[논문 리뷰] Airtnt: Fair Exchange Payment for Outsourced Secure Enclave Computations

Mustafa Al-Bassam, Alberto Sonnino외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 16.

Security and Verification in Computing참고 문헌 33인용 수 18

한 줄 요약

Airtnt는 블록체인 기반 스마트 컨tracts와 오프체인 결제 채널을 사용하여 신뢰할 수 없고 분산된 프레임워크로서 신뢰성 있는 실행 환경(TEEs) 내에서 지불과 안전한 계산 결과의 공정한 교환을 가능하게 한다. 암호학적 인증, 실행 체크포인트당 마이크로지급, 제3자 분쟁 조정에 의존하지 않음으로써 요청자와 실행 노드 양측 모두를 사기로부터 보호한다.

ABSTRACT

We present Airtnt, a novel scheme that enables users with CPUs that support Trusted Execution Environments (TEEs) and remote attestation to rent out computing time on secure enclaves to untrusted users. Airtnt makes use of the attestation capabilities of TEEs and smart contracts on distributed ledgers to guarantee the fair exchange of the payment and the result of an execution. Airtnt makes use of off-chain payment channels to allow requesters to pay executing nodes for intermediate "snapshots" of the state of an execution. Effectively, this step-by-step "compute-payment" cycle realises untrusted pay-as-you-go micropayments for computation. Neither the requester nor the executing node can walk away and incur monetary loss to the other party. This also allows requesters to continue executions on other executing nodes if the original executing node becomes unavailable or goes offline.

연구 동기 및 목표

• 서로를 신뢰할 수 없는 요청자나 제공자가 존재하는 분산된 TEE 기반 계산 시장에서 공정한 교환 메커니즘이 부족한 문제를 해결한다.
• 서로 신뢰할 수 없거나 신뢰할 수 있는 제3자 없이도 원격 TEE 기반 노드에서 사용자 작업을 안전하고 검증 가능한 방식으로 실행할 수 있도록 한다.
• 결제 채널을 통한 체크포인트 기반 마이크로지급을 도입하여 요청자의 지급 불이행 또는 노드의 부정행위 위험을 완화한다.
• 기존 노드가 장애 발생 또는 오프라인 상태가 되었을 경우 대체 노드에서 실행을 계속할 수 있도록 장애 내성을 지원한다.
• 큰 계산 결과를 블록체인에 저장하지 않고 암호학적 증거와 오프체인 상태 업데이트에 의존함으로써 블록체인의 과도한 부피 증가를 방지한다.

제안 방법

• 실행 무결성 확보 및 원격 인증 보고서 생성을 위해 Intel SGX 또는 유사한 TEE를 활용한다.
• 분산 레거시 상의 스마트 컨트랙트를 사용하여 지불과 결과의 공정한 교환을 위한 신뢰할 수 없는 중재자 역할을 수행한다.
• 각 실행 체크포인트 이후 마이크로지급을 가능하게 하여 블록체인 트랜잭션 부담을 줄이기 위해 오프체인 결제 채널을 활용한다.
• 각 상태 전이가 암호학적으로 검증되고 보상받는 단계별 계산-지급 사이클을 도입한다.
• 양 당사자가 실행 상태와 지급에 대해 암호학적으로 약속을 이행하도록 설계하여 어느 한쪽도 이득을 취하고 도망가는 것을 방지한다.
• 암호학적 증거(예: 인증 서명)를 사용하여 결과를 실행 상태에 묶어 정확성의 검증 가능성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서로를 신뢰할 수 없는 당사자 간에 분산된 TEE 기반 계산 시장에서 지불과 결과의 공정한 교환은 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 장기간에 걸친 TEE 계산 중 요청자의 지급 불이행 위험을 줄이기 위해 결제 채널을 통한 마이크로지급을 사용할 수 있는가?
• RQ3 큰 결과를 블록체인에 저장하지 않고도 실행 무결성을 암호학적으로 어떻게 검증할 수 있는가?
• RQ4 실패하거나 부정행위를 하는 실행 노드가 요청자나 제공자에게 손실을 초래하지 않도록 보장하기 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 체크포인트 기반 마이크로지급 모델이 실제 워크로드에서 성능과 자원 활용도에 미치는 영향은 어느 정도인가?

주요 결과

• Airtnt는 상호 신뢰가 없거나 제3자 중재자가 필요 없이도 분산된 TEE 기반 계산 시장에서 지불과 결과의 공정한 교환을 성공적으로 구현한다.
• 실행 체크포인트당 마이크로지급을 위한 결제 채널의 사용은 요청자의 지급 불이행 위험을 감소시키며, 기존 노드가 장애 발생했을 경우 대체 노드로의 이행을 가능하게 한다.
• 게임 오브 라이프 및 OCR 워크로드에 대한 평가 결과, 빈번한 체크포인트로 인한 보안성 향상와 증가한 대역폭 및 에이전트 오버헤드로 인한 효율성 저하 사이에 명확한 트레이드오프가 존재한다.
• 시스템은 큰 계산 결과를 블록체인에 저장하지 않아 거래 비용과 온체인 검증 부담을 크게 감소시킨다.
• TEE에서 생성된 암호학적 인증을 통해 오직 정확한 실행 결과만 수락되며, 어떠한 이심도 암호학적으로 탐지 가능하다.
• 최대 절반의 노드가 악의적일 수 있는 상황에서도 최소한 하나의 노드가 정상일 경우, 공론화 및 검증 메커니즘을 통해 강력한 보안 보장을 유지한다.