[论文解读] XRD: Scalable Messaging System with Cryptographic Privacy

Albert Kwon, David Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 17被引用 10

一句话总结

XRD 是一种可扩展的、元数据私有的消息系统，通过并行混洗网络链和一种新型聚合混合混洗技术，为全局对手提供密码学隐私保护。该系统在 100 台服务器上支持 200 万名用户，延迟仅为 251 秒——比 Atom 快 12 倍，比 Pung 快 3.7 倍，同时使用高效的密码学原原子实现低开销。

ABSTRACT

Even as end-to-end encrypted communication becomes more popular, private messaging remains a challenging problem due to metadata leakages, such as who is communicating with whom. Most existing systems that hide communication metadata either (1) do not scale easily, (2) incur significant overheads, or (3) provide weaker guarantees than cryptographic privacy, such as differential privacy or heuristic privacy. This paper presents XRD (short for Crossroads), a metadata private messaging system that provides cryptographic privacy, while scaling easily to support more users by adding more servers. At a high level, XRD uses multiple mix networks in parallel with several techniques, including a novel technique we call aggregate hybrid shuffle. As a result, XRD can support 2 million users with 251 seconds of latency with 100 servers. This is 12x and 3.7x faster than Atom and Pung, respectively, which are prior scalable messaging systems with cryptographic privacy.

研究动机与目标

• 通过在端到端加密消息系统中实现强密码学隐私，同时避免元数据泄露，解决可扩展性与隐私之间的权衡问题。
• 设计一种可随服务器数量水平扩展的系统，同时保持低延迟和高吞吐量。
• 保护通信元数据（时间、身份、大小）免受控制恒定比例服务器和任意数量用户的攻击者威胁。
• 在不依赖隐私预算或昂贵原原子（如私有信息检索）的前提下，实现密码学隐私保证。
• 开发一种高效且可验证的混洗机制，仅使用快速密码学原原子抵抗主动服务器攻击。

提出的方法

• XRD 将服务器组织成多个小型链，每条链作为独立的本地混洗网络，可并行执行消息混洗和解密。
• 每个用户使用链选择算法选择多条链，确保每对用户至少在一条链上相交，从而保证任意一对用户通信的可能性均等。
• 消息被发送到除发送方与接收方相交的那条链以外的所有选定链，而在该链上，消息直接在发送方与接收方之间交换，以保持端到端隐私。
• 聚合混合混洗技术可仅使用高效密码学原原子，实现对正确混洗的高效验证，防止主动服务器篡改，且无需昂贵的可验证混洗。
• XRD 使用对称密钥密码学，避免公钥操作，与依赖 PIR 或 PKI 的先前系统相比，显著降低了延迟。
• 系统确保任何用户都无法确定消息在链内的来源或目的地，从而保护发送者和接收者的匿名性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个消息系统能否在用户和服务器数量增加时，仍实现通信元数据的密码学隐私保护并保持高效可扩展？
• RQ2 在可扩展的混洗网络架构中，如何在不产生禁止性计算或带宽成本的前提下防止主动服务器攻击？
• RQ3 为确保所有用户对在链上相交，每个用户所需的最少消息数量是多少？如何对其进行优化？
• RQ4 与依赖昂贵原原子（如 PIR 或可验证混洗）的先前系统相比，使用高效密码学原原子的系统性能如何？
• RQ5 服务器频繁更换对系统可用性的影响是什么？与 Pung 或 Atom 等现有系统相比表现如何？

主要发现

• XRD 在仅使用 100 台服务器的情况下支持 200 万名用户，延迟为 251 秒，相比 Atom 提升 12 倍，相比 Pung 提升 3.7 倍。
• 聚合混合混洗技术可仅使用快速密码学原原子实现高效且可验证的混洗，避免了可验证混洗或私有信息检索带来的开销。
• XRD 对控制恒定比例服务器和任意数量用户的对手提供了密码学隐私保护，确保无元数据泄露。
• 系统性能在高服务器故障率下显著下降，4% 的服务器故障率导致 70% 的会话失败，表明需要改进容错能力。
• 由于采用高效密码学，XRD 在少于数千台服务器的部署中，性能优于具有类似隐私保证的先前系统。
• 系统设计支持通过多条一对一链实现群组会话，但目前在用户于同一条链上相交时，无法处理多个并发会话。