[논문 리뷰] Root ORAM: A Tunable Differentially Private Oblivious RAM

Sameer Wagh, Paul Cuff외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 24.

Cryptography and Data Security참고 문헌 34인용 수 11

한 줄 요약

Root ORAM은 밴드웨어 오버헤드, 외주 비율, 보안 간의 조절 가능한 트레이드오프를 제공하는 차별적 비밀 유지 RAM 프로토콜의 새로운 가족을 소개한다. ORAM에 차별적 비밀 유지의 형태로 공식화함으로써, 엄밀한 비밀 유지 보장을 제공하는 10블록의 밴드웨어 오버헤드를 달성하며, 이는 최신 기술 대비 10배 향상된 것이다.

ABSTRACT

State-of-the-art mechanisms for oblivious RAM (ORAM) suffer from significant bandwidth overheads (greater than 100x) that impact the throughput and latency of memory accesses. This renders their deployment in high-performance and bandwidth-constrained applications difficult, motivating the design of low-overhead approaches for memory access obfuscation. In this work, we introduce and formalize the notion of a differentially private ORAM that provides statistical privacy guarantees, and which to the extent of our knowledge, is the first of its kind. The formalization of differentially private ORAM opens up a large design space of low-bandwidth ORAM protocols that can be deployed in bandwidth constrained applications. We present Root ORAM, a family of practical ORAMs that provide a tunable, multi-dimensional trade-off between the desired bandwidth overhead, outsourcing ratio (ratio of the data outsourced to local storage required) and the system security, and that provide rigorous privacy guarantees of differentially private ORAMs. Root ORAM protocols can be tuned to achieve application-specific bandwidth constraints, enabling practical deployment, at the cost of statistical privacy guarantees quantified under the differential privacy framework and lower outsourcing ratios. We demonstrate the practicality of Root ORAM using theoretical analysis, simulations, as well as experiments on Amazon EC2. Our theoretical analysis rigorously quantifies the privacy offered by Root ORAM, and provably bounds the information leaked from observing memory access patterns. Our experimental analysis shows the feasibility of these protocols using realistic simulations. The simplest protocol in the Root ORAM family requires a bandwidth of mere 10 blocks, at the cost of rigorously quantified security loss and a low outsourcing ratio. This is an order of magnitude improvement over the existing state-of-the-art.

연구 동기 및 목표

• 고성능 및 밴드웨어 제약이 있는 애플리케이션에서의 구현을 저해하는 기존 옹호 RAM(ORAM) 기법의 높은 밴드웨어 오버헤드(100배 이상) 문제를 해결하기 위해.
• 차별적 비밀 유지 프레임워크를 활용해 메모리 접근 패턴에 대한 통계적 비밀 유지 보장을 제공하는 새로운 원시 기능—차별적 비밀 유지 ORAM—을 공식화하기 위해.
• 밴드웨어, 외주 비율, 시스템 보안 간의 조절 가능한 트레이드오프를 제공하는 실용적인 ORAM 프로토콜 가족(가령 Root ORAM)을 설계하기 위해.
• 낮은 밴드웨어를 확보하면서도 증명 가능 비밀 유지와 정보 泄露의 엄밀한 정량화를 유지함으로써 실제 애플리케이션에의 구현 가능성을 높이기 위해.

제안 방법

• 메모리 접근 패턴에 차별적 비밀 유지 프레임워크를 적용하여, 새로운 보안 모델—차별적 비밀 유지 ORAM—을 공식화하기 위해.
• 계층적 트리 구조를 사용하고 확률적 접근 패턴을 적용함으로써 밴드웨어를 최소화하는 ORAM 프로토콜 가족(Root ORAM)을 설계하기 위해.
• 밴드웨어 오버헤드, 데이터 외주 비율, 비밀 유지 손실(ε) 간의 트레이드오프를 제어할 수 있는 조절 가능한 파라미터를 도입하기 위해.
• 어느 특정 접근 패턴도 차별적 비밀 유지 제약 조건에 의해 확률적으로 제한되도록 접근 패턴을 가림내는 통계적 메커니즘을 활용하기 위해.
• 각 레벨이 서로 다른 비밀 유지 및 밴드웨어 트레이드오프를 나타내는 재귀적 트리 구조를 사용하여 효율적인 블록 검색 및 업데이트 연산을 가능하게 하기 위해.
• 메모리 접근 패턴으로부터의 정보 泄露가 차별적 비밀 유지 파라미터 ε에 의해 엄밀히 제한됨을 증명함으로써 철저한 비밀 유지 보장을 확보하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차별적 비밀 유지 프레임워크를 활용해 메모리 접근 패턴에 대한 통계적 비밀 유지 보장을 제공하는 새로운 ORAM 원시 기능을 공식화할 수 있는가?
• RQ2 밴드웨어, 외주 비율, 비밀 유지 손실 간의 조절 가능한 트레이드오프를 제공하는 ORAM 프로토콜 가족을 설계할 수 있는가?
• RQ3 기존 ORAM 기법 대비 상당히 낮은 밴드웨어 오버헤드를 확보하면서도 증명 가능한 비밀 유지 보장을 유지할 수 있는가?
• RQ4 실제 ORAM 시스템에서 메모리 접근 패턴으로부터의 비밀 유지 손실을 정량적으로 얼마나 엄밀히 제한할 수 있는가?
• RQ5 제안된 프로토콜이 실세계 시스템에 실용적으로 구현 가능하며, 측정 가능한 성능 향상을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• Root ORAM은 가장 단순한 구성에서 밴드웨어 오버헤드가 단지 10블록에 불과하며, 이는 최신 기술 대비 10배 향상된 것이다.
• 프로토콜은 정보 泄露가 비밀 유지 파라미터 ε에 의해 엄밀히 제한됨을 증명한 차별적 비밀 유지 보장을 제공한다.
• 시스템은 밴드웨어, 외주 비율, 보안 등 여러 차원에서 조절 가능한 설정을 제공하여 애플리케이션 특화 배포가 가능하다.
• 이론적 분석을 통해 조건부 적응형 공격자 조건에서도 접근 패턴에 대한 정보 泄露가 근본적으로 미미함을 확인하였다.
• 시뮬레이션 및 EC2 실험을 통해 Root ORAM의 실용성을 입증하였으며, 실세계의 밴드웨어 제약 환경에서의 적용 가능성을 보여주었다.
• 가장 낮은 밴드웨어 버전의 Root ORAM은 기존 ORAM 대비 10배 낮은 밴드웨어를 확보하면서도 증명 가능한 비밀 유지와 낮은 외주 비율을 유지한다.