[論文レビュー] PrivacyGuard: Enforcing Private Data Usage Control with Blockchain and Attested Off-chain Contract Execution

Yang Xiao, Ning Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 48被引用数 5

ひとこと要約

PrivacyGuard はブロックチェーンおよび信頼実行環境（TEE）を活用したシステムであり、プライベートデータ利用に対する細分化された監査可能な制御を可能にする。スマートコントラクトを用いてデータアクセスポリシーを定義し、TEEs を用いてオフチェーンでデータ分析を安全に実行し、検証可能な結果をパブリックブロックチェーンにコミットすることで、機密性、非否認性、コンプライアンスの強制を確保する。

ABSTRACT

The abundance and rich varieties of data are enabling many transformative applications of big data analytics that have profound societal impacts. However, there are also increasing concerns regarding the improper use of individual data owner's private data. In this paper, we propose PrivacyGuard, a system that leverages blockchain smart contract and trusted execution environment (TEE) to enable individual's control over the access and usage of their private data. Smart contracts are used to specify data usage policy, i.e., who can use what data under which conditions and what analytics to perform, while the distributed blockchain ledger is used to keep an irreversible and non-repudiable data usage record. To address the efficiency problem of on-chain contract execution and to prevent exposing private data on the publicly viewable blockchain, PrivacyGuard incorporates a novel TEE-based off-chain contract execution engine along with a protocol to securely commit the execution result onto blockchain. We have built and deployed a prototype of PrivacyGuard with Ethereum and Intel SGX. Our experiment result demonstrates that PrivacyGuard fulfills the promised privacy goal and supports analytics on data from a considerable number of data owners.

研究の動機と目的

• ビッグデータ分析や AI 応用における個人データの不正利用に関する懸念の増大に対処すること。
• データ所有者が、誰がデータにアクセスできるか、何の目的でアクセスできるか、どのような条件下でアクセスできるかといった細分化された使用ポリシーを強制できること。
• ブロックチェーンレコーディングを通じて、データ利用の非否認性で信頼できる改ざん不能な監査ログを提供すること。
• オンチェーンでのスマートコントラクト実行のスケーラビリティおよび機密性の制限を克服するため、データ処理を信頼実行環境（TEEs）にオフロードすること。
• リモートアテステーションおよび暗号的コミットメントを用いて、オフチェーンでのデータ処理が定義されたポリシーに準拠していることを検証可能にすること。

提案手法

• 効率性および機密性の向上を図るため、スマートコントラクトの論理を制御（オンチェーン）およびデータ処理（オフチェーン）のコンponentsに分割する。
• Intel SGX を基盤とする TEE を用いて、データ分析を信頼できる環境で実行し、データの機密性および完全性を保証する。
• データ処理を開始する前に、オフチェーン実行環境の信頼性を検証するためにリモートアテステーションを採用する。
• オフチェーン計算の結果をブロックチェーンに格納された暗号的ハッシュに安全に束縛するコミットメントプロトコルを採用し、結果の検証可能な完了を可能にする。
• 改ざん不能なレコーディングを通じて、データアクセスリクエスト、トランザクションステータス、最終結果をブロックチェーンに記録し、非否認性を確保する。
• データブローカー スマートコントラクトが、データ共有、価格設定、トランザクションライフサイクル（完了および取り消しを含む）を管理する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散環境において、データ所有者はどのようにして、細分化されたポリシー駆動型のアクセスおよび使用制御をプライベートデータに対して強制できるか？
• RQ2 データ機密性を損なわず、オフチェーンでのデータ処理をどのようにして安全かつ効率的かつ検証可能にできるか？
• RQ3 オフチェーン計算の整合性および正しさをどのようにしてブロックチェーンに暗号的に束縛し、非否認性を実現できるか？
• RQ4 実際のデータ市場環境において、TEE とブロックチェーンを組み合わせたデータ利用制御の性能オーバーヘッドはどの程度か？
• RQ5 システムは、データが意図された目的でのみ使用され、承認された範囲を超えて共有または不正利用されないことを保証できるか？

主な発見

• Ethereum および Intel SGX を用いた PrivacyGuard のプロトタイプ実装は、検証可能な結果を持つオフチェーンでの機密データ処理の実現可能性を明確に示している。
• ブロックチェーンによるデータ利用の非否認性ログにより、すべてのトランザクションが改ざん不能かつ監査可能であることが保証されている。
• リモートアテステーションにより、信頼できる、承認済みのコードのみが TEE で実行されることを保証し、悪意あるまたは不承認のデータ処理を防止している。
• オフチェーン実行モデルにより、オンチェーンスマートコントラクト実行と比較して、オンチェーンの計算オーバーヘッドが顕著に低減され、スケーラビリティが向上している。
• 多数のデータ所有者からのデータに対して、データ機密性を保持したまま、複雑な分析を実行できる。
• コミットメントプロトコルにより、原子的かつ検証可能な結果の公開が可能であり、ブロックチェーン上では、正しいかつ承認済みの出力のみが受け入れられる。