[論文レビュー] Extending On-chain Trust to Off-chain -- Trustworthy Blockchain Data Collection using Trusted Execution Environment (TEE)

Chunchi Liu, Hechuan Guo+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、TEEを活用した信頼できる環境監視システムと一貫性プロトコルを提案し、ブロックチェーンの信頼性をオンチェーンからオフチェーンの物理的環境へ拡張することで、ワクチン追跡などのアプリケーションにおける真実性・リアルタイム性・耐障害性を確保したデータ収集を実現する。システムはArm Cortex-M33 MCUを用い、温度・GPS・光のデータを安全にセンシングし、84msのローカル処理遅延と130msのブロックチェーン同期遅延を達成するとともに、完全な改ざん検出機能と非否認性を備えている。

ABSTRACT

Blockchain creates a secure environment on top of strict cryptographic assumptions and rigorous security proofs. It permits on-chain interactions to achieve trustworthy properties such as traceability, transparency, and accountability. However, current blockchain trustworthiness is only confined to on-chain, creating a "trust gap" to the physical, off-chain environment. This is due to the lack of a scheme that can truthfully reflect the physical world in a real-time and consistent manner. Such an absence hinders further real-world blockchain applications, especially for security-sensitive ones. In this paper, we propose a scheme to extend blockchain trust from on-chain to off-chain, and take trustworthy vaccine transportation as an example. Our scheme consists of 1) a Trusted Execution Environment (TEE)-enabled trusted environment monitoring system built with the Arm Cortex-M33 microcontroller that continuously senses the inside of a vaccine box through trusted sensors and generates anti-forgery data; and 2) a consistency protocol to upload the environment status data from the TEE system to blockchain in a truthful, real-time consistent, continuous and fault-tolerant fashion. Our security analysis indicates that no adversary can tamper with the vaccine in any way without being captured. We carry out an experiment to record the internal status of a vaccine shipping box during transportation, and the results indicate that the proposed system incurs an average latency of 84 ms in local sensing and processing followed by an average latency of 130 ms to have the sensed data transmitted to and available in the blockchain.

研究の動機と目的

• オンチェーンとオフチェーンの間の『信頼ギャップ』を埋めるために、オフチェーンの物理的データが現実の状態を真に反映することを保証すること。
• 信頼できる実装を可能にする低コストで安全かつ実用的なシステムを、信頼実行環境（TEE）を用いて開発すること。
• エッジデバイスからブロックチェーンへのセンサーデータのリアルタイムで継続的かつ耐障害的なアップロードを可能にし、強い一貫性と非否認性を実現すること。
• 実世界のワクチン追跡を事例として、システムの実現可能性とセキュリティを実証すること。

提案手法

• Arm Cortex-M33マイコンを用いて、ハードウェア的に隔離された信頼できる環境センシングを実現するTEE対応監視システムを導入し、温度・GPS・光などの環境状態を測定する。
• TEEを活用した改ざん防止機構を実装し、すべてのセンサーデータが暗号的に認証され、改ざんの兆候が明確に検出されることを保証する。
• リアルタイムで継続的かつ耐障害的なデータアップロードを可能にする一貫性プロトコルを設計し、データの完全性と可用性を確保する。
• 暗号ハッシュ関数とセキュアな通信チャネルを用いて、物理世界のデータをオンチェーンの記録と強く関連づけ、エンドツーエンドの追跡可能性を実現する。
• 障害回復機構と耐障害性を統合し、通信障害が発生してもセキュリティや一貫性を損なわないようにする。
• 実世界のワクチン輸送シナリオを用いてシステムを評価し、遅延と物理的改ざん・ネットワーク攻撃に対する耐性を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンベースのシステムは、オンチェーンのデータがオフチェーンの物理的状態を真に反映し続けられるようにどのように保証できるか？
• RQ2 TEEを用いてエッジデバイスからブロックチェーンへの安全で低遅延かつ耐障害的なデータ伝送を実現するためのシステムアーキテクチャは何か？
• RQ3 物理的改ざんや監視対象資産の不正操作を、暗号的非否認性を用いてどのように検出・防止できるか？
• RQ4 実世界のエッジデプロイにおいて、TEEベースのセンシングをブロックチェーンに統合する際のパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ5 Intel SGXのような高価なソリューションと同等のセキュリティ保証を、Cortex-M33のような低コストTEEプラットフォームが物理的追跡用途で達成できるか？

主な発見

• システムは平均84msのローカルセンシングおよび処理遅延を達成し、追加で平均130msの遅延でデータがブロックチェーンに利用可能になる。
• TEEベースのシステムは、すべての物理的改ざんやジャミング攻撃を正常に検出でき、強力な物理的セキュリティと非否認性を実証した。
• 耐障害性を持つプロトコルは、通信障害に対してもセキュリティ要件を緩めることなく回復可能であり、データの一貫性と完全性を維持した。
• Cortex-M33を用いた実装はIntel SGXと比較して約10倍安価であり、物理的追跡用途における大規模なエッジデプロイに実用的であることを示した。
• システムは物理的出来事とオンチェーン記録との間で高い一貫性を維持し、エンドツーエンドで検証可能なワクチン追跡を実現した。
• https://github.com/zhuaiballl/TEE-enabled_Trusted_Environment_Monitoring_System に公開されたオープンソース実装により、ワクチン追跡を超えた他の応用分野への拡張が可能である。