[论文解读] Secure and Privacy-Preserving Consensus

Minghao Ruan, Huan Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 34被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于无向网络的去中心化、隐私保护共识协议，采用部分同态加密技术，实现无需聚合器的安全平均共识。通过加密状态交换并确保收敛至精确平均值（在量化误差范围内），该方法即使在面对被动监听者时也能保护节点隐私，并支持动态拓扑结构，其有效性通过仿真和树莓派硬件实验得到验证。

ABSTRACT

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 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 an aggregator or third-party. By leveraging partial homomorphic cryptography to embed secrecy in pairwise interaction dynamics, our approach can guarantee consensus to the exact value in a deterministic manner without disclosing a node's state to its neighbors. In addition to enabling resilience to passive attackers aiming to steal state information, the approach also allows easy incorporation of defending mechanisms against active attackers which try to alter the content of exchanged messages. Furthermore, in contrast to existing noise-injection based privacy-preserving mechanisms which have to reconfigure the entire network when the topology or number of nodes varies, our approach is applicable to dynamic environments with time-varying coupling topologies. This secure and privacy-preservation approach is also applicable to weighted average consensus as well as maximum/minimum consensus under a new update rule. The approach is light-weight in computation and communication. Implementation details and numerical examples are provided to demonstrate the capability of our approach.

研究动机与目标

• 解决传统共识算法中因显式交换节点状态而固有的隐私泄露问题。
• 克服噪声注入方法的局限性，后者在面对监听者时准确性下降或失效，且假设网络拓扑静态不变。
• 在无可信第三方参与的去中心化网络中，实现对平均共识值的安全、确定性收敛。
• 抵御被动监听者与试图篡改消息的主动攻击者。
• 将方法扩展至在新更新规则下支持加权平均以及最大值/最小值共识。

提出的方法

• 利用部分同态加密（特别是Paillier密码系统）对节点交互过程中的状态值进行加密。
• 设计一种新型成对交互协议，节点通过交换加密的状态差值来计算更新，而无需暴露原始状态。
• 引入基于计数器的同步机制，利用并行线程处理多节点网络中的并发请求与响应。
• 使用数字签名防范主动攻击者在传输过程中篡改消息。
• 通过在加密数据上执行确定性同态运算，确保收敛至精确平均值（允许量化误差）。
• 基于至少存在一个诚实邻居且忠实遵循协议的假设，提出一种针对动态系统的新型隐私定义。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化共识协议能否在不依赖可信第三方的情况下，保证收敛至精确平均值并保护节点隐私？
• RQ2 在对抗性观测环境下，如何对动态共识系统中的隐私进行形式化定义与证明？
• RQ3 所提方法能否抵御被动监听者对通信信道的监控？
• RQ4 与基于噪声的混淆方法相比，该协议在具有时变拓扑结构的动态网络中表现如何？
• RQ5 该方法能否在安全更新规则下扩展至支持加权平均以及最大值/最小值共识？

主要发现

• 所提协议在无需噪声注入的情况下，实现了对平均共识值的确定性收敛（允许量化误差）。
• 数值仿真表明，该方法对被动监听者具有鲁棒性，而基于相关噪声的方法则易受简单观察者攻击。
• 在六节点树莓派网络上的硬件实验表明，平均值为580.67的共识约在13步内达成，单次交互的平均处理延迟为7.8 ms。
• 该方法支持动态拓扑结构，当节点数量或耦合结构发生变化时，无需网络重新配置。
• 在树莓派上，单次交互的加密计算开销为7.8 ms，被认为对实时控制系统是可接受的。
• 通过引入新的更新规则，该协议可扩展至支持加权平均共识以及最大值/最小值共识，同时保持安全性和隐私性。