[論文レビュー] Walnut: A low-trust trigger-action platform

Sandy Schoettler, Andrew Thompson+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2020

Security and Verification in Computing参考文献 52被引用数 5

ひとこと要約

Walnutは、文字列置換に最適化された独自の2-party安全計算プロトコルと、異種の信頼できるハードウェア（例：Intel SGX、AMD SEV）におけるレプリケート実行を組み合わせることで、IoT自動化におけるユーザーデータの機密性と完全性を保証する低信頼性のトリガー・アクションプラットフォームです。大多数のプログラムにおいて、非セキュアなベースラインと比較してCPU負荷が3.6倍、ネットワーク負荷が4.3倍低減され、強力なセキュリティ保証のもとで実用的な展開が可能になります。

ABSTRACT

Trigger-action platforms are a new type of system that connect IoT devices with web services. For example, the popular IFTTT platform can connect Fitbit with Google Calendar to add a bedtime reminder based on sleep history. However, these platforms present confidentiality and integrity risks as they run on public cloud infrastructure and compute over sensitive user data. This paper describes the design, implementation, and evaluation of Walnut, a low-trust trigger-action platform that mimics the functionality of IFTTT, while ensuring confidentiality of data and correctness of computation, at a low resource cost. The key enabler for Walnut is a new two-party secure computation protocol that (i) efficiently performs strings substitutions, which is a common computation in trigger-action platform workloads, and (ii) replicates computation over heterogeneous trusted-hardware machines from different vendors to ensure correctness of computation output as long as one of the machines is not compromised. An evaluation of Walnut demonstrates its plausible deployability and low overhead relative to a non-secure baseline--3.6x in CPU and 4.3x in network for all but a small percentage of programs.

研究の動機と目的

• IFTTTのような既存のトリガー・アクションプラットフォームが、信頼できないパブリッククラウドインfraストラクチャ上で機密性の高いユーザーデータを処理する際の機密性と完全性のリスクに対処すること。
• 接続されたサービスへのセキュリティ負担を移転させず、信頼できる第三者を必要としない、ユーザーのデータを保護するシステムの設計。
• 低いパフォーマンスオーバーヘッドで、安全なトリガー・アクションワークロードの実用的展開を可能にすること。
• 複数の異種の信頼できる実行環境（Trusted Execution Environments）を用いることで、信頼できるハードウェアプロバイダーの1つが侵害された場合でも計算の正しさを保証すること。

提案手法

• Walnutは、トリガー・アクションプラットフォームを2つのコンponentに分割し、別々のクラウドプロバイダー（例：AzureとIBM Cloud）上で実行することで、1つの当事者も全入力を把握しないようにします。
• 文字列置換ワークロード（トリガー・アクションプログラムで一般的）に最適化された独自の2-party安全計算プロトコルを導入し、Yaoのゲート暗号化回路のような一般用途プロトコルと比較して、オーバーヘッドを低減します。
• プロトコルは計算中、2者間の通信を完全に排除しており、通信漏洩を回避するとともに、粗い粒度の情報（例：置換位置の近似）しか漏らさないため、プライバシーを保持します。
• 完全性は、3組の異種の信頼できるハードウェアマシン（例：Intel SGXとAMD SEV）のペア上でプロトコルを実行することで強化され、少なくとも1台のマシンが侵害されていなければ出力の正しさが保証されます。
• 秘密分散と検証可能な計算を用いて入力と出力を束縛し、改ざん検出のための暗号的証明を提供します。
• シミュレータベースの証明により、プロトコルが標準的なシミュレーションベースのセキュリティ定義に従い、理想の機能と区別不能であることが示されています。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の信頼できるクラウドプロバイダーに依存せずに、機密性の高いIoTデータに対して強力な機密性と完全性の保証を提供できるトリガー・アクションプラットフォームは構築可能か？
• RQ2 トリガー・アクションプラットフォームの特定のワークロードパターン、特に文字列置換に対して、安全計算をどのように最適化できるか？
• RQ3 安全計算のパフォーマンスオーバーヘッドを実用的な水準まで低減できるか？
• RQ4 単一の信頼できるハードウェアルートに依存せずに、信頼できないハードウェアプラットフォーム間で完全性を保証できるか？
• RQ5 データ漏洩や出力改ざんを防ぎつつ、使いやすさを維持したまま、安全で展開可能なトリガー・アクションシステムを構築することは可能か？

主な発見

• Walnutは、大多数のトリガー・アクションプログラムにおいて、非セキュアなベースラインと比較してCPU負荷を3.6倍、ネットワーク負荷を4.3倍に低減しました。
• 独自の安全計算プロトコルにより、計算中における2者間通信が完全に排除され、一般用途プロトコルと比較してネットワークコストを顕著に削減しました。
• 3組の異種の信頼できるハードウェアマシンペアの使用により、少なくとも1台のマシンが侵害されていなければ出力の正しさが保証されます。
• システムのセキュリティモデルは、シミュレーションによる形式的証明により、標準的な暗号的仮定のもとで理想の機能と区別不能であることが示されました。
• プラットフォームは、健康データの同期、写真のツイート、家庭の暖房制御など、実世界のトリガー・アクションワークロードを強力なプライバシーと完全性の保証のもとでサポートしています。
• 評価により、Walnutは実用的に展開可能であることが確認され、一般的なプログラムの大部分においてパフォーマンスオーバーヘッドが低く抑えられていることが示されました。