[论文解读] Dynamic proofs of retrievability with low server storage

Gaspard Anthoine, Jean‐Guillaume Dumas+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2020

Cloud Data Security Solutions参考文献 33被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新颖的动态可追溯性证明（PoR）方案，通过在有限域上使用随机化线性代数，将服务器存储开销最小化，从而实现高效审计、更新和检索，且无需数据编码。该方案实现了次线性服务器存储（o(N)），并具备实际性能表现——在 Google Cloud 上对 1TB 文件的审计耗时不足 5 分钟，成本低于 0.08 美元，同时支持客户端效率与公开可验证性，通过密码学增强实现。

ABSTRACT

Proofs of Retrievability (PoRs) are protocols which allow a client to store data remotely and to efficiently ensure, via audits, that the entirety of that data is still intact. A dynamic PoR system also supports efficient retrieval and update of any small portion of the data. We propose new, simple protocols for dynamic PoR that are designed for practical efficiency, trading decreased persistent storage for increased server computation, and show in fact that this tradeoff is inherent via a lower bound proof of time-space for any PoR scheme. Notably, ours is the first dynamic PoR which does not require any special encoding of the data stored on the server, meaning it can be trivially composed with any database service or with existing techniques for encryption or redundancy. Our implementation and deployment on Google Cloud Platform demonstrates our solution is scalable: for example, auditing a 1TB file takes just less than 5 minutes and costs less than $0.08 USD. We also present several further enhancements, reducing the amount of client storage, or the communication bandwidth, or allowing public verifiability, wherein any untrusted third party may conduct an audit.

研究动机与目标

• 为解决现有动态 PoR 方案中持久存储开销过高的问题，这些方案通常需要原始数据大小的 1.5 倍至 10 倍存储空间。
• 设计一种实用、高效且可扩展的 PoR 协议，支持动态更新与部分检索，且无需数据编码。
• 在保持对恶意服务器强安全保证的前提下，最小化客户端存储与通信成本。
• 实现公开可验证性，使任何第三方均可在无需客户端参与的情况下审计数据完整性。
• 在云基础设施上实现真实世界部署，证明该方案的可行性与高效性。

提出的方法

• 协议在有限域上使用随机化线性代数验证机制，客户端生成随机矩阵 V，并基于数据块计算审计挑战。
• 通过仅存储原始数据和一个小型紧凑矩阵 V（或其外部化形式），最小化服务端存储，避免编码或冗余扩展。
• 通过客户端挑战向量与服务端响应之间的点积验证执行审计，以高概率确保正确性。
• 通过仅重新计算验证矩阵受影响部分，支持动态更新，实现高效的细粒度块级修改。
• 通过发布对验证矩阵 V 的承诺，并利用具有困难离散对数问题的群，实现零知识风格的审计验证，从而实现公开可验证性。
• 该方案与标准加密（如 IND-CPA 对称密码）兼容，可无缝集成至现有数据库或云服务，无需修改。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出一种动态 PoR 方案，在保持强安全性和高效性的同时，实现次线性服务器存储开销？
• RQ2 是否可能在不牺牲审计效率或安全性的前提下，消除 PoR 系统中对数据编码或冗余的需求？
• RQ3 如何在不增加服务器计算开销的前提下，最小化动态 PoR 协议中的客户端存储与通信成本？
• RQ4 是否能在不依赖复杂密码学工具的前提下，高效实现动态 PoR 环境下的公开可验证性？
• RQ5 PoR 方案中的固有时空权衡是什么？是否可以对其进行形式化界定？

主要发现

• 所提出的方案实现了 o(N) 的服务器存储开销，与需要 O(N) 或更多的先前方案相比，显著降低了持久存储成本。
• 在 Google Cloud 上对 1TB 文件的审计耗时不足 5 分钟，成本低于 0.08 美元，证明了其实际可扩展性。
• 在资源受限设备上，客户端审计成本低于 1 秒，表明其在私有证明场景下具备极强的效率。
• 协议支持无限次的部分检索与更新，且开销极低，适用于动态工作负载。
• 一种采用外部化审计矩阵存储的变体将客户端存储降至 O(1)，通信量降至 O(√N)，通过参数 α 平衡性能权衡。
• 作者证明了 PoR 方案中时空间权衡的下限，表明减少服务器存储会不可避免地增加计算成本。