[論文レビュー] On the Practicality of Cryptographically Enforcing Dynamic Access Control Policies in the Cloud (Extended Version)

William C. Garrison, Adam Shull+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2016

Cryptography and Data Security参考文献 43被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、信頼できないクラウド環境における動的ロールベースアクセス制御（RBAC₀）を強制するために、特に身分証明ベース暗号（IBE）および公開鍵暗号を用いることの実用性を評価している。最小限のポリシーの動的変更、例えば権限の取り消しやファイルの更新ですら、計算コストが著しく高くなることが示され、現行の技術では動的アクセス制御の暗号的強制が非現実的であることが明らかになった。

ABSTRACT

The ability to enforce robust and dynamic access controls on cloud-hosted data while simultaneously ensuring confidentiality with respect to the cloud itself is a clear goal for many users and organizations. To this end, there has been much cryptographic research proposing the use of (hierarchical) identity-based encryption, attribute-based encryption, predicate encryption, functional encryption, and related technologies to perform robust and private access control on untrusted cloud providers. However, the vast majority of this work studies static models in which the access control policies being enforced do not change over time. This is contrary to the needs of most practical applications, which leverage dynamic data and/or policies. In this paper, we show that the cryptographic enforcement of dynamic access controls on untrusted platforms incurs computational costs that are likely prohibitive in practice. Specifically, we develop lightweight constructions for enforcing role-based access controls (i.e., $\mathsf{RBAC}_0$) over cloud-hosted files using identity-based and traditional public-key cryptography. This is done under a threat model as close as possible to the one assumed in the cryptographic literature. We prove the correctness of these constructions, and leverage real-world $\mathsf{RBAC}$ datasets and recent techniques developed by the access control community to experimentally analyze, via simulation, their associated computational costs. This analysis shows that supporting revocation, file updates, and other state change functionality is likely to incur prohibitive overheads in even minimally-dynamic, realistic scenarios. We identify a number of bottlenecks in such systems, and fruitful areas for future work that will lead to more natural and efficient constructions for the cryptographic enforcement of dynamic access controls.

研究の動機と目的

• クラウドストレージシステムにおける動的アクセス制御ポリシーを強制するために暗号技術を用いる可能性を評価すること。
• 暗号的に強制されたアクセス制御におけるポリシーの更新、取り消し、ファイルの変更によって生じる計算オーバーヘッドを分析すること。
• 身分証明ベース暗号（IBE）および従来の公開鍵暗号が、現実的なクラウドワークロードにおける動的RBAC₀を効率的にサポートできるかどうかを評価すること。
• パフォーマンスのボトルネックを特定し、信頼できないクラウドにおけるより効率的な動的アクセス制御の構成に関する今後の研究を支援すること。

提案手法

• クラウドに保存されたファイルに対して動的RBAC₀ポリシーを強制するための、IBEに基づく1つと標準公開鍵暗号に基づく1つの軽量な暗号構成を設計した。
• セキュリティとパフォーマンスのバランスを図るためにハイブリッド暗号を用い、ファイルレベルのアクセス制御に対称暗号と公開鍵プリミティブを統合した。
• アクセス制御の文脈で用いられる形式的モデルと文献からのツールを用いて、両構成の正しさを証明した。
• 実世界のアクセス制御ワークロードをシミュレートするために、実測のRBACデータセットと確率的モデリング技術を用い、暗号的コストを推定した。
• ユーザーの取り消し、ロールの更新、ファイルの変更などのさまざまな動的操作におけるパフォーマンスを評価した。
• より表現力の高いモデル（例：RBAC₁、ABAC）への拡張を検討し、HIBE や ABE といったより複雑なプリミティブを用いる場合の影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラウド環境において、IBEおよび公開鍵暗号を用いて動的アクセス制御ポリシーをサポートする際の計算コストはどの程度か？
• RQ2 ユーザーの取り消し、ロールの更新、ファイルの変更といった一般的な管理操作は、暗号的に強制されたアクセス制御システムにおけるパフォーマンスにどのように影響を与えるか？
• RQ3 IBEベースの構成は、現実的なRBAC₀シナリオにおける最小限の動的ワークロードを効率的にサポートできるか？
• RQ4 RBAC₁ や ABAC といったより洗練されたアクセス制御モデルへの拡張において、これらの構成のスケーラビリティにどのような制限があるか？
• RQ5 現在のプリミティブでは、動的ポリシー強制が非現実的であることを示す、暗号的アクセス制御における根本的な設計上のトレードオフは存在するか？

主な発見

• ユーザーの取り消しといった最小限の動的操作ですら、特定の設定では1回の取り消しにつき数千回の暗号化操作に相当する計算オーバーヘッドを伴う。
• IBEベースのシステムでは、ユーザーの取り消しに伴うコストが悪化する。これは、影響を受けるすべての暗号文を再暗号化し、鍵を再発行する必要があるためである。
• RBAC₁におけるロール階層の動的更新、たとえ木構造に制限されても、後続のファイルに対して伝搬的な再暗号化が必要となり、計算コストが著しく増加する。
• ロール階層におけるサブツリーの移動は、追加／削除といった複数の基本操作に分解され、それぞれが追加の再暗号化および鍵管理のオーバーヘッドを引き起こす。
• ABAC強制にABEを用いる場合、ポリシーの変更やユーザーの取り消しに伴い、属性レベルでの再暗号化と鍵の再発行が発生し、顕著なコストが生じる。
• 本研究の結果から、現在の暗号技術では、現実のクラウドストレージにおける動的アクセス制御を実用的に行うことは困難であることが示唆され、特に現実の脅威モデルとパフォーマンス制約下では顕著である。