[論文レビュー] A lightweight blockchain-based access control scheme for integrated edge computing in the internet of things

Jie Zhang, Lingyun Yuan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、エッジ統合型IoTシステム向けに、軽量ブロックチェーンベースのアクセス制御方式（ABE-ACS）を提案する。属性暗号（CP-ABE）とブロックチェーンによるスマートコントラクトを組み合わせることで、安全で細粒度なアクセス制御を実現する。CP-ABEの復号処理をエッジノードに外部化し、カスタム化されたPoW共識を採用することで、先行研究と比較してリソース消費を約50％削減し、性能評価では高いスループットと低遅延を達成した。

ABSTRACT

In view of the security issues of the Internet of Things (IoT), considered better combining edge computing and blockchain with the IoT, integrating attribute-based encryption (ABE) and attribute-based access control (ABAC) models with attributes as the entry point, an attribute-based encryption and access control scheme (ABE-ACS) has been proposed. Facing Edge-Iot, which is a heterogeneous network composed of most resource-limited IoT devices and some nodes with higher computing power. For the problems of high resource consumption and difficult deployment of existing blockchain platforms, we design a lightweight blockchain (LBC) with improvement of the proof-of-work consensus. For the access control policies, the threshold tree and LSSS are used for conversion and assignment, stored in the blockchain to protect the privacy of the policy. For device and data, six smart contracts are designed to realize the ABAC and penalty mechanism, with which ABE is outsourced to edge nodes for privacy and integrity. Thus, our scheme realizing Edge-Iot privacy protection, data and device controlled access. The security analysis shows that the proposed scheme is secure and the experimental results show that our LBC has higher throughput and lower resources consumption, the cost of encryption and decryption of our scheme is desirable.

研究の動機と目的

• 高データ量および高デバイス密度を特徴とする、異種でリソース制約のあるIoT環境におけるセキュリティとスケーラビリティの課題に対処すること。
• 従来のブロックチェーンおよびCP-ABEがIoT環境で負う高い計算オーバーヘッドを克服すること。
• 軽量ブロックチェーン上での属性暗号とスマートコントラクトを活用し、分散型でプライバシーを守ったアクセス制御を実現すること。
• CP-ABEの復号処理をエッジノードに外部化することで、IoTデバイスの計算負荷を軽減すること。
• しきい値ツリーとLSSSに基づくポリシー符号化を通じて、ポリシーの機微性と整合性を確保すること。

提案手法

• リソース消費を低減し、スループットを向上させるために、最適化されたプルーフ・オブ・ワーク（PoW）共識メカニズムを備えた軽量ブロックチェーン（LBC）を設計する。
• CP-ABEを属性ベースアクセス制御（ABAC）と統合し、属性をアクセス制御の核となるプリミティブとして抽象化した統合型ABE-ACSフレームワークを構築する。
• （t,n）しきい値ツリーと線形秘密共有方式（LSSS）を用いて、ブロックチェーン上にアクセスポリシーを符号化・保存し、ポリシーの機微性を保持する。
• 計算負荷の高いCP-ABEの暗号化および復号処理をエッジノードに外部化し、デバイス側の処理負荷を最小限に抑える。
• ABACポリシーの強制、属性の割り当て管理、ポリシー違反に対するペナルティの適用を実現するため、LBC上に6つのスマートコントラクトを実装する。
• 柔軟で細粒度なアクセス制御と秘密鍵保護を可能にするために、双線形ペアリングを応用した改変型CP-ABE方式を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジ統合型システムにおけるリソース制約のあるIoTデバイスに、ブロックチェーンベースのアクセス制御をどのように効率的かつ実装可能にすることができるか？
• RQ2 最適化されたPoW共識を備えた軽量ブロックチェーンをIoTエッジ環境で使用した場合、性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 データの機微性や整合性を損なわずに、CP-ABEの復号処理をエッジノードに安全かつ効率的に外部化できるか？
• RQ4 アクセス制御ポリシーをブロックチェーン上に保存する際、その機微性を保持すると同時に動的更新を可能にする方法は何か？
• RQ5 異種のIoT-エッジアーキテクチャにおいて、アクセス制御の柔軟性、暗号処理のオーバーヘッド、システムスループットの間には、どのようなトレードオフが生じるか？

主な発見

• 提案された軽量ブロックチェーン（LBC）は、ブロック生成時間をブロックあたり約31秒に抑え、ベースラインのPoW実装と比較して計算コストを50％削減した。
• ABE-ACS方式における暗号化および復号処理時間は、属性数に比例して線形に増加し、1MB未満のデータサイズでは増加が無視できる程度であった。
• CP-ABEの復号処理をエッジノードに外部化することで、G1およびGT群演算の観点から測定したところ、デバイス側の計算負荷がほぼ半減した。
• しきい値ツリーとLSSSの組み合わせにより、ブロックチェーン上でのポリシー符号化が機微性を保ちながら実現され、ポリシー論理の露呈を防いだ。
• 既存のブロックチェーンおよびCP-ABEソリューションと比較して、特に高同時接続負荷下でも、より高いスループットと低いリソース消費を示した。
• 性能評価の結果、'OR'ポリシーの復号時間は属性数に依存せず一定であったのに対し、'AND'ポリシーは属性数に比例して増加した。