[論文レビュー] P-MOD: Secure Privilege-Based Multilevel Organizational Data-Sharing in Cloud Computing

Ehab Zaghloul, Kai Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2018

Cryptography and Data Security参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

この論文では、属性暗号（ABE）と階層的アクセス構造を統合することで、細粒度で安全なデータ共有を可能にする、クラウド環境向けの特権ベースのマルチレベルデータ共有方式P-MODを提案する。データを機密性別に分割し、組織内の特権レベルに関連付けられたアクセスポリシーに基づいて各部分を暗号化することで、ユーザーは自身の特権レベルに対応するデータのみを復号可能にする。高負荷条件下では、CP-ABEおよびFH-CP-ABEと比較して、暗号化時間は88.3%短縮され、復号化時間は84%短縮される。

ABSTRACT

Cloud computing has changed the way enterprises store, access and share data. Data is constantly being uploaded to the cloud and shared within an organization built on a hierarchy of many different individuals that are given certain data access privileges. With more data storage needs turning over to the cloud, finding a secure and efficient data access structure has become a major research issue. With different access privileges, individuals with more privileges (at higher levels of the hierarchy) are granted access to more sensitive data than those with fewer privileges (at lower levels of the hierarchy). In this paper, a Privilege-based Multilevel Organizational Data-sharing scheme~(P-MOD) is proposed that incorporates a privilege-based access structure into an attribute-based encryption mechanism to handle these concerns. Each level of the privilege-based access structure is affiliated with an access policy that is uniquely defined by specific attributes. Data is then encrypted under each access policy at every level to grant access to specific data users based on their data access privileges. An individual ranked at a certain level can decrypt the ciphertext (at that specific level) if and only if that individual owns a correct set of attributes that can satisfy the access policy of that level. The user may also decrypt the ciphertexts at the lower levels with respect to the user's level. Security analysis shows that P-MOD is secure against adaptively chosen plaintext attack assuming the DBDH assumption holds.The comprehensive performance analysis demonstrates that P-MOD is more efficient in computational complexity and storage space than the existing schemes in secure data sharing within an organization.

研究の動機と目的

• 大規模で階層的な組織におけるクラウドストレージを用いたデータ共有のセキュリティと効率的管理の課題に対処すること。
• 特にロール爆発問題に起因する、複雑な組織構造におけるロールベースアクセス制御（RBAC）の限界を克服すること。
• クラウド上での機密データに対する動的で特権レベルベースのアクセスをサポートする、安全でスケーラブルかつ効率的なデータ共有メカニズムの設計。
• 属性暗号化方式を用いたマルチレベル組織のデータ共有において、計算オーバーヘッドとストレージコストを低減すること。
• DBDH仮定の下で形式的なセキュリティ証明を行い、既存の方式よりも優れた性能を示すこと。

提案手法

• データファイルは機密性と特権レベルに応じて複数のセグメントに分割され、各セグメントは別個のアクセスポリシーに基づいて暗号化される。
• 階層内の各特権レベルは、復号に必要な属性を定義するアクセスツリーに関連付けられ、暗号文ポリシー属性暗号化（CP-ABE）フレームワークを用いる。
• 暗号化は階層的に実行される：各データセグメントは、各特権レベルごとに1回ずつ暗号化され、必要な属性を有するユーザーは、それより低いレベルの暗号文をすべて復号可能となる。
• 本方式は後方互換性を確保する：より高い特権レベルのユーザーは、対応するアクセスポリシーを満たすことにより、低レベルユーザーがアクセス可能なすべてのデータを復号可能となる。
• セキュリティは、決定的二重線形ディフィー・ヘルマン（DBDH）仮定の下で証明され、適応的 chosen-plaintext 攻撃に対して耐性があることが保証される。
• 性能評価では、実世界のパrameterを用いて、P-MODとCP-ABEおよびFH-CP-ABEの暗号化、復号化、鍵生成時間の比較が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラウド環境における多段階組織向けに、動的で特権ベースのアクセスをサポートする、安全で効率的なデータ共有モデルをどのように設計できるか？
• RQ2 CP-ABEおよびFH-CP-ABEといった既存の属性暗号化方式と比較して、P-MODは計算オーバーヘッドをどの程度低減できるか？
• RQ3 提示された階層的アクセス構造は、大規模組織におけるロール爆発を防ぎつつ、細粒度アクセス制御を維持できるか？
• RQ4 ユーザー数やデータセグメント数の増加に伴い、P-MODの性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 提案された方式は、標準的な暗号的仮定の下で形式的に安全であると証明できるか？

主な発見

• k=9およびN=100の条件下で、P-MODの暗号化時間コストはCP-ABEの21.6%、FH-CP-ABEの82%にとどまり、顕著な性能向上が示された。
• k=9におけるP-MODの暗号化時間コストは2204 msにとどまり、CP-ABEの19,039 msおよびFH-CP-ABEの18,821 msと比較して88.3%の時間コスト削減を達成した。
• 復号化において、k=9の条件下でP-MODの時間コストはCP-ABEの13.4%、FH-CP-ABEの15.8%にとどまり、高負荷条件下での優れた効率性が示された。
• P-MODの復号化時間コストはkの増加に伴い減少し、多数の特権レベルを持つ組織におけるスケーラビリティが優れていることが示された。
• P-MODは、すべての実験的シナリオにおいて、鍵生成、暗号化、復号化のすべての性能指標でCP-ABEおよびFH-CP-ABEを上回った。
• 本方式は、標準的なDBDH仮定の下で、適応的 chosen-plaintext 攻撃に対して形式的に安全であると証明され、強力な暗号的セキュリティを確保している。