[논문 리뷰] A Role-Based Encryption Scheme for Securing Outsourced Cloud Data in a Multi-Organization Context

Nazatul Haque Sultan, Vijay Varadharajan외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 11.

Cryptography and Data Security참고 문헌 35인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 공용 클라우드에 공동으로 저장된 다양한 조직의 데이터를 위한 신규 역할 기반 암호화(RBE) 체계를 제안한다. 이 체계는 효율적인 사용자 제거 및 외주화된 복호화를 통해 안전하고 세밀한 액세스 제어를 가능하게 하며, 암호화된 데이터에 직접 RBAC 정책을 통합함으로써 자격을 갖춘 역할을 가진 사용자만 복호화할 수 있도록 한다. 또한 클라우드 지원 복호화를 통해 클라이언트 측 계산 부담을 줄이고, 공개 키 무효화를 통해 제거 오버헤드를 최소화한다.

ABSTRACT

Role-Based Access Control (RBAC) is a popular model which maps roles to access permissions for resources and then roles to the users to provide access control. Role-Based Encryption (RBE) is a cryptographic form of RBAC model that integrates traditional RBAC with the cryptographic encryption method, where RBAC access policies are embedded in encrypted data itself so that any user holding a qualified role can access the data by decrypting it. However, the existing RBE schemes have been focusing on the single-organization cloud storage system, where the stored data can be accessed by users of the same organization. This paper presents a novel RBE scheme with efficient user revocation for the multi-organization cloud storage system, where the data from multiple independent organizations are stored and can be accessed by the authorized users from any other organization. Additionally, an outsourced decryption mechanism is introduced which enables the users to delegate expensive cryptographic operations to the cloud, thereby reducing the overhead on the end-users. Security and performance analyses of the proposed scheme demonstrate that it is provably secure against Chosen Plaintext Attack and can be useful for practical applications due to its low computation overhead.

연구 동기 및 목표

• 다양한 조직의 데이터가 공유된 공용 클라우드에 저장되는 다중 조직 클라우드 환경에서, 외주화된 데이터에 대한 안전하고 확장 가능한 액세스 제어 메커니즘이 부족한 문제를 해결한다.
• 기존 RBE 체계는 단일 조직 환경에 국한되어 있으며, 효율적인 사용자 제거 및 클라우드 지원 복호화 기능이 부족한 점을 극복한다.
• 데이터 소유자가 암호화된 데이터에 직접 RBAC 정책을 강제할 수 있는 암호학적 액세스 제어 메커니즘을 설계한다. 이는 클라우드 제공자에 대한 신뢰도를 낮춘다.
• 사용자 제거를 위해 공개 키를 무효화하는 방식을 통해, 키 재계산이나 데이터 재암호화가 필요 없이 계산 비용을 최소화한다.
• 이중성 쌍체(특히 임bedding degree 2인 타입 A 타원곡선)를 기반으로 한 암호학적 기법을 활용하여 MDBDH 가정 하에 보안을 확보한다.
• 암호화 및 복호화 과정에서의 지수승 및 쌍체 수를 최소화함으로써, 역할 계층 깊이에 관계없이 일정한 시간 내에 복호화를 수행함으로써 성능을 최적화한다.

제안 방법

• 암호화된 데이터에 액세스 정책을 바인딩함으로써 역할 기반 액세스 제어(RBAC)를 암호화 기법과 통합하여, 자격을 갖춘 역할을 가진 사용자만 복호화할 수 있도록 보장한다.
• 역할 간 상속 관계를 가지는 계층적 역할 구조를 사용하며, 각 역할은 이중성 쌍체를 사용해 마스터 비밀에서 유도된 암호학적 키와 연관된다.
• 클라우드가 복호화 계산의 대부분을 수행하고, 승인된 사용자에게만 평문을 반환하는 외주화된 복호화 메커니즘을 구현한다.
• 사용자 제거를 위해 사용자의 공개 키를 시스템에서 무효화함으로써, 재암호화나 키 재계산이 필요 없도록 한다.
• MDBDH 가정 하에 보안을 확보하기 위해 이중성 기반 암호학(특히 임bedding degree 2인 타입 A 타원곡선)을 활용한다.
• 암호화 및 복호화 과정에서의 지수승 및 쌍체 수를 최소화함으로써, 역할 계층 깊이에 관계없이 일정한 시간 내에 복호화를 수행함으로써 성능을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 조직의 데이터가 공동으로 저장되는 다중 조직 클라우드 스토리지 환경에서, 역할 기반 암호화 체계를 어떻게 설계하여 안전하고 세밀한 액세스 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 데이터 재암호화나 키 재계산 없이도 효율적으로 사용자를 제거할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 강력한 보안 보장을 유지하면서도, 최종 사용자의 복호화 계산 부담을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ4 성능 및 보안 측면에서 기존의 RBE 체계에 비해 제안된 체계가 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 제안된 체계는 MDBDH 암호학적 가정 하에 선택 평문 공격(CPA)에 대해 증명 가능하게 보안을 확보한다.
• 사용자 제거는 사용자의 공개 키를 무효화하는 방식으로 달성되며, 단일 키 업데이트 작업만 필요하고, 고비용의 재암호화나 키 재계산이 필요 없어진다.
• 복호화 시간은 약 4.60 ms(SO-RBE) 및 9.675 ms(MO-RBE)로 일정하게 유지되며, Zhou 등이 제안한 체계와 비교해 역할의 조상 수와 사용자 수에 따라 선형 증가하는 것보다 현저히 낮다.
• 암호화 시간은 암호문 내 역할 수에 따라 선형적으로 증가하며, Zhu 등이 제안한 체계와 유사하지만, Zhou 등이 제안한 4개의 지수승을 포함한 일정한 시간 암호화보다 더 효율적이다.
• 비싼 암호학적 연산(예: 지수승, 쌍체)을 클라우드에 위임함으로써 클라이언트 측 계산 오버헤드를 줄여, 자원이 제한된 사용자에게도 사용성 향상을 이룬다.
• 일반 하드웨어에서 PBC 라이브러리를 사용한 성능 평가 결과, 군 연산(곱셈, 해시)은 지수승 및 쌍체 연산에 비해 무시할 수 있을 정도로 낮아, 핵심 연산 최적화에 초점을 맞춘 것이 타당함을 입증한다.