[论文解读] A Multi-Authority Attribute-Based Signcryption Scheme with Efficient Revocation for Smart Grid Downlink Communication

Ahmad Alsharif, Ahmed Shafee+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 27被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种用于安全智能电网下行通信的多权威属性基签密方案，具备高效的撤销机制。该方案通过改进的LSS矩阵访问结构，集成机密性、认证、不可否认性以及动态属性撤销功能，在AMI测试平台上实现了较低的计算开销，250名用户的撤销成本低于0.34秒。

ABSTRACT

In this paper, we propose a multi-authority attribute-based signcryption scheme with efficient revocation for smart grid downlink communications. In the proposed scheme, grid operators and electricity vendors can send multicast messages securely to different groups of consumers which is required in different applications such as firmware update distribution and sending direct load control messages. Our scheme can ensure the confidentiality and the integrity of the multicasted messages, allows consumers to authenticate the source of the multicasted messages, achieves and non-repudiation property, and allows prompt revocation, simultaneously which are required for the smart grid downlink communications. Our security analysis demonstrates that the proposed scheme can thwart various security threats to the smart grid. Our experiments conducted on an advanced metering infrastructure (AMI) testbed confirm that the proposed scheme has low computational overhead.

研究动机与目标

• 解决针对多权威智能电网下行通信而定制的、安全且高效的组播通信方案缺乏的问题。
• 在单一原 primitive 中确保数据机密性、源认证、不可否认性以及即时属性撤销。
• 在去中心化的多权威环境中，支持动态的组成员管理，实现高效的注册与撤销。
• 抵抗共谋攻击，即多个用户试图单独解密超出其访问权限的消息。
• 在资源受限条件下，对方案在真实世界高级计量基础设施（AMI）测试平台上的性能进行评估。

提出的方法

• 该方案基于多权威属性基加密（MA-ABE）构建，扩展其功能以支持集成认证与不可否认性的签密。
• 使用单调布尔公式定义访问策略，并将其转换为LSS矩阵，以实现细粒度的访问控制。
• 通过基于向量的矩阵乘法过程生成秘密份额，仅当具备足够属性时才能重建秘密。
• 通过更新LSS矩阵和秘密份额实现撤销，确保被撤销用户无法解密新消息。
• 通过允许多个拥有所需属性集的用户解密同一密文，支持安全组播。
• 安全模型通过合理的密钥分发与访问树设计，确保抵抗选择密文攻击与共谋攻击。

Figure 1: Network model for SG downlink communications.

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种签密方案，同时在多权威智能电网下行通信中提供机密性、认证、不可否认性以及高效的撤销机制？
• RQ2 如何在属性基签密方案中高效集成属性撤销，而不会产生不可接受的计算开销？
• RQ3 该方案在资源受限的智能电表于真实AMI环境中的计算开销是多少？
• RQ4 该方案如何抵抗具有部分访问权限的用户之间的共谋攻击？
• RQ5 随着用户数量和被撤销属性数量的增加，该方案的可扩展性如何？

主要发现

• 所提出的方案实现了所有期望的安全属性：机密性、源认证、不可否认性以及即时属性撤销。
• 撤销过程计算开销较低，250名拥有有效属性的用户最多仅需0.34秒。
• 该方案在AMI测试平台上表现出较低的计算开销，适合在资源受限的智能电表上部署。
• 该方案能有效抵抗共谋攻击，因为用户只有在集体拥有访问策略所定义的必要属性时才能解密密文。
• 性能评估表明，与基线签密方案相比，该方案的额外开销可接受且具备可扩展性。
• LSS矩阵结构通过仅使用相关份额之和即可实现高效的访问控制与秘密重建，确保正确性与安全性。

Figure 2: Signcryption time vs access policy size.