[論文レビュー] On the Feasibility of Attribute-Based Encryption on Smartphone Devices

Moreno Ambrosin, Mauro Conti+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2015

Cryptography and Data Security参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、Android NDKを用いたC言語ライブラリであるAndrABEnを用いて、Androidスマートフォン上で属性暗号化（ABE）を実装する可能性を示した。従来のJavaベースの実装と比較して最大10倍の高速化と顕著なエネルギー消費削減を達成し、以前の非現実的との主張とは対照的に、ABEがモバイルアプリケーションにおいて現実的であることを実証した。

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.

研究の動機と目的

• モバイルデバイスにおけるABEの実装が性能制限のため非現実的であるという一般的な主張に挑戦すること。
• Androidスマートフォン向けに最適化された高性能ABEライブラリを実装・評価すること。
• 同一条件下で、CベースのABE実装と従来のJavaベースのソリューションとの間で、パフォーマンスおよびエネルギー効率を比較すること。
• 将来の研究およびモバイルプライバシーとアクセス制御分野のアプリケーション開発を可能にする、自由に利用可能な生産用ABEライブラリ（AndrABEn）を提供すること。

提案手法

• Androidネイティブ開発キット（NDK）を用いて、低レベルのシステムパフォーマンスを実現するため、C言語でCP-ABEおよびKP-ABE方式を実装した。
• Android向けに軽量でポータブルなCライブラリとしてAndrABEnを設計し、モバイルCPUおよびメモリ制約に最適化した。
• Wangら（2014年）のJavaベース実装と同一設定下で、制御された実験的評価を実施した。
• 鍵生成、暗号化、復号化という主要なABE操作の実行時間、メモリ使用量、エネルギー消費量を測定した。
• 比較の公平性を確保するため、WangらのJavaベース実装を再実装し、元のソースコードが入手不能であったにもかかわらず、妥当な比較を可能にした。
• テストデバイスとして、1 GB RAMを搭載したSamsung Galaxy Nexusスマートフォンを用い、標準的なセキュリティパrameter（128ビット）を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近年のAndroidスマートフォンにおいて、属性暗号化（ABE）を効率的に実装できるのか、従来の非現実的との主張とは対照的に？
• RQ2 高レベルのJavaベース実装と比較して、低レベルのCベースABE実装は、パフォーマンスおよびエネルギー効率においてどのように差がつくのか？
• RQ3 実世界のスマートフォンデバイス上でのABE操作の実際の実行時間とエネルギーコストはどの程度か？
• RQ4 リソース制限のあるモバイル環境において、CベースのABEライブラリは、既存のJavaベース実装を顕著に上回る性能を示せるのか？

主な発見

• AndrABEnにより、CP-ABEの鍵生成時間が、Java実装の約200秒から、Samsung Galaxy Nexusでは30秒未塔に短縮された。
• CP-ABEの暗号化と復号化は、それぞれ30秒未塔、20秒未塔で完了したが、Javaベース実装では約70秒および約80秒かかっていた。
• KP-ABE操作において、AndrABEnでは鍵生成および暗号化に3秒、復号化に12秒で完了した。これは、先行研究で報告された90〜110秒と比べて顕著に高速であった。
• CP-ABE操作におけるエネルギー消費は、AndrABEnでは1操作あたり5 J未塔であったのに対し、Javaベース実装では鍵生成で70〜100 Jに達していた。
• 再実装したJava版CP-ABEでは、鍵生成に約360秒（AndrABEnの約25秒と比較）を要し、性能差が明確に確認された。
• AndrABEnは、すべての操作において一貫したパフォーマンス優位性を示し、実行時間、メモリ使用量、CPU使用率が、従来の最先端技術と比較して顕著に低減された。