[논문 리뷰] A Security Architecture for Data Aggregation and Access Control in Smart Grids

Sushmita Ruj, Amiya Nayak외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 10.

Cryptography and Data Security참고 문헌 25인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 스마트 그라이드를 위한 탈중앙화된 보안 아키텍처를 제안하며, 동형 암호화와 속성 기반 암호화(ABE)를 활용해 프라이버시를 보존하는 데이터 집계 및 세밀한 선택적 액세스 제어를 통합한다. 이 방식은 동형 암호화를 통해 프라이버시를 보장하고, 공격자 간의 협력에 저항하는 탈중앙화된 액세스 제어를 실현하여 단일 신뢰할 수 있는 기관에 대한 의존도를 낮추면서도 낮은 계산 오버헤드를 유지한다.

ABSTRACT

We propose an integrated architecture for smart grids, that supports data aggregation and access control. Data can be aggregated by home area network, building area network and neighboring area network in such a way that the privacy of customers is protected. We use homomorphic encryption technique to achieve this. The consumer data that is collected is sent to the substations where it is monitored by remote terminal units (RTU). The proposed access control mechanism gives selective access to consumer data stored in data repositories and used by different smart grid users. Users can be maintenance units, utility centers, pricing estimator units or analyzing and prediction groups. We solve this problem of access control using cryptographic technique of attribute-based encryption. RTUs and users have attributes and cryptographic keys distributed by several key distribution centers (KDC). RTUs send data encrypted under a set of attributes. Users can decrypt information provided they have valid attributes. The access control scheme is distributed in nature and does not rely on a single KDC to distribute keys. Bobba \emph{et al.} \cite{BKAA09} proposed an access control scheme, which relies on a centralized KDC and is thus prone to single-point failure. The other requirement is that the KDC has to be online, during data transfer which is not required in our scheme. Our access control scheme is collusion resistant, meaning that users cannot collude and gain access to data, when they are not authorized to access. We theoretically analyze our schemes and show that the computation overheads are low enough to be carried out in smart grids. To the best of our knowledge, ours is the first work on smart grids, which integrates these two important security components (privacy preserving data aggregation and access control) and presents an overall security architecture in smart grids.

연구 동기 및 목표

• 스마트 그라이드 데이터 관리에서 통합된 프라이버시 및 액세스 제어가 필요한 핵심 문제를 해결하기 위해.
• 가정, 건물 및 지역 네트워크를 포함한 다양한 네트워크 계층에서 소비자 데이터 집계 과정에서 소비자 데이터의 프라이버시를 보호하기 위해.
• 전력 공급 기관 및 가격 설정 단위와 같은 다양한 스마트 그라이드 이해관계자들이 집계된 데이터에 선택적으로 안전하게 액세스할 수 있도록 하기 위해.
• 기존 액세스 제어 체계에서 중심화된 키 배포 모델로 인한 단일 장애 지점 위험을 제거하기 위해.
• 공격자 간의 협력 공격에 저항하고 효율적인 해제 기능을 지원하는 확장 가능한 탈중앙화된 액세스 제어 메커니즘을 설계하기 위해.

제안 방법

• 개별 소비자 데이터를 복호화하지 않고도 데이터 집계를 허용하기 위해 동형 암호화를 사용하여 네트워크 계층에서 프라이버시를 유지한다.
• 이중선형 페어링을 활용한 탈중앙화된 속성 기반 암호화(ABE)를 적용하여 사용자 속성 기반의 세밀한 액세스 제어를 구현한다.
• 암호 키를 여러 키 배포 센터(KDC)에 분산 배포하여 단일 신뢰할 수 있는 기관에 의존하지 않는다.
• 각 RTU는 사용자 속성이 액세스 정책을 충족할 경우에만 암호화된 데이터를 복호화할 수 있도록 속성 세트 기반으로 데이터를 암호화한다.
• 페어링 연산과 스칼라 곱셈을 포함한 암호 기법을 사용하여 보안성과 효율성을 확보한다.
• 필요한 구성 요소만 재암호화하는 방식으로 동적 사용자 해제를 지원하여 재계산 및 통신 오버헤드를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 네트워크 계층을 걸쳐 소비자 데이터를 안전하게 집계하면서도 프라이버시를 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 스마트 그라이드 사용자의 역할과 속성에 따라 집계된 데이터에 대한 액세스를 어떻게 선택적으로 부여할 수 있는가?
• RQ3 중앙집중식 KDC 모델에서 발생하는 단일 장애 지점 취약성을 피할 수 있는 탈중앙화된 액세스 제어 체계를 설계할 수 있는가?
• RQ4 실제 스마트 그라이드 환경에 구현했을 때 제안된 체계의 계산 및 통신 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ5 여러 명의 비승인 사용자가 자신의 키를 조합하여 액세스를 획득하는 협력 공격에 체계가 어떻게 저항할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 아키텍처는 동형 암호화를 활용해 프라이버시를 보존하는 데이터 집계를 실현하여, 집계 과정에서 개인 소비자 데이터가 기밀을 유지함을 보장한다.
• 탈중앙화된 ABE 체계는 단일 온라인 KDC에 의존하지 않으며, 선택적 액세스 제어를 지원함으로써 시스템의 내구성과 가용성을 향상시킨다.
• 이 체계는 공격자 간의 협력에 저항하여, 비승인 사용자가 속성을 조합해 데이터에 액세스하는 것을 방지한다.
• 10개의 속성이 포함된 액세스 정책에 대해 사용자당 복호화 시간은 124.5ms이며, 속성 수에 비례하여 계산 시간이 선형적으로 증가한다.
• 통신 오버헤드는 O(m² + m|G_T| + |Data|)로 제한되며, 여기서 m은 속성 수이며 실용적인 구현에 있어 효율성을 유지한다.
• 해제 과정에서는 KDC당 2m′ + 1회의 스칼라 곱셈만 필요하며, 재암호화 및 통신 비용이 최소화되어 효율적인 사용자 해제가 가능하다.