[논문 리뷰] Attribute-Based Access Control for Smart Cities: A Smart Contract-Driven Framework

Yuanyu Zhang, Mirei Yutaka외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 07.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이더리움 스마트 컨트랙트를 활용해 정책, 주체/객체 속성 및 접근 결정을 관리하는 데센트라라이즈드 블록체인 기반의 속성 기반 접근제어(ABAC) 프레임워크를 제안한다. 특히 동적이고 세밀한 접근 요구사항을 가진 대규모 시스템에서 ACL 기반 기법보다 장기적인 운영 비용이 낮음을 입증한다.

ABSTRACT

Efficient and reliable access control in smart cities is critical for the protection of various resources for decision making and task execution. Existing centralized access control schemes suffer from the limitations of single point of failure, low reliability and poor scalability. This paper therefore proposes a distributed and reliable access control framework for smart cities by combining the blockchain smart contract technology and the Attribute-Based Access Control (ABAC) model. The framework consists of one Policy Management Contract (PMC) for managing the ABAC policies, one Subject Attribute Management Contract (SAMC) for managing the attributes of subjects (i.e., entities accessing resources), one Object Attribute Management Contract (OAMC) for managing the attributes of objects (i.e., resources being accessed), and one Access Control Contract (ACC) for performing the access control. To show the feasibility of the proposed framework, we construct a local private Ethereum blockchain system to implement the four smart contracts and also conduct experiments to evaluate the monetary cost as well as to compare the proposed framework with an existing Access Control List (ACL)-based scheme. The experimental results show that although the proposed scheme consumes more money than the ACL-based scheme at the deployment stage, it introduces less monetary cost during the system running especially for large-scale smart cities.

연구 동기 및 목표

• 중앙집중식 접근 제어의 한계, 즉 단일 장애 지점, 낮은 확장성 및 공격에 대한 낮은 내성성을 해결하기 위해.
• 스마트 시티의 대규모 분산형 IoT 환경에 적합한 분산형, 신뢰할 수 있고 동적 접근 제어 시스템을 설계하기 위해.
• 시간, 위치 및 사용자 역할과 같은 맥락적 요소에 따라 적응 가능한 세밀한 접근 제어를 가능하게 하기 위해.
• 기존의 접근 제어 목록(ACL) 기반 기법과 비교해 대규모 스마트 시티 구현에서 장기적인 운영 비용을 줄이기 위해.
• 사설 이더리움 블록체인 상에서 스마트 컨트랙트를 통한 ABAC 구현의 타당성과 비용 효율성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 프레임워크는 네 개의 이더리움 스마트 컨트랙트를 사용한다: 정책 관리 컨트랙트(PMC), 주체 속성 관리 컨트랙트(SAMC), 객체 속성 관리 컨트랙트(OAMC), 접근 제어 컨트랙트(ACC).
• ABAC 정책는 PMC를 통해 블록체인에 인코딩되고 관리되어 동적이고 정책 기반의 접근 결정을 가능하게 한다.
• 주체 및 객체 속성(예: 역할, 위치, 접근 권한 등)은 각각 SAMC와 OAMC를 통해 저장 및 관리된다.
• ACC는 PMC에 인코딩된 정책 조건과 주체의 속성을 비교하여 접근 요청을 평가하고, 허용/거부 결정을 반환한다.
• 가스 소비와 비용 효율성을 평가하기 위해 로컬 사설 이더리움 블록체인 상에 시스템을 구현하였다.
• 실험을 통해 배포 및 운영 비용을 측정하고, 기존의 ACL 기반 기법과 ABAC 프레임워크를 비교하였다.

Figure 1: The proposed ABAC framework.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트 컨트랙트 기반 ABAC 프레임워크는 대규모 스마트 시티 환경에서 중앙집중식 접근 제어를 효과적으로 대체할 수 있는가?
• RQ2 장기적인 운영 효율성 측면에서 ABAC 프레임워크의 배포 및 운영에 소요되는 가스 비용은 ACL 기반 기법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 IoT 기반 스마트 시티에서 동적이고 세밀한 접근 제어는 시스템 비용과 확장성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 주체 및 객체 수가 다양할 경우, 특히 악성 시나리오에서 프레임워크는 어떻게 성능을 보이는가?
• RQ5 분산형이고 변조 방지 기능이 있는 접근 제어를 지원하면서도 보안성과 신뢰성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 ABAC 프레임워크는 ACL 기반 기법보다 높은 초도 배포 비용을 유발하며, 300명의 신규 주체와 다수의 객체를 포함하는 악성 시나리오에서 약 $119,791.07의 배포 비용을 기록한다.
• 배포 비용이 높음에도 불구하고, ABAC 프레임워크는 운영 비용이 크게 낮아 최선의 경우 $49.125로, ACL 기반 기법의 $8,720.20보다 훨씬 낮다.
• 주체와 객체 간에 공통된 속성이 많은 대규모 배포 환경에서는 ABAC 모델이 ACL 기반 접근 방식 대비 운영 비용을 최대 99.4%까지 감소시킨다.
• 핵심 기능인 정책 관리, 속성 업데이트 및 접근 제어 결정에 대한 가스 소비 측정을 통해, 사설 이더리움 블록체인 상에서 프레임워크의 타당성과 확장성을 입증하였다.
• 이더리움 1.0의 15건/초 제한으로 인해 처리량이 제한되지만, 향후 PoS 및 샤딩을 적용한 이더리움 2.0으로의 이행으로 성능이 64배에서 수백 배까지 향상될 수 있다.
• 시스템은 기반 블록체인에 종속되지 않아 더 빠른 블록체인으로의 이식이 가능하여 확장성 향상과 지연 감소를 달성할 수 있다.

Figure 2: Access control process.