[논문 리뷰] Towards Blockchain-enabled Searchable Encryption

Qiang Tang|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 26.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 대칭 가시 검색 암호화를 위한 블록체인 기반 프레임워크 두 가지를 제안하며, 원래의 기법이 유지하는 기밀성과 함께 검색 작업의 공정성을 확보한다. 블록체인은 트랩도어나 색인을 노출시키지 않고 서명, 암호화된 결과 및 공개 메타데이터만 저장함으로써, 서버의 정당성 검증과 보상 제공을 가능하게 하면서도 원래 기법의 기밀성 유출을 초과하지 않는다.

ABSTRACT

Distributed Leger Technologies (DLTs), most notably Blockchain technologies, bring decentralised platforms that eliminate a single trusted third party and avoid the notorious single point of failure vulnerability. Since Nakamoto's Bitcoin cryptocurrency system, an enormous number of decentralised applications have been proposed on top of these technologies, aiming at more transparency and trustworthiness than their traditional counterparts. These applications spread over a lot of areas, e.g. financial services, healthcare, transportation, supply chain management, and cloud computing. While Blockchain brings transparency and decentralised trust intuitively due to the consensus of a (very large) group of nodes (or, miners), it introduces very subtle implications for other desirable properties such as privacy. In this work, we demonstrate these subtle implications for Blockchain-based searchable encryption solutions, which are one specific use case of cloud computing services. These solutions rely on Blockchain to achieve both the standard privacy property and the new fairness property, which requires that search operations are carried out faithfully and are rewarded accordingly. We show that directly replacing the server in an existing searchable encryption solution with a Blockchain will cause undesirable operational cost, privacy loss, and security vulnerabilities. The analysis results indicate that a dedicated server is still needed to achieve the desired privacy guarantee. To this end, we propose two frameworks which can be instantiated based on most existing searchable encryption schemes. Through analysing these two frameworks, we affirmatively show that a carefully engineered Blockchain-based solution can achieve the desired fairness property while preserving the privacy guarantee of the original searchable encryption scheme simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 기반 검색 암호화에서 서버가 검색을 충실히 수행하지 않을 수 있는 공정성과 신뢰의 결여 문제를 해결하기 위해.
• 검색 암호화 시스템에서 클라우드 서버를 블록체인으로 단순히 대체할 경우 발생할 수 있는 위험을 분석하기 위해.
• 기존 대칭 가시 검색 암호화 기법의 기밀성 보장을 유지하는 방식으로 블록체인 통합 프레임워크를 설계하기 위해.
• 검색 작업이 검증 가능하고, 정직한 서버가 공정하게 보상받을 수 있도록 보장하기 위해.
• 블록체인이 검색 암호화에 효과적으로 활용될 수 있으며, 새로운 기밀성 또는 보안 취약점이 발생하지 않는다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 각 키워드에 대해 HMAC를 사용해 가상 식별자를 생성하는 수정된 설정 단계를 도입하여 파일 식별자를 검색 결과에 바인딩한다.
• 블록체인을 공개 정보만 저장하는 데 사용한다: 암호화된 검색 결과, 서명, 공개 키, 예치금.
• 서버가 정확한 결과를 반환하지 못할 경우 처벌받는 분쟁 해결 메커니즘을 활용하며, HMAC 기반의 무결성 검증을 통해 결과의 정당성을 검증한다.
• 표준 암호 primitive에 의존한다: EU-CMA 보장 서명과 IND-CPA 보장 암호화로, 단일 측면 무결성 가정 하에 기밀성을 보장한다.
• 클라이언트가 HMAC 보호 가상 식별자를 사용해 정당성을 검증하는 검색 및 검증 단계를 설계한다.
• 블록체인에 노출되는 데이터는 서명, 암호화된 결과, 공개 키뿐이므로 기밀성이 유지된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 기법의 기밀성을 훼손하지 않고도 블록체인을 사용해 검색 암호화의 공정성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 검색 암호화 시스템에서 서버를 블록체인으로 직접 대체할 경우 기밀성과 보안에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 과도한 오버헤드 없이 검증 가능한 검색 작업을 가능하게 하기 위해 블록체인을 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ4 블록체인 강화 검색 암호화에서 공정성과 기밀성을 동시에 확보하기 위해 필요한 암호 기법은 무엇인가?
• RQ5 전용 서버와 블록체인 지원을 조합한 하이브리드 모델이 완전히 분산된 대안보다 더 나은 기밀성과 공정성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 검색 암호화에서 서버를 블록체인으로 직접 대체할 경우 운영 비용 증가, 기밀성 유출, 보안 취약점이 발생한다.
• 제안된 프레임워크는 블록체인이 트랩도어나 암호화된 색인을 저장하지 않고 공개 메타데이터만 저장하므로 원래 기법의 기밀성 보장을 유지한다.
• 블록체인은 서명, 암호화된 결과, 공개 키만 저장하므로 서버에 추가 정보가 泄露되지 않는다.
• 불량 서버는 처벌받고 정직한 서버는 검증 가능한 결과 기반으로 보상받는 분쟁 해결 메커니즘을 통해 공정성이 달성된다.
• 정상적인 운영 상황에서는 블록체인 참여로 인한 오버헤드가 미미하며, 검색당 몇 개의 공개 기록만 기록되기 때문이다.
• IND-CPA 기밀성과 EU-CMA 무작위성 불가능성 보장을 유지하여 표준 가정 하에 보안이 확보된다.