[论文解读] OmniShare: Securely Accessing Encrypted Cloud Storage from Multiple Authorized Devices

Andrew Paverd, Sandeep Tamrakar+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2015

User Authentication and Security Systems参考文献 10被引用 5

一句话总结

OmniShare 通过使用 QR 码等带外（OOB）通道进行设备配对，并利用云本身作为密钥分发的通信通道，实现了在多个授权设备之间对加密云存储的安全、免密码访问。该系统通过使用高熵密钥实现高安全性，同时最大限度减少用户操作，提供一种无需依赖额外可信服务器的可用且可扩展的解决方案。

ABSTRACT

Cloud storage services like Dropbox and Google Drive are widely used by individuals and businesses. Two attractive features of these services are 1) the automatic synchronization of files between multiple client devices and 2) the possibility to share files with other users. However, privacy of cloud data is a growing concern for both individuals and businesses. Encrypting data on the client-side before uploading it is an effective privacy safeguard, but it requires all client devices to have the decryption key. Current solutions derive these keys solely from user-chosen passwords, which have low entropy and are easily guessed. We present OmniShare, the first scheme to allow client-side encryption with high-entropy keys whilst providing an intuitive key distribution mechanism to enable access from multiple client devices. Instead of passwords, we use low bandwidth uni-directional out-of-band (OOB) channels, such as QR codes, to authenticate new devices. To complement these OOB channels, the cloud storage itself is used as a communication channel between devices in our protocols. We rely on a directory-based key hierarchy with individual file keys to limit the consequences of key compromise and allow efficient sharing of files without requiring re-encryption. OmniShare is open source software and currently available for Android and Windows with other platforms in development. We describe the design and implementation of OmniShare, and explain how we evaluated its security using formal methods, its performance via real-world benchmarks, and its usability through a cognitive walkthrough.

研究动机与目标

• 通过在客户端使用高熵密钥实现加密，解决云存储的隐私风险。
• 解决在不依赖低熵密码或额外可信服务器的情况下，为多台设备分发密钥的问题。
• 设计一种可用且可扩展的系统，实现授权设备之间的安全文件共享与同步。
• 通过直观的带外认证和基于云的密钥交换，最小化用户操作摩擦，同时保持强安全性。
• 通过形式化安全验证、性能实证评估以及认知走查，评估系统的安全性、性能和可用性。

提出的方法

• 使用基于目录的密钥层次结构，为每个文件分配独立密钥，以限制密钥泄露的影响并实现高效的共享。
• 采用低带宽、单向的带外通道（如 QR 码）对新设备进行身份认证，并建立安全的密钥交换。
• 利用云存储服务本身作为设备之间的通信通道，实现密钥传播。
• 在设备本地生成高熵加密密钥，可能在安全硬件内完成，避免使用基于密码的密钥。
• 根据设备能力自动选择最合适的带外通道，以简化用户设置流程。
• 通过从域根密钥派生的每文件密钥对文件进行加密，支持选择性同步和安全文件共享。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖密码的情况下，安全且实用地将高熵客户端加密扩展到多台授权设备？
• RQ2 在云存储环境中，带外（OOB）通道能否有效用于设备间的身份认证和密钥分发？
• RQ3 如何安全地利用云存储服务本身作为密钥交换的通信通道，而不损害安全性？
• RQ4 在真实世界的云存储场景中，无密码的、基于带外通道的密钥分发机制对可用性有何影响？
• RQ5 该系统在形式化验证和真实世界性能基准测试下，其安全性表现如何？

主要发现

• OmniShare 通过使用带外通道和基于云的密钥交换，成功实现了在多台设备之间对加密云存储的安全、免密码访问。
• 形式化安全验证确认了在对抗性模型下协议设计的正确性和机密性。
• 性能基准测试表明，OmniShare 的加密和密钥分发机制在实际应用中高效且实用。
• 认知走查显示不存在致命的可用性缺陷，仅发现少数界面问题，如缺乏明确的加密指示。
• 该系统支持选择性同步和安全文件共享，无需重新加密或额外可信服务器。
• 该设计可扩展至云存储之外，具有在安全凭据同步和密码管理器集成方面的潜在应用。