[论文解读] A Federated Capability-based Access Control Mechanism for Internet of Things (IoTs)

Ronghua Xu, Yu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2018

Access Control and Trust参考文献 30被引用 13

一句话总结

本文提出了一种用于物联网系统的联邦能力访问控制（FedCAC）框架，以解决可扩展性、异构性和资源约束问题。通过基于身份的能力令牌和传播树实现授权去中心化，FedCAC 实现了轻量级、细粒度的访问控制，网络和设备开销极小，已在资源受限和非受限设备上通过原型测试验证。

ABSTRACT

The prevalence of Internet of Things (IoTs) allows heterogeneous embedded smart devices to collaboratively provide intelligent services with or without human intervention. While leveraging the large-scale IoT-based applications like Smart Gird and Smart Cities, IoT also incurs more concerns on privacy and security. Among the top security challenges that IoTs face is that access authorization is critical in resource and information protection over IoTs. Traditional access control approaches, like Access Control Lists (ACL), Role-based Access Control (RBAC) and Attribute-based Access Control (ABAC), are not able to provide a scalable, manageable and efficient mechanisms to meet requirement of IoT systems. The extraordinary large number of nodes, heterogeneity as well as dynamicity, necessitate more fine-grained, lightweight mechanisms for IoT devices. In this paper, a federated capability-based access control (FedCAC) framework is proposed to enable an effective access control processes to devices, services and information in large scale IoT systems. An identity-based capability token management strategy is presented, which involves registering, propagation and revocation of the access authorization. Through delegating centralized authorization decision-making policy to local domain delegator, the access authorization process is locally conducted on the service provider that integrates situational awareness (SAW) and customized contextual conditions. Implemented and tested on both resources-constrained devices, like smart sensors and Raspberry PI, and non-resource-constrained devices, like laptops and smart phones, our experimental results demonstrate the feasibility of the proposed FedCAC approach to offer a scalable, lightweight and fine-grained access control solution to IoT systems connected to a system network.

研究动机与目标

• 解决传统访问控制模型（ACL、RBAC、ABAC）在大规模、动态和异构物联网环境中面临的局限性。
• 克服由于物联网设备和服务快速增长而引发的可扩展性和管理开销问题。
• 实现细粒度、上下文感知的访问控制，以适应物联网应用中常见的动态、短时交互。
• 通过轻量级令牌机制，减少资源受限物联网设备上的计算和通信开销。
• 去中心化授权决策，以提高系统弹性并降低对集中式权威机构的依赖。

提出的方法

• 提出一种联邦能力访问控制（FedCAC）框架，将授权职责分布到域协调器之间，减轻中央策略决策点（PDC）的负载。
• 实现基于传播树的委派机制，安全地将访问权限从中央PDC传播到本地域协调器。
• 设计基于身份的能力令牌管理策略，用于访问权限的注册、传播和撤销。
• 在服务提供方的本地访问验证中集成情境感知（SAW）和上下文条件，以实现动态、环境感知的访问决策。
• 使用轻量级的JSON格式能力令牌，而非重型的XML标准（如XACML），以最小化受限设备的开销。
• 通过将笔记本电脑用作中央PDC、树莓派用作雾节点，并在包括传感器、智能手机和笔记本电脑在内的多种设备上进行测试，部署了原型系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 在设备异构性高且交互动态的条件下，如何使大规模物联网系统中的访问控制具备可扩展性和可管理性？
• RQ2 基于能力的委派结合传播树是否能有效分担授权职责，同时保持安全性和一致性？
• RQ3 轻量级、基于身份的能力令牌机制在多大程度上减少了对资源受限物联网设备的开销？
• RQ4 在动态物联网环境中，本地访问验证结合情境感知和上下文条件在提升安全性和适应性方面有何效果？
• RQ5 与集中式访问控制模型相比，联邦架构是否能降低单点故障的风险？

主要发现

• FedCAC框架在域间通信中将网络延迟降低至仅11毫秒（平均300毫秒的4%），表明性能开销可接受。
• 实验结果表明，FedCAC在网络安全和本地设备上均引入了极小的开销，JSON格式令牌相比XACML等XML格式替代方案更为高效。
• 该原型已在资源受限设备（如智能传感器、树莓派）和非受限设备（如笔记本电脑、智能手机）上成功实现并完成测试，证实了跨平台可行性。
• 通过域协调器实现的去中心化授权缓解了中央PDC的瓶颈风险，在PDC临时故障时仍能维持服务可用性。
• 基于租约的权限强制机制实现了细粒度访问控制，即使能力令牌被泄露，也能防止权限提升。
• 通过将授权任务分发到多个域协调器，系统实现了负载均衡，增强了系统弹性和可扩展性。