[논문 리뷰] Prime Match: A Privacy-Preserving Inventory Matching System

Antigoni Polychroniadou, Gilad Asharov외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 14.

Cryptography and Data SecurityComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

Prime Match는 금융 거래를 위한 기밀 유지를 보장하는 재고 매칭 시스템을 도입하여, 고객이 은행과 거래 주문을 비밀리에 매칭시킬 수 있도록 한다. 악성 보안을 갖춘 신규 두 라운드의 안전한 선형 비교 프로토콜을 사용함으로써, 매칭이 발생하지 않는 한 어떤 정보도 泄露되지 않으며, 이는 기존 금융 분야에서 대규모로 생산 환경에 구현된 최초의 SMC 솔루션으로, 현재 J.P. Morgan에서 운영 중이다.

ABSTRACT

Inventory matching is a standard mechanism/auction for trading financial stocks by which buyers and sellers can be paired. In the financial world, banks often undertake the task of finding such matches between their clients. The related stocks can be traded without adversely impacting the market price for either client. If matches between clients are found, the bank can offer the trade at advantageous rates. If no match is found, the parties have to buy or sell the stock in the public market, which introduces additional costs. A problem with the process as it is presently conducted is that the involved parties must share their order to buy or sell a particular stock, along with the intended quantity (number of shares), to the bank. Clients worry that if this information were to leak somehow, then other market participants would become aware of their intentions and thus cause the price to move adversely against them before their transaction finalizes. We provide a solution, Prime Match, that enables clients to match their orders efficiently with reduced market impact while maintaining privacy. In the case where there are no matches, no information is revealed. Our main cryptographic innovation is a two-round secure linear comparison protocol for computing the minimum between two quantities without preprocessing and with malicious security, which can be of independent interest. We report benchmarks of our Prime Match system, which runs in production and is adopted by J.P. Morgan. The system is designed utilizing a star topology network, which provides clients with a centralized node (the bank) as an alternative to the idealized assumption of point-to-point connections, which would be impractical and undesired for the clients to implement in reality. Prime Match is the first secure multiparty computation solution running live in the traditional financial world.

연구 동기 및 목표

• 기존 재고 매칭 방식에서 고객의 주문 정보가 은행과 시장 참가자들에게 노출되는 기밀 유출 문제를 해결하기 위해.
• 매칭이 이루어지지 않는 한 주문 수량이나 심벌을 드러내지 않는 채널을 통해 고객과 은행 간에 안전하고 기밀리에 매칭을 가능하게 하기 위해.
• 실제 네트워크 환경 제약 조건 하에서 은행-고객 간 및 고객-고객 간 매칭을 지원하는 실용적이고 생산 환경에 적합한 시스템을 설계하기 위해.
• 악성 보안을 확보하면서도 사전 처리 없이 두 개의 기밀 수량 중 최소값을 효율적으로 기밀로 계산할 수 있는 두 라운드 안전 비교 프로토콜을 개발하기 위해.
• 실제 금융 기관에서 완전히 기동 가능한 시스템을 구현하여, 실전에서의 보안 다자간 계산(SMC)의 실현 가능성과 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 중앙 은행이 조정자 역할을 하는 스타 아키텍처 네트워크를 사용하여, 고객 간 직접 P2P 연결이 필요 없이 실용적인 구현이 가능하도록 한다.
• 기밀 주문 등록은 브라우저 내에서 클라이언트 측에서 수행되며, 주문(심벌, 방향, 수량)이 업로드되기 전에 암호화되어, 데이터가 클라이언트 장치 외부로 나가지 않도록 보장한다.
• 두 라운드 안전 선형 비교 프로토콜은 사전 처리 없이도 두 기밀 수량의 최소값을 계산하며, 악성 보안을 제공하고 효율적인 매칭을 가능하게 한다.
• 프로토콜은 매칭이 발생하지 않더라도 매칭된 수량과 고정 스프레드 외에는 어떤 정보도 드러내지 않으며, 모든 다른 데이터는 기밀 유지 상태를 유지한다.
• 시스템은 두 단계로 주문을 처리한다: 먼저 임계 수량을 평가하여 잠재적 매칭 여부를 확인하고, 매칭이 확인되면 전체 수량이 공개된다.
• 응용 프로그램은 32개의 vCPU를 갖춘 생산 플랫폼에서 매 30분마다 실행되며, 최대 5000개의 심벌과 10~60명의 고객이 한 경매에 참여할 수 있다.

Figure 5: Prime Match User Interface of a completed matching run.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기밀 다자간 계산 프로토콜을 설계하여 금융 시장에서 기밀리에 매칭 주문을 수행하면서도 비밀 정보 泄露가 발생하지 않도록 할 수 있는가?
• RQ2 악성 보안을 확보하면서도 사전 처리 없이 두 기밀 값 중 최소값을 계산할 수 있는 두 라운드 안전 비교 프로토콜을 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ3 실제 고주파 금융 환경에서 보안 다자간 계산 시스템을 구현하기 위해 필요한 아키텍처적 및 암호학적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ4 브라우저 기반 클라이언트 측 계산 모델을 통해 어떻게 기밀 주문 등록 및 매칭을 달성할 수 있는가? 이는 모든 데이터가 클라이언트 장치 외부로 이동하지 않도록 보장한다.
• RQ5 주요 금융 기관에서 실전 배포된 시스템에서 기대할 수 있는 성능 및 확장성 특성은 무엇인가?

주요 결과

• Prime Match는 기존 금융 산업에서 실전에 구현된 최초의 기밀 다자간 계산 시스템으로, 2021년 9월 이래 J.P. Morgan에서 운영 중이다.
• 매칭이 발생하지 않더라도 정보 유출이 발생하지 않으며, 매칭이 이루어지면 뿐만 아니라 매칭된 수량과 고정 스프레드만 공개된다.
• 악성 보안을 갖춘 두 라운드 안전 선형 비교 프로토콜은 효율적이고 실용적이며, 30분마다 실시간 매칭을 수행하고, 55초 이내로 완료된다.
• 성능 벤치마크 결과 시스템은 최대 5000개의 심벌과 10~60명의 고객이 한 경매에 참여할 수 있으며, 성공적인 매칭 시에만 전체 수량이 공개된다.
• 브라우저 기반 클라이언트 측 계산 모델을 사용하여 구현되어 모든 기밀 데이터가 클라이언트 장치 내부에 유지되고 서버로 전송되지 않는다.
• 네트워크 토폴로지, 지연 시간, 기존 은행 인프라와의 통합과 같은 실제 문제를 성공적으로 해결하여, 실전 금융 분야에서 SMC의 실현 가능성을 입증했다.

Figure 6: Prime Match system architecture connecting external users/clients to the bank’s network.