[논문 리뷰] A Practical Solution to Yao's Millionaires' Problem and Its Application in Designing Secure Combinatorial Auction

Sankarshan Damle, Boi Faltings외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 15.

Auction Theory and Applications참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 야오의 백만장자 문제를 위한 새로운 상수 시간 솔루션인 프라이버시 보존 비교(PPC)를 제안한다. 이는 반간접적인 제3자 공증인을 사용하여 두 정수를 값이 드러나지 않도록 안전하게 비교한다. 이 방법은 실용적이고 공모 저항성 및 검증 가능성이 있으며, 입찰 가격, 입찰 구조, 신원 정보까지 모두 보존하는 보다 효율적인 보안 조합 경매 프로토콜인 TPACAS를 가능하게 하여, 입찰자와 경매자 모두에게 개인정보를 보호한다. 이는 이전 방법 대비 뚜렷한 성능 향상을 제공한다.

ABSTRACT

The emergence of e-commerce and e-voting platforms has resulted in the rise in the volume of sensitive information over the Internet. This has resulted in an increased demand for secure and private means of information computation. Towards this, the Yao's Millionaires' problem, i.e., to determine the richer among two millionaires' securely, finds an application. In this work, we present a new solution to the Yao's Millionaires' problem namely, Privacy Preserving Comparison (PPC). We show that PPC achieves this comparison in constant time as well as in one execution. PPC uses semi-honest third parties for the comparison who do not learn any information about the values. Further, we show that PPC is collusion-resistance. To demonstrate the significance of PPC, we present a secure, approximate single-minded combinatorial auction, which we call TPACAS, i.e., Truthful, Privacy-preserving Approximate Combinatorial Auction for Single-minded bidders. We show that TPACAS, unlike previous works, preserves the following privacies relevant to an auction: agent privacy, the identities of the losing bidders must not be revealed to any other agent except the auctioneer (AU), bid privacy, the bid values must be hidden from the other agents as well as the AU and bid-topology privacy, the items for which the agents are bidding must be hidden from the other agents as well as the AU. We demonstrate the practicality of TPACAS through simulations. Lastly, we also look at TPACAS' implementation over a publicly distributed ledger, such as the Ethereum blockchain.

연구 동기 및 목표

• 전자상거래 및 전자투표 시스템에서 민감한 데이터를 보호해야 하는 상황에서 효율적이고 개인 정보를 보호하는 비교 프로토콜의 부족을 해결하기 위해.
• 입찰 가격, 입찰 구조, 진입 실패자 신원 등 다중 개인정보 계층을 보존하는 보안적이고 실용적이며 검증 가능한 조합 경매를 설계하기 위해.
• 이더리움과 같은 공개 블록체인에 개인 정보 보존 경매를 구현할 수 있도록 하여 비밀 입찰 정보가 폭 lộ되지 않도록 하기 위해.
• 기존 보안 경매 프로토콜 대비 강력한 개인정보 보호 보장을 유지하면서도 계산 오버헤드를 줄이기 위해.

제안 방법

• PPC는 피아르센 결합을 사용하여 두 정수 간 비교의 제로 지식 검증을 가능하게 하여, 어느 당사자도 실제 값을 알 수 없도록 보장한다.
• 반간접적인 제3자 공증인 체계를 도입하여 비교를 단일 실행으로 수행함으로써 O(1) 시간 복잡도를 달성한다.
• 프로토콜은 공모 저항성 설계로, 공증인이 공모하더라도 암호학적 결합 덕분에 입력 값의 정보를 유추할 수 없다.
• TPACAS는 PPC를 보안 조합 경매 프레임워크에 통합하여 입찰자가 암호화된 입찰과 물품 묶음을 제출하고, 유일하게 승자 정보만 공개되도록 한다.
• 경매는 에이전트와 공증인 간의 오프체인 통신을 통해 비교 및 승자 결정을 수행하고, 블록체인 상의 스마트 컨tracts는 등록 및 최종 정산을 담당한다.
• 공증인 수수료는 스마트 컨트랙트를 통해 인cent라이징되어 정직한 행동을 보장하고 조작을 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각 비교에 대해 단일 실행만 필요로 하며 상수 시간으로 작동하는 보안 비교 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 조합 경매에서 다른 에이전트와 경매자 모두로부터 입찰 가격, 입찰 구조, 진입 실패자 신원을 어떻게 보존할 수 있는가?
• RQ3 이더리움과 같은 공개 블록체인에 성능이나 보안을 희생시키지 않고 개인 정보 보존 조합 경매를 구현하는 것이 가능한가?
• RQ4 기존의 보안 경매 프로토콜 대비 제안된 프로토콜이 계산 비용을 최소화하면서도 사회적 복지 유지 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 25개 입찰, 15개 물품 인스턴스에서 TPACAS는 평균 근사 비율 1.13을 기록하여 수익 손실이 최소화된 강력한 복지 유지 성능을 보였다.
• 100개 입찰, 15개 물품 인스턴스에서 TPACAS는 평균 약 54분 내로 완료되었으며, 이는 이전 연구에서 단일 물품 경매조차도 2.5시간 이상 소요된 것에 비해 뚜렷한 성능 향상이다.
• 가장 계산 비용이 많이 드는 단계인 값과 물품 비교의 검증이 여전히 효율적이고 확장 가능하여 실용적 구현이 가능하다.
• 각 에이전트의 번들 크기가 최소 2 이상일 경우 입찰 구조 비밀이 높은 확률로 유지되며, 이는 실제 조합 경매에서의 현실적인 가정이다.
• 하이브리드 온체인/오프체인 아키텍처를 통해 이더리움 상에서의 실용성을 입증하였으며, 스마트 컨트랙트가 등록 및 최종 정산을 담당한다.
• 피아르센 결합의 사용은 비교의 정확성을 입증하기 위해 입력 정보를 드러내지 않으면서도 검증 가능성을 보장한다.