[論文レビュー] Decentralized Blockchain for Privacy-Preserving Large-Scale Contact Tracing

Wenzhe Lv, Sheng Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2020

Privacy-Preserving Technologies in Data参考文献 10被引用数 19

ひとこと要約

本論文では、Bluetooth 5.0を用いたプライバシー保護型大規模接触追跡を実現する分散型で許可なしのブロックチェーンプロトコルであるBychainを提案する。ゼロ知識証明とキーストローケージメカニズムを組み合わせることで、アイデンティティとオンチェーン上の位置データを分離し、プライバシーを確保しながら所有権の検証を可能にする。実環境における移動状態や環境要因を想定した評価により、低遅延（421 ms未満）かつ高いパフォーマンスを達成した。

ABSTRACT

Activity-tracking applications and location-based services using short-range communication (SRC) techniques have been abruptly demanded in the COVID-19 pandemic, especially for automated contact tracing. The attention from both public and policy keeps raising on related practical problems, including extit{1) how to protect data security and location privacy? 2) how to efficiently and dynamically deploy SRC Internet of Thing (IoT) witnesses to monitor large areas?} To answer these questions, in this paper, we propose a decentralized and permissionless blockchain protocol, named extit{Bychain}. Specifically, 1) a privacy-preserving SRC protocol for activity-tracking and corresponding generalized block structure is developed, by connecting an interactive zero-knowledge proof protocol and the key escrow mechanism. As a result, connections between personal identity and the ownership of on-chain location information are decoupled. Meanwhile, the owner of the on-chain location data can still claim its ownership without revealing the private key to anyone else. 2) An artificial potential field-based incentive allocation mechanism is proposed to incentivize IoT witnesses to pursue the maximum monitoring coverage deployment. We implemented and evaluated the proposed blockchain protocol in the real-world using the Bluetooth 5.0. The storage, CPU utilization, power consumption, time delay, and security of each procedure and performance of activities are analyzed. The experiment and security analysis is shown to provide a real-world performance evaluation.

研究の動機と目的

• COVID-19のようなパンデミック時における、安全でプライベート、かつスケーラブルな接触追跡の重要なニーズに対応する。
• 第三者の信頼に依存するためのデータ漏洩やプライバシー侵害を引き起こす中央集権型システムの限界を克服する。
• 都市部の大規模な地域において、IoTウェッジを効率的かつ動的に展開し、リアルタイム監視を可能にする。
• 信頼できる第三者に依存せずに、ユーザーのアイデンティティとオンチェーン上の位置証明を分離することで、強固なアイデンティティプライバシーを確保する。
• 人工ポテンシャル場に基づくインcentiveメカニズムを用いて、最適なウェッジ配置を誘導し、監視カバレッジを最大化する。

提案手法

• アイデンティティを露呈せずにプローバーの位置データを束縛するため、インタラクティブなゼロ知識証明を用いたプライバシー保護型SRCプロトコルを設計する。
• データ所有者がプライベートキーを暴露せずにオンチェーン上の位置コミットメントの所有権を証明できるキーストローケージメカニズムを実装する。
• 監査可能性と整合性を確保するため、PoL（Proof-of-Location）コミットメントと暗号的証明を統合した汎用ブロック構造を開発する。
• IoTウェッジの最適配置位置を誘導するため、人工ポテンシャル場に基づくインcentive割り当てモデルを提案する。
• 実環境での位置主張の妥当性を検証するため、オーバー・オール・エア信号伝搬モデルとRSSIベースの距離推定を統合する。
• 実際のBluetooth 5.0ハードウェア上でプロトコルを実装・評価し、ストレージ、CPU、電力、遅延、セキュリティの各分野におけるパフォーマンスを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できる第三者に依存せずに、分散型接触追跡システムにおいてアイデンティティプライバシーをどのように保護できるか？
• RQ2 どのような暗号的メカニズムが、個人のアイデンティティから分離されたまま、ユーザーに位置証明を安全に束縛できるか？
• RQ3 大規模な都市環境において、どのように効率的かつ動的にIoTウェッジを展開し、監視カバレッジを最大化できるか？
• RQ4 実際の移動状態や環境要因を想定した場合、ブロックチェーンベースの接触追跡システムが引き起こすパフォーマンスのオーバーヘッド（遅延、電力、CPU）はどの程度か？
• RQ5 信号の減衰、障害物、変動するユーザーの移動状態が存在する中で、システムはどの程度信頼性と正確性を維持できるか？

主な発見

• ネットワークの変動や伝搬遅延の影響により、キーストローケージ生成とPoLコミットメントのアップロードに要する平均遅延は最大で421 msに達したが、許容範囲内に保たれた。
• 信号伝搬遅延は相対速度や環境条件に大きく依存し、障害物の壁がBluetooth信号を遮断した際には2秒のギャップが観察された。
• セキュリティ強度（128ビット）とパフォーマンスの最適なバランスを考慮し、鍵生成にsecp256k1楕円曲線が選択された。鍵生成時間は、より高いセキュリティレベルに伴い指数関数的に増加した。
• 都市部の環境において、複数のウェッジからPoLメッセージを正常に収集できた。相互作用の時間間隔は0.4〜2秒の間で変動し、走行中のユーザーのカバレッジを維持するのに十分であった。
• 人工ポテンシャル場に基づくインcentiveメカニズムにより、高カバレッジ地域へのウェッジ展開が効果的に誘導され、監視効率が向上した。
• セキュリティ分析の結果、ゼロ知識証明とキーストローケージの組み合わせにより、ブロックチェーンが公開可能であってもオンチェーン上の位置データのデアニミズエーションが防げることが確認された。