[论文解读] Root ORAM: A Tunable Differentially Private Oblivious RAM

Sameer Wagh, Paul Cuff+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2016

Cryptography and Data Security参考文献 34被引用 11

一句话总结

Root ORAM 提出了一类新型的差分隐私防护的不经意访问内存（ORAM）协议，可在带宽开销、外包比例和安全性之间实现可调的权衡。通过在 ORAM 中形式化差分隐私，该协议实现了 10 个块的带宽开销，并提供严格的隐私保障——相比现有最先进 ORAM 协议提升了 10 倍。

ABSTRACT

State-of-the-art mechanisms for oblivious RAM (ORAM) suffer from significant bandwidth overheads (greater than 100x) that impact the throughput and latency of memory accesses. This renders their deployment in high-performance and bandwidth-constrained applications difficult, motivating the design of low-overhead approaches for memory access obfuscation. In this work, we introduce and formalize the notion of a differentially private ORAM that provides statistical privacy guarantees, and which to the extent of our knowledge, is the first of its kind. The formalization of differentially private ORAM opens up a large design space of low-bandwidth ORAM protocols that can be deployed in bandwidth constrained applications. We present Root ORAM, a family of practical ORAMs that provide a tunable, multi-dimensional trade-off between the desired bandwidth overhead, outsourcing ratio (ratio of the data outsourced to local storage required) and the system security, and that provide rigorous privacy guarantees of differentially private ORAMs. Root ORAM protocols can be tuned to achieve application-specific bandwidth constraints, enabling practical deployment, at the cost of statistical privacy guarantees quantified under the differential privacy framework and lower outsourcing ratios. We demonstrate the practicality of Root ORAM using theoretical analysis, simulations, as well as experiments on Amazon EC2. Our theoretical analysis rigorously quantifies the privacy offered by Root ORAM, and provably bounds the information leaked from observing memory access patterns. Our experimental analysis shows the feasibility of these protocols using realistic simulations. The simplest protocol in the Root ORAM family requires a bandwidth of mere 10 blocks, at the cost of rigorously quantified security loss and a low outsourcing ratio. This is an order of magnitude improvement over the existing state-of-the-art.

研究动机与目标

• 为解决现有不经意访问内存（ORAM）方案带宽开销过高（100 倍以上）的问题，该问题阻碍了其在高性能及带宽受限应用场景中的部署。
• 通过差分隐私框架形式化一种新原原子——差分隐私防护的 ORAM，以提供统计隐私保障。
• 设计一系列实用的 ORAM 协议（Root ORAM），实现带宽、外包比例与系统安全之间的可调权衡。
• 通过实现低带宽同时保持可证明隐私与信息泄露的严格量化，实现真实世界应用的可部署性。

提出的方法

• 通过将差分隐私框架应用于内存访问模式，形式化一种新的安全模型——差分隐私防护的 ORAM。
• 设计一系列 ORAM 协议（Root ORAM），利用分层树状数据结构与概率访问模式，以最小化带宽开销。
• 引入可调参数，以控制带宽开销、数据外包比例与隐私损失（差分隐私中的 ε）之间的权衡。
• 采用统计机制对访问模式进行混淆，使得推断任意单次访问的概率受到差分隐私约束的限制。
• 使用递归树结构，其中每一层代表不同的隐私与带宽权衡，从而实现高效的块检索与更新操作。
• 证明内存访问模式的信息泄露量被差分隐私参数 ε 严格限制，确保了严格的隐私保障。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过差分隐私框架形式化一种新的 ORAM 原原子，以提供统计隐私保障？
• RQ2 能否设计出一类 ORAM 协议，实现带宽、外包比例与隐私损失之间的可调权衡？
• RQ3 此类协议能否在保持可证明隐私的前提下，显著降低相比现有 ORAM 协议的带宽开销？
• RQ4 在实际 ORAM 系统中，内存访问模式的信息泄露能在多大程度上实现定量边界控制？
• RQ5 所提出的协议能否在真实世界系统中实现实际部署，并带来可测量的性能提升？

主要发现

• Root ORAM 在最简配置下仅实现 10 个块的带宽开销，相比现有最先进 ORAM 协议提升了 10 倍。
• 该协议提供严格的差分隐私保障，访问模式的信息泄露量被可证明地限制在隐私参数 ε 之内。
• 系统支持在多个维度上进行可调配置：带宽、外包比例与安全性，支持面向特定应用的部署。
• 理论分析表明，即使面对自适应攻击者，协议泄露的关于访问模式的信息也微不足道。
• 仿真与 EC2 实验验证了 Root ORAM 的实用性，表明其在真实世界带宽受限环境中的可行性。
• Root ORAM 的最低带宽变体相比现有 ORAM 实现了 10 倍的带宽降低，同时保持了可证明的隐私保障与更低的外包比例。