI/Oオーバーヘッドを達成できるオーバーサイリouslyストレージは実現可能か？
• RQ2 クライアントメモリサイズ $O(N^{1/c})$ の選択が、オーバーサイリouslyストレージにおけるI/O効率と通信コストにどのように影響を与えるか？
• RQ3 再帰的バッファシャッフル技術により、先行するOS方式と比較してI/Oおよびデータ転送オーバーヘッドの両方を低減できるか？
• RQ4 Amazon S3などの実際のクラウドプラットフォームにおける、提案されたOS方式の実用的性能と金銭的コストはいかほどか？
• RQ5 Bonehら[4]およびWilliamsら[23]のような既存のソリューションと比較して、提案手法のI/O効率およびストレージオーバーヘッドはどのように異なるか？

主な発見

• 提案されたOS方式は、1回のアクセスあたり $O(1)$ のアロケートI/Oオーバーヘッドを達成し、$c=2$ の場合2I/O、$c=3$ の場合7I/O（アロケートケース）に留まる。
• $c=2$ の場合、Bonehら[4]と比較して、アロケートケースでI/Oオーバーヘッドを13から1に削減し、転送データ量も10%削減した。
• 100万件の1KBサイズのアイテムにアクセスする場合の総金銭的コストは、$c=2$ の場合約55,066ドルに見積もられ、リモート操作回数が少ないため、他の代替手法よりも顕著に低い。
• $c=2$ の場合、平均して1アイテムあたり500msのアクセス遅延（アロケート）を達成し、10万件のアイテムに対してBonehら[4]と比較して30%のアクセス時間の改善を実現した。
• ストレージオーバーヘッドは、$c=2$ の場合 $N + 2N^{1/2}$ であり、Bonehら[4]と同等で、$O(N\log N)$ の方式と比較して顕著に低い。
• スケーラビリティに優れる：$c=3$ の場合、アロケートI/O回数は7のまま低く保たれ、100万件のアイテムに対する総コストは170,646ドルに留まり、競合手法よりも依然として低い。