تهديد تسريب أنماط الوصول

يحمي تشفير البيانات محتوياتها من الأطراف غير المصرّح لها، لكنه لا يخفي وحده البيانات الوصفية المتعلقة بكيفية الوصول إلى البيانات. فقد تكشف أنماط الوصول — أي السجلات التي تُقرأ أو تُكتب، ومتى يحدث ذلك، ومدى تكراره — معلومات حساسة حتى عندما تكون البيانات نفسها مشفّرة بالكامل. وتُعدّ هذه الفجوة بين خصوصية المحتوى وخصوصية الوصول الدافع الأساسي وراء الذاكرة العشوائية المتخفية (Oblivious RAM).

يمكن لتحليل أنماط الوصول أن يكشف ما يلي: سجلات قاعدة البيانات التي يستعلم عنها المستخدم، مما يتيح استنتاج الحالات الطبية من السجلات التي يصل إليها؛ وأنماط الاتصال، أي من يتواصل مع من حتى إذا كان محتوى الرسائل مشفّرًا؛ والنشاط المالي، إذ يمكن استنتاج استراتيجيات التداول من الأسعار التي يطلبها المستخدم؛ والأنماط السلوكية، مثل الروتين اليومي من أوقات الوصول وتكراره. وقد تكون هذه الاستنتاجات حساسة بقدر محتوى البيانات نفسه.

كان CryptDB، الذي طُوّر في MIT عام 2011، نظامًا مؤثرًا للاستعلام عن قواعد البيانات المشفّرة. وأظهر عمل لاحق أجراه Grubbs وMcPherson وNaveed وRistenpart وSpooner عام 2016 أن CryptDB ومخططات التشفير المحافظة على الترتيب المشابهة له تسرّب أنماط الوصول، مما يتيح هجمات الاستدلال. ويمكن لمهاجم يمتلك مجموعة بيانات مساعدة حول توزيعات الوصول أن يستنتج قيم النص الصريح من تكرار الوصول وترتيبه وحدهما، حتى من دون كسر التشفير.

إذا سجّلت خدمة تخزين سحابية مشفّرة كتل النص المشفّر التي يجري الوصول إليها، فيمكن لخصم إجراء تحليل للتكرار. ونظرًا إلى أن المستخدمين يميلون إلى الوصول إلى الملفات الشائعة بوتيرة أعلى، فإن المدرج التكراري لتواتر الوصول إلى كتل النص المشفّر يعكس توزيع الوصول إلى النص الصريح. ويمكن لمطابقة مدرج التواتر المشفّر مع أنماط وصول معروفة أن تحدد الملفات المشفّرة المرتبطة بفئات المحتوى الشائعة.

في نموذج التهديد الصادق الفضولي (شبه الصادق)، يتبع مزوّد الخدمة السحابية البروتوكول بشكل صحيح، لكنه يراقب جميع أنماط الوصول إلى بيانات العميل. ويسجّل العديد من مزوّدي الخدمات السحابية أنماط الوصول بصورة مشروعة لأغراض الفوترة وتصحيح الأخطاء وتحسين الأداء. وحتى من دون نية خبيثة، تشكّل هذه السجلات مصدر خطر: فقد يكشف مزوّد خدمة سحابية مخترق، أو موظف مارق، أو مذكرة استدعاء حكومية أنماط وصول حساسة.

الذاكرة العشوائية المتخفية (ORAM)، التي قدمها Goldreich وOstrovsky عام 1996، هي بدائية تشفيرية تخفي أنماط الوصول عن الخادم. في نظام ORAM، ينتج عن كل عملية وصول، سواء أكانت قراءة أم كتابة إلى أي موقع في الذاكرة، التوزيع نفسه للعمليات التي يراها الخادم، بصرف النظر عن الموقع الذي يجري الوصول إليه فعليًا. ولا يرى الخصم الذي يراقب الخادم سوى أنماط وصول عشوائية موزعة توزيعًا منتظمًا.

لدى ORAM نطاق واسع من التطبيقات التي تتطلب خصوصية أنماط الوصول، ومنها: التخزين السحابي الآمن (إخفاء الملفات التي يصل إليها المستخدم)، واستعلامات قواعد البيانات المتخفية (إخفاء الصفوف التي يعيدها الاستعلام)، وبيئات SGX المعزولة (منع القنوات الجانبية لأنماط الوصول إلى ذاكرة البيئة المعزولة)، واسترجاع المعلومات الخاص (إخفاء مدخل قاعدة البيانات التي يسترجعها المستخدم)، والحوسبة الآمنة متعددة الأطراف (إخفاء أنماط الوصول إلى الحالة الوسيطة).

أبسط حل لـ ORAM بديهي للغاية: للوصول إلى كتلة واحدة، تُقرأ كل كتلة في وحدة التخزين بأكملها ثم يُعادَت كتابتها. يخفي هذا الحل الكتلة التي جرى الوصول إليها، إذ تبدو كل عملية وصول متطابقة، لكنه يفرض كلفة اتصال قدرها O(n) لكل عملية وصول منطقية، ما يجعله غير عملي تمامًا لمجموعات البيانات الكبيرة. وتسعى أنظمة ORAM الفعلية إلى خفض هذه الكلفة إلى O(polylog n) مع الحفاظ على الإخفاء التام أو الإحصائي.

أثبت Goldreich وOstrovsky حدًا أدنى ينص على أن أي ORAM ذي كلفة إضافية قدرها O(1) في تخزين الخادم لا بد أن يتحمل كلفة اتصال لا تقل عن Omega(log n) لكل عملية وصول. وينطبق هذا الحد الأدنى اللوغاريتمي على أنظمة ORAM الحتمية. وتهدف البنى العملية إلى تحقيق كلفة قدرها O(log^2 n) أو O(log n)، أي قريبة من هذا الحد النظري الأدنى. ويبيّن هذا الحد الأدنى أن الإخفاء التام لأنماط الوصول ينطوي على كلفة لا يمكن تجنبها.

يتيح التشفير المتماثل القابل للبحث (SSE) إجراء عمليات بحث على البيانات المشفّرة. تكشف أنظمة SSE الأساسية أنماط البحث (الكلمات المفتاحية التي يجري البحث عنها) وأنماط الوصول (المستندات التي يعيدها البحث). ويخفي SSE ذو الخصوصية الأمامية نمط البحث بالنسبة إلى المستندات الجديدة، لكن يلزم ORAM لإخفاء المستندات التي يجري الوصول إليها أيضًا. ويؤدي الجمع بين SSE وORAM إلى أقوى ضمان للخصوصية، لكنه يفرض كلفة أداء كبيرة.

ليست ORAM ضرورية دائمًا. ويعتمد القرار على نموذج التهديد: هل يراقب الخصم أنماط الوصول؟ في التخزين المحلي مع تشفير كامل القرص ووجود خصم عن بُعد، قد لا تكون ORAM ضرورية. أما في التخزين السحابي، حيث يكون مزوّد الخدمة السحابية غير موثوق، فتكون ORAM مناسبة. وتستحق الكلفة الإضافية، التي تبلغ عادةً 20-50x من عرض النطاق الترددي، أن تُدفع عندما يكون تسرّب أنماط الوصول تهديدًا حقيقيًا وتبرر حساسية البيانات هذه الكلفة.

لا يخفي تشفير محتوى البيانات أنماط الوصول، التي قد تكشف معلومات حساسة من خلال تحليل التكرار والتوقيت. ويراقب مزوّدو الخدمات السحابية، في نماذج التهديد الصادقة الفضولية، كتل النص المشفّر التي يصل إليها العملاء. وقد أظهرت هجمات CryptDB إمكانية الاستدلال عمليًا من أنماط الوصول في قواعد البيانات المشفّرة. وتحل ORAM هذه المشكلة بجعل جميع عمليات الوصول تبدو متطابقة للخادم. أما الحل البسيط، الذي يقرأ كل شيء عند كل عملية وصول، فهو O(n) وغير عملي؛ بينما تحقق أنظمة ORAM الفعلية كلفة قدرها O(log^2 n).