Erişim Örüntüsü Sızıntısı Tehdidi

Verileri şifrelemek, içeriklerini yetkisiz taraflardan korur; ancak tek başına şifreleme, verilere nasıl erişildiğine ilişkin üst verileri gizlemez. Erişim örüntüleri — hangi kayıtların okunduğu veya yazıldığı, ne zaman ve ne sıklıkta erişildiği — verilerin kendisi tamamen şifrelenmiş olsa bile hassas bilgileri açığa çıkarabilir. İçerik gizliliğiyle erişim gizliliği arasındaki bu boşluk, erişim örüntülerini gizleyen RAM'in temel gerekçesidir.

Erişim örüntüsü analizi şunları ortaya çıkarabilir: bir kullanıcının hangi veritabanı kayıtlarını sorguladığı (eriştiği kayıtlardan tıbbi durumlarının çıkarılması), iletişim örüntüleri (ileti içeriği şifreli olsa bile kimin kiminle iletişim kurduğu), finansal faaliyetler (bir kullanıcının hangi fiyatları istediğinden alım satım stratejilerinin çıkarılması) ve davranış örüntüleri (erişim zamanlarından ve sıklıklarından günlük rutinlerin çıkarılması). Bu çıkarımlar, verilerin içeriği kadar hassas olabilir.

CryptDB (MIT, 2011), şifrelenmiş veritabanlarında sorgulama yapmak için etkili bir sistemdi. Grubbs, McPherson, Naveed, Ristenpart ve Spooner'ın (2016) daha sonraki çalışması, CryptDB'nin ve benzer sıralamayı koruyan şifreleme şemalarının çıkarım saldırılarını mümkün kılan erişim örüntülerini sızdırdığını gösterdi. Erişim dağılımları hakkında yardımcı bir veri kümesine sahip olan saldırgan, şifrelemeyi kırmadan bile yalnızca erişim sıklığı ve sırasından açık metin değerlerini çıkarabilir.

Şifrelenmiş bir bulut depolama hizmeti hangi şifreli metin bloklarına erişildiğini günlüklerse, bir saldırgan frekans analizi gerçekleştirebilir. Kullanıcılar popüler dosyalara daha sık erişme eğiliminde olduğundan, şifreli metin bloklarının erişim frekansı histogramı, açık metin erişim dağılımını yansıtır. Şifreli frekans histogramının bilinen erişim örüntüleriyle eşleştirilmesi, hangi şifrelenmiş dosyaların popüler içerik kategorilerine karşılık geldiğini ortaya çıkarabilir.

Dürüst ama meraklı (yarı dürüst) tehdit modelinde bulut sağlayıcısı protokolü doğru biçimde izler, ancak istemci verilerine ilişkin tüm erişim örüntülerini gözlemler. Birçok bulut sağlayıcısı faturalandırma, hata ayıklama ve performans iyileştirme amacıyla erişim örüntülerini meşru olarak günlüğe kaydeder. Kötü niyet olmasa bile bu günlükler ciddi bir risk oluşturur: güvenliği ihlal edilmiş bir bulut sağlayıcısı, kötü niyetli bir çalışan veya devlet makamlarının mahkeme celbi, hassas erişim örüntülerini açığa çıkarabilir.

Goldreich ve Ostrovsky (1996) tarafından ortaya atılan Gözlemlenemez RAM (ORAM), erişim örüntülerini sunucudan gizleyen bir kriptografik temel yapıdır. Bir ORAM şemasında, herhangi bir bellek konumuna yapılan her erişim (okuma veya yazma), gerçekten hangi konuma erişildiğinden bağımsız olarak sunucunun görebildiği işlemlerde aynı dağılımı oluşturur. Sunucuyu gözlemleyen bir saldırgan yalnızca eş olasılıklı rastgele erişim örüntülerini görür.

ORAM, erişim örüntüsü gizliliğinin gerekli olduğu çok çeşitli alanlarda kullanılır: güvenli bulut depolama (kullanıcının hangi dosyalara eriştiğini gizleme), gözlemlenemez veritabanı sorguları (bir sorgunun hangi satırları döndürdüğünü gizleme), SGX güvenli alanları (güvenli alan belleğine yönelik erişim örüntüsü yan kanallarını önleme), özel bilgi erişimi (kullanıcının hangi veritabanı girdisini aldığını gizleme) ve güvenli çok taraflı hesaplama (ara durum erişim örüntülerini gizleme).

En basit ORAM çözümü açıkça bellidir: herhangi bir bloğa erişmek için tüm depolamadaki her bloğu okuyup yeniden yazmak. Bu yöntem hangi bloğa erişildiğini gizler (her erişim aynı görünür), ancak her mantıksal erişim için O(n) iletişim ek yüküne neden olduğundan büyük veri kümeleri için tamamen kullanışsızdır. Gerçek ORAM şemaları, kusursuz veya istatistiksel gözlemlenemezliği korurken bu ek yükü O(polylog n) değerine indirmeyi amaçlar.

Goldreich ve Ostrovsky bir alt sınır kanıtlamıştır: O(1) sunucu depolama ek yüküne sahip herhangi bir ORAM, erişim başına en az Omega(log n) iletişim ek yüküne katlanmalıdır. Bu logaritmik alt sınır deterministik ORAM yapıları için geçerlidir. Uygulamadaki yapılar, bu teorik minimuma yaklaşarak O(log^2 n) veya O(log n) ek yüküne ulaşmayı hedefler. Alt sınır, erişim örüntülerini kusursuz biçimde gizlemenin kaçınılmaz bir maliyeti olduğunu gösterir.

Aranabilir simetrik şifreleme (SSE), şifrelenmiş veriler üzerinde arama yapılmasını sağlar. Temel SSE şemaları arama örüntülerini (hangi anahtar sözcüklerin arandığını) ve erişim örüntülerini (hangi belgelerin döndürüldüğünü) açığa çıkarır. İleri gizlilik sağlayan SSE, yeni belgeler için arama örüntüsünü gizler, ancak hangi belgelere erişildiğini de gizlemek için ORAM gerekir. SSE ile ORAM'ın birleştirilmesi en güçlü gizlilik güvencesini sağlar, ancak önemli bir performans maliyeti getirir.

ORAM her zaman gerekli değildir. Karar tehdit modeline bağlıdır: Saldırgan erişim örüntülerini gözlemliyor mu? Tam disk şifrelemesine sahip yerel depolama ve uzaktaki bir saldırgan söz konusu olduğunda ORAM gerekli olmayabilir. Bulut sağlayıcısının güvenilir olmadığı bulut depolama için ORAM uygundur. Ek yük (genellikle bant genişliğinin 20-50 katı), erişim örüntüsü sızıntısının gerçek bir tehdit olduğu ve verilerin hassasiyetinin bu maliyeti haklı çıkardığı durumlarda değerlidir.

Aşağıdakilerden hangisi, şifrelenmiş verilerde bile erişim örüntülerinin neden hassas olduğunu doğru biçimde açıklar?

Veri içeriğini şifrelemek, frekans analizi ve zamanlama yoluyla hassas bilgileri açığa çıkarabilen erişim örüntülerini gizlemez. Dürüst ama meraklı modellerdeki bulut sağlayıcıları, istemcilerin hangi şifreli metin bloklarına eriştiğini gözlemler. CryptDB saldırıları, şifrelenmiş veritabanlarında erişim örüntülerinden pratik çıkarımlar yapılabildiğini göstermiştir. ORAM, tüm erişimleri sunucuya aynı görünecek biçime getirerek bu sorunu çözer. Basit çözüm (her erişimde her şeyi okumak) O(n) olduğundan kullanışsızdır; gerçek ORAM, O(log^2 n) ek yüküne ulaşır.