[论文解读] Securing Dynamic Distributed Storage Systems against Eavesdropping and Adversarial Attacks

Sameer Pawar, Salim El Rouayheb+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2010

Advanced Data Storage Technologies参考文献 27被引用 13

一句话总结

本文提出了一种针对动态分布式存储系统的安全编码框架，可在节点修复过程中防范窃听者和拜占庭攻击者。在带宽受限的场景下，该框架建立了紧致的保密性和容错性边界，并通过MDS码和基于哈希的完整性校验提供了显式码构造，确保在大有限域下以高概率实现信息论安全。

ABSTRACT

We address the problem of securing distributed storage systems against eavesdropping and adversarial attacks. An important aspect of these systems is node failures over time, necessitating, thus, a repair mechanism in order to maintain a desired high system reliability. In such dynamic settings, an important security problem is to safeguard the system from an intruder who may come at different time instances during the lifetime of the storage system to observe and possibly alter the data stored on some nodes. In this scenario, we give upper bounds on the maximum amount of information that can be stored safely on the system. For an important operating regime of the distributed storage system, which we call the 'bandwidth-limited regime', we show that our upper bounds are tight and provide explicit code constructions. Moreover, we provide a way to short list the malicious nodes and expurgate the system.

研究动机与目标

• 解决动态分布式存储系统中节点故障并修复时，数据在修复过程中暴露于窃听者和攻击者的问题。
• 在窃听和恶意篡改的条件下，建立可安全存储的最大数据量的根本上界。
• 在带宽受限的场景下，设计显式码构造，以实现这些边界，同时确保数据保密性和系统可靠性。
• 通过一种安全哈希表机制实现对恶意节点的检测和筛选，且开销可忽略不计。
• 利用MDS码和大有限域上的随机线性网络编码，保证高概率的保密性和容错性。

提出的方法

• 使用(4,2) MDS码在节点间存储数据，支持从任意k=2个节点恢复文件，并通过d=3个辅助节点实现高效修复。
• 引入一种安全修复机制，即替换节点从d个节点下载编码数据，在最小化修复带宽的同时保持数据完整性。
• 使用大小为θ²的哈希表，通过θ³ log q个符号存储，以高概率检测并清除恶意节点。
• 对哈希表应用MDS码，并使用随机线性组合，确保攻击者引入的错误向量被检测到的概率≤ 1/q^{R−ℰ}。
• 对所有可能的b个被攻陷节点的集合使用并集界，对总错误概率进行上界估计，该概率随有限域大小q的增加而趋于零。
• 利用生成矩阵G的子矩阵的可逆性，确保秘密S对观察最多ℓ个节点的窃听者保持均匀随机且不可见。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在窃听和恶意篡改的条件下，动态分布式存储系统中可安全存储的最大数据量是多少？
• RQ2 能否为分布式存储系统的带宽受限场景推导出保密性和容错容量的紧致上界？
• RQ3 如何设计显式码构造，以在确保数据完整性和机密性的前提下，实现这些理论边界？
• RQ4 基于哈希的完整性校验在以最小开销实现恶意节点检测中起到什么作用？
• RQ5 未检测到的错误或窃听的概率如何随有限域大小和系统参数变化？

主要发现

• 本文在带宽受限的场景下，建立了保密容量C_s和容错容量C_r的紧致上界，且可通过显式码构造实现。
• 在带宽受限的场景下，所提出的码实现了最优修复带宽γ = Γ，同时对观察最多ℓ个节点的窃听者保持信息论安全。
• 未检测到错误或窃听的概率上界为binomial(n,b)/q^{R−ℰ}，当有限域大小q增大时，该概率趋于零，从而确保高概率安全。
• 哈希表机制仅增加θ³ log q个符号的开销，用于存储θ²个符号的哈希信息，可实现对恶意节点的高效检测。
• MDS码的使用确保任意k个节点可重构原始文件，且任意d个节点可支持最小带宽的修复。
• 当攻击者控制最多b个节点并注入错误时，只要有限域大小q足够大，系统仍保持安全和可靠。