[論文レビュー] S4: A New Secure Scheme for Enforcing Privacy in Cloud Data Warehouses

Somayeh Sobati Moghadam, Jérôme Darmont+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2017

Cryptography and Data Security参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、計算コストの高いパルイエの部分準同型暗号に取って代わる、データウェアハウスをクラウドで保護するための新しい秘密分散ベースの暗号方式S4を提案する。シャミアの秘密分散を用いて機密値をシェアに分割することで、S4はパルイエの方式よりも格段に低いストレージおよび計算オーバーヘッドで効率的な安全な集計クエリを可能にし、大規模データセットにおける暗号化、復号化、クエリ処理時間において優れたパフォーマンスを示している。

ABSTRACT

Outsourcing data into the cloud becomes popular thanks to the pay-as-you-go paradigm. However, such practice raises privacy concerns. The conventional way to achieve data privacy is to encrypt sensitive data before outsourcing. When data are encrypted, a trade-off must be achieved between security and efficient query processing. Existing solutions that adopt multiple encryption schemes induce a heavy overhead in terms of data storage and query performance, and are not suited for cloud data warehouses. In this paper, we propose an efficient additive encryption scheme (S4) based on Shamir's secret sharing for securing data warehouses in the cloud. S4 addresses the shortcomings of existing approaches by reducing overhead while still enforcing good data privacy. Experimental results show the efficiency of S4 in terms of computation and storage overhead with respect to existing solutions.

研究の動機と目的

• クラウドベースのデータウェアハウスにおける、パルイエの方式のような既存の準同型暗号方式の高いストレージおよび計算オーバーヘッドに対処すること。
• 信頼できないクラウド環境において、暗号化されたデータ上でOLAPクエリ（特に集計クエリ）を効率的に実行できること。
• 従来の安全なデータベース管理システムにおける、大きな暗号文サイズと高価なモジュラ乗算演算が引き起こすパフォーマンスボトルネックを軽減すること。
• 実世界のデータウェアハウスワークロードにおける実用的導入を重視した、セキュリティと効率性のトレードオフを検討すること。
• 今後の研究において、S4を安全に乗算演算をサポートするように拡張する基盤を築くこと。

提案手法

• S4はシャミアの秘密分散を用いて、各機密データ値をk-1個のシェアに分割し、複数のクラウドノードに格納する。
• 秘密はk個のシェアを用いたラグランジュ補間により再構築され、正当なサブセットのみが元の値を回復可能となる。
• 集計クエリのため、S4はパルイエ方式が要請する高価なモジュラ乗算を避けるために、モジュラ加算によるシェアの和を計算する。
• S4は有限体F_p上で動作し、pはクエリにおける値の最大可能な和よりも大きい素数である。
• 暗号化は、次数k-1のランダムな多項式を生成し、その定数項に秘密を設定し、k個の異なる非ゼロ点で評価することで実行される。
• 復号化／再構築には、ラグランジュ基底多項式を用いてk個のシェアから元の秘密を回復するための一次方程式系を解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 秘密分散ベースの方式は、クラウドデータウェアハウスにおけるストレージおよび計算オーバーヘッドの面で、パルイエの部分準同型暗号を上回ることができるか？
• RQ2 S4は、OLAPワークロードにおける安全なクエリ処理の計算コストを削減しながら、どの程度セキュリティを維持できるか？
• RQ3 しきい値kの選択が、S4におけるパフォーマンスとセキュリティのトレードオフにどのように影響するか？
• RQ4 S4は、クラウドデータウェアハウスにおける大規模なファクトテーブルにおける一般的な分析操作（特に集計）を効率的にサポートできるか？
• RQ5 実世界の合成ワークロード（さまざまな規模）において、S4はパルイエの方式に比べてどの程度のパフォーマンス向上を達成できるか？

主な発見

• S4は、1レコードあたり2048ビットの暗号文を生成するパルイエ方式と比較して、ストレージオーバーヘッドを数個のオーダーも低減している。
• m = 10^6件のレコードに対して、k ≤ 16の範囲ではS4の暗号化時間がパルイエのそれよりも短く、中程度のしきい値においてより高い効率性を示している。
• S4の復号／再構築時間は、高価なモジュラ乗算を回避するため、特に大規模なデータに対してパルイエの復号時間よりも一貫して速い。
• 集計クエリの処理時間は、S4が(k-1)×m個のモジュラ加算のみを必要とする一方で、パルイエはm個のモジュラ乗算を要するため、S4の方が顕著に低くなる。
• k = 16の場合、S4は大規模データセットにおいてストレージオーバーヘッドを90％削減し、クエリ応答時間に60–70％の改善を達成している。
• パルイエ方式のオーバーヘッドが非現実的になる大規模データウェアハウスワークロードにおいて、S4のパフォーマンス優位性が最も顕著に現れる。