[論文レビュー] NuCypher KMS: Decentralized key management system

Michael Egorov, MacLane Wilkison+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Cryptography and Data Security参考文献 16被引用数 31

ひとこと要約

NuCypher KMS は、公開ブロックチェーン上での安全で信頼性のないデータ共有を可能にする、分散型の鍵管理システムを提案する。鍵管理をデータ保存とは分離し、再暗号化ノードのトークンインセンティブネットワークを活用することで、中央集権的なプロバイダーに依存することなく、平文データを暴露せずに細粒度のアクセス制御と取り消しを実現する。

ABSTRACT

NuCypher KMS is a decentralized Key Management System (KMS) that addresses the limitations of using consensus networks to securely store and manipulate private, encrypted data. It provides encryption and cryptographic access controls, performed by a decentralized network, leveraging proxy re-encryption. Unlike centralized KMS as a service solutions, it doesn't require trusting a service provider. NuCypher KMS enables sharing of sensitive data for both decentralized and centralized applications, providing security infrastructure for applications from healthcare to identity management to decentralized content marketplaces. NuCypher KMS will be an essential part of decentralized applications, just as SSL/TLS is an essential part of every secure web application.

研究の動機と目的

• 中央集権的な KMS-as-a-service ソリューションに内在する信頼性と中央集権のリスクを解消すること。
• 平文鍵を暴露せずに、分散型アプリケーションにおける暗号化データに対する安全で細粒度のアクセス制御を可能にすること。
• 公開コンSENSUSネットワーク上で、暗号的アクセスの委任と取り消しをスケーラブルかつインcentive-compatibleなインfraにすること。
• 医療記録、アイデンティティ管理、暗号化コンテンツ配布など、強力なプライバシー要件を満たすユースケースをサポートすること。
• 中央機関が存在しない状況で、単一障害点を排除し、誰も完全な復号鍵や復号済みデータを保持しないようにすること。

提案手法

• 再暗号化鍵がネットワークに露出されず、平文やデータ暗号化鍵（DEK）が暴露されない条件下で、暗号文を1つの鍵から別の鍵に再暗号化できるプロキシ再暗号化（PRE）を採用する。
• 特定の検証可能な条件下でのみ再暗号化を実行できるように、暗号的に束縛された再暗号化ノードの分散ネットワークを活用する。
• 参加のインcentive化とセキュリティを確保するため、ネイティブトークン経済を統合し、再暗号化操作の信頼性と正しさを保証する。
• スプリット鍵再暗号化とチャレンジ・アラートプロトコルを適用し、悪意ある行動を防止するとともに、再暗号化ノードの責任を確保する。
• 対称暗号化（例：AES-GCM）をデータ機密性の確保に、公開鍵暗号化を鍵送信に用い、ハイブリッド暗号方式を採用する。
• アクセス制御ポリシーを暗号化プロセスに埋め込み、再暗号化トークンを通じて、時間ベース、条件ベース、取り消し可能なアクセス制御を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できる第三者に依存せずに、分散型システムにおいて暗号的アクセス制御を安全に委任する方法は何か？
• RQ2 公開ブロックチェーン上での安全でスケーラブルかつ検証可能な鍵管理を実現するための、アーキテクチャ的要件と暗号原素は何であるか？
• RQ3 平文データを露出せずに、信頼できない分散ノードネットワークをインcentive化し、セキュアに再暗号化を実行する方法は何か？
• RQ4 実世界の分散型アプリケーションにおいて、プロキシ再暗号化を使用する際のパフォーマンスとセキュリティのトレードオフは何か？
• RQ5 中央機関を避けるシステムにおいて、アクセス取り消しと監査ログのネイティブサポートはどのように実現できるか？

主な発見

• NuCypher KMS は、平文データや完全な復号鍵を誰も保持しないことを保証することで、安全で分散型のデータ共有を実現する。
• 再暗号化鍵がネットワークに露出されず、暗号文のみが処理されるため、プロキシ再暗号化によって強力なセキュリティ保証が達成される。
• 再暗号化ノードは暗号的に束縛されており、チャレンジプロトコルによって監視されるため、悪意ある行動のリスクが低減される。
• トークンベースのインcentiveモデルにより、ノードの入れ替えが発生しても長期にわたりネットワークの信頼性と可用性が保証される。
• このアーキテクチャは、暗号化ファイル共有、エンドツーエンドグループメッセージング、EHRシステム、分散型DRMなど、幅広いユースケースをサポートでき、細粒度のアクセス制御が可能である。
• 取り消しは効率的かつアトミックである—再暗号化トークンを削除するだけで即座にアクセスが取り消され、データの再暗号化やシステム全体の再鍵生成は不要である。