[论文解读] Auditable data structures: theory and applications

Andrea Canciani, Claudio Felicioli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2023

Security and Verification in Computing被引用 4

一句话总结

本文提出了一种形式化框架，用于外部可审计的数据结构，可在不暴露敏感数据的情况下实现对数据历史一致性的信任。通过结合密码学摘要、一致性证明以及在公共区块链上的保全模型，该框架使外部审计员能够验证数据操作的完整性和顺序正确性，同时保持数据保密性，如在混合区块链实现中所展示的那样。

ABSTRACT

Every digital process needs to consume some data in order to work properly. It is very common for applications to use some external data in their processes, getting them by sources such as external APIs. Therefore, trusting the received data becomes crucial in such scenarios, considering that if the data are not self-produced by the consumer, the trust in the external data source, or in the data that the source produces, can not always be taken for granted. The most used approach to generate trust in the external source is based on authenticated data structures, that are able to authenticate the source when queried through the generation of proofs. Such proofs are useful to assess authenticity or integrity, however, an external user could also be interested in verifying the data history and its consistency. This problem seems to be unaddressed by current literature, which proposes some approaches aimed at executing audits by internal actors with prior knowledge about the data structures. In this paper, we address the scenario of an external auditor with no data knowledge that wants to verify the data history consistency. We analyze the terminology and the current state of the art of the auditable data structures, then we will propose a general framework to support external audits from both internal and external users.

研究动机与目标

• 解决在审计数据结构历史一致性方面缺乏标准化术语和框架的问题。
• 使外部审计员——即使事先不了解数据或数据结构——也能验证数据操作随时间推移的一致性。
• 在允许验证数据历史的同时，保持数据保密性，通过密码学证明和公共区块链上的保全机制实现。
• 将认证数据结构扩展为支持对外部审计操作序列的可审计性，而不仅限于数据完整性。
• 为在现实世界应用中比较和评估可审计数据结构解决方案提供形式化基础。

提出的方法

• 定义核心术语，如数据结构操作、摘要、一致性及历史，以标准化该领域。
• 引入外部可审计数据结构的概念，利用单向数据间接机制隐藏内容，同时支持证明验证。
• 提出一种框架，其中保全系统将在公共区块链上发布摘要序列和一致性证明，以确保外部可审计性。
• 采用账本树数据结构，高效地在公共区块链上压缩并验证多个私有账本的历史。
• 使用具备第二原像抗性的密码学哈希函数，以确保摘要的安全性并防止伪造。
• 设计一致性证明，使外部审计员能够验证较新版本的数据结构是否通过有效编辑操作从旧版本派生。

Figure 1: Scheme of the three-party model for data replication

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使外部审计员在事先不了解数据或数据结构的情况下，审计数据结构历史的一致性？
• RQ2 需要哪些形式化术语和定义，以标准化可审计数据结构领域的研究与比较？
• RQ3 如何在保持数据保密性的同时，仍能实现对外部验证操作历史的支持？
• RQ4 支持可扩展、安全且高效的外部审计数据结构演化的架构组件有哪些？
• RQ5 如何利用该框架增强现有系统（如私有分布式账本技术或证书吊销列表）？

主要发现

• 本文建立了一套形式化术语，澄清了数据结构一致性、历史及一致性证明等关键概念，使不同解决方案之间的比较更加清晰。
• 所提出的框架使外部审计员能够在不访问原始数据的情况下，仅通过摘要和密码学证明验证数据结构历史的一致性。
• Traent混合区块链系统中的实现表明，单一公共区块链保全可借助账本树验证多个私有账本历史的一致性。
• 连续摘要之间的一致性证明使审计员能够检测到分叉或无效操作，确保数据演化的唯一性和正确性。
• 使用公共区块链保全确保了数据历史的长期可审计性和不可篡改性，即使在私有网络不可信的情况下亦然。
• 该框架支持现实世界应用，如可审计的数字产品护照、证书管理以及具备可验证操作历史的私有分布式账本技术。

Figure 2: Scheme of the two-party model for data outsourcing