SqORAM: Read-Optimized Sequential Write-Only Oblivious RAM
不经意RAM协议(ORAM)允许客户端从不受信任的存储设备访问数据,而不会泄露访问模式。通常,ORAM攻击者可以观察读访问和写访问。只写式SRAM的目标是更实用的、仅监视客户端写入的{ \em多快照攻击者}--这通常适用于可信可否认性和审查弹性系统。这允许只写的DRAM实现显著更好的渐近性能。然而,这些明显的收益并没有在实际部署中实现,主要是由于用于打破逻辑和物理名称空间之间的相关性的随机数据放置策略,这是写访问隐私所需的属性。随机访问在旋转磁盘和SSD上的性能都很差(通常会显著增加磨损,并干扰磨损均衡机制)。在这项工作中,我们介绍了SqORAM,一个新的本地保存只写ORAM,保留写访问隐私,而不需要随机数据访问。逻辑域中彼此靠近的数据块在物理介质上非常接近。重要的是,SqORAM会随着时间的推移保持这种数据局部性属性,从而显著提高读取吞吐量。对于标准工作负载,完整的Linux内核级SqORAM实现比非本地保留解决方案快100倍,对于典型的文件系统工作负载,比最先进的解决方案快60-100%。
2019-08-17 cs.CR
Revisiting Definitional Foundations of Oblivious RAM for Secure Processor Implementations
不经意RAM(ORAM)是一种著名的技术,用于隐藏应用程序对不可信内存的访问模式。根据Goldreich和Ostrovsky提出的标准ORAM定义,如果两个ORAM访问序列的长度相同分布,则这些序列必须在计算上不可区分。这个定义的一个缺陷是它不适用于适应当前安全处理器技术的现代ORAM实现,因为它们的存储器访问序列的任意长度取决于程序的行为(它们的终止时间)。因此,ORAM的定义并不直接适用; ORAM的理论基础并没有明确讨论定时和终止通道。本文针对现代实用的ORAM(例如,Path ORAM),并展示了理论基础和实际实现之间的差距。提出了一种新的ORAM公式,它清楚地分离出终端沟道泄漏。它示出了如何这个定义意味着标准的ORAM定义(有限长度的输入访问序列),更好地适应现代实用的ORAM实现。所提出的定义放松了路径ORAM的存储容量和溢出概率的约束,并从本质上将其安全性问题转化为性能考虑问题。最后,一个“强”的ORAM制定,其中明确包括混淆的终止泄漏,暗示我们的新的ORAM制定和适用于ORAM外包磁盘存储。在这个强公式中,约束没有放松,并且路径ORAM的安全性论证仍然很复杂,因为需要证明隐藏溢出的概率可以忽略不计。
2017-10-21 cs.CR
The Pyramid Scheme: Oblivious RAM for Trusted Processors
现代处理器,例如,英特尔SGX允许应用程序将秘密代码和数据隔离在称为安全区的加密内存区域中。虽然加密有效地隐藏了内存的内容,但由密码发出的地址引用序列会泄漏信息。这是一个严重的问题,因为这些泄漏可以很容易地打破飞地的机密性保证。在本文中,我们探讨了不经意RAM(ORAM)的设计,防止这些信息泄漏的限制下,现代SGX处理器。大多数的有机随机存取存储器都不适合这些处理器,因为它们有很高的恒定开销系数,或者需要很大的专用存储器,而这些专用存储器在这些处理器中是不可用的。我们解决了这些限制与一个新的分层ORAM建设,金字塔ORAM,这是对在线带宽成本和小块优化。它使用了一种新的哈希方案,避免了以前分层方案的复杂性。我们提出了一个高效的x64优化的实现金字塔ORAM,只使用处理器的寄存器作为私有内存。我们比较金字塔ORAM与电路ORAM,一个国家的最先进的基于树的ORAM计划,也使用恒定的私有内存。金字塔ORAM比电路ORAM具有更好的在线渐近复杂度。我们的金字塔ORAM和电路ORAM的实现验证了这一点:作为所有的分层方案,金字塔ORAM具有高的访问延迟变化;虽然延迟可能是高的一些访问,对于典型的配置,金字塔ORAM提供的访问延迟是8倍,比电路ORAM的99%的访问。虽然最著名的分层ORAM具有更好的渐近复杂度,但金字塔ORAM具有显著更低的常数开销因子,使其成为实践中的首选。
2017-12-21 cs.CR
Differentially Private Oblivious RAM
在这项工作中,我们调查,如果统计隐私可以提高性能的ORAM机制,同时提供严格的隐私保证。我们提出了一个正式的和严格的框架,用于开发具有统计安全性的ORAM协议,差分专用ORAM(DP-ORAM)。我们提出根ORAM,家庭的DP-ORAM,提供了一个可调的,多维的权衡所需的带宽开销,本地存储和系统安全性。我们从理论上分析根ORAM来量化其安全性和性能。我们通过实验证明了根ORAM的好处,并发现(1)根ORAM可以将本地存储开销降低约2倍,以获得合理的隐私预算值,显著增强内存有限平台(如可信执行环境)的性能,以及(2)根ORAM允许带宽,存储和隐私之间的可调权衡,将带宽开销减少2 - 10倍(以增加存储/统计隐私为代价),从而显著减少云环境的ORAM访问权限。我们还通过香农熵和最小熵的信息理论度量的镜头分析了DP-ORAMs的隐私保证[16]。最后,Root ORAM非常适合具有类似访问模式的应用程序,我们通过私有信息检索应用程序展示了它的实用性。
2018-07-15 cs.CR
Privacy-Preserving Access of Outsourced Data via Oblivious RAM Simulation
假设一个客户端Alice将她的数据外包给了一个外部存储提供商Bob,因为他有能力存储她的大数据集,大小为n,而她的私人存储空间要小得多,比如说,对于某个常数r > 1,大小为O(n^{1/r})。Alice信任Bob来维护她的数据,但她希望保持其内容的私密性。当然,她可以加密她的数据,但她也希望对Bob隐藏她的访问模式。我们描述了一个小的对数或多对数摊销增加访问时间的不经意的RAM模拟问题的计划,具有很高的成功概率,同时保持外部存储的大小为O(n)。为了实现这一目标,我们的算法贡献包括一个并行MapReduce布谷鸟哈希算法和外部存储器dataoblivious排序算法。
2011-05-02 cs.CR cs.DC cs.DS
More is Less: Perfectly Secure Oblivious Algorithms in the Multi-Server Setting
不经意RAM(ORAM)问题传统上是在单服务器环境下研究的,但最近也考虑了多服务器环境。然而,目前还不清楚多服务器设置是否有任何固有的优势,例如,多服务器设置是否可用于实现更强的安全目标或可证明比单服务器情况下更好的效率。在这项工作中,我们构建了一个完全安全的3服务器ORAM计划,优于最知名的单服务器计划的对数因子。在这个过程中,我们还表明,第一次,存在特定的算法,多个服务器可以克服已知的下限在单服务器设置。
2018-09-04 cs.CR
Flat ORAM: A Simplified Write-Only Oblivious RAM Construction for Secure Processors
不经意RAM(ORAM)是一种加密原语,其混淆对存储的访问模式,从而防止隐私泄露。到目前为止,在目前的文献中,只有“全功能”的DRAM被广泛研究,可以保护,在相当大的性能损失的成本,对强大的对手谁可以监视所有的读和写操作。然而,最近的研究表明,即使只有写访问模式(而不是读)对对手可见,信息仍然可以泄露。对于这些较弱的对手,一个功能齐全的ORAM被证明是一个矫枉过正,造成不必要的开销。相反,一个简单的“只写”ORAM就足够了,更有趣的是,它是首选,因为它可以提供比全功能ORAM更高的性能和能效。在这项工作中,我们提出了平面ORAM:一个有效的只写ORAM计划,其性能优于最接近现有的只写ORAM称为HIVE。HIVE在管理对协议正确性至关重要的内存占用信息时遇到了性能瓶颈。Flat ORAM通过引入一个简单的Occupational Map(OccMap)概念来解决这些瓶颈,OccMap可以有效地管理内存占用信息,从而获得更好的性能。我们的模拟结果表明,平均而言,平面ORAM只会导致适度放缓$3\times$在不安全的DRAM之间的内存密集型基准飞溅2和$1.6\times$的SPEC06。与HIVE相比,Flat ORAM提供了$50\%$平均性能增益和高达$80\%$的节能效果。
2017-09-10 cs.AR cs.CR
Optimal Offline ORAM with Perfect Security via Simple Oblivious Priority Queues
该研究提出一种具有完美安全性的简单不经意优先级队列构造,首次实现了最优的离线ORAM,还给出了缓存感知与缓存无关场景下的高效外存实例及对应I/O复杂度。
2024-12-13 cs.CR cs.DS
Oblivious Median Slope Selection
研究了不经意RAM模型中的中值斜率选择问题。在这种模型中,存储器访问必须独立于所处理的数据,即,对手不能使用观察到的访问模式来导出关于输入的附加信息。我们展示了如何修改Matoušek(1991)的随机算法以获得$\mathbb{R}^2$中$n$点的具有$\mathcal{O}(n \log^2 n)$期望时间的不经意版本。这种复杂性与理论上的上限相匹配,该上限可以通过一般的不经意变换获得。此外,从概念验证的实施结果表明,我们的算法也是实际有效的。
2023-02-24 cs.CG cs.CR cs.DS
ObliviSync: Practical Oblivious File Backup and Synchronization
不经意RAM(ORAM)协议是一种强大的技术,它可以隐藏客户端的数据以及不受信任的服务提供商的访问模式。我们提出了一个不经意的云存储系统,ObliviSync,专门针对最广泛使用的个人云存储范例之一:同步和备份服务,其中流行的例子是Dropbox,iCloud Drive和Google Drive。这种设置提供了一个独特的机会,因为上述隐私属性可以通过称为只写ORAM的更简单形式的ORAM来实现,与相关工作相比,它可以显著提高效率。我们的解决方案是渐近最优的,实际上是有效的,与非私有文件存储相比,大约4倍的小恒定开销,仅取决于根据使用率选择的总数据大小和参数,而不是单个文件的数量或大小。我们的建设还提供了对定时通道攻击的保护,这在ORAM协议中以前没有考虑过。我们构建并评估了ObliviSync的完整实现,该实现支持多个并发只读客户端和一个并发读/写客户端,其编辑自动无缝地传播到读者。我们表明,我们的系统在高工作负载下的功能,与现实的文件大小分布,并与小的额外延迟(与基线加密文件系统相比)时,与Dropbox作为同步服务配对。
2016-12-02 cs.CR
A Practical Oblivious Map Data Structure with Secure Deletion and History Independence
我们提出了一个新的不经意的RAM,支持可变大小的存储块(vORAM),这是第一个ORAM,允许不同的块大小,没有琐碎的填充。我们还提出了一个新的历史无关的数据结构(HIRB树),可以存储在一个vORAM。总之,这种构造为键/值映射提供了有效且实用的不经意数据结构(ODS),并且与现有ODS映射相比进一步提供了额外的隐私保证:即使在客户端受损时,已删除的数据和旧操作的历史仍然对攻击者隐藏。我们使用Amazon Web Services实现和测量了我们的系统的性能,并且对于一个实际的数据库(最多$2^{18}$条目),单次操作时间小于1秒。这表示与Wang等人(CCS 14)的当前最佳不经意映射数据结构(其既不提供安全删除也不提供历史独立性)相比100倍的加速。
2015-11-20 cs.CR cs.DS
Lower Bounds for Oblivious Data Structures
不经意的数据结构是其中存储器访问模式不揭示关于在其上执行的操作的信息的数据结构。这样的数据结构由Wang等人[ACM SIGSAC'14]引入,并且旨在用于希望将数据结构存储在不可信服务器处的情况。获得不经意数据结构的一种方法是简单地在不经意RAM(ORAM)上运行经典数据结构。直到最近,这导致了$ω(\lg n)$的开销,以实现最自然的参数设置。此外,Larsen和Nielsen最近的一个关于ORAMs的下限[NIPPTO '18]表明,如果以黑盒方式使用,它们总是招致至少$Ω(\lg n)$的开销。为了避免$ω(\lg n)$开销,研究人员转而更直接地研究经典的数据结构问题,并获得了许多此类问题的有效解决方案,如堆栈,队列,双端队列,优先级队列和搜索树。然而,这些数据结构中没有一个处理操作比$Θ(\lg n)$更快,留下了是否存在更快的解决方案的问题。在本文中,我们排除了这种可能性,证明$Ω(\lg n)$下界不经意堆栈,队列,双端队列,优先级队列和搜索树。
2018-10-24 cs.CR cs.DS
OblivCDN: A Practical Privacy-preserving CDN with Oblivious Content Access
针对现有隐私保护CDN方案成本高、集成难的问题,研究提出OblivCDN系统,通过适配Range ORAM、定制不经意模块优化性能,无需边缘端可信硬件,流媒体下载速度较现有方案大幅提升。
2025-01-13 cs.CR
OTRO: Oblivious Tokenization Path with Square-Root ORAM
University of Southern California(南加州大学);Roblox(罗布乐思);NVIDIA(英伟达);University of California, Riverside(加州大学河滨分校)
针对LLM机密计算中标记器访问模式泄露问题,提出OTRO,利用平方根ORAM实现高效遗忘查找,通过实例池、轮换填充和分块KV缓存感知标记化降低开销,在TDX环境中将TTFT开销限制在4.5%以内。
2026-10-09 cs.CR
Mix-ORAM: Using delegate shuffles
不经意RAM(ORAM)是一种在不受信任的机器上提供私有存储和查询的关键技术,但由于客户端重新随机化(称为驱逐)的高开销,通常被视为不切实际。在这项工作中,我们建议安全地将驱逐委托给半信任的第三方,以使任何客户端都能够加入ORAM技术,并以合理的周期成本提出四种不同的设计灵感来自混合网络技术。
2017-09-04 cs.CR
CacheShuffle: An Oblivious Shuffle Algorithm Using Caches
我们认为,不经意的洗牌和K-不经意的洗牌,是其中的一种改进。我们提供了有效的算法,并讨论了它们的应用程序的设计不经意的RAM。K-Oblivious Shuffling的任务是对服务器上随机分配的N个加密块进行Oblivious Shuffling,使得对手对新的块分配一无所知。安全保证也应该保持相对于已经学习了N个块中的K个被触摸的块的初始位置的对手。当K = N时,得到了不经意洗牌的经典概念.我们提出了一个家庭的算法不经意洗牌。我们的第一个构造CacheShuffleRoot是为具有$O(\sqrt{N})$内存块的客户端量身定制的,并为每个$ε> 0$使用$(4+ε)N$带宽块。CacheShuffleRoot比之前关于N的实际大小的最佳已知结果提高了4.5倍。我们还提出了CacheShuffle,它使用O(S)块的客户端内存和$O(N\log_S N)$块的带宽进行随机洗牌。然后,我们转向K-不经意的洗牌,并给出算法,需要2N + f(K)块的带宽,为一些功能f。也就是说,高于2N下限的任何额外带宽仅取决于K。我们提出了KCacheShuffleBasic,它使用O(K)客户端存储和正好2N块带宽。对于较小的客户端存储需求,我们展示了KCacheShuffle,它使用O(S)客户端存储,并需要$2N+(1+ε)O(K\log_S K)$带宽块。最后,我们考虑的情况下,除了N…
2017-10-17 cs.CR cs.DC cs.DS
Onyx: Cost-Efficient Disk-Oblivious ANN Search
UC Berkeley, NVIDIA(伯克利大学,NVIDIA);NVIDIA;UT Austin, NVIDIA(奥斯汀大学,NVIDIA)
Onyx通过优化ANN和ORAM层的资源利用,降低ANN搜索成本和延迟,采用紧凑中间表示和局部意识浅树设计提高效率。
2026-04-22 cs.AI cs.CR
A Comparative Study of Homomorphic and Searchable Encryption Schemes for Cloud Computing
云计算是一种流行的基于分布式网络和实用新型的技术。由于在云中,数据被外包给第三方,因此保护用户数据的机密性和隐私变得非常重要。研究人员提出了不同的云数据安全方法,包括但不限于不经意RAM、可搜索加密、函数加密、同态加密等。本文重点研究了可搜索和同态加密方法。最后,对这两种高效的云加密方法进行了比较研究。
2015-05-13 cs.CR
Deterministic, Stash-Free Write-Only ORAM
只写不经意RAM(WoORAM)协议通过加密数据内容并隐藏对该数据的写操作模式来提供隐私。WoORAM提供了比普通加密更好的隐私性,比更一般的ORAM方案(隐藏写入和读取访问模式)更好的性能,并且写入不经意设置已应用于云存储同步和加密隐藏卷的重要应用。在本文中,我们介绍了一种全新的只写ORAM技术,称为DetWoORAM。与以前的解决方案不同,DetWoORAM使用确定性的顺序写入模式,而不需要在写入失败时在本地状态下对块进行任何“存储”。我们的协议,而概念上简单,提供了显着的改善,在以前的解决方案,无论是渐近和实验。特别地,在典型设置下,对于写入设备的每个块,DetWoORAM仅将2个块(顺序地)写入后端存储器,这是最佳的。我们已经使用BUSE(用户空间中的块设备)模块实现了我们的解决方案,并针对仅加密的dm-crypt基线和先前的随机WoORAM解决方案测试了DetWoORAM,与仅加密基线相比,仅测量了3倍-14倍的速度,与先前的工作相比,加速了约6倍-19倍。
2017-09-07 cs.CR
Bandwidth-Efficient Two-Server ORAMs with O(1) Client Storage
针对双服务器ORAM方案本地存储过大或带宽成本过高的问题,提出两种客户端友好型方案,在O(1)本地存储下实现实用对数带宽,线性对称密钥计算,实证显示带宽和时间成本显著优于现有方案。
2025-04-16 cs.CR
Palermo: Improving the Performance of Oblivious Memory using Protocol-Hardware Co-Design
针对ORAM性能受限于内存操作依赖的问题,提出协议-硬件协同设计Palermo,通过重叠内存操作提升带宽利用率,平均性能较RingORAM提升2.8倍,且开销极小。
2024-11-08 cs.AR cs.CR
What Storage Access Privacy is Achievable with Small Overhead?
不经意RAM(ORAM)和私有信息检索(PIR)是经典的密码原语,用于隐藏对数据的访问模式,这些数据的存储已外包给不可信的服务器。不幸的是,与明文访问相比,这两种原语都需要相当大的开销。对于具有高度频繁访问请求的大规模存储基础设施,响应时间的降低和由ORAM或PIR引起的资源成本的过度增加阻止了它们的使用。在理想情况下,将为这些业务量大的存储系统实现具有小开销的隐私保护存储协议,以避免对性能和/或成本产生负面影响。在这项工作中,我们研究的问题,最好的$\mathit{storage\ access\ privacy}$,这是可以实现的,只有$\mathit{small\ overhead}$在明文访问。为了回答这个问题,我们考虑$\mathit{differential\ privacy\ access}$,它是ORAM和PIR考虑的$\mathit{oblivious\ access}$安全概念的概括。令人惊讶的是,我们提出了强有力的证据表明,恒定的开销存储方案只能实现与隐私预算的$ε= Ω(\log n)$。我们提出了渐进最优的构造差分私有的变体ORAM和PIR与隐私预算$ε= Θ(\log n)$,只有$O(1)$开销。此外,我们考虑一种更复杂的存储原语,称为键值存储,其中数据由来自大宇宙的键索引(与ORAM和PIR中的连续整数相反)。提出了一种具有$ε= Θ(\log n)…
2019-04-10 cs.CR cs.DS
BIOS ORAM: Improved Privacy-Preserving Data Access for Parameterized Outsourced Storage
用于不经意随机存取机(ORAM)模拟的算法允许客户端Alice混淆与服务器Bob的数据访问模式,服务器Bob在尝试学习关于她的数据的信息的同时维护Alice的外包数据。我们提出了一种新的ORAM方案,提高了渐近I/O开销的客户端私有内存和消息块的大小参数范围广泛,从对数到多项式以前的计划。我们的方法实现了隐藏Alice的访问模式的统计安全性,并以很高的概率,实现了范围从$O(1)$到$O(\log^2 n/(\log\log n)^2)$的I/O开销,这取决于这些大小参数,其中$n$是Alice的外包内存的大小。我们的计划,我们称之为BIOS ORAM,结合了多种用途的B-树,减少ORAM模拟等值线访问序列。
2017-09-19 cs.CR cs.DS