[論文レビュー] Practical Solutions For Format-Preserving Encryption

Mor Weiss, B.A. Rozenberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2015

Cryptography and Data Security参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、データ形式を保持しながらも強力なプライバシー保証を実現する、効率的で安全かつ実用的な形式保存暗号化（FPE）方式を提案する。新たな形式表現と最適化された暗号化/復号化アルゴリズムを導入し、高価なセットアップを不要とし、ユーザーが指定するサイズ制限を用いて大規模な形式をサポートする。制約下で最適なセキュリティを達成する。

ABSTRACT

Format Preserving Encryption (FPE) schemes encrypt a plaintext into a ciphertext while preserving its format (e.g., a valid social-security number is encrypted into a valid social-security number), thus allowing encrypted data to be stored and used in the same manner as unencrypted data. Motivated by the always-increasing use of cloud-computing and memory delegation, which require preserving both plaintext format and privacy, several FPE schemes for general formats have been previously suggested. However, current solutions are both insecure and inefficient in practice. We propose an efficient FPE scheme with optimal security. Our scheme includes an efficient method of representing general (complex) formats, and provides efficient encryption and decryption algorithms that do not require an expensive set-up. During encryption, only format-specific properties are preserved, while all message-specific properties remain hidden, thus guaranteeing data privacy. As experimental results show that in many cases large formats domains cannot be encrypted efficiently, we extend our scheme to support large formats, by imposing a user-defined bound on the maximal format size, thus obtaining a flexible security-efficiency tradeoff and the best possible security (under the size limitation).

研究の動機と目的

• クラウドコンピューティングおよびメモリの委任システムにおける、安全で形式保存型暗号化の増大するニーズに対応すること。
• 既存のFPE方式には、実用上安全でないか、非効率であるという限界があるため、それを克服すること。
• 暗号化中に形式固有の性質のみを保持するFPE方式を設計し、メッセージ固有のデータがプライバシーを損なわないようにすること。
• ユーザーが指定する最大形式サイズの上限を導入することで、大規模なデータ形式の効率的暗号化を可能にすること。
• サイズ制約下で最適なセキュリティを達成しつつ、実用的なパフォーマンスを維持すること。

提案手法

• 一般的かつ複雑なデータ形式を効率的に表現するための新規手法を用い、形式に配慮した暗号化を可能にする。
• 形式固有のラウンド関数を備えたフェイステルネットワーク構造を採用し、暗号化および復号化中に形式を維持する。
• 計算効率の高い暗号化および復号化アルゴリズムを設計し、高価な事前処理やセットアップフェーズを回避する。
• 大規模なドメインを扱うために、最大形式サイズに対する制限を設ける。これにより、セキュリティとパフォーマンスの間で柔軟なトレードオフが可能になる。
• 暗号化中に、桁数や文字セットなどの形式固有の性質のみが保持され、すべてのメッセージ固有のコンテンツは隠蔽されたままになる。
• 標準的な暗号的仮定に基づき、サイズ制限までに形式的セキュリティが保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FPE方式は、クラウドおよびメモリの委任システムにおける実世界の展開において、どのようにして安全かつ効率的になるか？
• RQ2 FPEにおいて、パフォーマンスを損なわずに複雑かつ一般的なデータ形式を効果的に表現する方法は何か？
• RQ3 セキュリティを損なわせずに、FPEを大規模なデータ形式に効率的にスケーリングすることは可能か？
• RQ4 形式制約を維持しつつ、暗号化中にプライバシーをどのように保証できるか？
• RQ5 大規模な形式ドメインを扱う際、セキュリティと効率性の最適なトレードオフは何か？

主な発見

• 提案されたFPE方式は、ユーザーが定義するサイズ制限下で最適なセキュリティを達成し、強力なプライバシー保証を提供する。
• 高価なセットアップフェーズを排除し、複雑な形式に対しても効率的な暗号化および復号化が可能になる。
• 実験結果から、最大サイズ制限を設けることで大規模な形式ドメインが効率的に処理され、実用的導入が可能であることが示された。
• 暗号化中に、形式固有の性質のみが保持され、メッセージ固有のデータが機密性を保たれる。
• ユーザーが最大形式サイズを定義できるため、アプリケーションのニーズに応じて柔軟なセキュリティ-効率トレードオフが可能である。
• 標準的な暗号的仮定に基づき、形式的セキュリティ分析が提供されたうえで、方式は証明的に安全である。