[论文解读] A lightweight blockchain-based access control scheme for integrated edge computing in the internet of things

Jie Zhang, Lingyun Yuan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用 4

一句话总结

本文提出了一种轻量级基于区块链的访问控制方案（ABE-ACS），用于边缘集成的物联网系统，结合属性基加密（CP-ABE）与区块链支持的智能合约，实现安全、细粒度的访问控制。通过将CP-ABE解密操作外包给边缘节点，并采用定制化的PoW共识机制，该方案相比以往工作将资源消耗降低了约50%，在性能测试中实现了高吞吐量和低延迟。

ABSTRACT

In view of the security issues of the Internet of Things (IoT), considered better combining edge computing and blockchain with the IoT, integrating attribute-based encryption (ABE) and attribute-based access control (ABAC) models with attributes as the entry point, an attribute-based encryption and access control scheme (ABE-ACS) has been proposed. Facing Edge-Iot, which is a heterogeneous network composed of most resource-limited IoT devices and some nodes with higher computing power. For the problems of high resource consumption and difficult deployment of existing blockchain platforms, we design a lightweight blockchain (LBC) with improvement of the proof-of-work consensus. For the access control policies, the threshold tree and LSSS are used for conversion and assignment, stored in the blockchain to protect the privacy of the policy. For device and data, six smart contracts are designed to realize the ABAC and penalty mechanism, with which ABE is outsourced to edge nodes for privacy and integrity. Thus, our scheme realizing Edge-Iot privacy protection, data and device controlled access. The security analysis shows that the proposed scheme is secure and the experimental results show that our LBC has higher throughput and lower resources consumption, the cost of encryption and decryption of our scheme is desirable.

研究动机与目标

• 解决异构、资源受限的物联网环境中因数据量大和设备密度高而带来的安全与可扩展性挑战。
• 克服传统区块链与CP-ABE在物联网环境中带来的高计算开销问题。
• 通过在轻量级区块链上使用属性基加密与智能合约，实现去中心化、隐私保护的访问控制。
• 通过将CP-ABE解密操作外包给边缘节点，减轻物联网设备的计算负担。
• 通过门限树与基于LSSS的策略编码，确保策略的隐私性与完整性。

提出的方法

• 设计一种轻量级区块链（LBC），采用优化的PoW共识机制，以降低资源消耗并提高吞吐量。
• 将CP-ABE与基于属性的访问控制（ABAC）整合进统一的ABE-ACS框架中，将属性抽象为访问控制的核心原语。
• 使用(t,n)门限树与线性秘密共享方案（LSSS）对访问策略进行编码并存储于区块链上，同时保护策略隐私。
• 将计算密集型的CP-ABE加密与解密操作外包给边缘节点，最大限度减少设备端处理负载。
• 在LBC上实现六个智能合约，用于强制执行ABAC策略、管理属性分配，并对策略违规行为实施惩罚。
• 在改进的CP-ABE方案中应用双线性对密码学技术，以支持灵活、细粒度的访问控制，并保护私钥安全。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在边缘集成的系统中，使基于区块链的访问控制在资源受限的物联网设备上实现高效且可部署？
• RQ2 在物联网边缘环境中，使用轻量级区块链与优化PoW共识机制会对性能产生何种影响？
• RQ3 能否在不损害数据隐私或完整性的情况下，安全且高效地将CP-ABE解密外包给边缘节点？
• RQ4 如何在保护其机密性的同时，将访问控制策略存储于区块链上并支持动态更新？
• RQ5 在异构的物联网-边缘架构中，访问控制灵活性、密码学开销与系统吞吐量之间的权衡关系如何？

主要发现

• 所提出的轻量级区块链（LBC）每区块的生成时间约为31秒，相比基线PoW实现，计算成本降低了50%。
• ABE-ACS方案中的加密与解密时间随属性数量线性增长，当数据大小低于1 MB时，增加可忽略不计。
• 将CP-ABE解密外包给边缘节点后，设备端计算量几乎减少一半，通过G1与GT群运算的测量结果可验证。
• 采用门限树与LSSS机制，可在区块链上实现隐私保护的策略编码，防止策略逻辑被暴露。
• 该方案在吞吐量方面优于现有区块链与CP-ABE解决方案，尤其在高并发工作负载下表现更优。
• 性能评估表明，'OR'策略的解密时间与属性数量无关，保持恒定；而'AND'策略的解密时间则随属性数量线性增长。