[论文解读] KRATOS: Multi-User Multi-Device-Aware Access Control System for the Smart Home

Amit Kumar Sikder, Leonardo Babun+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2019

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 31被引用 16

一句话总结

Kratos 是一种多用户、多设备感知的访问控制机制，适用于智能家居环境，支持灵活的策略定义，通过基于优先级的协商实现自动冲突解决，并以极低开销实现稳健的访问控制执行。在真实智能家居部署中的评估表明，Kratos 能够解决 100% 的访问控制冲突，并以高精度检测威胁，优于现有粗粒度解决方案。

ABSTRACT

In a smart home system, multiple users have access to multiple devices, typically through a dedicated app installed on a mobile device. Traditional access control mechanisms consider one unique trusted user that controls the access to the devices. However, multi-user multi-device smart home settings pose fundamentally different challenges to traditional single-user systems. For instance, in a multi-user environment, users have conflicting, complex, and dynamically changing demands on multiple devices, which cannot be handled by traditional access control techniques. To address these challenges, in this paper, we introduce Kratos, a novel multiuser and multi-device-aware access control mechanism that allows smart home users to flexibly specify their access control demands. Kratos has three main components: user interaction module, backend server, and policy manager. Users can specify their desired access control settings using the interaction module which are translated into access control policies in the backend server. The policy manager analyzes these policies and initiates negotiation between users to resolve conflicting demands and generates final policies. We implemented Kratos and evaluated its performance on real smart home deployments featuring multi-user scenarios with a rich set of configurations (309 different policies including 213 demand conflicts and 24 restriction policies). These configurations included five different threats associated with access control mechanisms. Our extensive evaluations show that Kratos is very effective in resolving conflicting access control demands with minimal overhead and robust against different attacks.

研究动机与目标

• 解决传统单用户访问控制在多用户、多设备智能家居环境中所面临的局限性。
• 使用户能够表达对智能家居设备的复杂、动态且相互冲突的访问需求。
• 通过基于优先级的协商机制，自动解决冲突的访问策略。
• 提供基于角色优先级和设备特定限制的细粒度访问控制。
• 在类生产环境的真实世界威胁下，评估系统在有效性与安全性方面的表现。

提出的方法

• Kratos 采用三部件架构：用户交互模块、后端服务器以及用于策略转换与协商的策略管理器。
• 使用形式化策略语言表达用户需求，包括设备访问、时间约束和用户角色。
• 策略管理器应用基于优先级的协商算法，解决用户请求之间的冲突，优化用户优先级与系统安全。
• 通过与智能家居平台的加密、认证通信，在智能家居设备上执行协商后的策略。
• 将基于角色的访问控制（RBAC）原则与动态策略评估相结合，以应对不对称和时间敏感的访问需求。
• 系统在包含 17 个设备的真实智能家居测试平台上实现，并使用 309 条真实用户生成的策略进行评估，其中包含 213 个冲突和 24 项限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在用户需求冲突的多用户、多设备智能家居环境中，如何灵活表达访问控制策略？
• RQ2 哪些机制能够自动解决冲突的访问请求，同时尊重用户优先级与系统安全？
• RQ3 该系统在检测和缓解因权限过载用户或恶意策略配置引发的威胁方面效果如何？
• RQ4 在真实智能家居部署中，策略协商与执行的运行时开销是多少？
• RQ5 在涉及多个用户和设备的多样化、真实场景访问控制情境下，系统表现如何？

主要发现

• Kratos 在评估中成功解决了全部 213 个冲突场景，证明了其在冲突解决方面的完全有效性。
• 系统以 100% 的准确率检测到所有五个预定义的威胁模型，证实其对常见访问控制漏洞具有强健的防御能力。
• 策略协商与执行引入了极低的运行时开销，在实时智能家居操作中未观察到显著性能下降。
• 在包含 17 个设备的真实智能家居平台上的实现，证实了该方法在生产环境中的可行性与实用性。
• 用户生成的策略，包括复杂的限制和动态访问需求，均被系统正确解析并执行。
• 基于优先级的协商机制有效平衡了冲突的用户需求，同时维持了安全性和系统完整性。