[论文解读] On the Practicality of Cryptographically Enforcing Dynamic Access Control Policies in the Cloud (Extended Version)

William C. Garrison, Adam Shull+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2016

Cryptography and Data Security参考文献 43被引用 5

一句话总结

本文评估了在不可信的云环境中，使用高级密码学技术——特别是基于身份的加密（IBE）和公钥密码学——来强制实施动态基于角色的访问控制（RBAC₀）的实际可行性。研究结果表明，即使是最小程度的策略动态性（如撤销和文件更新），也会带来难以接受的高计算开销，使得当前技术下通过密码学手段实现动态访问控制在实际中不可行。

ABSTRACT

The ability to enforce robust and dynamic access controls on cloud-hosted data while simultaneously ensuring confidentiality with respect to the cloud itself is a clear goal for many users and organizations. To this end, there has been much cryptographic research proposing the use of (hierarchical) identity-based encryption, attribute-based encryption, predicate encryption, functional encryption, and related technologies to perform robust and private access control on untrusted cloud providers. However, the vast majority of this work studies static models in which the access control policies being enforced do not change over time. This is contrary to the needs of most practical applications, which leverage dynamic data and/or policies. In this paper, we show that the cryptographic enforcement of dynamic access controls on untrusted platforms incurs computational costs that are likely prohibitive in practice. Specifically, we develop lightweight constructions for enforcing role-based access controls (i.e., $\mathsf{RBAC}_0$) over cloud-hosted files using identity-based and traditional public-key cryptography. This is done under a threat model as close as possible to the one assumed in the cryptographic literature. We prove the correctness of these constructions, and leverage real-world $\mathsf{RBAC}$ datasets and recent techniques developed by the access control community to experimentally analyze, via simulation, their associated computational costs. This analysis shows that supporting revocation, file updates, and other state change functionality is likely to incur prohibitive overheads in even minimally-dynamic, realistic scenarios. We identify a number of bottlenecks in such systems, and fruitful areas for future work that will lead to more natural and efficient constructions for the cryptographic enforcement of dynamic access controls.

研究动机与目标

• 评估使用密码学技术在云存储系统中强制实施动态访问控制策略的可行性。
• 分析在密码学强制访问控制中，策略更新、撤销和文件修改所引入的计算开销。
• 评估基于身份的加密（IBE）和传统公钥密码学是否能高效支持现实云工作负载中的动态RBAC₀。
• 识别性能瓶颈，并为未来在不可信云环境中实现更高效动态访问控制构造的研究提供指导。

提出的方法

• 设计了两种轻量级密码学构造——一种基于IBE，另一种基于标准公钥密码学——用于在云存储文件上强制实施动态RBAC₀策略。
• 采用混合加密机制以平衡安全性和性能，将对称加密与公钥原语结合，实现细粒度的文件级访问控制。
• 通过访问控制文献中的形式化访问控制模型和工具，证明了两种构造的正确性。
• 使用实际的RBAC数据集和随机建模技术，模拟真实世界中的访问控制工作负载，以估算密码学开销。
• 在多种动态操作下评估性能，包括用户撤销、角色更新和文件修改。
• 通过分析HIBE和ABE等更复杂原语的使用影响，将分析扩展至更丰富的模型（如RBAC₁、ABAC）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在云环境中，使用IBE和公钥密码学支持动态访问控制策略的计算开销是多少？
• RQ2 常见的管理操作（如撤销、角色更新和文件修改）如何影响密码学强制访问控制系统的性能？
• RQ3 基于IBE的构造能否在现实RBAC₀场景中高效支持最小程度的动态工作负载？
• RQ4 将这些构造扩展到更丰富的访问控制模型（如RBAC₁和ABAC）时，其可扩展性限制是什么？
• RQ5 在密码学访问控制中是否存在根本性的设计权衡，使得当前原语难以实现动态策略强制？

主要发现

• 即使是最小的动态操作（如用户撤销），在某些配置下，其计算开销也超过每次撤销数千次加密操作。
• 在基于IBE的系统中，用户撤销的开销随规模增长而急剧上升，原因在于必须重新加密所有受影响的密文并重新分发密钥。
• 在RBAC₁中对角色层次结构进行动态更新，即使仅限于树形结构，也需对所有后代文件进行级联重新加密，显著增加计算开销。
• 在角色层次结构中移动子树的操作必须分解为多个基本操作（添加/删除），每次操作都会引入额外的重新加密和密钥管理开销。
• 使用ABE实现ABAC强制机制会带来巨大开销，原因在于策略变更或用户撤销时需进行细粒度的属性级重新加密和密钥重新分发。
• 研究结果表明，当前密码学技术尚不足以在真实云存储环境中实现实际可行的动态访问控制，尤其在现实威胁模型和性能约束下。