[논문 리뷰] Homomorphic Encryption: An Analysis of its Applications in Searchable Encryption

Ivone Amorim, Ivan Costa|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 26.

Cryptography and Data SecurityComputer Science참고 문헌 77인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 암호화된 데이터 상에서 안전하고 효율적인 검색을 가능하게 하는 Homomorphic Encryption (HE)의 검색 암호화 (SE) 기반 시스템에 대한 통합을 분석한다. 연구 결과, 부분적 동형 암호화 (PHE), 특히 Paillier 암호체계가 SE에서 HE 사용의 주요 형태임을 밝혀냈으며, 색인 기반 아키텍처와 순위 기반 검색이 가장 일반적임을 확인했다. 반면, 흐린 키워드 검색, 검증 가능성, 사용자 권한 회수 등의 기능은 여전히 개발이 부족한 상태이다.

ABSTRACT

The widespread adoption of cloud infrastructures has revolutionised data storage and access. However, it has also raised concerns regarding the privacy of sensitive data stored in the cloud. To address these concerns, encryption techniques have been widely used. However, traditional encryption schemes limit the efficient search and retrieval of encrypted data. To tackle this challenge, innovative approaches have emerged, such as the utilisation of Homomorphic Encryption (HE) in Searchable Encryption (SE) schemes. This paper provides a comprehensive analysis of the advancements in HE-based privacy-preserving techniques, focusing on their application in SE. The main contributions of this work include the identification and classification of existing SE schemes that utilize HE, a comprehensive analysis of the types of HE used in SE, an examination of how HE shapes the search process structure and enables additional functionalities, and the identification of promising directions for future research in HE-based SE. The findings reveal the increasing usage of HE in SE schemes, particularly Partially Homomorphic Encryption. The analysis also highlights the prevalence of index-based SE schemes using HE, the support for ranked search and multi-keyword queries, and the need for further exploration in functionalities such as verifiability and the ability to authorise and revoke users. Future research directions include exploring the usage of other encryption schemes alongside HE, addressing omissions in functionalities like fuzzy keyword search, and leveraging recent advancements in Fully Homomorphic Encryption schemes.

연구 동기 및 목표

• 검색 암호화 (SE) 기반 시스템에서 동형 암호화 (HE)의 현재 상태를 분석하는 것.
• PHE, FHE 및 기타 유형을 포함한 SE에서 사용되는 HE의 유형을 분류하고 평가하는 것.
• HE가 SE 아키텍처, 특히 색인 구축 및 검색 기능에 미치는 영향을 분석하는 것.
• HE 기반 SE에서 아직 탐색되지 않은 기능, 예를 들어 검증 가능성, 사용자 액세스 제어 및 흐린 키워드 검색 등을 특정하는 것.
• 하이브리드 기반 설계 및 최근 FHE 기술 발전을 활용한 향후 연구 방향을 제안하는 것.

제안 방법

• 정의된 방법론을 사용하여 23개의 최근 SE 기반 시스템을 선별해, 이들에 통합된 HE를 대상으로 체계적 문헌 리뷰를 수행하였다.
• 분석은 HE 유형(예: PHE, FHE 등), 검색 아키텍처(색인 기반 대비 순차적), 지원 기능 등으로 구분하여 수행되었다.
• 순위 기반 검색 기반 시스템에서 관련성 점수(예: TF-IDF)의 동형 계산을 가능하게 하는 HE의 역할을 평가하였다.
• 사용자 인증 및 권한 회수를 포함한 액세스 제어 메커니즘에서 HE의 활용 여부와 검증 가능성 기능을 분석하였다.
• 직접 HE를 사용하지 않는 상황에서 검증 가능성을 가능하게 하는 암호 primitive인 동형 메시지 인증 기반 기법을 분석하였다.
• HE와 함께 기능을 향상시키기 위해 ABE, OPE 등의 다른 암호화 기법을 통합하는 가능성도 평가하였다.

Figure 1: Conceptual overview of a cloud-based SE system.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 검색 암호화 (SE) 기반 시스템에서 가장 흔하게 사용되는 동형 암호화 (HE) 유형은 무엇인가?
• RQ2 HE는 SE 시스템 설계에 어떤 영향을 미치는가? 특히 색인 구축 및 검색 기능 측면에서 말이다.
• RQ3 HE 기반 SE 기반 시스템에서 가장 일반적으로 지원되는 검색 기능은 무엇이며, 무엇이 부족한가?
• RQ4 HE 기반 SE 기반 시스템에서 검증 가능성 및 사용자 액세스 제어(인증 및 권한 회수)는 어느 정도 지원되는가?
• RQ5 최근 FHE 기술 발전을 고려할 때, HE 기반 SE 분야에서 가장 유망한 향후 연구 방향은 무엇인가?

주요 결과

• 분석된 HE 기반 SE 기반 시스템의 75퍼센트가 최근 3년 이내에 출판된 것으로 나타나, 연구 트렌드가 빠르게 성장하고 있음을 시사한다.
• 부분적 동형 암호화 (PHE), 특히 Paillier 암호체계가 단순성과 검증된 보안성 덕분에 가장 널리 사용된 HE 기반 시스템이었다.
• HE를 이용해 암호화된 색인을 구성하는 색인 기반 SE 기반 시스템이 가장 일반적이었으며, 이는 대규모 데이터베이스에서 비용이 큰 순차적 스캔을 피할 수 있기 때문이다.
• TF-IDF 점수의 동형 계산을 통해 순위 기반 검색을 수행하는 것이 가장 흔한 기능이었으며, 그 다음으로 다중 키워드 쿼리(논리곱/논리합) 지원이 뒤이었다.
• 분석된 HE 기반 SE 기반 시스템 중 흐린 키워드 검색을 지원하는 사례는 전혀 없었으며, 이는 실용적 가치가 매우 높음에도 불구하고 상당한 연구 격차가 있음을 시사한다.
• HE를 이용한 검증 가능성 기능을 구현한 연구는 단 한 건(2018년 Wu 등) 뿐이었고, 사용자 인증 및 권한 회수 기능을 다룬 연구는 전무하여, 액세스 제어 기능의 개발이 부족한 상황임을 확인하였다.

Figure 2: Key characteristics of a cloud-based SE scheme.