[논문 리뷰] Authenticated Append-only Skip Lists

Petros Maniatis, Mary Baker|ArXiv.org|2003. 02. 07.

Cloud Data Security Solutions참고 문헌 8인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 분산 시스템에서 위변조 탐지 가능하고, 추가 전용인 암호학적으로 안전한 데이터 구조인 인증된 추가 전용 스킵리스트(Authenticated Append-Only Skip List, AASL)를 소개한다. 이 구조는 유지보수자가 단순한 요약값을 통해 일련의 데이터를 고정하고, 어떤 요소의 포함성과 위치에 대해 압축된 증명을 생성할 수 있게 하여, 악성 유지보수자라도 항목을 위조하거나 서로 모순되는 증명을 제공할 수 없도록 보장함으로써, 증명 가능한 무결성을 확보한다.

ABSTRACT

In this work we describe, design and analyze the security of a tamper-evident, append-only data structure for maintaining secure data sequences in a loosely coupled distributed system where individual system components may be mutually distrustful. The resulting data structure, called an Authenticated Append-Only Skip List (AASL), allows its maintainers to produce one-way digests of the entire data sequence, which they can publish to others as a commitment on the contents and order of the sequence. The maintainer can produce efficiently succinct proofs that authenticate a particular datum in a particular position of the data sequence against a published digest. AASLs are secure against tampering even by malicious data structure maintainers. First, we show that a maintainer cannot ``invent'' and authenticate data elements for the AASL after he has committed to the structure. Second, he cannot equivocate by being able to prove conflicting facts about a particular position of the data sequence. This is the case even when the data sequence grows with time and its maintainer publishes successive commitments at times of his own choosing. AASLs can be invaluable in reasoning about the integrity of system logs maintained by untrusted components of a loosely-coupled distributed system.

연구 동기 및 목표

• 중앙 권한이 신뢰할 수 없고, 상호 신뢰하지 못하는 분산 시스템에서 신뢰할 수 있고 위변조 탐지 가능한 시스템 로그를 유지하는 문제를 해결하기 위해.
• 장기간의 성장에도 불구하고, 일련의 요소에 대해 효율적이고 암호학적으로 검증 가능한 포함성 증명을 지원하는 확장 가능한 데이터 구조를 설계하기 위해.
• 악성 유지보수자가 새로운 항목을 위조하거나 동일한 일련의 위치에 대해 모순되는 증명을 생성할 수 없도록 보장하여 일관성과 무결성을 유지하기 위해.
• 데이터 소스를 신뢰하지 않고도, 공개된 요약값과 압축된 증명만을 사용하여 원격 구성 요소가 로그 항목의 진위성과 순서를 검증할 수 있는 메커니즘을 제공하기 위해.

제안 방법

• AASL은 각 노드가 데이터 요소와 공통 해시 함수를 통해 계산된 암호학적 인증자(autenticator)를 포함하는 계층적 스킵리스트 구조를 사용한다.
• 스킵리스트의 각 수준은 해시 체인으로 보호되며, 인증자가 상향으로 전파되어 전체 일련의 내용과 순서를 나타내는 압축된 요약값을 형성한다.
• 포함성 증명은 루트에서 대상 요소까지 스킵리스트를 따라가면서, 요소의 존재성과 위치를 검증하는 데 필요한 노드와 인증자만을 수집함으로써 구성된다.
• 진행 증명(advancement proofs)은 시간이 지남에 따라 일련의 일관성을 검증하기 위해 사용되며, 한 시점에 발행된 요약값이 이후의 증명에 의해 모순될 수 없음을 보장한다.
• 충돌 저항성 해시 함수의 사용과, 모든 검증 경로가 중간 인증자 값에 대해 일치하도록 요구하는 증명 체계를 통해 암호학적 보안이 확보된다.
• 요약값이 발행된 후에 데이터를 수정하거나 재정렬하거나 삽입하려는 모든 尝시도는 인증자 체인의 일관성이 깨지므로 검증 알고리즘이 이를 탐지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장기간의 긴 일련의 데이터에 대해서도 포함성과 위치에 대한 효율적이고 압축된 증명을 제공할 수 있는 암호학적으로 안전한 추가 전용 데이터 구조를 설계할 수 있는가?
• RQ2 악성 유지보수자가 동일한 일련의 위치에 대해 서로 다른 증명을 생성하거나 새로운 항목을 위조할 수 없는가?
• RQ3 일관성 있는 이전 요약값을 유지하면서도 시간이 지남에 따라 다수의 독립적으로 검증 가능한 약속(commitment)을 지원할 수 있는가?
• RQ4 장기간의 성장과 유지보수자가 임의의 시간에 요약값을 발행하더라도, 로그 시간 복잡도가 로그 크기 비례하는 압축된 증명과 효율적인 검증을 유지하면서도, 유지보수자 자신조차도 위변조에 대해 강력한 보장을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• AASL 구조는 전체 일련의 내용과 순서를 고정하는 단방향 요약값을 제공하며, 원격 당사자가 압축된 증명만을 사용하여 어떤 데이터 요소의 무결성도 검증할 수 있다.
• 악성 유지보수자는 요약값이 발행된 후 실제로 추가되지 않은 데이터 요소에 대해 유효한 증명을 생성할 수 없다.
• 이중성 방지(equivocation prevention): 유지보수자는 동일한 위치에 대해 서로 모순되는 두 개의 유효한 증명을 생성할 수 없으며, 이는 다른 시간대나 다른 요약값 약속 간에도 마찬가지다.
• 증명 체계는 포함성, 진행, 요약값 검증을 위한 모든 검증 경로가 중간 인증자 값을 동일하게 받아들이도록 보장하여 일관성 공격을 방지한다.
• 일련의 데이터가 무한히 증가하고 유지보수자가 임의의 시간에 요약값을 발행하더라도 보안 모델이 유지되어 장기간에 걸친 감사 가능성을 보장한다.
• 성능 측정 결과에 따르면 AASL은 일련의 길이에 비례하여 로그 크기 비례하는 압축된 증명 크기와 함께 효율적인 증명 생성 및 검증을 지원하여 대규모 시스템에 실용적이다.