Privacy preserving cloud computation for data collected from microcontrollers.

Abstract

The growth of the Internet of Things has given us the ability to monitor and control various situations from distance, mostly by collecting data from the edge, then storing and distributing them with the use of servers. This data can be the location of a person, medical data, industrial data, or other sensitive information, so we must protect them from unauthorized users. If the server where the data will be stored is semi-trusted, then we must protect take action to protect those data. As semi-honest, we referred to a party that adheres to the protocol correctly while also keeping a log of all its intermediate calculations. The proposed solution to this problem is the use of homomorphic encryption which give us the ability to perform operations on encrypted data such as additions and multiplications without the need of decrypting the data first. This makes homomorphic cryptography ideal for this use because the server can perform operations and at the same time, he cannot have access to the data. In this project, we will build the above scenario for data collected from microcontrollers. The microcontroller will have various data stored on its local memory and when the user wants to offload them and send them to the cloud for storage, the microcontroller will first encrypt those data with homomorphic encryption and then send them to the cloud. The microcontroller will connect with the outside world via NFC. When the user wants to extract some information from those data, he will ask the server to execute an algorithm on those data and then send back the result encrypted that only the user can decrypt with the Android application using his secret key. The query implemented is an encrypted inference based on a dataset that determines the presents of humans in a room. For that reason, we trained a perceptron and designed a that can run on the server without the server can access the private values that the board collected.

Η ανάπτυξη του Διαδικτύου των πραγμάτων μας έδωσε τη δυνατότητα να παρακολουθούμε και να ελέγχουμε διάφορες καταστάσεις από απόσταση, κυρίως συλλέγοντας δεδομένα από τερματικες συσκευες, αποθηκεύοντας και διανέμοντάς τα με τη χρήση διακομιστών. Αυτά τα δεδομένα μπορεί να είναι η τοποθεσία ενός ατόμου, ιατρικά δεδομένα, βιομηχανικά δεδομένα ή άλλες ευαίσθητες πληροφορίες, επομένως πρέπει να τα προστατεύουμε. Εάν ο διακομιστής στον οποίο θα αποθηκευτούν τα δεδομένα είναι ημι-έμπιστος, τότε πρέπει να λάβουμε μέτρα για την προστασία αυτών των δεδομένων. Ως ημι-έμπιστος, αναφερομαστε σε καποιον που τηρεί σωστά το πρωτόκολλο, ενώ διατηρεί επίσης ένα αρχείο καταγραφής όλων των ενδιάμεσων υπολογισμών του. Η προτεινόμενη λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι η χρήση ομομορφικής κρυπτογράφησης που μας δίνει τη δυνατότητα να εκτελούμε πράξεις σε κρυπτογραφημένα δεδομένα όπως προσθέσεις και πολλαπλασιασμούς χωρίς να χρειάζεται πρώτα να αποκρυπτογραφήσουμε τα δεδομένα. Αυτό καθιστά την ομομορφική κρυπτογραφία ιδανική για αυτή τη χρήση, επειδή ο διακομιστής μπορεί να εκτελέσει λειτουργίες και ταυτόχρονα, δεν μπορεί να έχει πρόσβαση στα δεδομένα. Σε αυτη την διπλωματικη, δημιουργήσαμε το παραπάνω σενάριο για δεδομένα που συλλέγονται από μικροελεγκτές. Ο μικροελεγκτής θα έχει διάφορα δεδομένα αποθηκευμένα στην τοπική του μνήμη και όταν ο χρήστης θέλει να τα στείλει στο cloud για αποθήκευση, ο μικροελεγκτής θα κρυπτογραφήσει πρώτα αυτά τα δεδομένα με ομομορφική κρυπτογράφηση και στη συνέχεια θα τα στείλει στο cloud. Ο μικροελεγκτής συνδέεται με τον έξω κόσμο μέσω NFC. Όταν ο χρήστης θέλει να εξαγάγει κάποιες πληροφορίες από αυτά τα δεδομένα, θα ζητήσει από τον διακομιστή να εκτελέσει έναν αλγόριθμο σε αυτά τα δεδομένα και στη συνέχεια θα στείλει το αποτέλεσμα κρυπτογραφημένο που μόνο ο χρήστης μπορεί να αποκρυπτογραφήσει με την εφαρμογή android και χρησιμοποιώντας το μυστικό κλειδί του. Επισεις σχεδιάσαμε και υλοποιησαμε εναν τροπο για να επεξεργαστούμε ομοιομορφικα τα δεδομενα. Για αυτόν τον λόγο, εκπαιδεύσαμε ένα perceptron και σχεδιάσαμε ένα αλγοριθμο που μπορεί να τρέχει στον server το perceptron χωρίς να έχει πρόσβαση στις ευαισθητες πληροφοριες που συνέλεξε η πλακέτα.