[論文レビュー] Privacy-preserving Cross-domain Routing Optimization -- A Cryptographic Approach

Qingjun Chen, Chen Qian+1 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2015

Cryptography and Data Security参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、SDN環境におけるクロスドメインルーティング最適化のためのプライバシー保護型暗号プロトコルであるPYCROを提案する。このプロトコルは、安全なIf演算と同型暗号を用いて、ドメインのトポロジー、リンクコスト、ルーティングポリシーを露呈せずに、ポリシー準拠の最短経路を計算し、帯域幅を割り当てることを可能にし、大規模なトポロジー（数千ノード）において30秒未塔の計算時間と、1ドメインあたり700 KB未塔の通信量を達成する。

ABSTRACT

Today's large-scale enterprise networks, data center networks, and wide area networks can be decomposed into multiple administrative or geographical domains. Domains may be owned by different administrative units or organizations. Hence protecting domain information is an important concern. Existing general-purpose Secure Multi-Party Computation (SMPC) methods that preserves privacy for domains are extremely slow for cross-domain routing problems. In this paper we present PYCRO, a cryptographic protocol specifically designed for privacy-preserving cross-domain routing optimization in Software Defined Networking (SDN) environments. PYCRO provides two fundamental routing functions, policy-compliant shortest path computing and bandwidth allocation, while ensuring strong protection for the private information of domains. We rigorously prove the privacy guarantee of our protocol. We have implemented a prototype system that runs PYCRO on servers in a campus network. Experimental results using real ISP network topologies show that PYCRO is very efficient in computation and communication costs.

研究の動機と目的

• マルチドメインネットワークにおけるクロスドメインルーティング最適化のための効率的でプライバシー保護型のソリューションの不足に対処すること。
• 相互接続された経路計算中に、トポロジー、リンク遅延、帯域幅、ルーティングポリシーなどの機密情報—ドメイン固有の情報を保護すること。
• 信頼できる第三者に依存せずに、プライベートデータを露呈せずに効率的かつスケーラブルなSDN環境におけるルーティング最適化を可能にすること。
• ドメインの自律性とローカルポリシーを保持しつつ、ネットワーク全体の最適化を可能にするプロトコルを設計すること。

提案手法

• 安全なIf演算と呼ばれる、入力を露呈せずに条件分岐を実現する新しい暗号的プリミティブを考案し、安全計算における条件論理の実装を可能にする。
• 同型暗号を統合し、暗号化されたドメイン状態データ上で計算を実行できるようにし、経路計算中にプライバシーを保持する。
• 各ドメインのSDNコントローラー間で分散実行されるプロトコルを設計し、1つのエンティティが全ネットワーク状態を観測しないようにする。
• 安全なIfおよび同型暗号のプリミティブを用いて、ポリシー準拠の最短経路計算と帯域幅割り当ての2つのコア関数を実装する。
• ネットワークトポロジーの構造を活用し、不要な操作を最小限に抑えることで、通信および計算の最適化を図る。
• キャンパスネットワークプロトタイプにおいて実際のISPトポロジーを用い、現実的な条件下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドメインプライバシーを保ちつつ、クロスドメイン最短経路計算に適した暗号的に安全で効率的なプロトコルを設計できるか？
• RQ2 プライベートトポロジーや容量情報が露呈されない状態で、複数ドメインにまたがる帯域幅割り当てを安全に計算できるか？
• RQ3 一般向けSMPCソリューション（例：Fairplay や SEPIA）と比較して、カスタム暗号技術が性能オーバーヘッドをどの程度低減できるか？
• RQ4 プロトコルはドメインの自律性を維持し、ポリシー準拠のルーティングをサポートしながら、エンドツーエンドの最適化を保証できるか？

主な発見

• PYCROは、数千のスイッチおよびリンクを含むトポロジーに対して、30秒未塔で最短経路木を計算し、1ドメインあたり700 KB未塔のデータを交換する。
• 一般向けSMPCソリューション（例：Fairplay や SEPIA）と比較して、時間的・帯域幅的効率性が10倍向上している。
• 実行時間はドメイン数、相互接続リンク数、ゲートウェイ数に比例して線形に増加し、予測可能で効率的なパフォーマンスを示している。
• 通信コストは低く抑えられており、最大トポロジーにおいても1ドメインあたり1 MB未塔に留まり、優れた通信効率性を示している。
• 帯域幅割り当てプロトコルは、集約されたフロー要件を満たす複数の互いに素な経路を正常に特定でき、複数回の実行においてもパフォーマンスが安定している。
• プロトコルのプライバシー保証は形式的に証明されており、ドメインは自身の入力と最終出力以外のプライベート情報を学習しないことを保証している。