[論文レビュー] Secure and Privacy-Preserving Average Consensus

Minghao Ruan, Muaz Ahmad+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 10被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、信頼できる第三者に依存せずに正確な平均値への収束を保証する、分散型でホモモルフィック暗号に基づくプライバシー保護型平均コンSENSUSプロトコルを提案する。通信中に状態値をPaillier暗号方式で暗号化することで、データ機密性と決定的収束性を両立し、時間変動するトポロジー下でも動作可能であり、Raspberry Pi プラットフォームでの実験的検証により、13ステップ以内に正確なコンセンサスに到達している。

ABSTRACT

Average consensus is fundamental for distributed systems since it underpins key functionalities of such systems ranging from distributed information fusion, decision-making, to decentralized control. In order to reach an agreement, existing average consensus algorithms require each agent to exchange explicit state information with its neighbors. This leads to the disclosure of private state information, which is undesirable in cases where privacy is of concern. In this paper, we propose a novel approach that enables secure and privacy-preserving average consensus in a decentralized architecture in the absence of any trusted third-parties. By leveraging homomorphic cryptography, our approach can guarantee consensus to the exact value in a deterministic manner. The proposed approach is light-weight in computation and communication, and applicable to time-varying interaction topology cases. A hardware implementation is presented to demonstrate the capability of our approach.

研究の動機と目的

• 従来の平均コンセンサスプロトコルが平文状態値を交換するためのプライバシー漏洩を是正すること。
• 信頼できる第三者やノイズベースの隠蔽に依存せずに、分散システムにおける正確な平均コンセンサスを実現すること。
• 状態情報の暗号化による盗聴およびノード改ざん攻撃に対するセキュリティを確保すること。
• リソース制限のあるサイバー物理システムへの展開を考慮し、計算および通信オーバーヘッドを低く保つこと。
• 実世界の無線およびモバイルネットワークで一般的な時間変動型相互作用トポロジーをサポートすること。

提案手法

• プロトコルは、加法的ホモモルフィズムを有するPaillier暗号方式を用い、暗号化された値の上での和の安全な計算を可能にする。
• 各ノードは公開鍵を用いて自身の状態値を暗号化し、ネットワークを介して隣接ノードとこの暗号化値を交換する。
• 隣接ノードは暗号化された値に対してホモモルフィック加算を実行し、復号なしで状態値の合計を計算することで、プライバシーを保持する。
• 暗号化のための整数化を実現するため、スケーリングと丸め処理を用いた量子化ステップを導入し、復号後に逆スケーリングを適用する。
• カウンタベースの同期メカニズムにより、複数ノードネットワークにおける非同期起動状態でもノード間の同期を保証する。
• 実装では、複数の通信リクエストおよびレスポンスを並列処理するためのpthreadsを活用し、組み込みプラットフォームでもリアルタイム動作を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型平均コンセンサスプロトコルは、ノードのプライバシーを保護しつつ、真の平均値への正確な収束を達成できるか？
• RQ2 信頼できる第三者を必要とせず、ホモモルフィック暗号を分散コンセンサスに適用する方法は何か？
• RQ3 リソース制限のあるシステムにおいて、暗号化および復号化が計算および通信オーバーヘッドに与える影響は何か？
• RQ4 時間変動型ネットワークトポロジー下でも、プロトコルは正しさと収束性を維持できるか？
• RQ5 完全に分散型環境において、安全かつ効率的な同期を達成する方法は何か？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、期待値での収束や誤差有界の方法とは異なり、決定的収束を実現し、真の平均値に到達する。
• 6台のRaspberry Pi ボードを用いた実験結果から、初期状態が290, 746, 541, 383, 301, 675である場合、真の平均値489.33に13ステップ以内で収束している。
• 1回の通信あたりの平均処理遅延は7.8 msで測定され、リアルタイムサイバー物理システムへの実装可能性を示している。
• 本システムは時間変動型相互作用トポロジーをサポートしており、モバイルまたは動的ネットワークに適している。
• 固定長整数表現と2の補数を用いた負の値の処理により、組み込みハードウェア上で効率的かつ安全な計算が可能である。
• libpaillier および pthreads を用いた実装により、低リソースデバイス上でも計算オーバーヘッドが管理可能であることが確認された。