[논문 리뷰] A New Approach to Practical Active-Secure Two-Party Computation

Jesper Buus Nielsen, Peter Sebastian Nordholt외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 14.

Cryptography and Data Security참고 문헌 10인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 랜덤 오ракulum 모델에서 효율적인 OT 확장 기반의 OT 기반 프로토콜을 사용하여 실용적인 활성 보안 두 당사자 계산(active-secure two-party computation)을 위한 새로운 접근법을 제시한다. 이는 초당 20,000개 이상의 부울 게이트를 처리하며, 3초 이내로 27개의 온두라스 AES 암호화를 암시적으로 실행할 수 있을 정도로 높은 성능을 달성한다. 정보 이론적 태그를 활용한 인증된 OT 및 입력-출력 바인딩 기법을 도입함으로써, 이전의 요아(Yao) 기반 구현보다 실용적으로 뛰어난 성능을 확보한다.

ABSTRACT

We propose a new approach to practical two-party computation secure against an active adversary. All prior practical protocols were based on Yao's garbled circuits. We use an OT-based approach and get efficiency via OT extension in the random oracle model. To get a practical protocol we introduce a number of novel techniques for relating the outputs and inputs of OTs in a larger construction. We also report on an implementation of this approach, that shows that our protocol is more efficient than any previous one: For big enough circuits, we can evaluate more than 20000 Boolean gates per second. As an example, evaluating one oblivious AES encryption (~34000 gates) takes 64 seconds, but when repeating the task 27 times it only takes less than 3 seconds per instance.

연구 동기 및 목표

• 요아 가로드 서킷에 의존하지 않는 실용적 활성 보안 두 당사자 계산 프로토콜을 개발하는 것.
• 오블리비어스 전송(OT)을 핵심 원천으로 사용하여 효율적이고 확장 가능한 보안 계산을 가능하게 하는 것.
• 정보 이론적 태그를 활용해 대규모 구조 내에서 OT 입력과 출력을 안전하게 바인딩하는 새로운 기법을 설계하고 구현하는 것.
• 실제 환경에서 OT 기반 2PC가 요아 기반 접근법보다 더 효율적일 수 있음을 입증하는 것.
• 활성 보안 OT 확장 및 OT 기반 2PC의 첫 번째 구현을 제공하여 실용적 타당성을 입증하는 것.

제안 방법

• 작은 수의 시드 OT로부터 많은 수의 OT를 효율적으로 생성하기 위해, 랜덤 오라클 모델에서 OT 확장을 사용한다.
• 다중 OT 간에 입력과 출력을 바인딩하기 위해 정보 이론적 태그를 사용하는 새로운 인증된 OT 구성 방식을 도입한다. 이는 안전한 조합을 가능하게 한다.
• OT 구성 요소에서 부분적 누출을 수용하면서도 보안을 유지하기 위해, '누출되는 비트를 동반한 비트 인증(LaBit)'이라는 새로운 기법을 적용한다.
• 비용이 많이 드는 연산을 사전에 계산하는 프리프로세싱 모델을 사용하여 반복 실행 시 저지연 시간을 달성한다.
• 통계적 보안을 관리하기 위해 버킷 기반 메커니즘을 활용하며, 보안 수준은 게이트 수와 버킷 크기에 따라 결정된다.
• 초기 설정 이후 모든 연산에 대칭 암호 기반 원천(예: 해시 함수)을 사용하여 고비용의 공개 키密码학에 의존도를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 응용에 적합한 OT 기반 두 당사자 계산이 요아 가로드 서킷을 초월하는 효율성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 고비용의 공개 키 연산에 의존하지 않고 OT 기반 2PC에서 활성 보안을 효율적으로 달성할 수 있는가?
• RQ3 다중 OT 간에 입력과 출력을 안전하고 효율적으로 바인딩할 수 있는 새로운 기법은 무엇인가?
• RQ4 활동 보안을 갖춘 OT 확장을 실용적으로 구현할 수 있으며, 수동 보안 변종과 유사한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 표준 하드웨어에서 완전히 활성 보안인 OT 기반 2PC 프로토콜의 실용적 성능는 어떠한가?

주요 결과

• 프로토콜은 1초당 20,000개 이상의 부울 게이트를 평가하여 활성 보안 2PC의 높은 효율성을 입증한다.
• 오블리비어스 AES 암호화(34,000개 게이트)는 단일 인스턴스에 대해 64초가 걸리지만, 27개 인스턴스에 대해 암시적으로 처리할 경우 평균 3초 이내로 감소한다.
• 2,048개의 AES 블록에 대해 암시적으로 처리할 경우 온라인 단계에서 1초당 108만 개의 게이트를 처리하여 강력한 확장성을 보여준다.
• 구현은 1초당 50만 개의 OT를 생성하여 활성 보안 OT 확장의 실용성을 확인한다.
• 특히 암시적 처리 환경에서 요아 기반 구현 대비 유리한 성능을 달성한다.
• 통계적 보안 수준은 게이트 수와 버킷 크기에 따라 동적으로 조정되며, 최대 불안정성은 $2^{- ho}$로 표현되며, 이때 $ ho$는 회로 크기와 구성에 따라 달라진다.