[논문 리뷰] Differential Privacy-Based Online Allocations towards Integrating Blockchain and Edge Computing

Jianxiong Guo, Weili Wu|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 08.

Privacy-Preserving Technologies in Data참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 통합 엣지 컴퓨팅 시스템에서 IoT 기기와 엣지 서버 간의 안전하고 정직하며 효율적인 자원 할당을 위한 차별적 비밀보장 강화 온라인 다중 품목 이중 경매(MIDA) 메커니즘을 제안한다. 경매 과정에 차별적 비밀보장을 통합함으로써 민감한 입찰 데이터가 추론 공격으로부터 보호되면서도 높은 사회적 복지와 정직성을 유지하며, 시뮬레이션 결과는 비밀보장 예산이 증가할수록 거의 최적의 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

In recent years, the blockchain-based Internet of Things (IoT) has been researched and applied widely, where each IoT device can act as a node in the blockchain. However, these lightweight nodes usually do not have enough computing power to complete the consensus or other computing-required tasks. Edge computing network gives a platform to provide computing power to IoT devices. A fundamental problem is how to allocate limited edge servers to IoT devices in a highly untrustworthy environment. In a fair competition environment, the allocation mechanism should be online, truthful, and privacy safe. To address these three challenges, we propose an online multi-item double auction (MIDA) mechanism, where IoT devices are buyers and edge servers are sellers. In order to achieve the truthfulness, the participants' private information is at risk of being exposed by inference attack, which may lead to malicious manipulation of the market by adversaries. Then, we improve our MIDA mechanism based on differential privacy to protect sensitive information from being leaked. It interferes with the auction results slightly but guarantees privacy protection with high confidence. Besides, we upgrade our privacy-preserving MIDA mechanism such that adapting to more complex and realistic scenarios. In the end, the effectiveness and correctness of algorithms are evaluated and verified by theoretical analysis and numerical simulations.

연구 동기 및 목표

• 경량 IoT 기기와 엣지 서버 간의 공정하고 안전한 자원 할당 문제를 해결하기 위해.
• 동적이고 신뢰할 수 없는 환경에서 작동하는 온라인, 정직하며 개인정보 보호 기능을 갖춘 메커니즘을 설계하기 위해.
• 시장 효율성을 유지하면서 참가자의 비공개 입찰 정보를 추론 공격으로부터 보호하기 위해.
• 기본 MIDA 메커니즘을 더 현실적이고 확장 가능한 다대일 할당 모델(MIDA-G)으로 확장하기 위해.
• 이론적 분석과 수치 시뮬레이션을 통해 제안된 메커니즘의 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• IoT 기기들을 구매자로, 엣지 서버들을 판매자로 간주하여 자원 할당 문제를 온라인 다중 품목 이중 경매(MIDA)로 수립한다.
• 밀봉입찰 경매 기반의 정직한 메커니즘을 설계하여 개인적 합리성, 예산 균형, 계산 효율성을 확보한다.
• 입찰가의 평가값과 요구사항에 차별적 비밀보장을 적용하여, 개인 정보에 대한 추론 공격을 방지하기 위해 조절된 노이즈를 주입한다.
• 일대일 및 다대일 할당 시나리오 모두에서 개인정보 보호를 향상시키기 위해 MIDA-DP 및 MIDA-G-DP 변형을 도입한다.
• 사용자 효용(사회적 복지)과 개인정보 보호 사이의 트레이드오프를 제어하기 위해 비밀보장 예산 파라미터 ε를 사용한다.
• 100회의 반복을 통해 다양한 비밀보장 예산과 시간 슬롯에서 사회적 복지를 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 통합 엣지 컴퓨팅 환경에서 IoT 기기와 엣지 서버 간의 동적 자원 할당을 위한 온라인, 정직하며 개인정보 보호 기능을 갖춘 메커니즘을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 차별적 비밀보장이 민감한 입찰 데이터를 추론 공격으로부터 보호하면서도 사회적 복지를 얼마나 떨어뜨리는가?
• RQ3 MIDA 메커니즘의 성능은 일대일 매핑 대비 다대일 할당(MIDA-G) 상황에서 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 비밀보장 예산 ε가 온라인 경매 메커니즘에서 효용과 개인정보 보호 사이의 트레이드오프에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 자원 제약 조건 하에서 온라인 메커니즘은 시간이 지남에 따라 어떻게 행동하는가?

주요 결과

• MIDA 메커니즘은 일대일 할당 시나리오에서 정직성, 개인적 합리성, 예산 균형, 계산 효율성을 달성한다.
• MIDA-DP 메커니즘은 차별적 비밀보장 기반 노이즈 주입을 통해 높은 신뢰도로 개인정보를 보호하며, ε가 증가함에 따라 비공개 MIDA 수준에 가까운 사회적 복지 수준을 확보한다.
• 비밀보장 예산 ε가 증가할수록 MIDA-DP의 예상 사회적 복지가 증가하며 MIDA 수준에 수렴함을 보여주며, 개인정보 보호와 성능 사이의 유리한 트레이드오프를 입증한다.
• 온라인 환경에서는 누적 자원 소비로 인해 사회적 복지가 시간이 지남에 따라 감소하며, 낮은 ε 값에서는 더 큰 변동성이 관찰된다.
• MIDA-G 변형은 더 효율적인 다대일 할당 덕분에 MIDA보다 훨씬 높은 사회적 복지를 달성하며, MIDA-G-DP 역시 MIDA-DP와 유사한 개인정보-성능 트레이드오프를 보여준다.
• 수치 시뮬레이션은 정적 및 동적 시간 슬롯을 포함한 다양한 시나리오에서 제안된 메커니즘의 정확성과 효과성을 확인한다.