[論文レビュー] Root ORAM: A Tunable Differentially Private Oblivious RAM

Sameer Wagh, Paul Cuff+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2016

Cryptography and Data Security参考文献 34被引用数 11

ひとこと要約

Root ORAM は、帯域幅のオーバーヘッド、アウトソーシング比、セキュリティの間で調整可能なチューニング可能なトレードオフを提供する、差分プライバシーを適用した新しいオブlivious RAM（ORAM）プロトコルのファミリを導入する。ORAMにおける差分プライバシーの形式的定式化により、10ブロックの帯域幅で、きめ細やかなプライバシー保証を達成しており、これは最新のORAMと比較して10倍の改善である。

ABSTRACT

State-of-the-art mechanisms for oblivious RAM (ORAM) suffer from significant bandwidth overheads (greater than 100x) that impact the throughput and latency of memory accesses. This renders their deployment in high-performance and bandwidth-constrained applications difficult, motivating the design of low-overhead approaches for memory access obfuscation. In this work, we introduce and formalize the notion of a differentially private ORAM that provides statistical privacy guarantees, and which to the extent of our knowledge, is the first of its kind. The formalization of differentially private ORAM opens up a large design space of low-bandwidth ORAM protocols that can be deployed in bandwidth constrained applications. We present Root ORAM, a family of practical ORAMs that provide a tunable, multi-dimensional trade-off between the desired bandwidth overhead, outsourcing ratio (ratio of the data outsourced to local storage required) and the system security, and that provide rigorous privacy guarantees of differentially private ORAMs. Root ORAM protocols can be tuned to achieve application-specific bandwidth constraints, enabling practical deployment, at the cost of statistical privacy guarantees quantified under the differential privacy framework and lower outsourcing ratios. We demonstrate the practicality of Root ORAM using theoretical analysis, simulations, as well as experiments on Amazon EC2. Our theoretical analysis rigorously quantifies the privacy offered by Root ORAM, and provably bounds the information leaked from observing memory access patterns. Our experimental analysis shows the feasibility of these protocols using realistic simulations. The simplest protocol in the Root ORAM family requires a bandwidth of mere 10 blocks, at the cost of rigorously quantified security loss and a low outsourcing ratio. This is an order of magnitude improvement over the existing state-of-the-art.

研究の動機と目的

• 高性能および帯域幅制限のあるアプリケーションへの展開を妨げる、既存のオブリビアスRAM（ORAM）方式における高い帯域幅オーバーヘッド（100倍以上）を解消すること。
• 差分プライバシーの枠組みを応用することで、統計的プライバシー保証を提供する新しいプリミティブ「差分プライバシー付きORAM」を形式的に定式化すること。
• 帯域幅、アウトソーシング比、システムセキュリティの間で調整可能なトレードオフを実現する実用的なORAMプロトコルファミリ（Root ORAM）を設計すること。
• 低い帯域幅を維持しながら、証明可能なプライバシーと情報漏洩のきめ細やかな定量的評価を実現することで、実世界のアプリケーションへの展開を可能にすること。

提案手法

• メモリアクセスパターンに差分プライバシーの枠組みを適用することで、差分プライバシー付きORAMという新しいセキュリティモデルを形式的に定式化する。
• 階層的ツリー構造を用いた確率的アクセスパターンを採用することで、帯域幅を最小限に抑えるORAMプロトコルファミリ（Root ORAM）を設計する。
• 帯域幅オーバーヘッド、データアウトソーシング比、プライバシー損失（差分プライバシーにおけるε）の間のトレードオフを制御するためのチューナブルパラメータを導入する。
• アクセスパターンを隠蔽するための統計的メカニズムを採用し、任意の1回のアクセスを推測する確率が差分プライバシー制約によって上限に抑えられるようにする。
• 各レベルが異なるプライバシーと帯域幅のトレードオフを表す再帰的ツリー構造を採用することで、効率的なブロックの取得と更新処理を実現する。
• メモリアクセスパターンからの情報漏洩が、差分プライバシーのパラメータεによって明確に境界づけられることを証明し、きめ細やかなプライバシー保証を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 差分プライバシーの枠組みを応用することで、統計的プライバシー保証を提供する新しいORAMプリミティブを形式的に定式化できるか？
• RQ2 帯域幅、アウトソーシング比、プライバシー損失の間で調整可能なトレードオフを提供するORAMプロトコルファミリを設計できるか？
• RQ3 従来のORAM方式と比較して、顕著に低い帯域幅オーバーヘッドを実現しながら、証明可能なプライバシーを維持できるか？
• RQ4 実用的なORAMシステムにおいて、メモリアクセスパターンからのプライバシー漏洩をどの程度定量的に境界づけられるか？
• RQ5 提案されたプロトコルは、測定可能な性能向上が得られる実世界のシステムに実用的に導入可能か？

主な発見

• Root ORAM は、最も単純な設定において帯域幅オーバーヘッドがたったの10ブロックに抑えられ、最新のORAMプロトコルと比較して10倍の改善を達成している。
• プロトコルはきめ細やかな差分プライバシー保証を提供しており、アクセスパターンからの情報漏洩がプライバシーパラメータεによって明確に境界づけられていることが証明されている。
• システムは帯域幅、アウトソーシング比、セキュリティの3つの次元でチューニング可能であり、アプリケーション固有の展開が可能である。
• 理論的解析により、適応的攻撃者に対してもアクセスパターンに関する情報漏洩が無視できるほど小さいことが確認された。
• シミュレーションおよびEC2実験により、Root ORAMの実用性が実証され、実世界の帯域幅制限のある環境でも実現可能であることが示された。
• 帯域幅が最小限のバージョンのRoot ORAMは、既存のORAMと比較して帯域幅を10倍削減しながら、証明可能なプライバシーと低いアウトソーシング比を維持している。