[論文レビュー] JEDI: Many-to-Many End-to-End Encryption and Key Delegation for IoT

Sam Kumar, Yuncong Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 82被引用数 15

ひとこと要約

JEDI は、階層的なリソース構造を介して分散型でスケーラブルに鍵委譲が可能な、IoT 向けの多対多エンドツーエンド暗号プロトコルです。鍵の有効期限切れ、細粒度アクセス制御をサポートし、超低消費電力の組み込みデバイスでも効率的に動作するため、大規模なスマートビルや都市に適しています。

ABSTRACT

As the Internet of Things (IoT) emerges over the next decade, developing secure communication for IoT devices is of paramount importance. Achieving end-to-end encryption for large-scale IoT systems, like smart buildings or smart cities, is challenging because multiple principals typically interact indirectly via intermediaries, meaning that the recipient of a message is not known in advance. This paper proposes JEDI (Joining Encryption and Delegation for IoT), a many-to-many end-to-end encryption protocol for IoT. JEDI encrypts and signs messages end-to-end, while conforming to the decoupled communication model typical of IoT systems. JEDI's keys support expiry and fine-grained access to data, common in IoT. Furthermore, JEDI allows principals to delegate their keys, restricted in expiry or scope, to other principals, thereby granting access to data and managing access control in a scalable, distributed way. Through careful protocol design and implementation, JEDI can run across the spectrum of IoT devices, including ultra low-power deeply embedded sensors severely constrained in CPU, memory, and energy consumption. We apply JEDI to an existing IoT messaging system and demonstrate that its overhead is modest.

研究の動機と目的

• 送信者と受信者が分離された大規模な IoT システムにおけるエンドツーエンド暗号化の課題に対処すること。
• 中央集権的な機関に依存せず、主権者が限定的なアクセス権を他の者に委譲できる分散型で細粒度の鍵委譲を可能にすること。
• CPU やメモリ、エネルギーが極めて限られた IoT デバイスに一般的に見られるリソース制約に対応すること。
• bw2 や VOLTTRON といった既存の IoT メッセージングシステムと統合しつつ、強固なセキュリティ保証を維持すること。
• 中央集権的機関に依存せずに、暗号的抹消と匿名認証を提供すること。

提案手法

• 階層的アイデンティティベース暗号（HIBE）を用い、暗号的チェーンによる鍵委譲を実現する多対多暗号プロトコルを設計すること。
• URI や時間、範囲による制限を課す「条件」を用いて鍵の限定的アクセスを実現し、細粒度アクセス制御を可能にすること。
• 双線形マップを用いたペアリング暗号を活用し、リソース階層全体にわたる効率的な鍵の導出と委譲を実現すること。
• 匿名署名を用いてプライバシーと承認を両立させ、主権者が自身の身元を明かさずにアクセスを証明できるようにすること。
• 木構造ベースのブロードキャスト暗号を統合し、個々の鍵の抹消が他の正当なユーザーに影響を与えない形で安全に実現できること。
• 軽量なペアリング実装と効率的な署名方式を用いて、組み込みシステム向けに暗号演算を最適化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信者と受信者が分離された大規模な IoT システムにおいて、多対多通信にエンドツーエンド暗号化をどのようにスケーリングできるか？
• RQ2 中央機関に依存せずに、分散型で細粒度の鍵委譲をどのように実現できるか？
• RQ3 有効期限切れ、条件付き制限、抹消を含む暗号的鍵管理を、超低消費電力 IoT デバイスで効率的に実装できるか？
• RQ4 匿名認証をエンドツーエンド暗号化とどのように統合し、IoT システムにおけるプライバシーを保全できるか？
• RQ5 実際の IoT メッセージングシステム（例：bw2 や VOLTTRON）におけるエンドツーエンド暗号化の性能オーバーヘッドはどの程度か？

主な発見

• JEDI は、建物／階層／部屋／センサーといった階層的リソース構造を介してエンドツーエンド暗号化を実現し、実際の IoT システムで最小限の性能オーバーヘッドを実現した。
• プロトコルは、有効期限切れと範囲制限を伴う鍵委譲をサポートしており、主権者が他のデバイスに安全に限定的アクセス権を委譲できる。
• JEDI の暗号演算は、CPU やメモリ、エネルギーが制限された超低消費電力の組み込みセンサーでも効率的に実行可能である。
• 木構造ベースのブロードキャスト暗号を用いることで、個々の鍵の抹消が他の正当なユーザーに影響を与えない形で安全に実現された。
• JEDI の匿名署名メカニズムにより、送信者の身元を暴露せずに承認証明が可能となり、プライバシーが強化された。
• 評価の結果、JEDI の暗号化および署名のオーバーヘッドは控えめであり、既存の IoT メッセージスタックに測定可能ではあるが許容可能な性能影響を及ぼした。