[論文レビュー] BSSSQS: A Blockchain Based Smart and Secured Scheme for Question Sharing in the Smart Education System

Anik Islam, Md. Fazlul Kader+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Cryptography and Data Security参考文献 32被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、スマート教育システムにおける安全で分散型の問題共有のためのブロックチェーンベースの手法BSSSQSを提案する。二段階の暗号化手法を用い、タイムスタンプとハッシュチェインを組み合わせて試験問題を保護し、スマートコントラクトを介して時刻ロックされたアクセスを実装し、ランダムかつ安全な問題選択を可能にする。形式的解析と比較評価を通じて、従来のモデルに比べて優れたセキュリティと整合性を示している。

ABSTRACT

Existing education systems are facing a threat of question paper leaking (QPL) in the exam which jeopardizes the quality of education. Therefore, it is high time to think about a more secure and flexible question sharing system which can prevent QPL issue in the future education system. Blockchain enables a way of creating and storing transactions, contracts or anything that requires protection against tampering, accessing etc. This paper presents a new scheme for smart education, by utilizing the concept of blockchain, for question sharing. A two-phase encryption technique for encrypting question paper (QSP) is proposed. In the first phase, QSPs are encrypted using timestamp and in the second phase, previous encrypted QSPs are encrypted again using a timestamp, salt hash and hashes from previous QSPs. These encrypted QSPs are stored in the blockchain along with a smart contract which helps the user to unlock the selected QSP. An algorithm is also proposed for selecting a QSP for the exam which picks a QSP randomly. Moreover, a timestamp based lock is imposed on the scheme so that no one can decrypt the QSP before the allowed time. Finally, security is analyzed by proving different propositions and the superiority of the proposed scheme over existing schemes is proven through a comparative study based on the different features.

研究の動機と目的

• 発展途上国を含む教育機関における問題用紙の漏洩（QPL）の増加する脅威に対処すること。
• スマート教育環境における試験問題の共有のための安全で分散型で改ざんができないシステムを設計すること。
• ブロックチェーン技術を活用して、試験問題のデータ整合性、機密性、アクセス制御を確保すること。
• 独占的な事前アクセスを防ぐために、新規の二段階暗号化メカニズムと時刻ロックアクセス制御を導入すること。
• 試験の公平性を高め、予測可能性を低減するために、ランダムかつ予測不能な問題選択を可能にすること。

提案手法

• 二段階暗号化プロセスを適用する：まず、各問題用紙（QSP）をタイムスタンプで暗号化し、次にその結果を直前のQSPのハッシュ値、ソルト、および新しいタイムスタンプを用いて再暗号化する。
• ブロックチェーン上にスマートコントラクトをデプロイし、アクセス制御を管理し、指定された時刻に達した後のみQSPをアンロックする。
• タイムスタンプベースのロックメカニズムにより、試験指定時刻以前の復号を防止し、不正アクセス試行に対してリアルタイムアラートを発動する。
• ランダム化アルゴリズムを用いて試験用のQSPを選択し、予測不能性と公平性を確保する。
• すべての暗号化済みQSPを許可されたブロックチェーンに保存することで、改ざん不能性と監査可能性を確保する。
• アーキテクチャは、中央集権的な機関に依存せずに、リモートの試験会場間でのQSPの分散共有をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーン技術をどのように活用することで、スマート教育システムにおける問題用紙の漏洩（QPL）を防げるか？
• RQ2 試験問題の配布前後において、機密性と整合性を両立させる暗号化メカニズムは何か？
• RQ3 試験問題の早期復号を防ぐために、時刻ロックアクセス制御をどのように実装できるか？
• RQ4 提案されたランダム化アルゴリズムは、問題選択の公平性を高め、予測可能性を低減する点でどの程度の効果を示すか？
• RQ5 BSSSQSは、セキュリティと信頼性の観点から、既存の中央集権的およびブロックチェーン非対応の問題共有方式に比べて、どのように優れているか？

主な発見

• 提案された二段階暗号化メカニズムは、時刻ベースの難読化と直前のQSPの暗号的チェインを組み合わせることで、セキュリティを顕著に向上させる。
• ブロックチェーンの統合により、データの改ざん不能性が保証され、保存済みの問題用紙に対する不正な変更が不可能になる。
• タイムスタンプロックメカニズムにより、指定された試験時刻以前のQSPへのアクセスが効果的に防止され、不正アクセス試行に対してリアルタイムアラートが発動する。
• ランダム化アルゴリズムにより、誰もどのQSPが選ばれるかを予測できなくなるため、試験の公平性が向上し、共謀のリスクが低減する。
• セキュリティ解析により、BSSSQSがリプレイ攻撃、遅延付きリプレイ攻撃、MITM攻撃といった一般的な攻撃に対して耐性があることが証明された。
• 包括的な比較により、BSSSQSはブロックチェーン対応、暗号化、タイムスタンプロック、分散共有のすべての主要機能において、既存の方式を上回っていることが示された。