[论文解读] JEDI: Many-to-Many End-to-End Encryption and Key Delegation for IoT

Sam Kumar, Yuncong Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 82被引用 15

一句话总结

JEDI 是一种用于物联网的多对多端到端加密协议，支持在分层资源结构中实现安全、可扩展且去中心化的密钥委派。它支持密钥过期、细粒度访问控制，并可在超低功耗嵌入式设备上高效运行，适用于大规模智能建筑和城市环境。

ABSTRACT

As the Internet of Things (IoT) emerges over the next decade, developing secure communication for IoT devices is of paramount importance. Achieving end-to-end encryption for large-scale IoT systems, like smart buildings or smart cities, is challenging because multiple principals typically interact indirectly via intermediaries, meaning that the recipient of a message is not known in advance. This paper proposes JEDI (Joining Encryption and Delegation for IoT), a many-to-many end-to-end encryption protocol for IoT. JEDI encrypts and signs messages end-to-end, while conforming to the decoupled communication model typical of IoT systems. JEDI's keys support expiry and fine-grained access to data, common in IoT. Furthermore, JEDI allows principals to delegate their keys, restricted in expiry or scope, to other principals, thereby granting access to data and managing access control in a scalable, distributed way. Through careful protocol design and implementation, JEDI can run across the spectrum of IoT devices, including ultra low-power deeply embedded sensors severely constrained in CPU, memory, and energy consumption. We apply JEDI to an existing IoT messaging system and demonstrate that its overhead is modest.

研究动机与目标

• 解决大规模物联网系统中发送方与接收方解耦情况下的端到端加密挑战。
• 实现去中心化的细粒度密钥委派，使主体可通过带限定条件的密钥向他人授予有限访问权限。
• 支持物联网设备中常见的资源约束，包括CPU、内存和能量极低的传感器。
• 与现有物联网消息系统（如 bw2 和 VOLTTRON）集成，同时保持强安全保证。
• 提供密码学撤销机制和匿名认证，无需依赖中心化权威机构。

提出的方法

• 设计一种使用分层身份基加密（HIBE）并借助密码学链实现密钥委派的多对多加密协议。
• 通过限定条件（caveats）实现密钥限定，限制访问范围（如URI、时间或作用域），实现细粒度访问控制。
• 使用配对密码学（如双线性映射）实现资源层次结构中高效密钥派生与委派。
• 支持匿名签名，以调和隐私与授权需求，使主体能在不暴露身份的情况下证明其访问权限。
• 采用基于树的广播加密实现安全密钥撤销，支持单个密钥撤销而不影响其他授权用户。
• 通过轻量级配对实现和高效签名方案，对嵌入式系统中的密码学操作进行优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在具有解耦发送方与接收方的大规模物联网系统中，将端到端加密扩展至多对多通信？
• RQ2 如何在不依赖中心化权威机构的前提下，实现去中心化且细粒度的密钥委派？
• RQ3 能否在超低功耗物联网设备上高效实现支持过期、限定条件和撤销机制的密码学密钥管理？
• RQ4 如何将匿名认证与端到端加密集成，以在物联网系统中保护隐私？
• RQ5 在实际物联网消息系统（如 bw2 或 VOLTTRON）中，端到端加密的性能开销如何？

主要发现

• JEDI 在真实物联网系统中实现了对分层资源结构（如建筑/楼层/房间/传感器）的端到端加密，性能开销极小。
• 该协议支持带过期和作用域限制的密钥委派，使主体能够安全地向其他设备授予有限访问权限。
• JEDI 的密码学操作足够高效，可在CPU、内存和能量受限的超低功耗嵌入式传感器上运行。
• 协议通过基于树的广播加密实现安全撤销，支持单个密钥撤销而不影响其他授权用户。
• JEDI 的匿名签名机制可在不暴露发送方身份的情况下提供授权证明，显著增强隐私保护。
• 评估结果表明，JEDI 的加密和签名开销适中，在现有物联网消息栈上表现出可测量但可接受的性能影响。