[论文解读] Think Global, Act Local: Gossip and Client Audits in Verifiable Data Structures

Sarah Meiklejohn, Pavel Kalinnikov+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 30被引用 7

一句话总结

本文提出了 Mog，一种可验证注册表，使客户端能够对其在可验证数据结构中的数据条目执行高效个人审计，从而消除对全局审计员的依赖。它结合轻量级广播协议与基于默克尔树的紧凑范围，确保一致性和安全性，通过抗碰撞性哈希函数实现可证明的安全性，并使每位用户的审计成本为次线性。

ABSTRACT

In recent years, there has been increasing recognition of the benefits of having services provide auditable logs of data, as demonstrated by the deployment of Certificate Transparency and the development of other transparency projects. Most proposed systems, however, rely on a gossip protocol by which users can be assured that they have the same view of the log, but the few gossip protocols that do exist today are not suited for near-term deployment. Furthermore, they assume the presence of global sets of auditors, who must be blindly trusted to correctly perform their roles, in order to achieve their stated transparency goals. In this paper, we address both of these issues by proposing a gossip protocol and a verifiable registry, Mog, in which users can perform their own auditing themselves. We prove the security of our protocols and demonstrate via experimental evaluations that they are performant in a variety of potential near-term deployments.

研究动机与目标

• 为可验证数据结构中缺乏可部署的广播协议，特别是针对证书透明性（Certificate Transparency）和密钥透明性（Key Transparency）等近中期应用场景，提出解决方案。
• 通过使客户端能够独立验证其自身在可验证日志或注册表中的数据条目，消除对全局审计员的依赖。
• 设计一种支持高效、可证明安全的个人审计的系统，其计算成本显著低于全局审计。
• 提供一种广播协议，防止分裂视图攻击（split-view attacks），且无需更改互联网基础设施或依赖区块链。

提出的方法

• 提出一种广播协议，其中一定阈值的诚实见证人对可验证日志的最新检查点进行签名，使客户端可收集并验证这些签名，以检测不一致。
• 在默克尔树中使用紧凑范围来表示每个版本的多个更新，从而减少默克尔山形结构（MRL）的大小和验证成本。
• 采用两阶段验证流程：客户端首先验证 MRL 与先前检查点的一致性，然后验证来自见证人的签名以检测恶意行为。
• 提出 Mog 作为可验证注册表，将条目存储在带版本检查点的默克尔树中，使客户端仅通过 $O(N_{\mathsf{MRL}} \cdot \log M)$ 的计算量即可审计其自身密钥。
• 依赖抗碰撞性哈希函数以确保完整性，并使用客户端签名聚合机制检测等价性冲突（equivocation）和分裂视图攻击。
• 通过允许客户端根据自身的威胁模型和信任假设定义共识阈值，支持灵活的客户端策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种广播协议，在不依赖区块链或基础设施级变更的前提下防止分裂视图攻击，从而实现在证书透明性等系统中的近中期部署？
• RQ2 是否可能构建一种可验证注册表，使单个客户端能够以相对于完整数据结构的次线性成本审计其自身条目？
• RQ3 如何在不依赖可信全局审计员或全局审计实体的前提下，使客户端审计既高效又可证明安全？
• RQ4 在大规模注册表中，审计效率与版本更新频率之间的性能权衡是什么？
• RQ5 系统是否能够容忍对不良事件（如条目缺失）的回溯检测，而非要求实时预防？

主要发现

• 只要见证人中诚实者达到一定阈值，所提出的广播协议即可防止分裂视图攻击，并在满足最低运行时间要求下保证活性。
• Mog 使个人审计的计算量为每位客户端 $O(N_{\mathsf{MRL}} \cdot \log M)$，相比需要 $O(N)$ 工作量的全局审计显著降低了成本。
• 实验评估表明，即使在高负载和数据规模增长的情况下，协议仍保持高性能。
• 在抗碰撞性哈希函数的假设下，系统具备可证明安全性，确保数据一致性和完整性。
• 论文表明，随着注册表规模增大，减缓版本创建速率是必要的，这表明实时检测与系统可扩展性之间存在权衡。
• 当 $N_{\mathsf{key}} \gg \log N$ 时，Mog 在个人审计效率方面优于先前系统如 SEEMless 和 CONIKS。