[论文解读] A Role-Based Encryption Scheme for Securing Outsourced Cloud Data in a Multi-Organization Context

Nazatul Haque Sultan, Vijay Varadharajan+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2020

Cryptography and Data Security参考文献 35被引用 8

一句话总结

本文提出了一种新颖的角色访问加密（RBE）方案，适用于多组织云存储环境，支持安全、细粒度的访问控制，具备高效的用户撤销机制与外包解密功能。该方案将RBAC访问控制策略直接嵌入加密数据中，仅允许具备相应角色的用户解密，同时通过云辅助解密减少客户端计算开销，并通过公钥失效机制实现低开销的用户撤销。

ABSTRACT

Role-Based Access Control (RBAC) is a popular model which maps roles to access permissions for resources and then roles to the users to provide access control. Role-Based Encryption (RBE) is a cryptographic form of RBAC model that integrates traditional RBAC with the cryptographic encryption method, where RBAC access policies are embedded in encrypted data itself so that any user holding a qualified role can access the data by decrypting it. However, the existing RBE schemes have been focusing on the single-organization cloud storage system, where the stored data can be accessed by users of the same organization. This paper presents a novel RBE scheme with efficient user revocation for the multi-organization cloud storage system, where the data from multiple independent organizations are stored and can be accessed by the authorized users from any other organization. Additionally, an outsourced decryption mechanism is introduced which enables the users to delegate expensive cryptographic operations to the cloud, thereby reducing the overhead on the end-users. Security and performance analyses of the proposed scheme demonstrate that it is provably secure against Chosen Plaintext Attack and can be useful for practical applications due to its low computation overhead.

研究动机与目标

• 解决多组织云环境中，不同组织的数据共置于公共云时，缺乏安全、可扩展的访问控制机制的问题。
• 克服现有RBE方案的局限性，这些方案仅适用于单组织环境，且缺乏高效的用户撤销机制与云辅助解密功能。
• 设计一种密码学访问控制机制，使数据所有者能够直接在加密数据上强制实施RBAC策略，降低对云服务提供商的信任依赖。
• 通过失效用户公钥而非重新计算密钥或重新加密数据，实现高效的用户撤销，从而最小化计算开销。
• 引入外包解密机制，将昂贵的密码学运算从终端用户卸载至云平台，降低客户端计算负载。

提出的方法

• 通过将访问策略绑定至密文，将基于角色的访问控制（RBAC）与密码学加密相结合，确保仅具备合格角色的用户可解密数据。
• 采用分层角色结构，其中角色继承权限，每个角色关联一个通过双线性对从主密钥派生的密码学生钥。
• 实现外包解密机制，由云平台执行大部分解密计算，仅向授权用户返回明文结果。
• 通过在系统中失效用户公钥实现用户撤销，无需重新加密或重新计算密钥。
• 利用基于配对的密码学（具体为嵌入度为2的Type A椭圆曲线）实现基于MDBDH假设的安全性。
• 通过最小化加密与解密过程中所需的指数运算与配对运算次数，实现与角色层次深度无关的常数时间解密，从而优化性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种基于角色的加密方案，以支持在多组织云存储环境中，不同组织数据共置情况下的安全、细粒度访问控制？
• RQ2 可采用何种机制实现高效用户撤销，而无需重新加密数据或重新计算密钥？
• RQ3 如何在保持强安全保证的前提下，降低终端用户的解密计算负担？
• RQ4 所提出的方案在性能与安全性方面相较于现有RBE方案的优越程度如何？

主要发现

• 所提方案在MDBDH密码学假设下，对 chosen plaintext attack（CPA）具有可证明安全性。
• 通过失效用户公钥实现用户撤销，仅需一次密钥更新操作，避免了昂贵的重新加密或密钥重新计算。
• 解密时间保持恒定，约为4.60 ms（SO-RBE）与9.675 ms（MO-RBE），显著低于Zhou等人方案的线性增长趋势（解密时间随祖先角色数与用户数线性增加）。
• 加密时间与密文中角色数量呈线性关系，与Zhu等人方案类似，但优于Zhou等人方案的常数时间加密（需四次指数运算）。
• 通过将昂贵的密码学运算（如指数运算、配对运算）委托给云平台，显著降低了客户端计算开销，提升了资源受限用户的可用性。
• 基于PBC库在通用硬件上的性能评估表明，群运算（乘法、哈希）的开销可忽略不计，远小于指数运算与配对运算，验证了对核心运算优化的合理性。