[논문 리뷰] Betrayal, Distrust, and Rationality: Smart Counter-Collusion Contracts for Verifiable Cloud Computing

Changyu Dong, Yilei Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 03.

Cryptography and Data Security참고 문헌 27인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 검증 가능한 클라우드 컴퓨팅에서 두 클라우드 제공업체 간의 공모를 방지하기 위해 게임 이론을 활용하는 스마트 계약 기반 프레임워크를 제안한다. 이성적인 클라우드가 재정적 제재와 보상으로 인해 정직하게 행동하도록 유도함으로써, 최소한의 비용으로 결과 상호 검증을 통해 정확성을 보장하며, 비용이 많이 드는 암호화 프로토콜을 피한다.

ABSTRACT

Cloud computing has become an irreversible trend. Together comes the pressing need for verifiability, to assure the client the correctness of computation outsourced to the cloud. Existing verifiable computation techniques all have a high overhead, thus if being deployed in the clouds, would render cloud computing more expensive than the on-premises counterpart. To achieve verifiability at a reasonable cost, we leverage game theory and propose a smart contract based solution. In a nutshell, a client lets two clouds compute the same task, and uses smart contracts to stimulate tension, betrayal and distrust between the clouds, so that rational clouds will not collude and cheat. In the absence of collusion, verification of correctness can be done easily by crosschecking the results from the two clouds. We provide a formal analysis of the games induced by the contracts, and prove that the contracts will be effective under certain reasonable assumptions. By resorting to game theory and smart contracts, we are able to avoid heavy cryptographic protocols. The client only needs to pay two clouds to compute in the clear, and a small transaction fee to use the smart contracts. We also conducted a feasibility study that involves implementing the contracts in Solidity and running them on the official Ethereum network.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 컴퓨팅에서 기존 검증 가능한 계산 기법의 높은 비용을 해결하기 위해.
• 중요한 암호화 프로토콜에 의존하지 않고도 비용 효율적인 정확성 검증을 가능하게 하기 위해.
• 경제적 인센티브와 제재를 통해 두 클라우드 제공업체 간의 공모를 방지하기 위해.
• 현실성 있고 확장 가능한 솔루션을 설계하여, 온프레미스 컴퓨팅 수준의 비용으로도 클라이언트의 신뢰를 유지하기 위해.
• Ethereum 블록체인을 사용하여 Solidity로 구현함으로써 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 클라이언트는 동일한 계산을 두 개의 독립적인 클라우드 제공업체에 위탁한다.
• 스마트 계약을 사용하여 두 클라우드 간에 게임 이론 기반의 인센티브 구조를 구축한다.
• 클라우드가 다른 결과를 생성할 경우 재정적 제재가 부과되어 공모를 저지르게 한다.
• 정직한 행동은 보상받고, 공모하는 클라우드는 예치금을 잃을 위험이 있다.
• 공모가 발생하지 않을 경우 결과 상호 검증을 통해 정확성을 검증한다.
• 계약은 Solidity로 구현되어 실세계 검증을 위해 Ethereum 메인넷에 배포된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 검증 가능한 클라우드 컴퓨팅에서 두 이성적인 클라우드 제공업체 간의 공모를 게임 이론적 접근 방식으로 효과적으로 방지할 수 있는가?
• RQ2 스마트 계약을 통해 클라우드 제공업체의 정직 행동을 지배 전략으로 만드는 경제적 인센티브를 만들 수 있는가?
• RQ3 암호화 오버헤드 없이도 온프레미스 컴퓨팅 수준의 비용으로 검증 가능한 계산을 달성할 수 있는가?
• RQ4 단지 재정적 및 계약적 수단만을 사용하여 신뢰할 수 없는 당사자 간에 신뢰를 구축할 수 있는가?
• RQ5 Ethereum과 같은 실세계 블록체인 환경에 이러한 시스템을 구현하는 데 실현 가능성이 있는가?

주요 결과

• 제안된 스마트 계약 메커니즘은 합리적인 가정 하에 공모를 효과적으로 억제하며, 정직한 행동이 내쉬 균형이 되도록 한다.
• 검증 비용은 단일 클라우드 계산 비용의 약 두 배로 줄어들었으며, 기존 복제 기반 접근 방식의 3배 비용을 피한다.
• 기존 검증 가능한 컴퓨팅 프로토콜에서 볼 수 있는 10^3에서 10^9배의 암호화 오버헤드를 피한다.
• 계약은 성공적으로 Ethereum 메인넷에 구현 및 배포되어 실세계 적용 가능성을 입증했다.
• 경제적 인센티브로 공모가 방지된 상태에서 결과 상호 검증을 통해 강력한 정확성 보장을 달성한다.
• 이 프레임워크는 확장 가능하며, 전자 투표나 탈중앙화된 계산과 같은 다른 분야에서의 공모 방지를 위해도 응용 가능하다.