[論文レビュー] Unbreakable distributed storage with quantum key distribution network and password-authenticated secret sharing

Mikio Fujiwara, Atsushi Waseda+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、量子鍵配送（QKD）を用いた安全な鍵交換と、ユーザーにやさしい認証を実現するパスワード認証付き秘密分散（PASS）を組み合わせた、破られない分散ストレージシステムを提案する。QKDに基づく安全なチャネルと、1つのパスワードで保護される秘密分散方式を統合することにより、盗聴攻撃およびブルートフォース攻撃に対して情報理論的に安全なセキュリティを実現した。これは東京の都市部ネットワークを対象とした実世界での導入で実証された。

ABSTRACT

Distributed storage plays an essential role in realizing robust and secure data storage in a network over long periods of time. A distributed storage system consists of a data owner machine, multiple storage servers and channels to link them. In such a system, secret sharing scheme is widely adopted, in which secret data are split into multiple pieces and stored in each server. To reconstruct them, the data owner should gather plural pieces. Shamir's (k, n)-threshold scheme, in which the data are split into n pieces (shares) for storage and at least k pieces of them must be gathered for reconstruction, furnishes information theoretic security, that is, even if attackers could collect shares of less than the threshold k, they cannot get any information about the data, even with unlimited computing power. Behind this scenario, however, assumed is that data transmission and authentication must be perfectly secure, which is not trivial in practice. Here we propose a totally information theoretically secure distributed storage system based on a user-friendly single-password-authenticated secret sharing scheme and secure transmission using quantum key distribution, and demonstrate it in the Tokyo metropolitan area.

研究の動機と目的

• 従来の完全な通信および認証の前提が満たせない現実の分散ストレージシステムにおいて、情報理論的セキュリティを達成するという実用的課題に対処すること。
• 古典的暗号の代わりに量子鍵配送（QKD）を用いて、計算の困難性に依存しない鍵交換を実現すること。
• 1つのパスワードを用いて、ユーザーにやさしい方法で分散データにアクセス可能にしつつ、PASSプロトコルによって情報理論的セキュリティを維持すること。
• QKDで保護されたPASS統合型分散ストレージシステムが、実都市規模の量子ネットワークに実際に展開可能であることを実証すること。

提案手法

• データをn個のシェアに分割し、n台のサーバーに分散保存する(k, n)-しきい値秘密分散方式を採用し、再構築には最低k個のシェアが必要となる。
• 量子鍵配送（QKD）を用いて、データ所有者と各ストレージサーバー間でワンタイムパッド鍵を生成・配布し、情報理論的に安全な通信を保証する。
• パスワード認証付き秘密分散（PASS）を用いて、1つのユーザーのパスワードでデータ所有者をサーバーと認証し、ブルートフォース攻撃を防止する。
• QKDで保護されたチャネルとPASSを統合し、鍵交換およびデータ送信の両方を保護することで、エンドツーエンドのセキュリティを実現する。
• プロトタイプを実装し、東京の都市部でテストした。既存のQKDインfraを活用して、性能およびセキュリティの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算の仮定に依存せずに、分散ストレージシステムが情報理論的セキュリティを達成できるか？
• RQ2 強力なセキュリティ保証を必要とするシステムにおいて、ユーザーにやさしい認証をどのように実現できるか？
• RQ3 実都市規模のネットワークに、QKDで保護されたPASS統合型分散ストレージシステムを展開するのは現実的か？
• RQ4 実用的な環境下で、QKDとPASSを統合する際のパフォーマンスとセキュリティのトレードオフは何か？

主な発見

• 提案されたシステムは、データ送信および認証の両方において情報理論的セキュリティを達成しており、無制限の計算能力をもってしても破られない。
• QKDとPASSの統合により、パスワードが盗聴者にさらされず、ブルートフォース攻撃に対しても安全な、パスワードベースのアクセスが可能になった。
• 本システムは東京の都市部にわたり実世界での導入に成功し、実用的妥当性が検証された。
• 認証に1つのパスワードを用いることで、従来の多要素認証や鍵ベースのシステムと比較して、ユーザビリティが著しく向上したが、セキュリティは損なわれなかった。