[논문 리뷰] Efficient User-Centric Privacy-Friendly and Flexible Wearable Data Aggregation and Sharing

Khlood Jastaniah, Ning Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 01.

Cryptography and Data Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 웨어러블 IoT 헬스 데이터의 효율적이고 프라이버시를 보장하는 집계 및 영리한 공유를 위한 새로운 사용자 중심 프레임워크인 SAMA를 제안한다. 다중 키 히든드롬포닉 암호화를 통해 다수의 사용자 데이터를 안전하게 처리하고, 암호문 정책 기반 속성 기반 암호화(CP-ABE)를 통해 세밀한 선택적 액세스 제어를 구현함으로써, 이전 솔루션보다 더 낮은 계산 오버헤드로 프라이버시와 확장성을 동시에 달성한다.

ABSTRACT

Wearable devices can offer services to individuals and the public. However, wearable data collected by cloud providers may pose privacy risks. To reduce these risks while maintaining full functionality, healthcare systems require solutions for privacy-friendly data processing and sharing that can accommodate three main use cases: (i) data owners requesting processing of their own data, and multiple data requesters requesting data processing of (ii) a single or (iii) multiple data owners. Existing work lacks data owner access control and does not efficiently support these cases, making them unsuitable for wearable devices. To address these limitations, we propose a novel, efficient, user-centric, privacy-friendly, and flexible data aggregation and sharing scheme, named SAMA. SAMA uses a multi-key partial homomorphic encryption scheme to allow flexibility in accommodating the aggregation of data originating from a single or multiple data owners while preserving privacy during the processing. It also uses ciphertext-policy attribute-based encryption scheme to support fine-grain sharing with multiple data requesters based on user-centric access control. Formal security analysis shows that SAMA supports data confidentiality and authorisation. SAMA has also been analysed in terms of computational and communication overheads. Our experimental results demonstrate that SAMA supports privacy-preserving flexible data aggregation more efficiently than the relevant state-of-the-art solutions.

연구 동기 및 목표

• 기존 시스템이 단일 수신자에 대한 안전한 데이터 처리를 지원하거나 세밀한 공유 기능을 제공하지만 처리 능력이 없는 점을 보완하기 위해.
• 다수의 수신자에게 다수의 사용자로부터 온 웨어러블 IoT 데이터를 안전하고 프라이버시를 보장하는 방식으로 집계하기 위해.
• 사용자 중심의 액세스 제어 모델을 통해 사용자가 데이터 액세스에 대한 완전한 제어권을 확보하기 위해.
• 기존의 프라이버시 보장 솔루션 대비 계산 및 통신 오버헤드를 줄이기 위해.
• 단일 효율적인 프레임워크 안에서 안전한 데이터 처리와 영리한 속성 기반 액세스 제어를 통합하기 위해.

제안 방법

• SAMA는 다중 키 히든드롬포닉 암호화 기법을 활용해, 서로 다른 사용자의 공개 키로 암호화된 데이터에 대해 암호화되지 않은 상태에서의 계산을 허용함으로써, 복호화 없이도 다수의 사용자 간 데이터 집계를 가능하게 한다.
• 세밀한 액세스 제어를 구현하기 위해 암호문 정책 기반 속성 기반 암호화(CP-ABE)를 사용하며, 데이터 소유자가 정의한 특정 속성을 가진 사용자만 데이터에 액세스할 수 있도록 한다.
• 시스템 아키텍처는 사용자, 데이터 수신자(DRs), 두 명의 클라우드 서비스 제공자(CSP_A: 저장 및 액세스 관리, CSP_B: 계산), 그리고 신뢰할 수 있는 키 기관(KA)으로 구성된다.
• 데이터 소유자는 다중 키 히든드롬포닉 암호화 방식을 사용해 자신의 웨어러블 데이터를 암호화하고, CP-ABE를 통해 액세스 정책을 정의함으로써, 사용자 정의된 속성에 기반해 다수의 DR에게 선택적 공유를 가능하게 한다.
• 이 방식은 일치하는 속성을 가진 정당한 DR만 데이터를 복호화하고 처리할 수 있도록 보장하며, 클라우드 제공자들은 반신뢰적 상태를 유지하고 민감한 정보를 유출하지 않는다.
• 보안성과 성능이 체계적으로 분석되었으며, 정의된 위협 모델 하에서 기밀성 및 권한 유출에 저항함을 입증했고, 오버헤드 비교를 통해 효율성을 입증했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 사용자로부터 온 웨어러블 IoT 데이터의 안전한 집계를 효율적으로 지원하면서도, 다수의 수신자에게 세밀한 액세스 제어를 제공할 수 있는 시스템은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 사용자 중심의 액세스 제어 모델을 다중 키 히든드롬포닉 암호화와 통합하여 프라이버시를 보존하고 영리한 공유를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 히든드롬포닉 암호화와 CP-ABE를 다수의 사용자 및 수신자 환경에서 결합했을 때의 계산 및 통신 오버헤드는 어떠한가?
• RQ4 기존 최신 기술 솔루션 대비 제안된 방식은 효율성과 보안성에서 어떤 차이를 보이는가?
• RQ5 클라우드 제공자가 반신뢰적이고 호기심을 가진 상태일 때에도 시스템이 데이터 기밀성과 액세스 제어를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• SAMA는 다중 키 히든드롬포닉 암호화와 CP-ABE의 조합을 통해 안전한 다수 사용자 데이터 집계와 세밀한 액세스 제어를 동시에 달성함으로써, 이전 연구에서의 핵심 한계를 해결한다.
• 이 방식은 다수 사용자로부터 온 데이터의 안전한 처리와 사용자 정의된 속성에 기반한 다수의 데이터 수신자에 대한 선택적 공유를 지원한다.
• 공식적인 보안 분석을 통해 정의된 위협 모델 하에서 SAMA가 데이터 기밀성 및 권한 유출에 저항함을 확인했다.
• 성능 평가 결과, 특히 다수 수신자 환경에서 기존 최신 기술 솔루션 대비 낮은 계산 및 통신 오버헤드를 기록했다.
• 클라우드로 처리를 이관함으로써 클라이언트 측의 무거운 계산을 피하기 때문에, 자원 제약이 있는 웨어러블 기기에서도 구현이 가능하다.
• 사용자 중심의 액세스 제어와 안전한 계산의 통합은 GDPR 및 HIPAA와 같은 개인정보 보호 규정 준수를 가능하게 한다.