[论文解读] P-MOD: Secure Privilege-Based Multilevel Organizational Data-Sharing in Cloud Computing

Ehab Zaghloul, Kai Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2018

Cryptography and Data Security参考文献 14被引用 5

一句话总结

本文提出P-MOD，一种基于权限的多级数据共享方案，适用于云环境，将属性基加密（ABE）与分层访问结构相结合，实现细粒度、安全的数据共享。通过按敏感度划分数据，并对每个部分基于与组织权限级别关联的访问策略进行加密，P-MOD确保用户仅能解密与其权限级别对应的数据，相较于CP-ABE和FH-CP-ABE，在高负载条件下实现加密时间降低88.3%、解密时间降低84%。

ABSTRACT

Cloud computing has changed the way enterprises store, access and share data. Data is constantly being uploaded to the cloud and shared within an organization built on a hierarchy of many different individuals that are given certain data access privileges. With more data storage needs turning over to the cloud, finding a secure and efficient data access structure has become a major research issue. With different access privileges, individuals with more privileges (at higher levels of the hierarchy) are granted access to more sensitive data than those with fewer privileges (at lower levels of the hierarchy). In this paper, a Privilege-based Multilevel Organizational Data-sharing scheme~(P-MOD) is proposed that incorporates a privilege-based access structure into an attribute-based encryption mechanism to handle these concerns. Each level of the privilege-based access structure is affiliated with an access policy that is uniquely defined by specific attributes. Data is then encrypted under each access policy at every level to grant access to specific data users based on their data access privileges. An individual ranked at a certain level can decrypt the ciphertext (at that specific level) if and only if that individual owns a correct set of attributes that can satisfy the access policy of that level. The user may also decrypt the ciphertexts at the lower levels with respect to the user's level. Security analysis shows that P-MOD is secure against adaptively chosen plaintext attack assuming the DBDH assumption holds.The comprehensive performance analysis demonstrates that P-MOD is more efficient in computational complexity and storage space than the existing schemes in secure data sharing within an organization.

研究动机与目标

• 为解决在使用云存储的大规模分层组织中，数据共享的安全性与高效管理日益增长的挑战。
• 克服基于角色的访问控制（RBAC）在复杂组织结构中面临的角色爆炸问题。
• 设计一种安全、可扩展且高效的基于权限的细粒度数据共享机制，支持云环境中对敏感数据的动态权限级别访问。
• 降低属性基加密方案在多级组织数据共享中的计算开销与存储成本。
• 在DBDH假设下提供形式化安全证明，并展示其在性能上优于现有方案。

提出的方法

• 根据敏感度和权限级别将数据文件划分为多个段，每一段均基于独立的访问策略进行加密。
• 层次结构中的每个权限级别均关联一个访问树，定义解密所需的属性，采用密文策略属性基加密（CP-ABE）框架。
• 采用分层加密机制：每个数据段按每个权限级别分别加密一次，使得拥有相应属性的用户可解密所有低级别密文。
• 该方案确保向后兼容性：权限级别较高的用户可通过满足相应访问策略，解密所有低级别用户可访问的数据。
• 安全性在判定双线性Diffie-Hellman（DBDH）假设下得到证明，确保对自适应选择明文攻击具有抗性。
• 性能评估采用真实世界参数，对比P-MOD与CP-ABE及FH-CP-ABE在加密、解密和密钥生成时间方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为云环境中的多级组织设计一种安全且高效的基于权限的动态数据共享模型？
• RQ2 与现有属性基加密方案（如CP-ABE和FH-CP-ABE）相比，P-MOD在计算开销方面降低了多少？
• RQ3 所提出的分层访问结构能否在保持细粒度访问控制的同时防止角色爆炸？
• RQ4 随着用户数量和数据分段数量的增加，P-MOD的性能如何扩展？
• RQ5 该方案是否在标准密码学假设下可形式化证明安全？

主要发现

• 在k=9且N=100时，P-MOD的加密时间成本仅为CP-ABE的21.6%和FH-CP-ABE的82%，表明性能显著提升。
• 在k=9时，P-MOD的加密时间仅增加2204毫秒，而CP-ABE和FH-CP-ABE分别增加19,039毫秒和18,821毫秒，时间成本降低88.3%。
• 在k=9时，P-MOD的解密时间成本仅为CP-ABE的13.4%和FH-CP-ABE的15.8%，在高负载条件下表现出更优的效率。
• 随着k的增加，P-MOD的解密时间成本下降，表明其在具有众多权限级别的组织中具备更好的可扩展性。
• 在所有实验场景中，P-MOD在密钥生成、加密和解密等所有性能指标上均优于CP-ABE和FH-CP-ABE。
• 该方案在标准DBDH假设下可形式化证明对自适应选择明文攻击具有安全性，确保强密码学安全性。