SoK: Cryptographically Protected Database Search

Protected database search systems cryptographically isolate the roles of reading from, writing to, and administering the database. This separation limits unnecessary administrator access and protects data in the case of system breaches. Since protected search was introduced in 2000, the area has grown rapidly; systems are offered by academia, start-ups, and established companies. However, there is no best protected search system or set of techniques. Design of such systems is a balancing act between security, functionality, performance, and usability. This challenge is made more difficult by ongoing database specialization, as some users will want the functionality of SQL, NoSQL, or NewSQL databases. This database evolution will continue, and the protected search community should be able to quickly provide functionality consistent with newly invented databases. At the same time, the community must accurately and clearly characterize the tradeoffs between different approaches. To address these challenges, we provide the following contributions: 1) An identification of the important primitive operations across database paradigms. We find there are a small number of base operations that can be used and combined to support a large number of database paradigms. 2) An evaluation of the current state of protected search systems in implementing these base operations. This evaluation describes the main approaches and tradeoffs for each base operation. Furthermore, it puts protected search in the context of unprotected search, identifying key gaps in functionality. 3) An analysis of attacks against protected search for different base queries. 4) A roadmap and tools for transforming a protected search system into a protected database, including an open-source performance evaluation platform and initial user opinions of protected search.Comment: 20 pages, to appear to IEEE Security and Privac

Privacy-Enhanced Query Processing in a Cloud-Based Encrypted DBaaS (Database as a Service)

In this dissertation, we researched techniques to support trustable and privacy enhanced solutions for on-line applications accessing to “always encrypted” data in remote DBaaS (data-base-as-a-service) or Cloud SQL-enabled backend solutions. Although solutions for SQL-querying of encrypted databases have been proposed in recent research, they fail in providing: (i) flexible multimodal query facilities includ ing online image searching and retrieval as extended queries to conventional SQL-based searches, (ii) searchable cryptographic constructions for image-indexing, searching and retrieving operations, (iii) reusable client-appliances for transparent integration of multi modal applications, and (iv) lack of performance and effectiveness validations for Cloud based DBaaS integrated deployments. At the same time, the study of partial homomorphic encryption and multimodal searchable encryption constructions is yet an ongoing research field. In this research direction, the need for a study and practical evaluations of such cryptographic is essential, to evaluate those cryptographic methods and techniques towards the materialization of effective solutions for practical applications. The objective of the dissertation is to design, implement and perform experimental evaluation of a security middleware solution, implementing a client/client-proxy/server appliance software architecture, to support the execution of applications requiring on line multimodal queries on “always encrypted” data maintained in outsourced cloud DBaaS backends. In this objective we include the support for SQL-based text-queries enhanced with searchable encrypted image-retrieval capabilities. We implemented a prototype of the proposed solution and we conducted an experimental benchmarking evaluation, to observe the effectiveness, latency and performance conditions in support ing those queries. The dissertation addressed the envisaged security middleware solution, as an experimental and usable solution that can be extended for future experimental testbench evaluations using different real cloud DBaaS deployments, as offered by well known cloud-providers.Nesta dissertação foram investigadas técnicas para suportar soluções com garantias de privacidade para aplicações que acedem on-line a dados que são mantidos sempre cifrados em nuvens que disponibilizam serviços de armazenamento de dados, nomeadamente soluções do tipo bases de dados interrogáveis por SQL. Embora soluções para suportar interrogações SQL em bases de dados cifradas tenham sido propostas anteriormente, estas falham em providenciar: (i) capacidade de efectuar pesquisas multimodais que possam incluir pesquisa combinada de texto e imagem com obtenção de imagens online, (ii) suporte de privacidade com base em construções criptograficas que permitam operações de indexacao, pesquisa e obtenção de imagens como dados cifrados pesquisáveis, (iii) suporte de integração para aplicações de gestão de dados em contexto multimodal, e (iv) ausência de validações experimentais com benchmarking dobre desempenho e eficiência em soluções DBaaS em que os dados sejam armazenados e manipulados na sua forma cifrada. A pesquisa de soluções de privacidade baseada em primitivas de cifras homomórficas parciais, tem sido vista como uma possível solução prática para interrogação de dados e bases de dados cifradas. No entanto, este é ainda um campo de investigação em desenvolvimento. Nesta direção de investigação, a necessidade de estudar e efectuar avaliações experimentais destas primitivas em bibliotecas de cifras homomórficas, reutilizáveis em diferentes contextos de aplicação e como solução efetiva para uso prático mais generalizado, é um aspeto essencial. O objectivo da dissertação e desenhar, implementar e efectuar avalições experimentais de uma proposta de solução middleware para suportar pesquisas multimodais em bases de dados mantidas cifradas em soluções de nuvens de armazenamento. Esta proposta visa a concepção e implementação de uma arquitectura de software client/client-proxy/server appliance para suportar execução eficiente de interrogações online sobre dados cifrados, suportando operações multimodais sobre dados mantidos protegidos em serviços de nuvens de armazenamento. Neste objectivo incluímos o suporte para interrogações estendidas de SQL, com capacidade para pesquisa e obtenção de dados cifrados que podem incluir texto e pesquisa de imagens por similaridade. Foi implementado um prototipo da solução proposta e foi efectuada uma avaliação experimental do mesmo, para observar as condições de eficiencia, latencia e desempenho do suporte dessas interrogações. Nesta avaliação incluímos a análise experimental da eficiência e impacto de diferentes construções criptográficas para pesquisas cifradas (searchable encryption) e cifras parcialmente homomórficas e que são usadas como componentes da solução proposta. A dissertaçao aborda a soluçao de seguranca projectada, como uma solução experimental que pode ser estendida e utilizavel para futuras aplcações e respetivas avaliações experimentais. Estas podem vir a adoptar soluções do tipo DBaaS, oferecidos como serviços na nuvem, por parte de diversos provedores ou fornecedores

HardIDX: Practical and Secure Index with SGX

Software-based approaches for search over encrypted data are still either challenged by lack of proper, low-leakage encryption or slow performance. Existing hardware-based approaches do not scale well due to hardware limitations and software designs that are not specifically tailored to the hardware architecture, and are rarely well analyzed for their security (e.g., the impact of side channels). Additionally, existing hardware-based solutions often have a large code footprint in the trusted environment susceptible to software compromises. In this paper we present HardIDX: a hardware-based approach, leveraging Intel's SGX, for search over encrypted data. It implements only the security critical core, i.e., the search functionality, in the trusted environment and resorts to untrusted software for the remainder. HardIDX is deployable as a highly performant encrypted database index: it is logarithmic in the size of the index and searches are performed within a few milliseconds rather than seconds. We formally model and prove the security of our scheme showing that its leakage is equivalent to the best known searchable encryption schemes. Our implementation has a very small code and memory footprint yet still scales to virtually unlimited search index sizes, i.e., size is limited only by the general - non-secure - hardware resources