Towards High-Performance Private File Sharing for Decentralized Storage Systems = 탈중앙화 스토리지 시스템에서 고성능 프라이빗 파일 공유를 위한 연구

국문 초록 (Abstract)

탈중앙화 스토리지 시스템은 중앙 집중형 솔루션의 대안으로 주목받고 있으며, 단일 실패 지점을 제거하고 장애 허용성을 향상시키는 동시에 검열 저항성과 자 율성을 제공한다. 이러한 특성으로 인해 탈중앙화 스토리지 시스템은 산업 전반에 걸쳐 점차 채택되고 있으며, 이에 따라 많은 서비스들이 프라이빗 파일 공유 네트 워크로의 전환을 추진하고 있다.
프라이빗 네트워크는 익명의 클라이언트가 자유롭게 참여할 수 있는 공개 네 트워크와 달리, 참여 조직이 직접 민감한 데이터—예를 들어 기밀 기업 정보나 헬스케어 IoT 데이터—에 대한 접근을 제어하는 구조를 갖는다. 이와 같은 프라 이빗 네트워크는 탈중앙화의 장점을 유지하면서도, 콘텐츠 탐색 지연을 줄이고 허가된 사용자 간의 프라이버시를 효과적으로 보장할 수 있는 이점이 있다. 그러나 기존 프라이빗 파일 공유 솔루션은 다양한 머신 환경에 따라 서로 다른 지점의 성능 병목 현상을 보인다. 예를 들어, 빠른 스토리지와 다수의 CPU 코 어를 갖춘 고성능 머신 환경에서는 파일 데이터를 관리하는 데이터 구조를 읽고 쓰는 작업이 주요 병목 지점으로 작용한다. 반면, 컴퓨팅 자원이 제한된 저성능 장치에서는 접근 제어 메커니즘이 성능 저하의 주요 원인이 된다.
이에 본 논문은 고성능 프라이빗 파일 공유를 달성하기 위한 두 가지 접근법을 제안하고, 이를 통해 기존 시스템의 한계를 해결하고자 한다. 첫 번째로, 고성능 머신 환경에서 실행되는 프라이빗 네트워크의 탈중앙화 파 일 공유를 가속화하기 위해 새로운 파일 시스템을 설계하였다. 해당 파일 시스템은 현대 하드웨어에서 방향성 비순환 그래프(DAG, Directed Acyclic Graph)를 기 반으로 한 파일 관리 구조의 확장 가능성을 활용하는 데 중점을 두었다. 구체적으 로는, 파일 업로드 시 중요한 순서를 보존하면서도 DAG 노드를 병렬로 생성하는 DAG 빌더, 그래프 탐색 없이 DAG 캐시를 활용하여 리프 노드를 병렬로 추출하는 DAG 리더, 불필요한 DAG 노드 및 데이터를 빠르게 식별하고 병렬로 제거함으로 써 일관성을 유지하면서 가비지 컬렉션(Garbage Collection) 오버헤드를 완화하는 DAG 리무버를 설계하였다. 두번째로,자원이제한된장치에서작동하는탈중앙화환경에최적화된효율적 인 IoT 프레임워크를 추가로 제안하였다. 본 프레임워크는 성능과 데이터 보호를 동시에 강화하는 것을 목표로 한다. 이를 위해, 데이터 순서를 무작위로 섞고 여러 구간으로 분할한 뒤 병렬 암복호화를 수행하여 암호화 처리 속도를 획기적으로 향 상시키는 새로운 암호화 기법을 적용하였다. 또한, 트리 구조 기반의 인증 방식을 도입하여 접근 인증 속도를 높였으며, 프록시 재암호화(Proxy Re-encryption) 기 술을 활용하여 데이터 소유자의 개인 키를 노출하지 않고도 권한 있는 사용자만이 민감 데이터를 복호화할 수 있도록 설계함으로써 프라이버시를 한층 강화하였다.
제안한 두 가지 기술의 성능을 평가하기 위해, InterPlanetary File System(IPFS) 을 기반으로 구현을 수행하고 다양한 벤치마크 워크로드를 활용하여 실험을 진행 하였다. 실험 결과, 제안 기법은 기존 IPFS 대비 파일 업로드 및 다운로드 성능을 다양한 환경에서 크게 향상시켰으며, 복잡한 접근 제어가 필요한 상황에서도 일관 되게 우수한 성능을 보이는 동시에 더욱 강력한 프라이버시 보장 효과를 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Decentralized storage systems have emerged as a compelling alternative to centralized solutions, eliminating single points of failure, improving fault tolerance, and providing censorship resistance and autonomy. As decentralized storage systems are increasingly adopted across industries, many services are shifting to private file-sharing networks. In these private networks, participating organizations control access to sensitive data—such as confidential corporate information shared between companies or IoT healthcare data—rather than relying on public networks where any anonymous client can join. These networks still preserve the benefits of decentralization, reduce content-discovery latency, and enforce privacy among authorized parties.
Nevertheless, existing solutions for efficient private file sharing exhibit different performance bottlenecks depending on the machine environments. For example, in high-performance machines equipped with fast storage and multiple CPU cores, the main bottleneck occurs in reading and writing the data structures that manage file data. In contrast, in resource-constrained devices with limited computing power, the access control mechanism becomes the primary bottleneck.
To this end, this dissertation presents two main approaches for achieving high-performance private file sharing, addressing the limitations of existing systems. First, we introduce a novel file system designed to accelerate decentralized file sharing in private networks running on high-end machines, by leveraging the scalability of file management based on directed acyclic graphs (DAGs). Specifically, we first design a DAG builder that parallelizes the construction of DAG nodes for a file while preserving critical orders to speed up the uploading process. Second, we introduce a DAG reader that retrieves leaf DAG nodes in parallel without graph traversal assisted by a devised DAG cache to accelerate the downloading process. Finally, we present a DAG remover that rapidly identifies obsolete DAG nodes/data and removes them in parallel to mitigate the garbage collection overhead without compromising consistency. Second, we further propose an efficient IoT framework optimized for decentralized environments running on resource-constrained devices, aiming to strengthen both performance and data protection. This framework introduces a novel encryption scheme that improves security by shuffling the data order and partitioning it into multiple regions for parallel encryption and decryption— dramatically accelerating the cryptographic process. In addition, we implement a lightweight access control scheme based on tree-structured authentication for rapid access verification. To further enhance privacy, the system incorporates proxy re-encryption, allowing sensitive data to be decrypted by authorized entities without exposing the data owner’s private key.
To evaluate the effectiveness of the proposed techniques, we implemented our approaches based on InterPlanetary File System (IPFS) and conducted a set of experiments using various benchmark workloads. The experimental results show that our techniques significantly improve file upload and download performance under various workloads compared with vanilla IPFS. We also observed that our proposed system consistently outperforms existing systems, even under complex access control, while offering stronger privacy guarantees.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Figures vi
• List of Tables viii
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Motivation 1
• 1.1.1 Prominence and Necessity of Private File Sharing on Decentralized Storage Systems 1
• 1.1.2 Challenges 3
• 1.2 Contributions 5
• 1.3 Dissertation Structure 6
• Chapter 2 Background 8
• 2.1 Private File Sharing 9
• 2.2 Decentralized Systems 9
• 2.3 InterPlanetary File System 11
• 2.4 Content Object 12
• 2.5 Related Work 13
• 2.5.1 High-Performance Decentralized Systems in Private Networks 13
• 2.5.2 Analysis and Performance Improvement of the InterPlanetary File System 14
• 2.5.3 Fine-Grained Access Control in Decentralized and Trusted IoT Data Sharing Systems 15
• Chapter 3 Merkle Directed Acyclic Graph Acceleration for Enhanced File Sharing Performance on High-End Machines 17
• 3.1 Motivation 17
• 3.1.1 Identifying the Root Causes of Performance Bottlenecks 18
• 3.2 Design and Implementation 22
• 3.2.1 Overall Architecture 23
• 3.2.2 DAGcache 25
• 3.2.3 Deterministic and Parallel Merkle-DAG Builder 27
• 3.2.4 Traversal-Free Merkle-DAG Reader 30
• 3.2.5 Parallel Garbage Collector 33
• 3.3 Evaluation 36
• 3.3.1 Experimental Settings 36
• 3.3.2 Micro Benchmark Results 38
• 3.3.3 Macro Benchmark Results 41
• 3.3.4 Real-world Application Results 42
• 3.3.5 Experimental Breakdown 44
• 3.3.6 Memory Consumption and Overhead 45
• 3.4 Summary 46
• Chapter 4 Latency Reduction via Lightweight Access Control on Low Computing Power Devices 47
• 4.1 Motivation 47
• 4.1.1 Data Encryption and Management in IoT Using Blockchain and IPFS 47
• 4.1.2 Encryption Algorithms 48
• 4.1.3 Challenges in the Previous Decentralized IoT System 49
• 4.2 Design and Implementation 50
• 4.2.1 Overall Architecture 50
• 4.2.2 Index-based Shuffling and Parallel Encryption and Decryption 52
• 4.2.3 Lightweight and Trusted Access Control 55
• 4.2.4 End-to-End Lifecycle of File Upload and Download 59
• 4.3 Evaluation 61
• 4.3.1 Experimental Settings 61
• 4.3.2 Performance Results 63
• 4.3.3 Security Analysis 66
• 4.3.4 Discussion of Privacy 67
• 4.4 Summary 68
• Chapter 5 Conclusion 69
• 요약 85