面向动态物联网系统的灵活且可自修复的分层基于角色的访问控制

《Scientific Reports》：Flexible and self-repairing hierarchical role-based access control for dynamic IoT systems

　　

摘要

物联网 (IoT) 系统的迅速普及对访问控制机制提出了严格要求，要求其在动态权限变更、异构设备及潜在对抗性操作下仍能安全运行。传统基于角色的访问控制 (RBAC) 虽具管理简便性，但在高度动态环境中缺乏适应性；基于属性的方法虽提供灵活性，却以增加策略管理和验证复杂性为代价。在安全关键的物联网部署中，不一致的角色分配或授权元数据损坏可能直接影响系统完整性、数据机密性及运行连续性。本文提出了 FR-HRBAC，即一种面向动态物联网系统的灵活且可自愈的层级式基于角色的访问控制框架。FR-HRBAC 以层级方式组织角色和数据类型，并根据父角色权限约束派生权限。该框架结合了持续的结构验证与经过认证的回元数据。当有效的父角色、更高级祖先或受保护的 \(\textrm{rootBackup}\) 仍可用时，损坏的角色状态可被精确重建。当精确的祖先信息不可用时，FR-HRBAC 可从幸存的后代信息中推导出保守且无权限膨胀的权限状态。我们形式化地表征了层级合规性、非提权性、既定假设下的精确基于祖先的回、保守基于后代的回、终止性、存储开销以及验证与修复的计算复杂度。该框架假设访问控制服务、加密密钥及独立保护的 \(\textrm{rootBackup}\) 保持可信。这些组件的失陷、拒绝服务攻击及基础设施级故障均在当前威胁模型范围之外。我们通过授权正确性测试、损坏率实验、并发测试、用户规模扩展、存储分析以及与相关工作进行的受控对比，对一个原型实现进行了评估。结果表明，在评估的配置下，结构验证与授权元数据恢复可与低延迟授权相集成。总体而言，FR-HRBAC 通过将受控的权限灵活性与针对授权元数据损坏的精确、保守及故障安全响应相结合，解决了传统层级 RBAC 中的一个特定韧性缺口。