[論文レビュー] ODIN: Obfuscation-based privacy preserving consensus algorithm for Decentralized Information fusion in smart device Networks

Moreno Ambrosin, Paolo Braca+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2016

Cryptography and Data Security参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

ODIN は、加法的オブスカリティ、プロキシ再暗号化、ゲート化回路を用いて暗号化されたデータ上で安全に情報統合を可能にする、分散型IoTネットワーク向けのプライバシー保護型コンSENSUSアルゴリズムである。エージェントは生データや最終的なコンセンサス値にアクセスしないことを保証し、Raspberry Pi などのリソース制約のあるデバイス上でも、大規模ネットワークにおいて18秒未塔の実行時間で効率的かつ安全なコンセンサスを実現する。

ABSTRACT

The large spread of sensors and smart devices in urban infrastructures are motivating research in the area of Internet of Thing (IoT), to develop new services and improve citizens' quality of life. Sensors and smart devices generate large amount of measurement data from sensing the environment, which is used to enable services, such as control power consumption or traffic density. To deal with such a large amount of information, and provide accurate measurements, service providers can adopt information fusion, which, given the decentralized nature of urban deployments, can be performed by means of consensus algorithms. These algorithms allow distributed agents to (iteratively) compute linear functions on the exchanged data, and take decisions based on the outcome, without the need for the support of a central entity. However, the use of consensus algorithms raises several security concerns, especially when private or security critical information are involved in the computation. This paper proposes ODIN, a novel algorithm that allows information fusion over encrypted data. ODIN is a privacy-preserving extension of the popular consensus gossip algorithm, that prevents distributed agents have direct access to the data while they iteratively reach consensus; agents cannot access even the final consensus value, but can only retrieve partial information, e.g., a binary decision. ODIN uses efficient additive obfuscation and proxy re-encryption during the update steps, and Garbled Circuits to take final decisions on the obfuscated consensus. We discuss the security of our proposal, and show its practicability and efficiency on real-world resource constrained devices, developing a prototype implementation for Raspberry Pi devices.

研究の動機と目的

• IoTセンサーネットワークで使用される分散型コンセンサスアルゴリズムにおけるプライバシー漏洩を解決すること。
• 分散エージェントに個人情報や機密センサデータを露呈せずに、安全な情報統合を可能にすること。
• Raspberry Pi などの低消費電力・リソース制限のあるデバイスに適した軽量で効率的なプロトコルを設計すること。
• 最終的なコンセンサス値ですらエージェントに隠され、エージェントが得る情報はバイナリ意思決定に限定されることを保証すること。
• スマートメーターインスツルメンテーションや交通監視などの実世界の都市IoTアプリケーションに実用的かつ展開可能なソリューションを提供すること。

提案手法

• メッセージ交換中に生データを隠すために、ランダム化されたギャッジングコンセンサスアルゴリズムに加法的オブスカリティを拡張する。
• プロキシ再暗号化を用いて、プレーンテキストを露呈せずにエージェント間で暗号化されたメッセージを安全に変換する。
• 最終的な意思決定をオブスカリティをかけたコンセンサス値上で評価するために、ゲート化回路を用いる。
• 2段階プロトコルを適用する：コンセンサス反復中はオブスカリティをかけた更新、その後に安全計算による意思決定。
• 実世界のIoT環境でのパフォーマンスと実現可能性を評価するために、Raspberry Pi デバイスにプロトコルを実装する。
• ネットワークシミュレーションをOmnet++で実施し、実際のパrameters（例：IEEE 802.15.4、100m²の領域、10mの範囲）を用いてスケーラビリティと遅延を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型IoTネットワークにおいて、エージェントに生センサデータを露呈せずにプライバシーを保護するコンセンサスアルゴリズムを設計できるか？
• RQ2 安全計算技術をコンセンサスプロトコルに統合することで、最終的に公開されるのはバイナリ意思決定のみとなるようにできるか？
• RQ3 低消費電力IoTデバイス（例：Raspberry Pi）にプライバシー保護拡張を適用した際のパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ4 400〜600ノードの大規模ネットワークにおいても、低遅延を維持しながらプロトコルがスケーリング可能か？
• RQ5 非協力的で半信頼性のある敵対者モデル下でも、プロトコルが正しさと安全性を保つことができるか？

主な発見

• ODIN は、エラー許容度が低い場合（ε = 0.01）でさえも、最大600ノードのネットワークで18秒未塔のコンセンサスを達成する。
• プロトコルは低消費電力デバイスに十分な効率性を備えており、Raspberry Pi 1 ハードウェア上でのプロトタイプ実装に成功している。
• エージェントは生データや最終的なコンセンサス値にアクセスせず、ゲート化回路を介して導出されたバイナリ意思決定のみを受信する。
• 安全な実装は、通常のコンセンサスプロトコルと同等の収束行動を示し、わずかな遅延しか発生しない。
• シミュレーションにより、ODIN がさまざまなネットワークサイズと密度においてもスケーラビリティと低遅延を維持することが確認された。
• 非協力的で半信頼性のある敵対者モデル下でも、強いプライバシー保証が達成されており、個人情報の入力へのアクセスが防止されている。