[논문 리뷰] Enabling Strong Database Integrity using Trusted Execution Environments

Kai Mast, Lequn Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 05.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 47인용 수 5

한 줄 요약

CreDB는 Intel SGX와 같은 신뢰할 수 있는 실행 환경(TeE)을 활용하여 복제나 작업증명이 필요 없이 블록체인 수준의 데이터 무결성을 제공하는 신뢰할 수 있는 데이터베이스 시스템입니다. 이는 위변조 방지 트랜잭션 증거, 정책 기반 데이터 객체, 타임라인 검사, 보호된 함수 평가를 가능하게 하며, 초당 수백 건의 트랜잭션을 처리하는 높은 성능을 달성하여 MongoDB와 같은 NoSQL 데이터베이스의 즉각적인 대체제로 기능합니다.

ABSTRACT

Many applications require the immutable and consistent sharing of data across organizational boundaries. Because conventional datastores cannot provide this functionality, blockchains have been proposed as one possible solution. Yet public blockchains are energy inefficient, hard to scale and suffer from limited throughput and high latencies, while permissioned blockchains depend on specially designated nodes, potentially leak meta-information, and also suffer from scale and performance bottlenecks. This paper presents CreDB, a datastore that provides blockchain-like guarantees of integrity using trusted execution environments. CreDB employs four novel mechanisms to support a new class of applications. First, it creates a permanent record of every transaction, known as a witness, that clients can then use not only to audit the database but to prove to third parties that desired actions took place. Second, it associates with every object an inseparable and inviolable policy, which not only performs access control but enables the datastore to implement state machines whose behavior is amenable to analysis. Third, timeline inspection allows authorized parties to inspect and reason about the history of changes made to the data. Finally, CreDB provides a protected function evaluation mechanism that allows integrity-protected computation over private data. The paper describes these mechanisms, and the applications they collectively enable, in detail. We have fully implemented a prototype of CreDB on Intel SGX. Evaluation shows that CreDB can serve as a drop-in replacement for other NoSQL stores, such as MongoDB while providing stronger integrity guarantees.

연구 동기 및 목표

• 복제나 작업증명이 필요 없이 강력한 데이터 무결성을 제공함으로써 기존 블록체인의 고에너지 소비, 낮은 확장성, 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 신뢰할 수 없는 당사자 간에 불가변적이고 검증 가능하며 기밀 유지되는 데이터 스토리지가 필요한 애플리케이션을 위한 보다 안전하고 확장 가능하며 효율적인 블록체인 대체 기반 제공을 위해.
• 위변조 방지 증거, 정책 시행, 보호된 함수 평가와 같은 TEE 기반 메커니즘을 통해 검증 가능하고 감사 가능한 데이터 무결성과 기밀성 확보를 위해.
• 데이터베이스 운영자에 대한 신뢰를 기반으로 하지 않고도 제3자에 의한 데이터 작업 및 시스템 동작의 검증이 가능한 응용 분야, 예를 들어 스마트 계약 및 감사 가능성 지원을 위해.

제안 방법

• CreDB는 Intel SGX 기반 TEE를 사용하여 데이터베이스 노드를 격리함으로써, 오직 승인된 코드만 데이터에 접근하거나 수정할 수 있도록 보장함으로써 강력한 무결성 보장을 달성합니다.
• 모든 트랜잭션에 대해 암호학적으로 안전하고 검증 가능한 증거를 발행하여, 데이터 상태와 트랜잭션 순서에 대한 위변조 방지 증명서로 기능합니다.
• 각 데이터 객체는 TEE에 의해 강제되는, 기호적으로 표현된 비분리 정책과 연결되며, 이는 액세스 및 동작을 규제합니다.
• 타임라인 검사는 승인된 당사자가 이력 데이터 변경 사항을 감사하고 분석할 수 있도록 하여 검증 가능한 감사 및 준수를 가능하게 합니다.
• 보호된 함수 평가는 기밀 유지된 데이터에 대해 원격에서 무결성 보장된 계산을 수행할 수 있도록 하며, 결과는 입력과 암호학적으로 묶여 있으며 증거를 통해 검증 가능합니다.
• 시스템은 단일 노드에서의 '블록체인 오브 원' 운영 방식과 다수의 TEE 기반 노드 간 연합 배포 방식을 모두 지원하여 수평적 확장성을 확보합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 블록체인의 성능 및 확장성 문제를 겪지 않으면서도 TEE 기반 데이터베이스가 블록체인 수준의 데이터 무결성 보장을 제공할 수 있는가?
• RQ2 클라이언트가 데이터베이스 운영자에 대해 완전히 신뢰하지 않는 환경에서 검증 가능하고 감사 가능하며 위변조 방지 가능한 데이터 작업을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 신뢰할 수 없는 노드가 존재하는 분산 환경에서 안전하고 정책 기반, 분석 가능한 데이터 작업을 가능하게 하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 TEE를 사용하여 기밀 유지된 데이터에 대해 보호된 함수 평가를 효율적이고 안전하게 구현하고, 결과를 검증 가능하게 만들 수 있는가?
• RQ5 실세계 워크로드에서 TEE 기반 데이터베이스의 성능이 기존의 허가된 및 비허가된 블록체인과 비교해 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• CreDB는 단일 노드에서 수백 건의 복잡한 트랜잭션을 초당 처리할 수 있는 높은 성능을 달성하여 최신의 허가된 및 비허가된 블록체인을 능가합니다.
• 복제나 합의 오버헤드 없이 TEE를 활용하여 무결성을 강제함으로써 '블록체인 오브 원' 방식으로 기능합니다.
• 증거는 암호학적으로 안전하고 제3자에 의해 독립적으로 검증 가능하며, 데이터 상태, 트랜잭션 또는 정책 준수를 증명하는 데 사용할 수 있습니다.
• 정의된 보안 정책은 TEE를 통해 시행되며 기호적으로 분석 가능하므로 제3자가 예상 동작을 검증할 수 있습니다.
• 보호된 함수 평가는 기밀 유지된 데이터에 대해 원격에서 계산을 수행할 수 있도록 하며 결과는 입력과 암호학적으로 묶여 검증 가능하며 기밀성은 유지됩니다.
• Intel SGX 기반 프로토타입 구현을 통해 CreDB가 MongoDB와 같은 NoSQL 데이터베이스의 즉각적인 대체제로 기능할 수 있으며, 더 강력한 무결성 보장을 제공하는 것으로 입증되었습니다.