[论文解读] Oblivious Query Processing

Arvind Arasu, Raghav Kaushik|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2013

Cryptography and Data Security参考文献 18被引用 28

一句话总结

本文提出了不经意查询处理（oblivious query processing），一种针对加密数据的数据库查询执行的安全形式化框架，可防止访问模式泄露。证明了安全查询处理与不经意查询处理等价，并为广泛查询类型（包括选择、连接、分组和聚合）提供了高效算法，同时表明某些复杂查询（如环形连接）由于可归约至3SUM等难题，不太可能拥有高效的不经意解决方案。

ABSTRACT

Motivated by cloud security concerns, there is an increasing interest in database systems that can store and support queries over encrypted data. A common architecture for such systems is to use a trusted component such as a cryptographic co-processor for query processing that is used to securely decrypt data and perform computations in plaintext. The trusted component has limited memory, so most of the (input and intermediate) data is kept encrypted in an untrusted storage and moved to the trusted component on ``demand.'' In this setting, even with strong encryption, the data access pattern from untrusted storage has the potential to reveal sensitive information; indeed, all existing systems that use a trusted component for query processing over encrypted data have this vulnerability. In this paper, we undertake the first formal study of secure query processing, where an adversary having full knowledge of the query (text) and observing the query execution learns nothing about the underlying database other than the result size of the query on the database. We introduce a simpler notion, oblivious query processing, and show formally that a query admits secure query processing iff it admits oblivious query processing. We present oblivious query processing algorithms for a rich class of database queries involving selections, joins, grouping and aggregation. For queries not handled by our algorithms, we provide some initial evidence that designing oblivious (and therefore secure) algorithms would be hard via reductions from two simple, well-studied problems that are generally believed to be hard. Our study of oblivious query processing also reveals interesting connections to database join theory.

研究动机与目标

• 为解决基于云的加密数据库系统中的动态信息泄露问题，即即使使用强加密，访问模式仍可能暴露敏感数据。
• 形式化一种强安全模型——不经意查询处理，使得攻击者从查询执行模式中仅能获知结果大小，而无法获取其他信息。
• 为包含选择、连接、分组和聚合等操作的丰富关系查询类，设计高效的不经意查询处理算法。
• 为支持范围之外的查询建立理论困难性结果，表明在标准复杂性假设下，高效不经意处理几乎不可能，原因在于其可归约至已知难题。
• 揭示不经意查询处理与数据库连接理论之间的联系，特别是在环形连接和集合交集的上下文中的关联。

提出的方法

• 引入不经意查询处理的概念作为正式安全模型，其中查询执行期间的数据访问模式与输入数据无关。
• 证明一个查询可进行安全查询处理当且仅当其可进行不经意查询处理，从而确立两者之间的等价性。
• 设计基本关系运算的不经意算法：选择、等值连接、分组和聚合，采用掩盖访问模式的技术。
• 利用已知难题（特别是3SUM和集合交集枚举）的归约，表明某些查询（如环形连接、多关系分组）不太可能拥有高效的不经意算法。
• 利用理论数据库理论，特别是连接无环性和连接超图结构，刻画出哪些查询可实现高效的不经意处理。
• 使用可信硬件组件（配备有限内存）形式化该模型，数据按需从不受信存储中读取，且确保所有访问模式均为数据无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 我们能否设计一种安全查询处理模型，即使攻击者观察到执行轨迹，也能防止加密数据库中访问模式的泄露？
• RQ2 是否存在对哪些查询可被不经意处理的正式刻画，以及这与已知计算困难性的关系如何？
• RQ3 对于加密数据上的常见关系操作（如等值连接、分组和聚合），是否存在高效的不经意算法？
• RQ4 在标准复杂性假设下，我们能否证明某些复杂查询（如环形连接或多关系分组）无法拥有高效的不经意算法？
• RQ5 不经意查询处理与经典数据库理论之间存在何种联系，特别是在连接超图结构和无环性方面？

主要发现

• 不经意查询处理在形式上等价于安全查询处理：一个查询可被安全处理当且仅当其可被不经意处理。
• 为广泛查询类（包括选择、等值连接、分组和聚合）提供了高效不经意算法，其性能界限在现实工作负载中具有实用性。
• 本文证明，以实例高效时间评估环形连接查询的不经意处理几乎不可能，因为这将意味着存在针对3SUM-Cache(δ)的亚二次算法，而该问题被广泛认为是困难的。
• 通过将集合交集枚举归约至多关系分组查询，表明若此类查询存在高效的不经意算法，则意味着存在更快的集合交集算法，而目前尚无此类算法。
• 研究揭示了不经意查询处理与数据库连接理论之间的深刻联系，特别是在连接无环性和超图结构在决定可行性方面的作用。
• 结果表明，尽管许多标准查询可被安全地不经意处理，但复杂或环形查询可能因基本计算困难性而本质上难以实现高效的不经意处理。