[論文レビュー] Securing Dynamic Distributed Storage Systems against Eavesdropping and Adversarial Attacks

Sameer Pawar, Salim El Rouayheb+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2010

Advanced Data Storage Technologies参考文献 27被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、ノード修復中にスパイとByzantine攻撃者に対する脅威にさらされる動的分散ストレージシステム（DSS）を保護するセキュアコーディングフレームワークを提案する。帯域幅制限下の環境において、情報漏洩と耐障害性の上限境界を厳密に確立し、MDSコードとハッシュベースの整合性チェックを用いた明示的コード構成を提供することで、大きな有限体サイズ下で高確率で情報理論的セキュリティを実現する。

ABSTRACT

We address the problem of securing distributed storage systems against eavesdropping and adversarial attacks. An important aspect of these systems is node failures over time, necessitating, thus, a repair mechanism in order to maintain a desired high system reliability. In such dynamic settings, an important security problem is to safeguard the system from an intruder who may come at different time instances during the lifetime of the storage system to observe and possibly alter the data stored on some nodes. In this scenario, we give upper bounds on the maximum amount of information that can be stored safely on the system. For an important operating regime of the distributed storage system, which we call the 'bandwidth-limited regime', we show that our upper bounds are tight and provide explicit code constructions. Moreover, we provide a way to short list the malicious nodes and expurgate the system.

研究の動機と目的

• ノードの故障と修復に伴い、スパイや攻撃者にさらされる動的分散ストレージシステムにおけるセキュリティ課題に対処すること。
• スパイと悪意ある不正改ざんの下で、安全に格納可能な最大データ量の根本的上限を特定すること。
• 帯域幅制限下の環境において、これらの上限に到達する明示的コード構成を設計し、データ機密性とシステム信頼性の両方を保証すること。
• 最小限のオーバーヘッドで悪意あるノードの検出と短縮リスト作成を可能にするセキュアハッシュテーブル機構の導入。
• 大きな有限体上でMDSコードとランダム線形ネットワークコーディングを用いて、高確率での機密性と耐障害性を保証すること。

提案手法

• データをノードに分散格納するために(4,2) MDSコードを用い、任意のk=2ノードからファイルを再構成可能であり、d=3のヘルパー・ノードを介した効率的修復を可能にする。
• 代替ノードがdノードから符号化されたデータをダウンロードする安全な修復メカニズムを導入し、修復帯域幅を最小限に抑えつつデータ整合性を維持する。
• 悪意あるノードの検出と除外を高確率で実現するため、サイズθ²のハッシュテーブルをθ³ log q記号で格納する。
• ハッシュテーブルにMDSコードを適用し、攻撃者が導入する誤差ベクトルが検出不能である確率が≤ 1/q^{R−ℰ} 以下となるようにする。
• すべての可能なb個のノードが改ざんされた場合の誤差総確率を、ユニオンバウンドで上界評価し、体サイズqが増加するにつれてその確率が0に収束することを示す。
• 生成行列Gの部分行列の可逆性を活用し、スパイが最大ℓノードを観測しても、秘密Sが一様かつ隠蔽されたまま保たれることを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパイと悪意ある不正改ざんの下で、動的分散ストレージシステムに安全に格納可能な最大データ量は何か？
• RQ2 帯域幅制限下の分散ストレージシステムにおいて、機密性と耐障害性の容量に関するタイトな上限境界を導出可能か？
• RQ3 理論的上限に到達する明示的コード構成を、データ整合性と機密性を保証しながらどのように設計できるか？
• RQ4 ハッシュベースの整合性チェックは、最小限のオーバーヘッドで悪意あるノードを検出可能にする役割を果たすか？
• RQ5 誤検出誤りまたはスパイの確率は、体サイズとシステムパラメータに応じてどのように変化するか？

主な発見

• 本稿は、帯域幅制限下の環境において、機密性容量C_sと耐障害性容量C_rのタイトな上限境界を確立し、明示的コード構成によって達成可能であることを示した。
• 帯域幅制限下の環境では、提案コードは最適な修復帯域幅γ = Γを達成し、最大ℓノードをスパイが観測しても情報理論的機密性を維持する。
• 誤検出誤りまたはスパイの確率は、二項係数(n,b)/q^{R−ℰ}で上界評価され、体サイズqが増加するにつれて0に収束するため、高確率でのセキュリティが保証される。
• ハッシュテーブル機構により、θ²記号分のハッシュ情報を格納するにあたり、θ³ log q記号の最小限のオーバーヘッドが追加され、悪意あるノードの効率的検出が可能になる。
• MDSコードの使用により、任意のkノードの集合が元のファイルを再構成可能であり、任意のdノードの集合が最小限の帯域幅で修復をサポートする。
• 体サイズqが十分に大きい限り、攻撃者が最大bノードを制御し誤りを注入しても、システムは安全かつ信頼性を保つことができる。