[논문 리뷰] On the Feasibility of Attribute-Based Encryption on Smartphone Devices

Moreno Ambrosin, Mauro Conti외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 02.

Cryptography and Data Security참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 Android 스마트폰에서 ABE(속성 기반 암호화)를 구현할 수 있음을 입증한다. AndrABEn은 안드로이드 NDK를 사용하는 C 언어 라이브러리로, 이전의 자바 기반 구현보다 최대 10배 빠른 성능과 훨씬 낮은 에너지 소비를 달성하여, 이전에 불가능하다고 주장된 ABE가 모바일 애플리케이션에 실현 가능하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Attribute-Based Encryption (ABE) is a powerful cryptographic tool that allows fine-grained access control over data. Due to its features, ABE has been adopted in several applications, such as encrypted storage or access control systems. Recently, researchers argued about the non acceptable performance of ABE when implemented on mobile devices. Indeed, the non feasibility of ABE on mobile devices would hinder the deployment of novel protocols and services--that could instead exploit the full potential of such devices. However, we believe the conclusion of non usability was driven by a not-very efficient implementation. In this paper, we want to shine a light on this concern by studying the feasibility of applying ABE on smartphone devices. In particular, we implemented AndrABEn, an ABE library for Android operating system. Our library is written in the C language and implements two main ABE schemes: Ciphertext-Policy Attribute-Based Encryption, and Key- Policy Attribute-Based Encryption. We also run a thorough set of experimental evaluation for AndrABEn, and compare it with the current state-of-the-art (considering the same experimental setting). The results confirm the possibility to effectively use ABE on smartphone devices, requiring an acceptable amount of resources in terms of computations and energy consumption. Since the current state-of-the-art claims the non feasibility of ABE on mobile devices, we believe that our study (together with the AndrABEn library that we made available online) is a key result that will pave the way for researchers and developers to design and implement novel protocols and applications for mobile devices.

연구 동기 및 목표

• 모바일 디바이스에서 성능 제약으로 인해 ABE가 불가능하다는 일반적인 주장에 도전하기 위해.
• 안드로이드 스마트폰을 위해 최적화된 고성능 ABE 라이브러리를 구현하고 평가하기 위해.
• 동일한 조건에서 기존 자바 기반 솔루션과 대비하여 C 기반 ABE 구현의 성능 및 에너지 효율성 비교하기 위해.
• 향후 모바일 프라이버시 및 액세스 제어 분야의 연구 및 애플리케이션 개발을 가능하게 하기 위해 무료로 이용 가능한, 생산용으로 사용 가능한 ABE 라이브러리(AndrABEn) 제공하기 위해.

제안 방법

• Android Native Development Kit(NDK)를 사용하여 C 언어로 CP-ABE 및 KP-ABE 방식을 구현하여 저수준 시스템 성능을 확보하였다.
• 안드로이드를 위한 경량이며 이식 가능한 C 라이브러리인 AndrABEn를 설계하여 모바일 CPU 및 메모리 제약 조건에 최적화하였다.
• Wang 등(2014)의 자바 기반 구현과 동일한 설정에서 비교 평가를 위한 통제된 실험 평가를 수행하였다.
• 핵심 ABE 작업인 키 생성, 암호화, 복호화에 대한 실행 시간, 메모리 사용량, 에너지 소비를 측정하였다.
• 공개된 소스 코드가 없었음에도 공정한 비교를 확보하기 위해 Wang 등이 제시한 자바 기반 솔루션을 재구현하였다.
• 테스트 기기로 1GB RAM을 탑재한 삼성 갤럭시 넥서스 스마트폰을 사용하였으며, 표준 보안 파rameter(128비트)를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근의 안드로이드 스마트폰에서 ABE를 효율적으로 구현할 수 있는가? 이는 이전의 불가능성 주장에 반하는가?
• RQ2 고수준의 자바 기반 구현 대비 저수준의 C 기반 ABE 구현은 성능 및 에너지 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 실제 스마트폰 기기에서 ABE 작업의 실제 실행 시간과 에너지 비용은 얼마인가?
• RQ4 자원 제약 조건이 심한 모바일 환경에서 C 기반 ABE 라이브러리는 기존 자바 기반 구현보다 뚜렷한 성능 향상을 이룰 수 있는가?

주요 결과

• AndrABEn는 삼성 갤럭시 넥서스 기기에서 CP-ABE 키 생성 시간을 자바 기반 구현의 약 200초에서 30초 이내로 단축시켰다.
• CP-ABE 암호화는 30초 이내, 복호화는 20초 이내로 완료되었으며, 자바 기반 구현의 약 70초 및 80초 대비 빠른 성능을 보였다.
• KP-ABE 작업에서 AndrABEn는 키 생성 및 암호화에 3초, 복호화에 12초가 소요되었으며, 이는 이전 연구에서 보고된 90~110초보다 훨씬 빠른 속도였다.
• CP-ABE 작업의 에너지 소비는 AndrABEn에서 1회당 5J 미만이었고, 자바 기반 구현의 키 생성 시 70~100J에 비해 현저히 낮았다.
• 재구현한 자바 기반 CP-ABE는 키 생성에 약 360초가 소요되었으며, 이는 AndrABEn의 약 25초와 비교해 뚜렷한 성능 격차를 보였다.
• AndrABEn는 모든 작업에서 일관된 성능 우수성을 보였으며, 실행 시간, 메모리 사용량, CPU 사용률이 이전 최고 수준의 성능 대비 뚜렷이 감소하였다.