[논문 리뷰] Don't Trust the Cloud, Verify: Integrity and Consistency for Cloud Object Stores

Marcus Brandenburger, Christian Cachin외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 16.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 여러 신뢰할 수 없는 클라이언트 간 클라우드 오브젝트 스토리지에서 데이터 무결성과 일관성을 검증하기 위한 VICOS 프로토콜을 제안한다. 이는 각 연산에 대해 일정한 통신 오버헤드를 가지며 포크-선형화 가능성을 달성하고, 인증된 데이터 구조를 사용하여 블로킹 없이 클라이언트 작업을 수행할 수 있도록 하며, 클라이언트 측 상태 복제를 제거하고 조정 비용을 줄여 이전 시스템보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

Cloud services have turned remote computation into a commodity and enable convenient online collaboration. However, they require that clients fully trust the service provider in terms of confidentiality, integrity, and availability. Towards reducing this dependency, this paper introduces a protocol for verification of integrity and consistency for cloud object storage (VICOS), which enables a group of mutually trusting clients to detect data-integrity and consistency violations for a cloud object-storage service. It aims at services where multiple clients cooperate on data stored remotely on a potentially misbehaving service. VICOS enforces the consistency notion of fork-linearizability, supports wait-free client semantics for most operations, and reduces the computation and communication overhead compared to previous protocols. VICOS is based in a generic way on any authenticated data structure. Moreover, its operations cover the hierarchical name space of a cloud object store, supporting a real-world interface and not only a simplistic abstraction. A prototype of VICOS that works with the key-value store interface of commodity cloud storage services has been implemented, and an evaluation demonstrates its advantage compared to existing systems.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 제공자가 완전히 신뢰할 수 없는 환경에서 다중 클라이언트 클라우드 오브젝트 스토리지에서 강력한 일관성과 무결성 보장을 제공하지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• 데이터 외주화의 목표에 어긋나는, 클라이언트가 시스템 상태의 로컬 복제본을 유지해야 하는 필요성을 제거하기 위해.
• 신뢰할 수 없는 환경에서 다중 클라이언트 설정에서 가장 강력한 일관성 보장을 제공하는 포크-선형화 가능성을 달성하면서도 블로킹이나 신뢰할 수 있는 구성 요소를 요구하지 않기 위해.
• 클라이언트 수에 따라 악화되는 SUNDR, FAUST, Venus와 같은 이전 프로토콜과 비교해 통신 및 계산 오버헤드를 줄이기 위해.
• 단순화된 추상화가 아니라 실제 클라우드 인터페이스(예: 계층적 네임스페이스)를 지원함으로써 실용적인 구현이 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• VICOS는 클라우드 스토리지에 저장된 데이터에 대해 임의의 연산을 지원하기 위해 일반적인 인증된 데이터 구조(ADS)를 기반으로 한다.
• 무결성과 일관성 검증을 위해 이중 단계 프로토콜을 사용하며, 일관성 검사를 위해 암호학적 해시 체인을 활용한다.
• 상호 간 영향을 주지 않는 '호환 가능한 연산'의 개념을 도입하여, 블로킹 없이도 실행이 가능하도록 한다.
• 클라이언트가 전체 시스템 상태 복제본을 저장할 필요 없이, 클라우드 서버에 원격으로 상태를 유지함으로써 BST나 SPORC와 같은 기존 시스템과는 달리 클라이언트 측 상태 복제를 피한다.
• 통신 오버헤드는 클라이언트 수와 무관하게 각 연산당 일정하게 유지되며, 벡터 타임스탬프 기반 시스템(예: FAUST, Venus)과 달리 Ω(n)의 비율로 증가하지 않는다.
• 일반적인 클라우드 스토리지 API를 기반으로 시스템을 구현하고 프로토타입을 평가하여 낮은 지연 시간과 높은 처리량을 입증했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라이언트가 전체 상태 복제본을 유지할 필요 없이, 클라이언트 측 상태 복제를 제거함으로써, 다중 클라이언트 클라우드 오브젝트 스토리지에서 포크-선형화 가능성을 실용적으로 달성할 수 있는가?
• RQ2 무결성 및 일관성 검증 프로토콜의 통신 및 계산 오버헤드를 클라이언트 수에 영향을 받지 않도록 줄일 수 있는가?
• RQ3 신뢰할 수 없는 서버와 다수의 협력하지 않는 클라이언트가 있는 환경에서, 모든 호환 가능한 연산에 대해 wait-free 의미 체계를 달성할 수 있는가?
• RQ4 인증된 데이터 구조를 사용하여 원격 상태 관리와 암호학적 일관성 검증을 통합할 수 있는가?
• RQ5 실제 클라우드 스토리지 서비스에 배포했을 때, 이러한 시스템의 성능 오버헤드는 어느 정도인가?

주요 결과

• VICOS는 다중 클라이언트 신뢰할 수 없는 환경에서 가장 강력한 일관성 보장을 제공하는 포크-선형화 가능성을 달성하여, 클라이언트 간의 일관성 불일치가 통신 시 감지될 수 있음을 보장한다.
• 프로토콜은 클라이언트 수와 무관하게 각 연산당 일정한 통신 오버헤드만을 유발하며, 이는 이전 시스템이 Ω(n) 또는 Ω(n²)의 비율로 증가하는 것과는 대조된다.
• VICOS는 모든 호환 가능한 연산에 대해 클라이언트의 wait-free 동작을 지원하여, 동시 실행 중에도 블로킹 없이 작동한다.
• 일반적인 클라우드 스토리지 서비스에 구현된 프로토타입은 SUNDR, FAUST, Venus와 비교해 상당히 낮은 오버헤드를 보이며, 지연 시간과 처리량 측면에서 측정 가능한 성능 향상을 보였다.
• 클라이언트 측 상태 복제를 피하고 원격 상태 및 해시 체인에 의존함으로써, VICOS는 클라이언트가 연산 간에 오프라인 상태에 머물러도 프로토콜이 멈추지 않도록 한다.
• 계층적 네임스페이스와 키-밸류 연산을 포함한 실제 클라우드 인터페이스와 호환되어 실용적인 구현에 적합하다.