[논문 리뷰] ODIN: Obfuscation-based privacy preserving consensus algorithm for Decentralized Information fusion in smart device Networks

Moreno Ambrosin, Paolo Braca외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 21.

Cryptography and Data Security참고 문헌 62인용 수 4

한 줄 요약

ODIN은 랜덤화된 게시를 기반으로 한 프라이버시 보장 합의 알고리즘으로, 애드티브 오버플레이션, 프oxy 재암호화, 가라지드 서킷을 사용하여 암호화된 데이터를 기반으로 안전한 정보 융합을 가능하게 한다. 이 알고리즘은 에이전트가 원본 또는 최종 합의 값에 접근하지 못하도록 보장하며, 라즈베리 파이와 같은 자원이 제한된 장치에서도 효율적이고 안전한 합의를 실현하며, 대규모 네트워크에서 18초 이내로 실행된다.

ABSTRACT

The large spread of sensors and smart devices in urban infrastructures are motivating research in the area of Internet of Thing (IoT), to develop new services and improve citizens' quality of life. Sensors and smart devices generate large amount of measurement data from sensing the environment, which is used to enable services, such as control power consumption or traffic density. To deal with such a large amount of information, and provide accurate measurements, service providers can adopt information fusion, which, given the decentralized nature of urban deployments, can be performed by means of consensus algorithms. These algorithms allow distributed agents to (iteratively) compute linear functions on the exchanged data, and take decisions based on the outcome, without the need for the support of a central entity. However, the use of consensus algorithms raises several security concerns, especially when private or security critical information are involved in the computation. This paper proposes ODIN, a novel algorithm that allows information fusion over encrypted data. ODIN is a privacy-preserving extension of the popular consensus gossip algorithm, that prevents distributed agents have direct access to the data while they iteratively reach consensus; agents cannot access even the final consensus value, but can only retrieve partial information, e.g., a binary decision. ODIN uses efficient additive obfuscation and proxy re-encryption during the update steps, and Garbled Circuits to take final decisions on the obfuscated consensus. We discuss the security of our proposal, and show its practicability and efficiency on real-world resource constrained devices, developing a prototype implementation for Raspberry Pi devices.

연구 동기 및 목표

• IoT 센서 네트워크에서 사용되는 탈중앙화된 합의 알고리즘의 프라이버시 유출 문제를 해결하기 위해.
• 분산된 에이전트가 개인적 또는 민감한 센서 데이터를 폭로하지 않고도 안전한 정보 융합을 가능하게 하기 위해.
• 라즈베리 파이와 같은 저전력 및 자원이 제한된 장치에 적합한 경량이고 효율적인 프로토콜을 설계하기 위해.
• 최종 합의 값조차도 에이전트가 볼 수 없도록 하여, 에이전트가 오직 이진 결정 사항만을 알게 하기 위해.
• 스마트 미터링 및 교통 모니터링과 같은 실세계 도시 IoT 애플리케이션에 적용 가능한 실용적이고 구현 가능한 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 메시지 교환 중 원본 데이터를 숨기기 위해 랜덤라이즈드 게시 합의 알고리즘을 애드티브 오버플레이션으로 확장한다.
• 플레인텍스트를 드러내지 않고도 에이전트 간에 암호화된 메시지를 안전하게 변환하기 위해 프록시 재암호화를 활용한다.
• 오버플레이션된 합의 값에 대한 최종 결정을 평가하기 위해 가라지드 서킷을 사용하여 프라이버시를 유지한다.
• 두 단계 프로토콜을 적용한다: 합의 반복 동안 오버플레이션 업데이트를 수행하고, 이후 결정 수립을 위해 안전한 계산을 수행한다.
• 실세계 IoT 환경에서의 성능 및 구현 가능성을 평가하기 위해 라즈베리 파이 기기에서 프로토콜을 구현한다.
• 확장성과 지연 시간을 평가하기 위해 실제 파rameter(예: IEEE 802.15.4, 100m² 영역, 10m 범위)를 사용한 Omnet++ 기반 네트워크 시뮬레이션을 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 IoT 네트워크에서 원본 센서 데이터가 에이전트에게 폭로되지 않도록 하면서도 프라이버시를 보장하는 합의 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ2 안전한 계산 기법을 어떻게 합의 프로토콜에 통합하여 오직 이진 결정 사항만 공개되도록 할 수 있는가?
• RQ3 저전력 IoT 기기(예: 라즈베리 파이)에 적용했을 때 프라이버시 보장 확장 기능의 성능 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ4 대규모 네트워크(예: 400~600노드)에서도 낮은 지연 시간을 유지하면서 프로토콜이 확장 가능한가?
• RQ5 반호의성이고 상호 협력하지 않는 적대자 환경에서도 프로토콜은 정확성과 보안을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• ODIN은 최대 600노드의 네트워크에서 조건부 오차 허용 범위(ε = 0.01) 조건 하에서도 18초 이내로 합의를 달성한다.
• 프로토콜는 저전력 장치에 구현 가능한 효율성을 확보하여, 실제로 라즈베리 파이 1 하드웨어에서 성공적인 프로토타입을 구현했다.
• 에이전트는 원본 데이터나 최종 합의 값을 절대 접근하지 않으며, 오직 가라지드 서킷을 통해 유도된 이진 결정 사항만 수신한다.
• 안전한 구현은 순수 합의 프로토콜의 수렴 행동을 그대로 유지하며, 소량의 지연만을 유발한다.
• 시뮬레이션 결과, ODIN은 다양한 네트워크 크기와 밀도에서 확장성과 낮은 지연 시간을 유지함을 확인했다.
• 협력하지 않는 반호의성 적대자 모델 하에서 강력한 프라이버시 보장을 제공하여, 개인 입력에 대한 접근을 방지한다.