[논문 리뷰] P-MOD: Secure Privilege-Based Multilevel Organizational Data-Sharing in Cloud Computing

Ehab Zaghloul, Kai Zhou외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 08.

Cryptography and Data Security참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 클라우드 환경을 위한 권한 기반의 다수준 데이터 공유 기반인 P-MOD를 제안한다. 이는 속성 기반 암호화(ABE)와 계층적 액세스 구조를 통합하여 세밀한 제어가 가능한 안전한 데이터 공유를 가능하게 한다. 데이터를 민감도에 따라 분할하고, 조직의 권한 수준에 연결된 액세스 정책에 따라 각 부분을 암호화함으로써, 사용자는 자신이 소지한 권한 수준에 해당하는 데이터만 복호화할 수 있도록 보장한다. 이로 인해 고부하 조건에서 CP-ABE 및 FH-CP-ABE 대비 암호화 시간이 88.3% 감소하고 복호화 시간이 84% 감소한다.

ABSTRACT

Cloud computing has changed the way enterprises store, access and share data. Data is constantly being uploaded to the cloud and shared within an organization built on a hierarchy of many different individuals that are given certain data access privileges. With more data storage needs turning over to the cloud, finding a secure and efficient data access structure has become a major research issue. With different access privileges, individuals with more privileges (at higher levels of the hierarchy) are granted access to more sensitive data than those with fewer privileges (at lower levels of the hierarchy). In this paper, a Privilege-based Multilevel Organizational Data-sharing scheme~(P-MOD) is proposed that incorporates a privilege-based access structure into an attribute-based encryption mechanism to handle these concerns. Each level of the privilege-based access structure is affiliated with an access policy that is uniquely defined by specific attributes. Data is then encrypted under each access policy at every level to grant access to specific data users based on their data access privileges. An individual ranked at a certain level can decrypt the ciphertext (at that specific level) if and only if that individual owns a correct set of attributes that can satisfy the access policy of that level. The user may also decrypt the ciphertexts at the lower levels with respect to the user's level. Security analysis shows that P-MOD is secure against adaptively chosen plaintext attack assuming the DBDH assumption holds.The comprehensive performance analysis demonstrates that P-MOD is more efficient in computational complexity and storage space than the existing schemes in secure data sharing within an organization.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 스토리지 환경을 활용한 대규모 계층조직에서의 데이터 공유 보안 및 효율적 관리에 대한 증가하는 과제를 해결하기 위해.
• 복잡한 조직 구조에서 역할 기반 액세스 제어(RBAC)의 한계, 특히 역할 폭발 문제를 극복하기 위해.
• 감사 가능한 민감한 데이터에 대한 동적 권한 수준 기반 액세스를 지원하는 안전하고 확장성 있고 효율적인 데이터 공유 메커니즘을 설계하기 위해.
• 다수준 조직의 데이터 공유를 위한 속성 기반 암호화 기반에서의 계산 오버헤드와 스토리지 비용을 줄이기 위해.
• DBDH 가정 하에 형식적인 보안 증명을 제공하고 기존 기법들에 비해 열등한 성능을 보여주지 않도록 하기 위해.

제안 방법

• 데이터 파일은 민감도와 권한 수준에 따라 여러 세그먼트로 분할되며, 각 세그먼트는 별도의 액세스 정책에 따라 암호화된다.
• 계층 내 각 권한 수준은 복호화에 필요한 속성을 정의하는 액세스 트리와 연결되며, 암호문 정책 기반 속성 기반 암호화(CP-ABE) 프레임워크를 사용한다.
• 암호화는 계층적으로 수행된다: 각 데이터 세그먼트는 각 권한 수준마다 한 번씩 암호화되며, 사용자가 필요한 속성을 보유하고 있으면 하위 수준의 암호문을 모두 복호화할 수 있다.
• 이 scheme은 후행 호환성을 보장한다: 더 높은 권한 수준의 사용자는 해당 액세스 정책을 충족함으로써 하위 수준 사용자가 액세스할 수 있는 모든 데이터를 복호화할 수 있다.
• 보안은 결정적 이중선형 디피-헬만(DBDH) 가정 하에 증명되며, 적응형 선택 평문 공격에 저항하는 것을 보장한다.
• 성능 평가는 실제 세계의 파rameter를 사용하여 P-MOD와 CP-ABE, FH-CP-ABE 간의 암호화, 복호화, 키 생성 시간을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라우드 환경에서 다수준 조직을 위한 안전하고 효율적인 데이터 공유 모델을 어떻게 설계할 수 있는가? 이 모델은 동적 권한 기반 액세스를 지원해야 한다.
• RQ2 P-MOD는 기존의 속성 기반 암호화 기법들인 CP-ABE 및 FH-CP-ABE에 비해 계산 오버헤드를 얼마나 줄이는가?
• RQ3 제안된 계층적 액세스 구조는 대규모 조직에서 세밀한 액세스 제어를 유지하면서도 역할 폭발 문제를 방지할 수 있는가?
• RQ4 사용자 수와 데이터 세그먼트 수가 증가함에 따라 P-MOD의 성능은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 제안된 scheme은 표준 암호학적 가정 하에 엄밀하게 보장되는 보안성을 갖추고 있는가?

주요 결과

• k=9 및 N=100 조건에서 P-MOD의 암호화 시간 비용은 CP-ABE의 21.6%이며 FH-CP-ABE의 82%에 불과하여 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• k=9일 때 P-MOD의 암호화 시간 증가는 2204ms에 그쳤지만, CP-ABE는 19,039ms, FH-CP-ABE는 18,821ms로, 시간 비용이 88.3% 감소한 것으로 나타났다.
• 복호화의 경우, k=9에서 P-MOD의 시간 비용은 CP-ABE의 13.4%이며 FH-CP-ABE의 15.8%에 그쳐 고부하 조건에서 뛰어난 효율성을 보였다.
• P-MOD의 복호화 시간 비용은 k가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 많은 권한 수준을 가진 조직에서의 확장성에 유리하다.
• 모든 실험 시나리오에서 P-MOD는 키 생성, 암호화, 복호화 모든 성능 지표에서 CP-ABE 및 FH-CP-ABE를 모두 능가했다.
• 표준 DBDH 가정 하에 적응형 선택 평문 공격에 대한 엄밀한 보안성이 입증되었으며, 강력한 암호학적 보안성을 보장한다.