[논문 리뷰] Tokoin: A Coin-Based Accountable Access Control Scheme for Internet of Things

Chun-Chi Liu, Minghui Xu외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 10.

Advanced Malware Detection Techniques참고 문헌 30인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 블록체인과 TEE를 기반으로 한 토크인 기반 접근 제어(TBAC)를 제안한다. 이는 IoT를 위한 책임 있는 접근 제어 기반으로, 접근 권한을 암호학적으로 안전한 '토크인'—즉, 누가, 무엇을, 언제, 어디서, 어떻게, 그리고 어떤 행동 제약 조건 하에서 접근이 가능할지를 규율하는 세밀한 정책을 가진 디지털 자산—으로 구현한다. TBAC는 강력한 감사 가능성과 실시간 접근 절차 제어를 달성하였으며, 60ms 미만의 거래 확인 시간과 저비용의 Cortex M23 MCU 배포를 통해 실내 배송 사례 연구를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

With the prevalence of Internet of Things (IoT) applications, IoT devices interact closely with our surrounding environments, bringing us unparalleled smartness and convenience. However, the development of secure IoT solutions is getting a long way lagged behind, making us exposed to common unauthorized accesses that may bring malicious attacks and unprecedented danger to our daily life. Overprivilege attack, a widely reported phenomenon in IoT that accesses unauthorized or excessive resources, is notoriously hard to prevent, trace and mitigate. To tackle this challenge, we propose Tokoin-Based Access Control (TBAC), an accountable access control model enabled by blockchain and Trusted Execution Environment (TEE) technologies, to offer fine-graininess, strong auditability, and access procedure control for IoT. TBAC materializes the virtual access power into a definite-amount and secure cryptographic coin termed "tokoin" (token+coin), and manages it using atomic and accountable state-transition functions in a blockchain. We also realize access procedure control by mandating every tokoin a fine-grained access policy defining who is allowed to do what at when in where by how. The tokoin is peer-to-peer transferable, and can be modified only by the resource owner when necessary. We fully implement TBAC with well-studied cryptographic primitives and blockchain platforms and present a readily available APP for regular users. We also present a case study to demonstrate how TBAC is employed to enable autonomous in-home cargo delivery while guaranteeing the access policy compliance and home owner's physical security by regulating the physical behaviors of the deliveryman.

연구 동기 및 목표

• IoT 접근 제어의 핵심 보안 격차, 특히 감지하고 추적하기 어려운 과도한 권한 공격을 해결하기 위해.
• 기존 기반의 한계를 극복하기 위해—즉, 거시적인 정책, 약한 감사 가능성, 접근 절차 제어의 부재를 해결하기 위해.
• 제3자 서버 의존도를 제거하는 동적이고 유연하며 책임 있는 접근 제어 모델을 설계하기 위해.
• 블록체인 거래에서 오프체인 물리적 행동까지의 종단 간 신뢰 확장 가능성을 TEE 보호 실행을 통해 실현하기 위해.
• 강력한 보안 보장을 제공하는 실제 세계의 실내 화물 배송 사용 사례를 통해 실용적 타당성을 입증하기 위해.

제안 방법

• TBAC는 자원 소유자가 발행하고 블록체인을 통해 관리하는 암호학적 디지털 자산인 '토크인'으로 접근 권한을 표현한다. 이는 불가변성과 감사 가능성을 보장한다.
• 각 토크인은 접근에 대한 세밀한 정책을 인코딩하며, 이는 누가, 무엇을, 언제, 어디서, 어떻게(즉, 행동 제약 조건) 접근이 가능한지를 규정한다.
• 신뢰 실행 환경(TEE) 기반의 신뢰할 수 있는 접근 제어 개체(TACO)는 접근 운영 중 실시간으로 정책 준수를 강제한다.
• 모든 온체인 거래(생성, 이전, 환전)는 블록체인으로 보호되며, 오프체인 접근 절차는 TACO에 의해 모니터링되고 검증된다.
• 시스템은 경량 암호 primitive와 저비용의 Cortex M23 MCU를 사용하여 자원 제약이 있는 IoT 환경에서의 실용적 구현을 보장한다.
• 성능 평가는 Go-Tokoin(네이티브), Quorum(협의체), Ethereum Mainnet(공용)을 대상으로 평가되었으며, 거래 시간과 가스 비용이 기록되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 IoT 접근 제어를 과도한 권한 공격을 방지할 수 있도록 충분히 세밀하게 만들 수 있는가? 정책 표현의 정밀성에 기반하여.
• RQ2 IoT 시스템에서 자원 접근 중 행동 준수를 보장하기 위해 실시간 접근 절차 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ3 탈중앙화되고 신뢰할 수 있는 방식으로 온체인 및 오프체인 행동 모두에 대해 강력한 감사 가능성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 저비용 임베디드 IoT 하드웨어에 TEE 기반 접근 제어 시스템을 구현할 경우 성능과 비용의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 실용적이고 사용자 친화적인 애플리케이션을 구축하여 제안된 접근 제어 모델의 타당성과 이점을 입증할 수 있는가?

주요 결과

• TBAC는 네이티브 Go-Tokoin 블록체인을 사용해 60ms 이내의 거래 확인 시간을 달성하였으며, Ethereum Mainnet(30~50초)과 Quorum(1초)보다 훨씬 빠르다.
• Go-Tokoin 프라이빗 체인에서는 거래 수수료가 전혀 발생하지 않으며, Ethereum Mainnet는 평균 2967k 가스/거래를 기록했고(2019년 7월 기준 약 14.70달러), 이는 상당한 비용 절감을 의미한다.
• TEE 기반 TACO 모듈은 센서 샘플링 및 동작 트리거링 등 실시간 접근 중 정책 준수를 성공적으로 강제하였으며, 오프체인 신뢰가 필요 없었다.
• 구현은 저비용의 Cortex M23 MCU(약 10달러)를 사용하여 기존 TEE 시스템이 고비용 칩셋에 의존하는 것과는 달리 실제 IoT 환경에 실용적으로 구현 가능하다.
• 실내 화물 배송 사례 연구를 통해 TBAC가 물리적 행동—예를 들어, 배송원이 주요 실에 들어가는 것을 방지하는 것—을 안전하게 규제할 수 있음을 확인하였다.
• 시스템은 블록체인에서 물리적 행동까지의 종단 간 신뢰 확장을 실현하였으며, 자원 임대나 자격 위임 기반 작업 실행과 같은 새로운 사용 사례를 가능하게 하였다.