[論文レビュー] A Role-Based Encryption Scheme for Securing Outsourced Cloud Data in a Multi-Organization Context

Nazatul Haque Sultan, Vijay Varadharajan+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2020

Cryptography and Data Security参考文献 35被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、複数組織のクラウドストレージ向けに、安全で細粒度なアクセス制御を実現し、効率的なユーザーレボケーションと外部化暗号解読を可能にする、新しいロールベース暗号化（RBE）方式を提案する。この方式は、RBACポリシーを暗号化データに直接埋め込み、資格を持つロールを持つユーザーのみが復号可能となるようにし、クラウド支援による暗号解読によりクライアント側の計算負荷を低減するとともに、公開鍵の無効化によりレボケーションのオーバーヘッドを最小限に抑える。

ABSTRACT

Role-Based Access Control (RBAC) is a popular model which maps roles to access permissions for resources and then roles to the users to provide access control. Role-Based Encryption (RBE) is a cryptographic form of RBAC model that integrates traditional RBAC with the cryptographic encryption method, where RBAC access policies are embedded in encrypted data itself so that any user holding a qualified role can access the data by decrypting it. However, the existing RBE schemes have been focusing on the single-organization cloud storage system, where the stored data can be accessed by users of the same organization. This paper presents a novel RBE scheme with efficient user revocation for the multi-organization cloud storage system, where the data from multiple independent organizations are stored and can be accessed by the authorized users from any other organization. Additionally, an outsourced decryption mechanism is introduced which enables the users to delegate expensive cryptographic operations to the cloud, thereby reducing the overhead on the end-users. Security and performance analyses of the proposed scheme demonstrate that it is provably secure against Chosen Plaintext Attack and can be useful for practical applications due to its low computation overhead.

研究の動機と目的

• 異なる組織のデータが共有型パブリッククラウドに格納される複数組織のクラウド環境において、外部化されたデータに対する安全でスケーラブルなアクセス制御メカニズムの欠如に対処する。
• 既存のRBE方式は単一組織に限定されており、効率的なユーザーレボケーションとクラウド支援による暗号解読を備えていないという制限を克服する。
• データ所有者が暗号化データに直接RBACポリシーを強制できる暗号的アクセス制御メカニズムを設計し、クラウドプロバイダーへの信頼を低減する。
• 公開鍵の無効化により、鍵の再計算やデータの再暗号化を必要とせず、計算コストを最小限に抑えることで、効率的なユーザーレボケーションを実現する。
• ペairingベースの暗号技術（特に埋め込み次数2のタイプA楕円曲線）を用い、MDBDH仮定の下で安全性を達成する。
• 暗号化および復号化における指数演算およびペアリングの回数を最小限に抑え、ロール階層の深さにかかわらず定数時間の復号を達成することで、パフォーマンスを最適化する。

提案手法

• アクセスポリシーを暗号文にバインドすることで、ロールベースアクセス制御（RBAC）と暗号化を統合し、資格を持つロールを持つユーザーのみが復号可能であることを保証する。
• ロールが権限を継承する階層的ロール構造を採用し、各ロールは双線形ペアリングを用いてマスターシークレットから導出された暗号鍵に関連付ける。
• クラウドが暗号解読の大部分の計算を実行する外部化復号メカニズムを実装し、認可されたユーザーにのみ平文を返す。
• ユーザーのレボケーションを、システム内でのユーザーの公開鍵を無効化することで実現し、再暗号化や鍵の再計算を回避する。
• MDBDH仮定の下で安全性を達成するために、ペアリングベースの暗号技術（特に埋め込み次数2のタイプA楕円曲線）を活用する。
• 暗号化および復号化における指数演算およびペアリングの回数を最小限に抑え、ロール階層の深さに依存しない定数時間の復号を実現することで、パフォーマンスを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる組織のデータが共存する複数組織のクラウドストレージ環境において、安全で細粒度なアクセス制御を実現するロールベース暗号化方式は、どのように設計できるか？
• RQ2 データの再暗号化や鍵の再計算を必要とせず、効率的にユーザーをレボケーションするためのメカニズムは何か？
• RQ3 強力なセキュリティ保証を維持しつつ、エンドユーザーの復号処理の計算負荷をどのように低減できるか？
• RQ4 本方式は、既存のRBE方式と比較して、パフォーマンスおよびセキュリティの面でどの程度優れているか？

主な発見

• 提案方式は、MDBDH暗号仮定の下で、 chosen plaintext attack (CPA) に対して証明可能に安全である。
• ユーザーレボケーションは、ユーザーの公開鍵を無効化することで実現され、単一の鍵更新操作で十分であり、再暗号化や鍵の再計算にかかるコストを回避する。
• 復号時間は、SO-RBEで約4.60 ms、MO-RBEで約9.675 msと一定であり、Zhouらの方式とは異なり、祖先ロール数やユーザー数に比例して増加しない。
• 暗号化時間は、暗号文に含まれるロール数に比例して線形に増加し、Zhuらの方式と同様の特性を示すが、Zhouらの方式と比較して4回の指数演算を伴う定数時間暗号化よりも効率的である。
• 高価な暗号演算（例：指数演算、ペアリング）をクラウドに委譲することで、リソース制限のあるユーザーにとっての使いやすさを向上させる。
• PBCライブラリを用いたパフォーマンス評価では、群演算（乗算、ハッシュ）の実行時間が指数演算およびペアリング演算に比べて無視できるほど小さく、これらのコア演算の最適化に焦点を当てた正当性が裏付けられる。