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

Minghao Ruan, Huan Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、部分的準同型暗号を用いて、集約者を必要とせず、プライバシーを保護する分散型の非有向ネットワーク向けの合意形成プロトコルを提案する。状態の交換を暗号化することで、受動的盗聴者に対してもノードのプライバシーを保護し、量子化誤差の範囲内で正確な平均値に収束させる。動的トポロジーにも対応でき、シミュレーションおよびラズベリー・パイのハードウェア実験により検証されている。

ABSTRACT

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 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 an aggregator or third-party. By leveraging partial homomorphic cryptography to embed secrecy in pairwise interaction dynamics, our approach can guarantee consensus to the exact value in a deterministic manner without disclosing a node's state to its neighbors. In addition to enabling resilience to passive attackers aiming to steal state information, the approach also allows easy incorporation of defending mechanisms against active attackers which try to alter the content of exchanged messages. Furthermore, in contrast to existing noise-injection based privacy-preserving mechanisms which have to reconfigure the entire network when the topology or number of nodes varies, our approach is applicable to dynamic environments with time-varying coupling topologies. This secure and privacy-preservation approach is also applicable to weighted average consensus as well as maximum/minimum consensus under a new update rule. The approach is light-weight in computation and communication. Implementation details and numerical examples are provided to demonstrate the capability of our approach.

研究の動機と目的

• ノード状態の明示的交換を要する従来の合意形成アルゴリズムに内在するプライバシー漏洩を解消すること。
• ノイズ注入法の限界を克服し、盗聴にさらされても正確性を失わないか、静的トポロジーを仮定しないこと。
• 信頼できる第三者を必要とせず、分散ネットワークにおいて正確な平均合意値への決定的収束を実現すること。
• 受動的盗聴者およびメッセージを改ざんしようとする能動的攻撃者に対して耐性を持つこと。
• 新しい更新ルールの下で、重み付き平均および最大/最小合意形成へとアプローチを拡張すること。

提案手法

• 部分的準同型暗号（特にPaillier暗号方式）を用い、ペアワイズな相互作用中に状態値を暗号化すること。
• ノードが原始状態を露呈せずに更新を計算できる、新しいペアワイズ相互作用プロトコルを設計すること。
• 並列スレッドを用いたカウンタベースの同期メカニズムを導入し、複数ノードネットワークにおける同時リクエストとレスポンスを処理すること。
• メッセージ改ざんを防ぐためにデジタル署名を用いること。
• 暗号化データ上の同型演算を決定的に実行することで、正確な平均値（量子化誤差の範囲内）への収束を保証すること。
• 少なくとも1人の誠実な隣接ノードがプロトコルを忠実に実行するという前提に基づき、動的システムのための新しいプライバシー定義を策定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できる第三者を必要とせず、正確な平均値への収束を保証する分散合意形成プロトコルは可能か？
• RQ2 敵対的観測下における動的合意形成システムにおいて、プライバシーを形式的に定義・証明できるか？
• RQ3 通信チャネルを監視する受動的盗聴者に対しても、提案手法は耐性を示せるか？
• RQ4 時間変動するトポロジーを有する動的ネットワークにおいて、ノイズベースのオーバーレイ手法と比較して、プロトコルの性能はいかがなものか？
• RQ5 新しい更新ルールの下で、重み付き平均および最大/最小合意形成を安全な更新ルールでサポートできるか？

主な発見

• 提案手法は、ノイズ注入を要せず、決定的に平均合意値（量子化誤差の範囲内）への収束を達成する。
• 数値シミュレーションにより、相関ノイズベースの手法とは異なり、受動的盗聴者に対しても耐性があることが確認された。
• 6ノードのラズベリー・パイネットワークを用いたハードウェア実験では、平均値580.67に約13ステップで収束し、1回の相互作用あたり平均7.8 msの処理遅延を示した。
• 本手法は動的トポロジーをサポートし、ノード数や結合構造の変更に伴うネットワーク再構成を必要としない。
• ラズベリー・パイ上での暗号化処理の計算オーバーヘッド（1回の相互作用あたり7.8 ms）は、リアルタイム制御システムにとって妥当であると評価された。
• 新しい更新ルールを用いることで、重み付き平均合意形成および最大/最小合意形成への拡張が可能であり、セキュリティとプライバシーを維持したまま運用できる。