[論文レビュー] Towards High-Throughput Secure MPC over the Internet: Communication-Efficient Two-Party Protocols and Its Application

Satsuya Ohata, Koji Nuida|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 28被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、秘密分散に基づく通信効率の良いセミ・ホンストな2パーティーソフトウェア計算プロトコルを提示する。ベイバー・トリプル拡張を活用し、通信ラウンド数と帯域幅を削減する。3ラウンドの比較プロトコル（less-than）を実現し、オンライン実行が前人比56.1%高速化され、通信ビット数も38.4%削減された。計算コストがやや高くなるが、高スループットなインターネット配信においても秘密分散型MPCを実用可能にする。

ABSTRACT

Secure multi-party computation (MPC) allows a set of parties to compute a function jointly while keeping their inputs private. Compared with the MPC based on garbled circuits, some recent research results show that MPC based on secret sharing (SS) works at a very high speed. Moreover, SS-based MPC can be easily vectorized and achieve higher throughput. In SS-based MPC, however, we need many communication rounds for computing concrete protocols like equality check, less-than comparison, etc. This property is not suited for large-latency environments like the Internet (or WAN). In this paper, we construct semi-honest secure communication-efficient two-party protocols. The core technique is Beaver triple extension, which is a new tool for treating multi-fan-in gates, and we also show how to use it efficiently. We mainly focus on reducing the number of communication rounds, and our protocols also succeed in reducing the number of communication bits (in most cases). As an example, we propose a less-than comparison protocol (under practical parameters) with three communication rounds. This is less than a half compared with the previous work. Moreover, the number of communication bits is also $38.4\%$ fewer. As a result, total online execution time is $56.1\%$ shorter than the previous work adopting the same settings. Although the computation costs of our protocols are more expensive than those of previous work, we confirm via experiments that such a disadvantage has small effects on the whole online performance in the typical WAN environments.

研究の動機と目的

• インターネットのような高レイテンシ環境で性能が制限される秘密分散型MPCにおける通信ラウンド数の高さを是正すること。
• セキュリティを損なわずに通信ラウンド数と通信ビット数の両方を削減すること。
• MPCプロトコルのオンラインフェーズを最適化することで、広域ネットワーク（WAN）上での高スループットなセキュア計算を可能にすること。
• 実用的WAN環境における計算コストの増加と通信効率の向上のトレードオフを評価すること。

提案手法

• 秘密分散型MPCにおけるマルチファンインゲートの効率的処理のため、ベイバー・トリプル拡張を新規に導入する。
• 等価性チェックやless-than比較といった基本的演算における通信ラウンド数を最小限に抑えることで、通信最適化プロトコルを設計する。
• 特に高レイテンシネットワーク環境において顕著な通信帯域幅の削減を実現するため、プロトコル構造を最適化する。
• 有限体上の効率的算術を用いた秘密分散を採用し、ベクトル化と高スループットを実現する。
• 正しさと機密性を維持しつつ通信効率に焦点を当てたセミ・ホンストなセキュリティモデルを採用する。
• 実用的パラメータ下での実験的評価を実施し、先行研究と性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベイバー・トリプル拡張は、秘密分散型MPCプロトコルにおける通信ラウンド数削減に効果的に利用可能か？
• RQ2 インターネット規模の展開を想定した2パーティーマルチパーティーコンピューティングにおいて、通信効率はどの程度向上できるか？
• RQ3 通信ラウンド数と帯域幅の削減が、WAN環境における全体のオンライン実行時間に与える影響はいかほどか？
• RQ4 実用的MPC展開において、計算コストの増加と通信オーバーヘッドの低減のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• 提案されたless-than比較プロトコルは、たった3ラウンドで実行可能であり、前人比半分以下の通信ラウンド数を達成した。
• 実用的パラメータ下で通信ビット数を38.4%削減し、帯域幅使用量を顕著に低減した。
• 同じ設定下で、オンライン実行時間は前人比56.1%短縮された。
• 計算コストが増加するものの、通信削減による性能向上が通常のWAN環境では支配的である。
• 結果から、インターネットベースのMPCにおいて通信効率が主なボトルネックであり、その最適化がエンド・ツー・エンドの性能向上に顕著に寄与することが確認された。