[논문 리뷰] Towards High-Throughput Secure MPC over the Internet: Communication-Efficient Two-Party Protocols and Its Application

Satsuya Ohata, Koji Nuida|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 08.

Cryptography and Data Security참고 문헌 28인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 비버 트리플 확장 기법을 활용하여 통신 라운드 수와 대역폭을 줄이는 통신 효율적인, 반신뢰성 있는 이원 암호 계산 프로토콜을 제안한다. 이는 통신 라운드 수를 줄여 고대역폭 인터넷 환경에서의 성능을 향상시키며, 기존 작업 대비 온라인 실행에서 56.1% 빠르고 통신 비트 수를 38.4% 줄여, 비밀 분할 기반 MPC를 고처리량 인터넷 배포에 실현 가능하게 한다. 이는 계산 비용이 높다는 점을 감안해도 성능 향상이 뚜렷하다.

ABSTRACT

Secure multi-party computation (MPC) allows a set of parties to compute a function jointly while keeping their inputs private. Compared with the MPC based on garbled circuits, some recent research results show that MPC based on secret sharing (SS) works at a very high speed. Moreover, SS-based MPC can be easily vectorized and achieve higher throughput. In SS-based MPC, however, we need many communication rounds for computing concrete protocols like equality check, less-than comparison, etc. This property is not suited for large-latency environments like the Internet (or WAN). In this paper, we construct semi-honest secure communication-efficient two-party protocols. The core technique is Beaver triple extension, which is a new tool for treating multi-fan-in gates, and we also show how to use it efficiently. We mainly focus on reducing the number of communication rounds, and our protocols also succeed in reducing the number of communication bits (in most cases). As an example, we propose a less-than comparison protocol (under practical parameters) with three communication rounds. This is less than a half compared with the previous work. Moreover, the number of communication bits is also $38.4\%$ fewer. As a result, total online execution time is $56.1\%$ shorter than the previous work adopting the same settings. Although the computation costs of our protocols are more expensive than those of previous work, we confirm via experiments that such a disadvantage has small effects on the whole online performance in the typical WAN environments.

연구 동기 및 목표

• 인터넷과 같은 고지연 환경에서 성능을 저해하는 비밀 분할 기반 MPC의 높은 통신 라운드 수 문제를 해결하기 위해.
• 보안을 훼손하지 않은 채로 통신 라운드 수와 통신 비트 수를 모두 줄이기 위해.
• MPC 프로토콜의 온라인 단계를 최적화하여 광역망(WAN)에서 고처리량 보안 계산을 가능하게 하기 위해.
• 실제 WAN 환경에서 계산 비용 증가와 통신 효율성 향상 간의 트레이드오프를 평가하기 위해.

제안 방법

• 비밀 분할 기반 MPC에서 다중 피드인 게이트를 효율적으로 처리하기 위해 비버 트리플 확장을 새로운 기법으로 도입한다.
• 등가 검증 및 작다 비교와 같은 기본 연산에 대해 통신 라운드 수를 최소화하는 통신 최적화 프로토콜을 설계한다.
• 특히 고지연 네트워크 환경에서의 총 통신 대역폭을 줄이기 위해 프로토콜 구조를 최적화한다.
• 유한체에서의 효율적인 산술 연산을 활용한 비밀 분할을 적용하여 벡터화와 고처리량을 가능하게 한다.
• 정확성과 기밀성 유지와 함께 통신 효율성에 집중하기 위해 반신뢰성 보안 모델을 사용한다.
• 기존 작업과의 성능 비교를 위해 실용적 파rameter 하에서 실험적 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비버 트리플 확장 기법을 비밀 분할 기반 MPC 프로토콜에서 통신 라운드 수를 줄이는데 효과적으로 활용할 수 있는가?
• RQ2 인터넷 규모의 배포를 위한 이원 MPC에서 통신 효율성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 통신 라운드 수와 대역폭을 줄이면 광역망(WAN) 환경에서 전체 온라인 실행 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 MPC 배포 환경에서 계산 비용 증가와 통신 오버헤드 감소 간의 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 작다 비교 프로토콜은 오직 세 번의 통신 라운드만을 필요로 하여 이전 작업 대비 50% 이상 감소시켰다.
• 실용적 파rameter 하에서 통신 비트 수를 38.4% 줄여 대역폭 사용을 크게 감소시켰다.
• 기존 작업과 동일한 설정에서 총 온라인 실행 시간이 56.1% 감소하였다.
• 계산 비용이 증가하지만, 통신 감소로 인한 성능 향상이 일반적인 WAN 환경에서 지배적이다.
• 결과적으로 인터넷 기반 MPC에서 통신 효율성이 주요 성능 저하 요인임을 확인하였으며, 이를 최적화하면 종단 간 성능 향상이 크게 이루어진다.