[论文解读] Secure and Privacy-Preserving Average Consensus

Minghao Ruan, Muaz Ahmad+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 10被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种基于同态加密的去中心化协议，用于实现安全且隐私保护的平均一致性，该协议无需依赖可信第三方即可保证收敛到精确的平均值。通过使用Paillier加密系统在通信过程中对状态值进行加密，该方法在时间可变拓扑下仍能确保数据机密性和确定性收敛，实验验证表明在Raspberry Pi平台上可在13步内实现准确的一致性。

ABSTRACT

Average consensus is fundamental for distributed systems since it underpins key functionalities of such systems ranging from distributed information fusion, decision-making, to decentralized control. In order to reach an agreement, existing average consensus algorithms require each agent to exchange explicit state information with its neighbors. This leads to the disclosure of private state information, which is undesirable in cases where privacy is of concern. In this paper, we propose a novel approach that enables secure and privacy-preserving average consensus in a decentralized architecture in the absence of any trusted third-parties. By leveraging homomorphic cryptography, our approach can guarantee consensus to the exact value in a deterministic manner. The proposed approach is light-weight in computation and communication, and applicable to time-varying interaction topology cases. A hardware implementation is presented to demonstrate the capability of our approach.

研究动机与目标

• 解决传统平均一致性协议中因交换明文状态值而产生的隐私泄露问题。
• 在无需可信第三方或依赖基于噪声的混淆机制的情况下，实现在去中心化系统中的精确平均一致性。
• 通过加密状态信息，确保抵御窃听和节点被攻破的安全性。
• 在资源受限的网络物理系统中保持较低的计算和通信开销。
• 支持在现实世界无线和移动网络中常见的时变交互拓扑。

提出的方法

• 该协议使用Paillier加密系统，一种加法同态加密方案，以实现对加密值的求和安全计算。
• 每个节点使用公钥对其状态值进行加密，并通过网络与邻居交换这些加密值。
• 邻居对加密值执行同态加法，以在不解密的情况下计算状态值之和，从而保护隐私。
• 协议采用量化步骤，通过缩放和舍入将实数值状态映射为整数，以便进行加密，解密后应用反向缩放。
• 采用基于计数器的同步机制，确保在多节点网络中异步启动条件下节点保持同步。
• 实现使用pthreads并行处理多个通信请求和响应，从而实现在嵌入式平台上的实时操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化的平均一致性协议能否在保护节点隐私的同时实现对真实平均值的精确收敛？
• RQ2 同态加密如何应用于无需可信第三方的分布式一致性？
• RQ3 在资源受限系统中，加密和解密对计算和通信开销有何影响？
• RQ4 该协议能否在时变网络拓扑下保持正确性和收敛性？
• RQ5 如何在完全去中心化的环境中实现安全高效的同步？

主要发现

• 所提出的协议实现了对精确平均值的确定性收敛，与仅在期望下收敛或存在有界误差的基于噪声的方法不同。
• 在六块Raspberry Pi板上进行的实验结果表明，从初始值290、746、541、383、301和675出发，13步内收敛到真实平均值489.33。
• 每次交互的平均处理延迟为7.8 ms，表明其在实时网络物理系统中的可行性。
• 该系统支持时变交互拓扑，适用于移动或动态网络。
• 使用固定长度整数表示和反码表示负数，可在嵌入式硬件上实现高效且安全的计算。
• 使用libpaillier和pthreads的实现表明，计算开销在低资源设备上是可管理的。