[論文レビュー] Think Global, Act Local: Gossip and Client Audits in Verifiable Data Structures

Sarah Meiklejohn, Pavel Kalinnikov+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 30被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、クライアントが自身のデータエントリを検証可能なデータ構造内で効率的に個人的監査を実行できる検証可能レジストリであるMogを紹介する。グローバル監査者に依存することなく、軽量なガッピングプロトコルとMerkleツリーに基づくコンパクトな範囲を組み合わせることで、一貫性とセキュリティを確保し、衝突耐性ハッシュ関数を用いた証明可能なセキュリティと、クライアントあたりのサブ線形監査コストを達成する。

ABSTRACT

In recent years, there has been increasing recognition of the benefits of having services provide auditable logs of data, as demonstrated by the deployment of Certificate Transparency and the development of other transparency projects. Most proposed systems, however, rely on a gossip protocol by which users can be assured that they have the same view of the log, but the few gossip protocols that do exist today are not suited for near-term deployment. Furthermore, they assume the presence of global sets of auditors, who must be blindly trusted to correctly perform their roles, in order to achieve their stated transparency goals. In this paper, we address both of these issues by proposing a gossip protocol and a verifiable registry, Mog, in which users can perform their own auditing themselves. We prove the security of our protocols and demonstrate via experimental evaluations that they are performant in a variety of potential near-term deployments.

研究の動機と目的

• 検証可能なデータ構造において、特にCertificate Transparency やKey Transparency のような近い将来の応用に向けた実装可能なガッピングプロトコルの欠如に対処すること。
• グローバル監査者に依存しないようにし、クライアントが検証可能なログやレジストリ内の自身のデータエントリを独立して検証できるようにすること。
• グローバル監査よりもはるかに低い計算コストで、効率的かつ証明可能なセキュリティを備えた個人的監査を可能にするシステムを設計すること。
• ブロックチェーン依存性やインターネットインフラの変更なしに、スプリットビュー攻撃を防ぐガッピングプロトコルを提供すること。

提案手法

• 検証可能なログの最新チェックポイントを、一定数の誠実なウォッチマンが署名するガッピングプロトコルを提案し、クライアントが署名を収集・検証することで不整合を検出可能にする。
• Merkleツリーにおけるコンパクトな範囲を用いて、1つのバージョンに複数の更新を表現することで、Merkle Mountain Range (MRL) 構造のサイズと検証コストを削減する。
• 2段階の検証プロセスを採用：クライアントはまず、MRLが以前のチェックポイントと整合性を持っているかを検証し、次にウォッチマンからの署名を検証して悪意ある行動を検出する。
• Mogを検証可能なレジストリとして導入し、エントリをバージョニングされたチェックポイント付きのMerkleツリーに格納することで、クライアントが自身のキーのみを$O(N_{\mathsf{MRL}} \cdot \log M)$の計算量で監査可能にする。
• 整合性を保証するため、衝突耐性ハッシュ関数に依存し、クライアント側の署名集約を用いて、二重署名（equivocation）およびスプリットビュー攻撃を検出する。
• クライアントが自身の脅威モデルや信頼仮定に基づいて合意閾値を定義できる柔軟なクライアントポリシーをサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンやインフラレベルの変更に依存せず、Certificate Transparency のようなシステムで近い将来に導入可能なスプリットビュー攻撃を防ぐガッピングプロトコルを設計できるか？
• RQ2 自身のエントリのみをサブ線形コストで監査できる検証可能なレジストリを構築することは可能か？
• RQ3 信頼できるグローバル監査者やグローバル監査機関を必要とせず、クライアント側監査を効率的かつ証明可能なセキュリティで実現できるか？
• RQ4 大規模レジストリにおいて、監査効率とバージョン更新頻度との間のパフォーマンストレードオフは何か？
• RQ5 欠落したエントリなどの悪意ある出来事の後から検出できるように、リアルタイム防止を必要としないシステムは可能か？

主な発見

• 提案されたガッピングプロトコルは、一定数のウォッチマンが誠実である限りスプリットビュー攻撃を防止でき、最低限の稼働時間要件を満たせばライブネスを達成する。
• Mogはクライアントあたり$O(N_{\mathsf{MRL}} \cdot \log M)$の計算量で個人的監査を可能にし、グローバル監査に必要な$O(N)$の作業と比較して大幅にコストを削減する。
• 実験的評価により、負荷が高く、データサイズが増大してもプロトコルがパフォーマンスを維持することが確認された。
• 衝突耐性ハッシュ関数の仮定のもと、システムは証明可能なセキュリティを備えており、データの一貫性と整合性が保証される。
• レジストリサイズが増大するに従い、バージョン作成レートを遅くする必要があることが示され、リアルタイム検出とシステムスケーラビリティの間のトレードオフが明らかになった。
• Mogは、$N_{\mathsf{key}} \gg \log N$の状況において、SEEMless や CONIKS よりも個人的監査効率が優れていることが実証された。