[논문 리뷰] On the Practicality of Cryptographically Enforcing Dynamic Access Control Policies in the Cloud (Extended Version)

William C. Garrison, Adam Shull외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 29.

Cryptography and Data Security참고 문헌 43인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 신뢰할 수 없는 클라우드 환경에서 동적 역할 기반 접근 제어(RBAC₀)를 구현하기 위해 고급 암호 기법—특히 신원 기반 암호화(IBE)와 공개키 암호 기법—을 사용하는 것의 실용성을 평가한다. 조건부 정책의 동적 변화, 예를 들어 사용자 권한 취소나 파일 업데이트와 같은 최소한의 정책 유연성 조차도 현재 기법으로는 비용이 지나치게 높아, 기존 기법으로는 클라우드 환경에서 동적 접근 제어를 암호 기반으로 구현하는 것이 비현실적임을 입증한다.

ABSTRACT

The ability to enforce robust and dynamic access controls on cloud-hosted data while simultaneously ensuring confidentiality with respect to the cloud itself is a clear goal for many users and organizations. To this end, there has been much cryptographic research proposing the use of (hierarchical) identity-based encryption, attribute-based encryption, predicate encryption, functional encryption, and related technologies to perform robust and private access control on untrusted cloud providers. However, the vast majority of this work studies static models in which the access control policies being enforced do not change over time. This is contrary to the needs of most practical applications, which leverage dynamic data and/or policies. In this paper, we show that the cryptographic enforcement of dynamic access controls on untrusted platforms incurs computational costs that are likely prohibitive in practice. Specifically, we develop lightweight constructions for enforcing role-based access controls (i.e., $\mathsf{RBAC}_0$) over cloud-hosted files using identity-based and traditional public-key cryptography. This is done under a threat model as close as possible to the one assumed in the cryptographic literature. We prove the correctness of these constructions, and leverage real-world $\mathsf{RBAC}$ datasets and recent techniques developed by the access control community to experimentally analyze, via simulation, their associated computational costs. This analysis shows that supporting revocation, file updates, and other state change functionality is likely to incur prohibitive overheads in even minimally-dynamic, realistic scenarios. We identify a number of bottlenecks in such systems, and fruitful areas for future work that will lead to more natural and efficient constructions for the cryptographic enforcement of dynamic access controls.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 스토리지 시스템에서 동적 접근 제어 정책을 구현하기 위해 암호 기법을 사용하는 것이 가능한지 평가하는 것.
• 암호 기반 접근 제어에서 정책 업데이트, 취소, 파일 수정과 같은 작업이 유발하는 계산 오버헤드를 분석하는 것.
• 신원 기반 암호화(IBE)와 기존 공개키 암호 기법이 실제 클라우드 워크로드에서 동적 RBAC₀를 효율적으로 지원할 수 있는지 평가하는 것.
• 성능 저하 요인을 규명하고, 신뢰할 수 없는 클라우드 환경에서 더 효율적인 동적 접근 제어 구조를 위한 향후 연구에 기여하는 것.

제안 방법

• 클라우드 스토리지 파일에 동적 RBAC₀ 정책을 적용하기 위해 IBE 기반과 기존 공개키 암호 기법 기반의 두 가지 경량 암호 구조를 개발한 것.
• 보안과 성능의 균형을 확보하기 위해 하이브리드 암호 기법을 사용하여 대칭 암호화와 공개키 기반 원리의 조합을 통해 파일 수준의 접근 제어를 구현한 것.
• 접근 제어 문헌에서 활용되는 형식적 접근 제어 모델과 도구를 사용하여 두 구조의 정당성을 수학적으로 증명한 것.
• 실제 워크로드를 시뮬레이션하기 위해 경험적 RBAC 데이터셋과 확률적 모델링 기법을 활용하여 암호 기반 비용을 추정한 것.
• 사용자 취소, 역할 업데이트, 파일 수정과 같은 다양한 동적 작업에 대한 성능을 평가한 것.
• 더 복잡한 모델(예: RBAC₁, ABAC)으로의 확장을 고려하여, HIBE 및 ABE와 같은 더 복잡한 원리의 사용이 초래하는 영향을 분석한 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라우드 환경에서 IBE와 공개키 암호 기법을 사용하여 동적 접근 제어 정책을 지원할 경우 발생하는 계산 비용은 무엇인가?
• RQ2 사용자 취소, 역할 업데이트, 파일 수정과 같은 일반적인 관리 작업이 암호 기반 접근 제어 시스템의 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 IBE 기반 구조는 실제 RBAC₀ 환경에서 최소한의 동적 워크로드를 효율적으로 지원할 수 있는가?
• RQ4 RBAC₁ 및 ABAC와 같은 더 풍부한 접근 제어 모델으로 이러한 구조를 확장할 경우의 확장성 제한은 무엇인가?
• RQ5 현재 암호 원리로는 동적 정책 강제 구현이 비현실적이게 만드는 기본적인 설계 상충 요인은 무엇인가?

주요 결과

• 최소한의 동적 작업, 예를 들어 사용자 취소 조차도 일부 설정에서는 각 취소당 수천 번 이상의 암호화 연산을 초과하는 계산 오버헤드를 유발한다.
• IBE 기반 시스템에서 사용자 취소 시 비용이 매우 빠르게 증가하는 이유는 영향을 받는 모든 암호문을 재암호화하고 키를 재발급해야 하기 때문이다.
• RBAC₁에서 역할 계층의 동적 업데이트, 심지어 트리 구조로 제한된 경우조차도 자식 파일에 걸쳐 연쇄적인 재암호화가 발생하여 계산 비용이 크게 증가한다.
• 역할 계층에서 서브트리 이동 작업은 단일 작업으로 처리되지 않고, 추가적인 재암호화 및 키 관리 오버헤드를 유발하는 여러 기본 작업(추가/삭제)으로 분해되어야 한다.
• ABAC 강제 구현에 ABE를 사용할 경우 정책 변경 또는 사용자 취소 시 속성 수준의 재암호화와 키 재발급이 발생하여 상당한 비용이 발생한다.
• 결과적으로 현재 암호 기법은 실제 클라우드 스토리지 환경에서 동적 접근 제어를 실용적으로 적용하기에는 아직 부적합하며, 특히 현실적인 위협 모델과 성능 제약 조건 하에서는 더욱 그러하다.