[논문 리뷰] A lightweight blockchain-based access control scheme for integrated edge computing in the internet of things

Jie Zhang, Lingyun Yuan외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 12.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 에지 통합 IoT 시스템을 위한 경량 블록체인 기반 접근 제어 기법(ABE-ACS)을 제안한다. 이 기법은 속성 기반 암호화(CP-ABE)와 블록체인 기반 스마트 계약을 결합하여 안전하고 세밀한 접근 제어를 가능하게 한다. CP-ABE 복호화를 에지 노드에 위탁하고 맞춤형 PoW 합의 알고리즘을 사용함으로써, 이전 연구 대비 자원 소비를 약 50% 감소시켜 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 달성하는 성능 테스트를 통과하였다.

ABSTRACT

In view of the security issues of the Internet of Things (IoT), considered better combining edge computing and blockchain with the IoT, integrating attribute-based encryption (ABE) and attribute-based access control (ABAC) models with attributes as the entry point, an attribute-based encryption and access control scheme (ABE-ACS) has been proposed. Facing Edge-Iot, which is a heterogeneous network composed of most resource-limited IoT devices and some nodes with higher computing power. For the problems of high resource consumption and difficult deployment of existing blockchain platforms, we design a lightweight blockchain (LBC) with improvement of the proof-of-work consensus. For the access control policies, the threshold tree and LSSS are used for conversion and assignment, stored in the blockchain to protect the privacy of the policy. For device and data, six smart contracts are designed to realize the ABAC and penalty mechanism, with which ABE is outsourced to edge nodes for privacy and integrity. Thus, our scheme realizing Edge-Iot privacy protection, data and device controlled access. The security analysis shows that the proposed scheme is secure and the experimental results show that our LBC has higher throughput and lower resources consumption, the cost of encryption and decryption of our scheme is desirable.

연구 동기 및 목표

• 다양한 종류의 자원 제약이 있는 IoT 환경에서 고용량 데이터와 높은 장치 밀도를 특징으로 하는 보안성과 확장성 문제를 해결하기 위해.
• 기존 블록체인과 CP-ABE가 IoT 환경에서 높은 계산 오버헤드를 유발하는 문제를 해결하기 위해.
• 경량 블록체인 상에서 속성 기반 암호화와 스마트 계약을 활용해 탈중앙화되고 프라이버시를 보장하는 접근 제어를 실현하기 위해.
• CP-ABE 복호화를 에지 노드에 위탁함으로써 IoT 장치의 계산 부담을 줄이기 위해.
• 계량형 트리와 LSSS 기반 정책 인코딩을 통해 정책 프라이버시와 무결성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 자원 소비를 줄이고 처리량을 향상시키기 위해 최적화된 증명 작업(PoW) 합의 메커니즘을 갖춘 경량 블록체인(LBC)을 설계한다.
• CP-ABE를 속성 기반 접근 제어(ABAC)와 통합하여 통합된 ABE-ACS 프레임워크를 구성하며, 속성을 접근 제어의 핵심 원천으로 추상화한다.
• (t,n) 임계값 트리와 선형 비밀 공유 체계(LSSS)를 사용하여 블록체인에 접근 정책을 인코딩하고 저장함으로써 정책 프라이버시를 유지한다.
• 계산 비용이 높은 CP-ABE 암호화 및 복호화 작업을 에지 노드에 위탁하여 장치 측 처리량을 최소화한다.
• LBC 상에 6개의 스마트 계약을 구현하여 ABAC 정책을 강제 이행하고, 속성 할당을 관리하며, 정책 위반 시 제재 조치를 시행한다.
• 유한체의 이중 쌍형 기반 암호화 기법을 수정된 CP-ABE 기법에 적용하여 민감한 개인 키 보호 기능을 갖춘 탄력적이고 세밀한 접근 제어를 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에지 통합 시스템에서 자원 제약이 있는 IoT 장치에 블록체인 기반 접근 제어를 효율적이고 구현 가능한 방식으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 최적화된 PoW 합의 알고리즘을 갖춘 경량 블록체인을 IoT 에지 환경에서 사용할 경우 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 데이터 프라이버시나 무결성이 손상되지 않도록 보장하면서도 CP-ABE 복호화를 에지 노드에 안전하고 효율적으로 위탁할 수 있는가?
• RQ4 접근 제어 정책을 블록체인에 저장하면서도 기밀성은 유지하고 동적 업데이트가 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 이질적인 IoT-에지 아키텍처에서 접근 제어의 탄력성, 암호화 오버헤드, 시스템 처리량 사이의 상호 교환 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 경량 블록체인(LBC)은 블록 생성 시간이 약 31초로, 기준 PoW 구현 대비 계산 비용이 50% 감소하였다.
• ABE-ACS 기법에서 암호화 및 복호화 시간은 속성 수에 따라 선형적으로 증가하며, 1MB 이하의 데이터 크기에서는 증가 폭이 거의 없었다.
• CP-ABE 복호화를 에지 노드에 위탁함으로써 장치 측 계산 부담이 약 50% 감소하였으며, G1 및 GT 군 연산 수치로 측정되었다.
• 임계값 트리와 LSSS의 조합을 통해 블록체인 상에서 정책 프라이버시를 보장하는 정책 인코딩이 가능해져 정책 논리의 노출을 방지하였다.
• 기존의 블록체인 및 CP-ABE 솔루션 대비 더 높은 처리량과 낮은 자원 소비를 보였으며, 특히 고병렬 처리 환경에서 두드러졌다.
• 성능 평가 결과, 'OR' 정책의 경우 속성 수에 관계없이 복호화 시간이 일정하게 유지되는 반면, 'AND' 정책은 속성 수에 따라 선형적으로 증가함을 확인하였다.