[論文レビュー] The Melbourne Shuffle: Improving Oblivious Storage in the Cloud

Olga Ohrimenko, Michael T. Goodrich+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2014

Cryptography and Data Security参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

メルボルン・シャッフルは、ランダムな順列とバケツ化メカニズムを用いて暗号化されたデータをシャッフルすることで、クラウドストレージにおけるプライバシーを向上させる、革新的なオーバリアスストレージプロトコルを提案する。アクセスパターンがデータアクセスパターンを露呈しないように保証し、各操作あたりO(log n)の均等化I/Oを達成するとともに、低い帯域幅コストを実現する。

ABSTRACT

We present a simple, efficient, and secure data-oblivious randomized shuffle algorithm. This is the first secure data-oblivious shuffle that is not based on sorting. Our method can be used to improve previous oblivious storage solutions for network-based outsourcing of data.

研究の動機と目的

• クラウドベースのオーバリアスストレージシステムにおけるアクセスパターン漏洩問題に対処すること。
• 信頼できるハードウェアに依存せずに、データアクセスパターンのプライバシーを保証するプロトコルを設計すること。
• 強いセキュリティ保証を維持しつつ、オーバリアスストレージにおけるI/Oおよび帯域幅コストを最小限に抑えること。
• 実世界のクラウドデプロイメントに適した、効率的でスケーラブルかつ実用的なオーバリアスストレージを実現すること。

提案手法

• プロトコルは入力データを√n個のバケツに分割し、順列ρを用いて要素を補助配列T内のターゲットストレージ場所にマッピングする。
• 各要素は復号され、ρ(x)/√nを用いてT内のターゲットバケツが計算され、対応するバケツに再暗号化されて配置される。
• 逆マッピング構造が使用され、T内のターゲットバケツごとに要素をグループ化し、バッチ更新を可能にする。
• メモリおよび通信コストを制御するため、バケツあたりの最大要素数（max_elems = p log n）が使用される。
• 配布フェーズでは、入力バケツを読み込み、分散putRangeプリミティブを用いてmax_elemsのバッチサイズでTに書き込む。
• プロトコルは、入力配列および出力配列へのアクセスパターンが区別不能であることを保証し、オーバリアス性を満たす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低I/Oおよび帯域幅コストを実現しながらも、強いプライバシー保証を維持する実用的なオーバリアスストレージプロトコルを設計できるか？
• RQ2 信頼できないクラウドサーバーからアクセスパターンを隠す方法で、データシャッフルを効率的に実行できるか？
• RQ3 オーバリアスストレージシステムにおいて、ストレージ、通信、計算コストの最適なトレードオフは何か？
• RQ4 大規模なデータセットに対しても、セキュリティとパフォーマンスを維持しながら、効率的にスケーリングできるか？

主な発見

• プロトコルは、以前の構成と比較して顕著に向上した、各操作あたりO(log n)の均等化I/Oコストを達成する。
• 帯域幅コストは、アルゴリズムの定数パラメータpを用いてO(p log n)に抑えられる。
• バケツ化と逆マッピングの使用により、バッチ更新が可能になり、個々のI/O操作の数が削減される。
• プロトコルは、入力配列および出力配列へのアクセスパターンが区別不能であることを保証し、オーバリアス性の定義を満たす。
• 構成は効率的かつ実用的であり、実世界のクラウドストレージシステムへのデプロイメントに適している。