Performance of End-to-End Secure Data Sharing
Creators: name: Kühner, Holger
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: performance
cryptography
Attribute-Based Encryption
workload generation

description: Das Teilen von Daten bildet die Grundlage für nahezu jede IT-gestützte Zusammenarbeit im geschäflichen und privaten Kontext. Typische Realisierungen der Autorisierung und der Durchsetzung von Zugrifsrechten auf den gemeinsam genutzten Daten erfordern, dass die Benutzer, die Daten miteinander teilen, hinsichtlich der Vertraulichkeit und Integrität der Daten auf Dritte vertrauen müssen. Solche Realisierungen bergen also im speziellen das Risiko, dass Daten durch einen Insider- Angrif auf den vertrauenswürdigen Dritten gefährdet werden. Mit Hilfe clientseitig ausgeführter kryptographischer Operationen können die Autorisierung und die Durchsetzung von Zugrifsrechten für beliebige Speicherdienste in weiten Teilen von den Benutzern selbst durchgeführt werden, was in einem Ende-zu-Ende-gesicherten System zum Teilen von Daten (End-to-End Secure Data Sharing, E2E-SDS) resultiert. E2E-SDS-Systeme werden jedoch nur dann von potenziellen Anwendern akzeptiert, wenn die ihnen bekannten Autorisierungsprozesse weitgehend unverändert bleiben, und die Leistungseinbußen für die Autorisierung und den Datenzugriff nicht zu gravierend sind. 
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Bewertung der Leistungseinbußen, die auf einem Benutzer-Client mit einem gegebenen E2E-SDS-Protokoll in der Realität zu erwarten sind. Für bestehende E2E-SDS-Protokolle ist das asymptotische Verhalten in Bezug auf Leistungsmetriken wie Rechenzeit oder Netzwerkverkehr in der Regel bekannt. Das asymptotische Verhalten lässt jedoch nur schwache Schlussfolgerungen auf die absolute Höhe der Leistungseinbußen zu. Neben dem E2E-SDS-Protokoll selbst hängt die reale Leistung von der eingesetzten Hardware, den Sicherheitsparametern und dem konkreten Freigabe- und Nutzungsszenario ab, also vom Freigabe- und Nutzungsverhalten der Benutzer im System. Die Bewertung der realen Leistungseinbußen bringt im wesentlichen zwei Herausforderungen mit sich: Erstens muss das zu untersuchende E2E-SDS-Protokoll unter Einbeziehung der vorgenannten Einfussfaktoren auf die Leistung modelliert werden, wobei Implementierungsdetails nach Möglichkeit im Modell einfach austauschbar sind. Zweitens müssen realistische Freigabe- und Nutzungsszenarien vorliegen, die entweder auf Beobachtungen basieren, oder mit Hilfe von Schätzungen generiert werden. 
Das Ziel dieser Arbeit ist die detaillierte Bewertung der realen Leistung von E2E-SDS-Protokollen. Der Fokus der Arbeit liegt auf E2E-SDS-Protokollen, die ein gruppenbasiertes Autorisationsmodell realisieren, die es also ermöglichen, Daten mit benannten Benutzergruppen zu teilen, die von beliebigen Benutzern verwaltet werden. Diese Funktion wird von weitverbreiteten verteilten Dateisystemen wie NFSv4 oder CIFS angeboten. 
In dieser Arbeit werden Methoden zur Bewertung der realen Leistung von E2E-SDS-Protokollen vorgestellt. Aus der Beobachtung realer Speicherdienste gewonnene Freigabe- und Nutzungsszenarien werden charakterisiert und eine Methode zur Erzeugung synthetischer Freigabe- und Nutzungsszenarien eingeführt. Unter Nutzung dieses Instrumentariums wird die Leistungsfähigkeit sowohl bestehender als auch neuartiger E2E-SDS-Protokolle evaluiert und mögliche Maßnahmen zur Verbesserung der Leistung auf Seiten des Anwenders vorgeschlagen. 
Um realistische Freigabe- und Nutzungsszenarien zu erhalten, wurden die Mitglieder, Aktivitäten und Berechtigungen von Benutzergruppen auf zwei produktiven Speicherdiensten beobachtet. Die daraus resultierenden Szenarien werden hinsichtlich ausgewählter Parameter charakterisiert. 
Für die Leistungsbewertung von E2E-SDS-Protokollen in realistischen Szenarien wurden zwei Methoden entwickelt: Die analytische Methode liefert in vielen Fällen hinreichend genaue Ergebnisse. Die simulative Methode ist erforderlich, wenn die Leistung komplexer E2E-SDS-Protokolle detailliert analysiert werden soll. Für die simulative Methode wird ein Simulationsmodell vorgestellt, das einen Vergleich von E2E-SDS-Protokollen auf einer einheitlichen Abstraktionsebene ermöglicht. 
Um die Performance von E2E-SDS-Protokollen auch dann bewerten zu können, wenn keine aus Beobachtungen resultierende Freigabe- und Nutzungsszenarien vorliegen, werden synthetische Szenarien erzeugt, die auf Schätzungen bestimmter Parameter des Szenarios basieren. Dazu wird ein Erzeugungsverfahren vorgestellt, das Abhängigkeiten zwischen den vorab spezifzierten Parametern berücksichtigt. Die NP-Schwere des zugrundeliegenden Problems der Erzeugung von Szenarien wird für bestimmte Kombinationen von vorab spezifzierten Parametern bewiesen. 
Die vorgestellten Methoden zur Leistungsbewertung werden einerseits auf E2E- SDS-Protokolle angewandt, die auf traditioneller Kryptographie basieren, die also mittels symmetrischer und asymmetrischer Kryptographie Chiffrate erzeugen, die nur mit einem einzigen Schlüssel dechifriert werden können. Andererseits werden die vorgestellten Methoden auf E2E-SDS-Protokolle angewandt, die auf Attributbasierter Verschlüsselung (Attribute-Based Encryption, ABE) basieren, mit deren Hilfe eine Gruppe von Benutzern mit nur einem einzigen Chiffrat adressiert werden kann. 
Die Leistungsbewertung des traditionellen E2E-SDS-Protokolls zeigt, dass in den betrachteten Nutzungs- und Nutzungsszenarien für die meisten Autorisierungsoperationen nur geringe Leistungseinbußen zu erwarten sind. Beträchtliche Leistungseinbußen sind für Benutzer zu erwarten, die Gruppenmitgliedschafen in großen benannten Benutzergruppen verwalten, d.h. Benutzergruppen mit einigen tausend oder mehr Mitgliedern. Diese Leistungseinbußen können durch die Integration eines Group Key Management-Ansatzes deutlich gesenkt werden, also eines Ansatzes, der auf eine effiziente Verteilung und Erneuerung von kryptographischen Schlüsseln innerhalb von Benutzergruppen abzielt. 
Ein auf ABE basierendes E2E-SDS-Protokoll wird realisiert, indem bestehende ABE- Verfahren hinsichtlich ihrer Eignung für E2E-SDS evaluiert, und das attributbasierte Autorisationsmodell eines geeigneten ABE-Verfahrens auf das gruppenbasierte Autorisationsmodell abgebildet wird. Eine Leistungsbewertung verschiedener Varianten dieser Abbildung zeigt, dass das ABE-basierte Protokoll eine etwas schlechtere Leistung als das auf traditioneller Kryptographie beruhende Protokoll bietet. 
Schließlich wird ein neuartiges E2E-SDS-Protokoll vorgestellt, das auf kooperative Autorisierungsoperationen verzichtet. Diese Operationen erfordern, dass die Endgeräte der Benutzer zu jedem Zeitpunkt erreichbar und bereit für die Ausführung rechenintensiver kryptographischer Operationen sind. Diese Anforderungen sind insbesondere beim Einsatz mobiler Endgeräte nicht immer sichergestellt. Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Protokolls liegt darin, dass es den praktischen Einsatz von Hierarchien benannter Benutzergruppen in E2E-SDS ermöglicht. Die damit verbundenen, potenziell hohen Leistungseinbußen werden detailliert ausgewertet. Weiterhin wird gezeigt, dass die Unterstützung von Gruppenhierarchien ohne kooperative Autorisierungsoperationen grundsätzlich gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Aktualität der Zugrifsberechtigungen impliziert, was die Grenzen der Anwendbarkeit von E2E-SDS aufzeigt.