[论文解读] ODIN: Obfuscation-based privacy preserving consensus algorithm for Decentralized Information fusion in smart device Networks

Moreno Ambrosin, Paolo Braca+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2016

Cryptography and Data Security参考文献 62被引用 4

一句话总结

ODIN 是一种用于去中心化物联网网络的隐私保护共识算法，通过加法混淆、代理重加密和混淆电路，在加密数据上实现安全的信息融合。它确保各参与方永远无法访问原始数据或最终的共识值，从而在资源受限设备（如树莓派）上实现高效且安全的共识，大规模网络中运行时间低于18秒。

ABSTRACT

The large spread of sensors and smart devices in urban infrastructures are motivating research in the area of Internet of Thing (IoT), to develop new services and improve citizens' quality of life. Sensors and smart devices generate large amount of measurement data from sensing the environment, which is used to enable services, such as control power consumption or traffic density. To deal with such a large amount of information, and provide accurate measurements, service providers can adopt information fusion, which, given the decentralized nature of urban deployments, can be performed by means of consensus algorithms. These algorithms allow distributed agents to (iteratively) compute linear functions on the exchanged data, and take decisions based on the outcome, without the need for the support of a central entity. However, the use of consensus algorithms raises several security concerns, especially when private or security critical information are involved in the computation. This paper proposes ODIN, a novel algorithm that allows information fusion over encrypted data. ODIN is a privacy-preserving extension of the popular consensus gossip algorithm, that prevents distributed agents have direct access to the data while they iteratively reach consensus; agents cannot access even the final consensus value, but can only retrieve partial information, e.g., a binary decision. ODIN uses efficient additive obfuscation and proxy re-encryption during the update steps, and Garbled Circuits to take final decisions on the obfuscated consensus. We discuss the security of our proposal, and show its practicability and efficiency on real-world resource constrained devices, developing a prototype implementation for Raspberry Pi devices.

研究动机与目标

• 解决物联网传感器网络中去中心化共识算法存在的隐私泄露问题。
• 在不向分布式参与方暴露私密或敏感传感器数据的前提下，实现安全的信息融合。
• 设计一种轻量级、高效的协议，适用于低功耗、资源受限的设备（如树莓派）。
• 确保即使最终的共识值也对参与方隐藏，参与方仅能获取二元决策结果。
• 为现实世界的城市物联网应用（如智能计量和交通监控）提供实用且可部署的解决方案。

提出的方法

• 在随机化广播共识算法基础上扩展加法混淆机制，以在消息交换过程中隐藏原始数据。
• 采用代理重加密技术，安全地在参与方之间转换加密消息，而无需暴露明文。
• 使用混淆电路对混淆后的共识值进行最终决策计算，从而保护隐私。
• 采用两阶段协议：在共识迭代阶段使用混淆更新，随后通过安全计算完成决策。
• 在树莓派设备上实现该协议，以评估其在真实物联网环境中的性能与可行性。
• 使用 Omnet++ 进行网络仿真，采用真实参数（如 IEEE 802.15.4、100m² 区域、10m 通信范围），评估可扩展性与延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种共识算法，在去中心化物联网网络中保护隐私，同时不向参与方暴露原始传感器数据？
• RQ2 如何将安全计算技术集成到共识协议中，以仅允许揭示二元决策结果？
• RQ3 隐私保护扩展在低功耗物联网设备（如树莓派）上的性能开销如何？
• RQ4 该协议能否在大规模网络（如 400–600 个节点）中保持低延迟并实现可扩展性？
• RQ5 在半诚实、非共谋攻击者模型下，协议如何保持正确性与安全性？

主要发现

• ODIN 在最多 600 个节点的网络中，共识时间低于 18 秒，即使在低容错率（ε = 0.01）下也表现良好。
• 该协议足够高效，可部署于低功耗设备，已在树莓派 1 硬件上成功实现原型系统。
• 参与方从未访问原始数据或最终共识值，仅通过混淆电路获得二元决策结果。
• 安全实现与原始共识协议的收敛行为一致，仅引入微小延迟。
• 仿真结果表明，ODIN 在不同网络规模与密度下均保持良好的可扩展性与低延迟。
• 在非共谋半诚实攻击者模型下，协议提供强隐私保障，防止对私密输入的非法访问。