[論文レビュー] Blockchain-enabled Identity Verification for Safe Ridesharing Leveraging Zero-Knowledge Proof

Wanxin Li, Collin Meese+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、許可ブロックチェーン上でゼロ知識証明（ZKP）を用いた、プライバシー保護型のライドシェアリング用身元認証システムを提案する。これにより、機密データを露呈させることなく、安全で分散型の身元認証が可能となる。システムはHyperledger FabricとHyperledger Ursaを活用し、ミリ秒未塔の低遅延認証と高いスループットを実現し、実世界への導入可能性を示している。また、盗聴やなりすまし攻撃といった一般的な攻撃に対しても耐性を示す。

ABSTRACT

The on-demand mobility market, including ridesharing, is becoming increasingly important with e-hailing fares growing at a rate of approximately 130% per annum since 2013. By increasing utilization of existing vehicles and empty seats, ridesharing can provide many benefits including reduced traffic congestion and environmental impact from vehicle usage and production. However, the safety of riders and drivers has become of paramount concern and a method for privacy-preserving identity verification between untrusted parties is essential for protecting users. To this end, we propose a novel privacy-preserving identity verification system, extending zero-knowledge proof (ZKP) and blockchain for use in ridesharing applications. We design a permissioned blockchain network to perform the ZKP verification of a driver's identity, which also acts as an immutable ledger to store ride logs and ZKP records. For the ZKP module, we design a protocol to facilitate user verification without requiring the exchange of any private information. We prototype the proposed system on the Hyperledger Fabric platform, with the Hyperledger Ursa cryptography library, and conduct extensive experimentation. To measure the prototype's performance, we utilize the Hyperledger Caliper benchmark tool to perform extensive analysis and the results show that our system is suitable for use in real-world ridesharing applications.

研究の動機と目的

• ドライバーのなりすましや性的暴行事件など、ライドシェアリングプラットフォームにおける深刻な安全とプライバシー懸念を解決すること。
• 中央集権的なプラットフォームに依存せずに、ライドシェアリングエコシステム全体にわたる分散型で普遍的な身元認証を可能にすること。
• 身元認証プロセス中に個人情報をやり取りしないことで、ユーザーのプライバシーを保護すること。
• オンデマンドモビリティサービスにおける実世界導入に適したスケーラブルで安全なシステムを設計すること。

提案手法

• システムは、走行ログとZKP認証記録を保存する改ざん防止のための台帳として、許可ブロックチェーン（Hyperledger Fabric）を用いる。
• ゼロ知識証明（ZKP）モジュールは、Hyperledger Ursaを用いて実装され、プライベートデータを露呈させることなくドライバーの身元を認証する。
• ZKPプロトコルは完全性と妥当性を保証し、証明者（ドライバー）が秘密を明かさずに、自身がその秘密を所有していることを検証者（ピアノード）に納得させることを可能にする。
• 通信オーバーヘッドを低減し、本番環境での効率を向上させるために、非インタラクティブZKPをアーキテクチャがサポートする。
• トランザクションスループットと遅延を、さまざまなワークロード下で評価するために、Hyperledger Caliperを用いてパフォーマンスベンチマークを実施する。
• ZKPの暗号的セキュリティとブロックチェーンの改ざん不能性のおかげで、盗聴や偽のドライバーなりすまし攻撃といった一般的な攻撃に対して耐性を持つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンとゼロ知識証明を組み合わせたシステムは、個人情報の露呈なしにライドシェアリングにおける安全な身元認証を実現できるか？
• RQ2 実世界のワークロード下で、提案されたZKP-over-blockchainシステムのパフォーマンスは、遅延とスループットの観点でどのようにスケーリングするか？
• RQ3 盗聴や身元なりすまし攻撃といった一般的なサイバー攻撃に対して、このシステムはどの程度耐性を示すか？
• RQ4 Hyperledger Fabricのような許可ブロックチェーンプラットフォーム上で、リアルタイムのライドシェアリングアプリケーションに適した低遅延認証を維持しながら、このシステムを導入できるか？

主な発見

• 提案されたシステムは、ZKPモジュールを用いて1ミリ秒未塔の身元認証を達成し、リアルタイムアプリケーションに適した高い効率性を示した。
• Hyperledger Fabricを基盤とするブロックチェーンネットワークは、大規模なライドシェアリング展開に適した、高スループットと低遅延を達成した。
• 盗聴攻撃に対して耐性があり、機密情報は一切送信されない。送信されるのはZKP暗号化証明のみである。
• ZKPプロトコルは、誤った運転免許証番号などの偽の身元証明を効果的に検出し、拒否することでなりすまし攻撃を防いだ。
• Hyperledger Caliperを用いたベンチマークにより、システムのスケーラビリティとさまざまな負荷条件下でのパフォーマンスが確認された。
• ZKPと許可ブロックチェーンの統合により、強固なプライバシー保証と改ざん不能な台帳による監査可能性の両方が実現された。