Circuit ORAM ve Pratik Performans

Wang, Chan ve Shi (2015) tarafından önerilen Devre ORAM, güvenli hesaplama çerçevelerinde (karıştırılmış devreler ve gizli paylaşımı) uygulanması basit kalırken bant genişliği ek yükünü en aza indirmek üzere tasarlanmıştır. Temel yeniliği, başarısızlık olasılığını ihmal edilebilir düzeyde tutarken kova boyutunu Z = 2 bloğa düşürmesidir (Yol ORAM'daki Z = 5 ile karşılaştırıldığında); böylece bant genişliği yarıya iner. Çıkarma işlemi, küçük bir Boole devresi olarak ifade edilebilecek şekilde yeniden tasarlanmıştır.

Z = 5 değerine sahip Yol ORAM'da geçici depo taşması olasılığı, blokların yollara rastgele atanmasına uyum sağlamak için her kovada birden fazla blok bulundurularak kontrol edilir. Devre ORAM, rastgele çıkarma yerine deterministik bir çıkarma işlemi (derinlik öncelikli çıkarma) kullanıldığında Z = 2'nin yeterli olduğunu kanıtlar. Bu, aynı güvenlik parametreleriyle Yol ORAM'a kıyasla sunucu depolamasını ve iletişim ek yükünü yarıya indirir.

Devre ORAM, özellikle verimli bir Boole devresi olarak ifade edilebilen bir çıkarma işlemine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Güvenli hesaplama protokollerinde (karıştırılmış devreler, SPDZ), ORAM erişiminin kendisi gözlemlenemez biçimde değerlendirilmelidir; hesaplamayı yapan sunucuya hangi bellek konumuna erişildiği açıklanmamalıdır. Devre ORAM'ın basit ve deterministik çıkarma devresini karıştırılmış devreye dönüştürmek, Yol ORAM'ın çıkarma işlemine kıyasla çok daha verimlidir.

B boyutunda bloklardan oluşan N blokluk bir veritabanı için Devre ORAM, erişim başına 2 * log N * B bayt gerektirir (kova başına Z = 2 blok içeren tek bir yolun okunması ve yazılması). Her biri 4KB olan N = 2^20 blok için bu, erişim başına 160KB'dir; Yol ORAM'daki 400KB ile karşılaştırıldığında. Tipik parametrelerde açık metne göre bant genişliği ek yükü yaklaşık 40 kattır; bu, Yol ORAM'daki 100 katlık ek yüke göre daha düşüktür.

Oblix (Misra, Schlegel, Sherwood, Tsudik, 2018), üst düzey veri yapılarının gözlemlenemez sürümlerini oluşturmak için Devre ORAM kullanır: gözlemlenemez bağlı listeler, gözlemlenemez eşlemeler (karma tabloları) ve gözlemlenemez öncelik kuyrukları. Bu yapılar, erişim örüntülerini açığa çıkarmadan dinamik veriler üzerinde gözlemlenemez hesaplama yapılmasını sağlar. Oblix, Intel SGX güvenli alanları içinde çalışır ve güvenli özel küme kesişimi ile özel veritabanı sorgularını hedefler.

TaoStore (Sahin, Zhu, Gunter, Borisov, 2016), birden çok ORAM isteğini paralel olarak işleyip yolları toplu biçimde boşaltarak yüksek aktarım hızlı eşzamansız erişimi desteklemek üzere Yol ORAM'ı genişletir. Aynı yola yapılan erişimleri birleştiren TaoStore, eşzamanlı ORAM yapılarından önemli ölçüde daha yüksek bir aktarım hızına (saniyedeki istek sayısına) ulaşır; bu da onu çok sayıda eşzamanlı istemcinin bulunduğu bulut depolama sunucuları için uygun hâle getirir.

Obladi (Crooks, Park, Alvisi, Iyengar, 2018), Yol ORAM üzerine tam bir işlemsel depolama sistemi kurar. Obladi, şifrelenmiş ve erişim desenini gizleyen depolama üzerinde ACID işlemlerini destekler. Gecikmeli yürütmeyi kullanıma sunar: işlemler dönemler hâlinde gruplandırılır ve her dönem içinde hangi belirli kayıtlara erişildiğini gizleyecek şekilde yürütülür. Obladi, istemciler ile güvenilmeyen bulut depolama arka ucu arasında güvenilir bir vekil olarak çalışır.

AWS üzerinde dağıtılan ve istemcinin bloklara internet üzerinden eriştiği 1GB'lık bir ORAM için (4KB'lık 262.144 blok), Yol ORAM gecikmesi erişim başına yaklaşık 50-200ms'dir. Bu gecikmeye, log N = 18 kova erişimi için gereken gidiş-dönüş süresi büyük ölçüde neden olur. Kovalar paralel olarak getirildiğinde bu süre azaltılabilir. ORAM'ın RAM içinde bulunduğu yerel SGX uygulamalarında gecikme, erişim başına 1-10ms aralığındadır ve bu değer birçok güvenli hesaplama uygulaması için kabul edilebilir.

ORAM'ın bant genişliği ek yükü erişim desenlerine büyük ölçüde bağlıdır. 1MB'lık bloklara sahip 1TB'lık bir bulut depolama ORAM'ında her erişim yaklaşık 25MB veri aktarır (log N = 25 düzey için 25x ek yük). Küçük bloklarda (4KB) erişim başına ek yük mutlak bayt sayısı açısından daha düşük, ancak göreli olarak daha yüksektir. ORAM kullanan kuruluşlar, bant genişliğinin 20-50 kat artmasını bütçelemeli ve ağ bağlantılarının yanı sıra buluttan veri çıkışı maliyetlerinin de bunu hesaba kattığından emin olmalıdır.

Erişim gizliliği için ORAM'a bir alternatif güvenilir donanımdır: Intel SGX veya AMD SEV, uygun savunmalarla, ana bilgisayar işletim sistemi hesaplamayı ya da bellek erişim desenlerini gözlemleyemese bile güvenilir bir yürütme ortamı sağlar. ORAM olmadan SGX, sayfa düzeyindeki erişim desenlerini yine de donanıma sızdırır; bu nedenle tam koruma için SGX içinde ORAM kullanılması gerekir. Yalnızca ORAM ile karşılaştırıldığında güvenilir donanım, bant genişliği ek yükünü azaltır; ancak donanım üreticisine ve tedarik zincirine güvenmeyi gerektirir.

ORAM şu durumlarda uygundur: saldırgan sunucu tarafındaki erişim desenlerini gözlemliyorsa (bulut sağlayıcısı veya aynı sunucuyu paylaşan kiracı), verilerin hassasiyeti 20-50 kat bant genişliği ek yükünü haklı çıkarıyorsa ve erişim deseninin kendisi hassas bilgileri açığa çıkarabilecekse. Uygulamaların çoğu için dikkatli anahtar yönetimiyle birlikte standart şifreleme yeterlidir. ORAM, tıbbi veri analizi, özel makine öğrenmesi, finansal alım satım sistemleri ve kolluk kuvvetlerinin veritabanları gibi yüksek güvenlik gerektiren senaryolara yönelik özel bir araçtır.

Devre ORAM, deterministik derinlik öncelikli boşaltma sayesinde kova boyutunu Z=2'ye düşürür (Yol ORAM'daki Z=5'e karşılık) ve bant genişliğini yarıya indirir. Devre, garbled circuit tabanlı güvenli hesaplama içinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Tipik parametrelerde uygulamadaki ek yük, bant genişliğinde 40 kat artıştır. Üretim sistemleri arasında Oblix (SGX + erişim desenini gizleyen veri yapıları), TaoStore (yüksek aktarım hızlı toplu ORAM) ve Obladi (işlemsel ORAM) bulunur. SGX tek başına sayfa düzeyindeki erişim desenlerini sızdırdığı için SGX içinde ORAM kullanılması gerekir.