[論文レビュー] Reuse It Or Lose It: More Efficient Secure Computation Through Reuse of Encrypted Values

Benjamin Mood, Debayan Gupta+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2015

Cryptography and Data Security参考文献 35被引用数 11

ひとこと要約

この論文では、部分的なガーブルド回路（garbled circuit）の再利用を可能にする安全な2パーティ計算システム、PartialGCを紹介している。この手法により、過去のガーブルド回路実行から得られた暗号化された中間値を再利用することで、入力検証のオーバーヘッドを大幅に削減し、状態保持型計算を実現する。暗号化された出力を保存・再利用することで、従来の外部処理スキームと比較して、計算時間は最大96%短縮され、帯域幅は最大98%削減される。実世界のプライバシー保護型友人検索アプリを用いた実装により、モバイルおよびサーバープラットフォームでも実用的な効率性を示している。

ABSTRACT

Two-party secure function evaluation (SFE) has become significantly more feasible, even on resource-constrained devices, because of advances in server-aided computation systems. However, there are still bottlenecks, particularly in the input validation stage of a computation. Moreover, SFE research has not yet devoted sufficient attention to the important problem of retaining state after a computation has been performed so that expensive processing does not have to be repeated if a similar computation is done again. This paper presents PartialGC, an SFE system that allows the reuse of encrypted values generated during a garbled-circuit computation. We show that using PartialGC can reduce computation time by as much as 96% and bandwidth by as much as 98% in comparison with previous outsourcing schemes for secure computation. We demonstrate the feasibility of our approach with two sets of experiments, one in which the garbled circuit is evaluated on a mobile device and one in which it is evaluated on a server. We also use PartialGC to build a privacy-preserving "friend finder" application for Android. The reuse of previous inputs to allow stateful evaluation represents a new way of looking at SFE and further reduces computational barriers.

研究の動機と目的

• モバイルおよびリソース制限のある環境における安全関数評価（SFE）の性能ボトルネック、特に入力検証の高コストを解消すること。
• 過去の実行から得た暗号化された中間値を再利用することで、状態保持型の安全な計算を可能にすること。
• 繰り返しSFE実行における計算および通信のオーバーヘッドを低減すること、特に位置情報サービスのようなインクリメンタルまたはインタラクティブなアプリケーションを想定すること。
• インタラクティブなI/Oをサポートするカットアンドチョイスガーブルド回路における再利用可能なガーブルド回路の実用的で効率的かつ安全なプロトコルの設計および実装すること。
• モバイルデバイスおよびサーバーでの実装を通じて実現可能性を示し、システムを用いて実世界のプライバシー保護型アプリケーション（友人検索）を構築すること。

提案手法

• クラウドサーバーが過去の実行から得た暗号化された中間ワイヤ値を保存・再利用する、三者モデル（ジェネレータ、評価者、クラウドサーバー）を採用する。
• 一つのガーブルド回路の暗号化された出力ワイヤ値を、新しい回路の入力ワイヤ値として再利用することで、再暗号化や完全な再検証の必要性を排除する。
• ShelatとShen（sS13）の改善された入力検証技術を採用し、再利用時の暗号的オーバーヘッドを低減するための部分的入力ゲートチェックを導入する。
• セミホンストおよびマルチスルセキュリティモデルをサポートし、評価者とクラウドの間で共謀がないものと仮定する。
• 大規模な計算を小さな状態保持型の処理に分割し、中間結果を複数の実行間で保持することで、インタラクティブなI/Oを実現する。
• プロトコルをサポートするためのカスタムコンパイラおよびランタイムシステムを開発し、正しさと一貫性を保証するための細かなユニットテストを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一つのガーブルド回路実行から得た暗号化された中間値を、再暗号化や完全な再検証なしに、新しい実行の入力として安全かつ効率的に再利用できるか？
• RQ2 従来のSFEシステムで大きなボトルネックとされている入力検証のオーバーヘッドは、値の再利用と最適化された整合性チェックによってどの程度低減可能か？
• RQ3 カットアンドチョイスガーブルド回路モデルにおいて、状態保持型の安全な計算を実用的に達成できるか？これにより、インクリメンタルまたはインタラクティブなプライバシー保護型アプリケーションが可能になるか？
• RQ4 標準的なSFE外部処理スキームと比較して、暗号化された値の再利用によって、計算時間および帯域幅でどの程度の性能向上が達成できるか？
• RQ5 提案されたスキームは、モバイルデバイスおよび本格的なシステム環境での実装に十分な効率性と実現可能性を有しているか？

主な発見

• PartialGCは、CMTB外部処理スキームと比較して、計算時間は最大96%短縮され、帯域幅は最大98%削減され、繰り返しSFE実行の効率性が顕著に向上した。
• 暗号化された中間値の再利用により、入力の再処理なしに複数の計算を実行にわたって均等化できる状態保持型評価が可能になった。
• セミホンストおよびマルチスルセキュリティモデルをサポートしており、評価者とクラウドの間で共謀がないという仮定の下でセキュリティが維持される。
• 性能評価の結果、PartialGCはモバイルデバイスおよびサーバーの両方で実用的かつ効率的であることが示され、実世界のワークロードにおいて明確な利点が得られた。
• システムの実装により、Android向けに完全に機能するプライバシー保護型友人検索アプリケーションの開発が可能になった。これは、実世界での実現可能性を示している。
• 本システムは、カットアンドチョイスガーブルド回路内でインタラクティブなI/Oをサポートする最初の実用的プロトコルであり、中間結果を露出して以降の計算ステップで利用可能にした。