[論文レビュー] Privacy-Preserving P2P Energy Market on the Blockchain

Alain Brenzikofer, Noa Melchior|arXiv (Cornell University)|May 20, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、許可ブロックチェーン上での分散型ピアツーピアエネルギー市場に向けた、プライバシーを守る2つのアーキテクチャを提案する。ゼロ知識証明または信頼実行環境（TEEs）を用いて、ユーザーのエネルギー入札とその身元とのリンク性を防ぐ。主な貢献は、透明かつ改ざん不能な市場決済を可能にしつつ、個々の消費プロファイルが、公開リレーギャラリーでさえも機密に保たれることを保証することにある。

ABSTRACT

Quartierstrom creates a peer-to-peer marketplace for locally generated solar power. The marketplace is implemented as a smart contract on a permissioned blockchain governed by all prosumers. Two privacy-by-design concepts are presented which guarantee that the users individual load profile is not leaked to any third party despite using a blockchain. The first approach leverages UTXO based coin mixing protocols in combination with an account-based on-chain smart contract. The second approach relies on an off-chain smart contract running in trusted execution environments.

研究の動機と目的

• ブロックチェーン取引が個々のユーザーの身元とエネルギー入札を関連付ける可能性がある分散型P2Pエネルギー市場におけるプライバシーリスクに対処すること。
• すべての取引が検証可能であることを保証する市場の透明性と整合性を維持しながら、個人の消費データの漏洩を防ぐこと。
• 信頼できる第三者に依存せずに、分散型エネルギー市場におけるプライバシー保護型決済を実現すること。
• オンチェーン暗号技術による混合とオフチェーン信頼実行環境の2つの異なる技術的アプローチを評価すること。
• 公開鍵がリンク可能性リスクを伴うため、GDPR準拠の観点から公開鍵を個人データとして扱うこと。

提案手法

• UTXOベースのプライバシーテクニックを用いたシャドウドアドレスおよびコインミキシングプロトコルを活用し、ブロックチェーン上での連続的入札間のリンク性を断つ。
• ゼロ知識証明またはリング署名を用いて、入札の出所を隠しつつ、オンチェーンでの入札正当性の検証を可能にする。
• 複数のハードウェアベンダから得られる信頼実行環境（TEEs）のネットワークを展開し、オークションロジックをオフチェーンで実行することで、機密性と整合性を確保する。
• TEEs間でpBFTコンSENSUSを採用し、単一障害点を回避し、サイドチャネル攻撃に対する耐性を高める。
• TEEs間で分散鍵生成（DKG）を実施し、安全な共有秘密の確立を可能にし、将来の機密性と安全な入札暗号化を支援する。
• TEEsの証明書のブロックチェーンベースのレジストリを導入し、中央機関に依存せずに分散型かつ検証可能なオークションエナクローブの登録を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型オンチェーン二重オークションによるP2Pエネルギー取引において、市場の整合性を損なわず、ユーザーのプライバシーをどのように保証できるか？
• RQ2 ゼロ知識証明やリング署名などの暗号技術が、エネルギー入札と個々のユーザーとのリンク性をどれほど効果的に防げるか？
• RQ3 信頼実行環境（TEEs）は、分散型エネルギー市場におけるプライバシー実現のための、オンチェーン暗号技術の代替手段として実用的か？
• RQ4 パフォーマンス、信頼仮定、分散性という観点から、オンチェーンプライバシー（例：ZK証明）とオフチェーン信頼実行環境の間のトレードオフは何か？
• RQ5 公開鍵がリンク可能性リスクを伴うため、GDPR準拠を満たすために、公開鍵を個人データとみなす場合、分散型プライバシー保護型エネルギー市場をどのように設計できるか？

主な発見

• シャドウドアドレスとコインミキシングプロトコルの使用により、公開ブロックチェーン上でも、エネルギー入札とその発信者とのリンク性が効果的に断たれる。
• ゼロ知識証明またはリング署名の統合により、入札のプライバシーを保ちつつ、オンチェーンでの取引結果の検証性を維持できる。
• TEEsにおけるオフチェーン実行により、強力な機密性と整合性の保証が可能となるが、その前提として複数のハードウェアベンダの使用がサイドチャネル攻撃の緩和に不可欠である。
• 異なるメーカーのTEEs間でpBFTコンセンサスを採用することで、耐性が向上し、特定のエナクローブへの信頼を低減できる。
• 分散鍵生成（DKG）プロトコルにより、エナクローブ間で安全な共有秘密を確立でき、将来の機密性と安全な入札暗号化を実現できる。
• ブロックチェーンにアンカーリングされたTEEs証明書のレジストリにより、中央機関に依存せず、分散型かつ検証可能なオークションエナクローブの登録が可能になる。