[論文レビュー] Attribute-Based Access Control for Smart Cities: A Smart Contract-Driven Framework

Yuanyu Zhang, Mirei Yutaka+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、Ethereumスマートコントラクトを用いてポリシー、主体／対象の属性、アクセス意思決定を管理することで、スマートシティ向けに分散型でブロックチェーンベースの属性ベースアクセス制御（ABAC）フレームワークを提案する。ACLベースの手法と比較して、特に動的で細粒度なアクセス要件を有する大規模システムにおいて、長期的な運用コストが低くなることを示している。

ABSTRACT

Efficient and reliable access control in smart cities is critical for the protection of various resources for decision making and task execution. Existing centralized access control schemes suffer from the limitations of single point of failure, low reliability and poor scalability. This paper therefore proposes a distributed and reliable access control framework for smart cities by combining the blockchain smart contract technology and the Attribute-Based Access Control (ABAC) model. The framework consists of one Policy Management Contract (PMC) for managing the ABAC policies, one Subject Attribute Management Contract (SAMC) for managing the attributes of subjects (i.e., entities accessing resources), one Object Attribute Management Contract (OAMC) for managing the attributes of objects (i.e., resources being accessed), and one Access Control Contract (ACC) for performing the access control. To show the feasibility of the proposed framework, we construct a local private Ethereum blockchain system to implement the four smart contracts and also conduct experiments to evaluate the monetary cost as well as to compare the proposed framework with an existing Access Control List (ACL)-based scheme. The experimental results show that although the proposed scheme consumes more money than the ACL-based scheme at the deployment stage, it introduces less monetary cost during the system running especially for large-scale smart cities.

研究の動機と目的

• 中央集権型アクセス制御の限界、すなわち単一障害点、スケーラビリティの低さ、攻撃に対する脆弱性を是正すること。
• スマートシティの大規模かつ分散型のIoT環境に適した、分散型で信頼性が高く、動的アクセス制御システムを設計すること。
• 時間、場所、ユーザー役割といった文脈要因に適応する細粒度なアクセス制御を可能にすること。
• 既存のアクセス制御リスト（ACL）ベースの手法と比較して、大規模スマートシティ展開における長期的運用コストを削減すること。
• プライベートEthereumブロックチェーン上でスマートコントラクトを用いたABACの実装の実現可能性とコスト効率を評価すること。

提案手法

• 本フレームワークは、4つのEthereumスマートコントラクト（ポリシー管理コントラクト（PMC）、主体属性管理コントラクト（SAMC）、対象属性管理コントラクト（OAMC）、アクセス制御コントラクト（ACC））を用いる。
• ABACポリシーはPMCを介してブロックチェーン上にエンコード・管理され、動的でポリシー駆動のアクセス意思決定を可能にする。
• 役割、場所、アクセス権といった主体および対象の属性は、それぞれSAMCおよびOAMCを介して格納・管理される。
• ACCは、PMCにエンコードされたポリシー条件と照合することで、主体の属性をチェックし、許可／拒否の意思決定を返す。
• ガス消費量とコスト効率を評価するために、ローカルのプライベートEthereumブロックチェーン上に実装されている。
• 実験により、デプロイコストおよび運用コストを測定し、ABACフレームワークと既存のACLベースの手法を比較評価している。

Figure 1: The proposed ABAC framework.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートコントラクト駆動のABACフレームワークは、大規模スマートシティ環境における中央集権型アクセス制御を効果的に置き換えることができるか？
• RQ2 長期的運用効率の観点から、ABACフレームワークのデプロイおよび運用におけるガスコストは、ACLベースの手法と比較してどの程度か？
• RQ3 IoT対応スマートシティにおける、動的で細粒度なアクセス制御は、システムコストとスケーラビリティにどのような影響を与えるか？
• RQ4 主体および対象の数が変化する状況、特に最悪ケースにおいて、フレームワークはどのように動作するか？
• RQ5 分散型で改ざん不能なアクセス制御をサポートしながら、セキュリティおよび信頼性を維持できるか？

主な発見

• 提案されたABACフレームワークは、ACLベースの手法よりも高い初期デプロイコストを有する。最悪ケース（300人の新規主体と複数の対象を含む）では、デプロイコストが約$119,791.07に達する。
• デプロイコストが高額であっても、運用コストは著しく低く抑えられ、最良ケースでは$49.125にまで低下するのに対し、ACLベースの手法では$8,720.20に達する。
• 主体および対象に共通の属性が存在する大規模な展開において、ABACモデルはACLベースのアプローチと比較して運用コストを最大99.4％まで削減する。
• プライベートEthereumブロックチェーン上での実装において、フレームワークは実現可能性とスケーラビリティを示しており、ポリシー管理、属性更新、アクセス制御意思決定といったコア操作のガス消費量が測定された。
• Ethereum 1.0の1秒15件というトランザクション制限によりスループットが制限されるが、今後Ethereum 2.0への移行でPoSとシャーディングが導入されれば、パフォーマンスは64倍から数倍に改善される可能性がある。
• システムは基盤となるブロックチェーンに依存しないため、より高速なブロックチェーンにデプロイすることでスケーラビリティを向上させ、遅延を低減できる。

Figure 2: Access control process.