[論文レビュー] A Federated Capability-based Access Control Mechanism for Internet of Things (IoTs)

Ronghua Xu, Yu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2018

Access Control and Trust参考文献 30被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、スケーラビリティ、異種性、リソース制約の問題に対処するため、IoTシステム向けにフェデレーテッド能力ベースアクセス制御（FedCAC）フレームワークを提案する。アイデンティティベースの能力トークンとプロパゲーションツリーを用いて認可を分散化することで、最小限のネットワークおよびデバイス負荷で軽量で細粒度のアクセス制御を実現し、リソース制限ありおよびなしのデバイス上でプロトタイプテストにより検証された。

ABSTRACT

The prevalence of Internet of Things (IoTs) allows heterogeneous embedded smart devices to collaboratively provide intelligent services with or without human intervention. While leveraging the large-scale IoT-based applications like Smart Gird and Smart Cities, IoT also incurs more concerns on privacy and security. Among the top security challenges that IoTs face is that access authorization is critical in resource and information protection over IoTs. Traditional access control approaches, like Access Control Lists (ACL), Role-based Access Control (RBAC) and Attribute-based Access Control (ABAC), are not able to provide a scalable, manageable and efficient mechanisms to meet requirement of IoT systems. The extraordinary large number of nodes, heterogeneity as well as dynamicity, necessitate more fine-grained, lightweight mechanisms for IoT devices. In this paper, a federated capability-based access control (FedCAC) framework is proposed to enable an effective access control processes to devices, services and information in large scale IoT systems. An identity-based capability token management strategy is presented, which involves registering, propagation and revocation of the access authorization. Through delegating centralized authorization decision-making policy to local domain delegator, the access authorization process is locally conducted on the service provider that integrates situational awareness (SAW) and customized contextual conditions. Implemented and tested on both resources-constrained devices, like smart sensors and Raspberry PI, and non-resource-constrained devices, like laptops and smart phones, our experimental results demonstrate the feasibility of the proposed FedCAC approach to offer a scalable, lightweight and fine-grained access control solution to IoT systems connected to a system network.

研究の動機と目的

• 大規模で動的かつ異種性の高いIoT環境における従来のアクセス制御モデル（ACL、RBAC、ABAC）の限界を解消すること。
• IoTデバイスおよびサービスの急激な増加に伴うスケーラビリティと管理のオーバーヘッド問題を克服すること。
• IoTアプリケーションで一般的な動的かつ一時的な相互作用に適応する、細粒度で文脈に依存するアクセス制御を実現すること。
• リソース制限のあるIoTデバイスにおける計算および通信のオーバーヘッドを、軽量なトークンメカニズムによって低減すること。
• 認可意思決定を分散化することで、中央集権的権限機関への依存を減らし、レジリエンスを向上させること。

提案手法

• 中央ポリシーデシジョンポイント（PDC）の負荷を軽減するため、ドメインコーディネーターに認可責任を分散するフェデレーテッド能力ベースアクセス制御（FedCAC）フレームワークを提唱する。
• 中央PDCからローカルドメインコーディネーターへアクセス権限を安全に伝達するため、プロパゲーションツリーに基づく委譲メカニズムを実装する。
• 登録、伝達、無効化のアクセス権利管理を実現するため、アイデンティティベースの能力トークン管理戦略を設計する。
• サービスプロバイダーでのローカルアクセス検証に状況認識（SAW）および文脈条件を統合し、動的で環境に適応するアクセス意思決定を可能にする。
• XACMLなどの重いXML規格（例：XACML）ではなく、軽量なJSONベースの能力トークンを採用することで、制限のあるデバイスにおけるオーバーヘッドを最小限に抑える。
• ラップトップを中央PDC、ラズベリー・パイをフォッグノードとして使用し、センサー、スマートフォン、ラップトップを含む多様なデバイスでテストするプロトタイプを展開する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度のデバイス異種性と動的相互作用が見られる大規模なIoTシステムにおけるアクセス制御を、どのようにスケーラブルかつ管理可能にできるか？
• RQ2 プロパゲーションツリーを用いた能力ベースの委譲は、セキュリティと一貫性を保ちつつ、認可責任を効果的に分散できるか？
• RQ3 リソース制限のあるIoTデバイスにおけるオーバーヘッドを、軽量なアイデンティティベースの能力トークンメカニズムがどの程度低減できるか？
• RQ4 状況認識および文脈条件を統合したローカルアクセス検証は、動的かつ変化しやすいIoT環境におけるセキュリティと適応性をどのように向上させるか？
• RQ5 中央集権的アクセス制御モデルと比較して、フェデレーテッドアーキテクチャは、単一障害点のリスクをどの程度低減できるか？

主な発見

• ドメイン間通信において、FedCACはネットワーク遅延をわずか11 ms（平均300 msの4%）にまで低減し、許容可能なパフォーマンスオーバーヘッドを示した。
• 実験結果から、FedCACはネットワークおよびローカルデバイスの両方で最小限のオーバーヘッドを発生させ、JSONベースのトークンがXACMLなどのXMLベースの代替案よりも効率的であることが判明した。
• プロトタイプは、スマートセンサー、ラズベリー・パイなどのリソース制限ありデバイスおよびラップトップ、スマートフォンなどの非制限デバイスの両方で正常に実装・テストされ、クロスプラットフォームの実現可能性が確認された。
• ドメインコーディネーターによる分散型認可により、中央PDCのボトルネックリスクが軽減され、PDCの一時的障害時でもサービスの可用性が維持された。
• リースベースの権限強化を伴う細粒度アクセス制御により、能力トークンが漏洩した場合でも権限の過剰付与を防止できた。
• 複数のドメインコーディネーターに認可タスクを分散させることで、システムのレジリエンスとスケーラビリティを向上させる負荷分散を達成した。