[论文解读] Tokoin: A Coin-Based Accountable Access Control Scheme for Internet of Things

Chun-Chi Liu, Minghui Xu+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2020

Advanced Malware Detection Techniques参考文献 30被引用 11

一句话总结

本文提出了一种基于 Tokoin 的访问控制（TBAC），这是一种结合区块链与可信执行环境（TEE）的物联网（IoT）可问责访问控制方案，将访问权限具体化为密码学安全的‘tokoins’——一种具有细粒度策略的数字资产，用于精确控制谁、何物、何时、何地、以何种方式以及在何种行为约束下可进行访问。TBAC 实现了强审计能力与实时访问流程控制，通过一次安全的室内货物递送用例研究得到验证，其交易确认时间低于60毫秒，且可在低成本的 Cortex M23 MCU 上部署。

ABSTRACT

With the prevalence of Internet of Things (IoT) applications, IoT devices interact closely with our surrounding environments, bringing us unparalleled smartness and convenience. However, the development of secure IoT solutions is getting a long way lagged behind, making us exposed to common unauthorized accesses that may bring malicious attacks and unprecedented danger to our daily life. Overprivilege attack, a widely reported phenomenon in IoT that accesses unauthorized or excessive resources, is notoriously hard to prevent, trace and mitigate. To tackle this challenge, we propose Tokoin-Based Access Control (TBAC), an accountable access control model enabled by blockchain and Trusted Execution Environment (TEE) technologies, to offer fine-graininess, strong auditability, and access procedure control for IoT. TBAC materializes the virtual access power into a definite-amount and secure cryptographic coin termed "tokoin" (token+coin), and manages it using atomic and accountable state-transition functions in a blockchain. We also realize access procedure control by mandating every tokoin a fine-grained access policy defining who is allowed to do what at when in where by how. The tokoin is peer-to-peer transferable, and can be modified only by the resource owner when necessary. We fully implement TBAC with well-studied cryptographic primitives and blockchain platforms and present a readily available APP for regular users. We also present a case study to demonstrate how TBAC is employed to enable autonomous in-home cargo delivery while guaranteeing the access policy compliance and home owner's physical security by regulating the physical behaviors of the deliveryman.

研究动机与目标

• 为解决物联网访问控制中的关键安全缺口，特别是难以检测与追踪的过度授权攻击问题。
• 克服现有方案的局限性——粗粒度策略、审计能力薄弱以及缺乏访问流程控制。
• 设计一种动态、灵活且可问责的访问控制模型，消除对第三方服务器的依赖。
• 通过 TEE 保护的执行，实现从链上交易到链下物理行为的端到端信任扩展。
• 通过一个真实世界的室内货物递送用例，证明该方案在实际部署中的可行性与强安全保证。

提出的方法

• TBAC 将访问权限表示为 'tokoins'——由资源所有者生成的密码学数字资产，通过区块链进行管理，以确保不可篡改性与可审计性。
• 每个 tokin 编码了细粒度的访问策略，明确指定 4W（谁、何物、何时、何地）以及 1H（如何，即行为约束）以控制访问。
• 基于可信执行环境（TEE）的可信访问控制对象（TACO）在访问操作期间实时强制执行策略合规性。
• 所有链上交易（创建、转让、赎回）通过区块链保障安全，而链下访问流程则由 TACO 监控并验证。
• 系统采用轻量级密码学原原子，并使用低成本的 Cortex M23 MCU，以确保在资源受限的物联网环境中可实际部署。
• 性能在 Go-Tokoin（原生）、Quorum（联盟）和 Ethereum Mainnet（公共）三种环境中进行评估，报告了交易时间与 gas 成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使物联网访问控制具备足够细粒度，以通过精确的策略表达防止过度授权攻击？
• RQ2 能否在物联网系统中实现对访问流程的实时控制，以确保资源访问期间的行为合规？
• RQ3 如何在去中心化且可信的前提下，实现对链上与链下行为的强审计能力？
• RQ4 在低成本嵌入式物联网硬件上部署基于 TEE 的访问控制系统的性能与成本权衡如何？
• RQ5 能否构建一个实用且用户友好的应用，以证明所提出访问控制模型的可行性和优势？

主要发现

• TBAC 在使用原生 Go-Tokoin 区块链时，实现了低于60毫秒的交易确认时间，显著快于 Ethereum Mainnet（30–50 秒）和 Quorum（1 秒）。
• Go-Tokoin 私有链上无交易费用，而 Ethereum Mainnet 平均每笔交易消耗 2967k gas（2019年7月约折合14.70美元）。
• 基于 TEE 的 TACO 模块在实时访问过程中成功强制执行策略合规性，包括传感器采样与动作触发，且无需依赖链下信任。
• 该实现采用低成本的 Cortex M23 MCU（约10美元），使其在真实物联网部署中具有可行性，优于以往依赖昂贵芯片的 TEE 系统。
• 室内货物递送用例研究证实，TBAC 可安全调控物理行为——例如，防止快递员进入主房间——同时确保策略严格遵守。
• 该系统实现了从区块链到物理行为的端到端信任扩展，支持新型用例，如安全资源租赁与委托任务执行，且无需暴露凭证。