[論文レビュー] Efficient User-Centric Privacy-Friendly and Flexible Wearable Data Aggregation and Sharing

Khlood Jastaniah, Ning Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2022

Cryptography and Data Security被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、効率的でプライバシー保護型のウェアラブルIoT健康データの集約と柔軟な共有を実現する、ユーザー中心の新規フレームワークSAMAを提案する。複数鍵の同型暗号を用いて複数ユーザーのデータ処理を安全に実施し、暗号文ポリシーに基づく属性暗号（CP-ABE）を用いて細かく制御された選択的アクセス制御を実現することで、従来の解決策を凌駕するプライバシー保護とスケーラビリティを達成するとともに、計算オーバーヘッドを低減する。

ABSTRACT

Wearable devices can offer services to individuals and the public. However, wearable data collected by cloud providers may pose privacy risks. To reduce these risks while maintaining full functionality, healthcare systems require solutions for privacy-friendly data processing and sharing that can accommodate three main use cases: (i) data owners requesting processing of their own data, and multiple data requesters requesting data processing of (ii) a single or (iii) multiple data owners. Existing work lacks data owner access control and does not efficiently support these cases, making them unsuitable for wearable devices. To address these limitations, we propose a novel, efficient, user-centric, privacy-friendly, and flexible data aggregation and sharing scheme, named SAMA. SAMA uses a multi-key partial homomorphic encryption scheme to allow flexibility in accommodating the aggregation of data originating from a single or multiple data owners while preserving privacy during the processing. It also uses ciphertext-policy attribute-based encryption scheme to support fine-grain sharing with multiple data requesters based on user-centric access control. Formal security analysis shows that SAMA supports data confidentiality and authorisation. SAMA has also been analysed in terms of computational and communication overheads. Our experimental results demonstrate that SAMA supports privacy-preserving flexible data aggregation more efficiently than the relevant state-of-the-art solutions.

研究の動機と目的

• 既存のシステムが単一の受信者向けにセキュアなデータ処理をサポートするか、処理能力を欠いた細かく制御された共有を提供するというギャップを埋めること。
• 複数の受信者向けに、複数のユーザーのウェアラブルIoTデータの安全でプライバシー保護型の集約を可能にすること。
• ユーザー中心のアクセス制御モデルを通じて、ユーザーがデータへのアクセスを完全に制御できること。
• 既存のプライバシー保護型解決策と比較して、計算および通信のオーバーヘッドを低減すること。
• 1つの効率的なフレームワーク内で、セキュアなデータ処理と柔軟で属性ベースのアクセス制御を統合すること。

提案手法

• SAMAは、複数鍵の同型暗号方式を採用し、異なるユーザーの公開鍵で暗号化されたデータに対して安全に計算を実行できるようにし、復号化を伴わずに複数ユーザーにわたる集約処理を可能にする。
• 細かく制御されたアクセス制御を実現するために、暗号文ポリシーに基づく属性暗号（CP-ABE）を用い、データ所有者が定義した特定の属性を持つユーザーにのみアクセス権を付与する。
• システムアーキテクチャには、ユーザー、データ受信者（DRs）、2つのクラウドサービスプロバイダー（CSP_A：ストレージおよびアクセス管理、CSP_B：計算処理）、および信頼できる鍵当局（KA）が含まれる。
• データ所有者は、複数鍵の同型暗号方式を用いてウェアラブルデータを暗号化し、CP-ABEを介してアクセスポリシーを定義し、ユーザーが定義した属性に基づいて複数のDRに対して選択的共有を可能にする。
• この方式により、一致する属性を持つ承認済みDRのみがデータを復号および処理可能であり、クラウドプロバイダーは準正直であり、機微な情報を漏洩させない。
• セキュリティおよびパフォーマンスが形式的に分析され、定義された脅威モデル下で機密性および認証漏洩に対する耐性が確認され、オーバーヘッド比較を通じて効率性が実証されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数ユーザーからのウェアラブルIoTデータの効率的集約を実現するとともに、複数受信者向けに細かく制御されたアクセス制御を提供するシステムは、どのように実現できるか？
• RQ2 ユーザー中心のアクセス制御モデルを複数鍵の同型暗号と統合することで、プライバシー保護を維持するとともに柔軟な共有を実現できるか？
• RQ3 同型暗号とCP-ABEを複数ユーザー・複数受信者環境で統合した場合の計算および通信のオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ4 本稿で提案する方式は、既存の最先端技術と比較して、効率性およびセキュリティ面で優れているか？
• RQ5 クラウドプロバイダーが準正直であり、好奇心をもっても、システムはデータ機密性およびアクセス制御を維持できるか？

主な発見

• SAMAは、複数鍵の同型暗号とCP-ABEを組み合わせることで、従来の研究における主な制限要因を解決し、安全な複数ユーザー向けデータ集約と細かく制御されたアクセス制御を両立する。
• 本方式は、複数ユーザーからのデータ処理を安全に実行でき、ユーザーが定義した属性に基づいて複数のデータ受信者に対して選択的共有を可能にする。
• 形式的なセキュリティ分析により、定義された脅威モデル下でSAMAがデータ機密性および認証漏洩に対する耐性を示すことが確認された。
• パフォーマンス評価では、特に複数受信者環境において、既存の最先端技術と比較して計算および通信のオーバーヘッドが低いことが示された。
• 処理をクラウドにオフロードすることでクライアント側の計算負荷を低減しているため、リソース制限のあるウェアラブルデバイスへの展開にも十分に適している。
• ユーザー中心のアクセス制御とセキュアな計算の統合により、GDPRやHIPAAなどのプライバシー規制への準拠が可能になる。