title: Efficient multi-dimensional range searchable encryption for large databases
title: Αποδοτική κρυπτογραφημένη αναζήτηση για πολυδιάστατες ερωτήσεις εύρους για μεγάλες βάσεις δεδομένων
Creators: name: Δεμερτζης Ραφαηλ-Αθανασιος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2019

description: Στο σχήμα της κρυπτογραφημένης αναζήτησης (SE), ο client διαθέτει την κρυπτογραφημένη μορφή ενός σετ δεδομένων την οποία αποστέλλει στο server ώστε να υποστηριχθεί ένα πρωτόκολλο ερωτημάτων το οποίο θα επιτρέπει την ιδιωτικότητα και την προστασία των δεδομένων. Πλέον, μετά από μια σειρά πρόσφατων επεκτάσεων, το σχήμα της κρυπτογραφημένης αναζήτησης υποστηρίζει ποικίλες μορφές ερωτημάτων, όπως τα range, aggregate, boolean, phrase, substring, wildcard queries καθώς και πολλά από τα SQL ερωτήματα που συναντάμε στα παραδοσιακά συστήματα βάσεων δεδομένων. 
 Σε αυτή την εργασία, επεκτείνουμε την ιδέα της κρυπτογραφημένης αναζήτησης σε πολυδιάστατα ερωτήματα. Πιο συγκεκριμένα, επικεντρωνόμαστε σε πολυδιάστατα ερωτήματα εύρους και προτείνουμε τρία νέα σχήματα (MRSE-A, MRSE-B, MRSE-C) τα οποία προκύπτουν μετά από κατάλληλες επεκτάσεις των Logarithmic-SRC-i1 και SRC-i2 RSE  σχημάτων που προτάθηκαν στη δουλειά των Demertzis et al.(SIGMOD 2016, TODS 2018) για μονοδιάστατα ερωτήματα εύρους. Οι βασικές δυσκολίες στη σχεδίαση ενός ασφαλούς SE/RSE σχήματος είναι: (α) η ακριβής διατύπωση για τη μορφή της πληροφορίας που μπορεί να υποκλέψει κάποιος πιθανός κακόβουλος χρήστης παρατηρώντας τη δομή του index, (β) η μείωση της χωρητικότητας των indexes περιορίζοντας όμως ταυτόχρονα των αριθμό των false positives η αύξηση των οποίων προκύπτει ως συνέπεια αυτής της μείωσης. Στη συνέχεια προτείνουμε ένα νέο MRSE σχήμα, το Oblivious-MRSE (OMRSE) που βασίζεται σε ένα ισχυρό κρυπτογραφικό πρωτόκολλο, το Oblivious Random Access Memory (ORAM) και σκοπεύει στη μείωση της πληροφορίας που διαρρέεται από τα MRSE σχήματα. Πειραματικά δείχνουμε ότι το OMRSE, που δίνει πιο ισχυρά privacy guarantees, χρειάζεται λιγότερη χωρητικότητα από τα MRSE ενώ όταν τα συγκρίνουμε υπό τις ίδιες προδιαγραφές μνήμης το OMRSE έχει συγκρίσιμη ή/και καλύτερη απόδοση (έως και 2x slow-down, έως και  100x speed-up).  

description: In Searchable Encryption (SE), a data owner outsources an encrypted set of documents to a server, with the purpose of enabling the server to answer keyword queries in a private manner. Recently, SE has been extended to support more expressive private queries, such as range, aggregate, boolean, phrase, substring, wildcard queries and a wide range of SQL queries.  
In this work, we introduce the notion of Multi-Dimensional Range SE (MRSE) schemes and we provide novel constructions (MRSE-A, MRSE-B, MRSE-C) by extending/modifying Logarithmic-SRC-i1and SRC-i2 RSE schemes, proposed by Demertzis et al.(SIGMOD 2016, TODS 2018) to multiple dimensions.  We demonstrate that, given any secure SE/RSE scheme, the challenge boils down to (i) formulating leakages that arise from the index structure, (ii) improving the index space, and (iii) minimizing false positives incurred by the space reduction. We further propose a new MRSE scheme utilizing a powerful cryptographic tool, Oblivious Random Access Memory (ORAM), and introduce the notion of Oblivious-MRSE (OMRSE) that reduces the leakages introduced by MRSE schemes. We demonstrate a surprising finding; we experimentally show that our strongly secure OMRSE scheme requires significantly less space than the proposed MRSE schemes, and has comparable/better search performance (up to 2x slow-down,up to 100x speed-up) with MRSE schemes when are tuned to have similar space demands with the OMRSE scheme.