[論文レビュー] Using Blockchain and smart contracts for secure data provenance management

Aravind Ramachandran, Murat Kantarcıoğlu|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2017

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 77

ひとこと要約

本論文は、Ethereumスマートコントラクトとオフチェーン検証スクリプトを用いて、プライバシーを保護しつつデータ由来情報を安全に取得・検証・管理するブロックチェーンベースのフレームワーク DataProv を提案する。実世界の設定で固定コストの出所記録と適度なオーバーヘッドを伴う安全な出所ログを実証する。

ABSTRACT

Blockchain technology has evolved from being an immutable ledger of transactions for cryptocurrencies to a programmable interactive the environment for building distributed reliable applications. Although, blockchain technology has been used to address various challenges, to our knowledge none of the previous work focused on using blockchain to develop a secure and immutable scientific data provenance management framework that automatically verifies the provenance records. In this work, we leverage blockchain as a platform to facilitate trustworthy data provenance collection, verification, and management. The developed system utilizes smart contracts and open provenance model (OPM) to record immutable data trails. We show that our proposed framework can efficiently and securely capture and validate provenance data, and prevent any malicious modification to the captured data as long as the majority of the participants are honest.

研究の動機と目的

• 科学的研究におけるデータ由来情報の課題、すなわち不変性・検証可能性・出所データのプライバシーを含む課題に対処する。
• スマートコントラクトと投票ベースの検証機構により出所情報の変更を記録する、分散型でインセンティブ付与されたシステムの提案。
• 機微なデータの漏洩を回避しつつ、出所情報の変更の自動検証を実現する。
• ブロックチェーンの不変性と変更検証のための乱択投票を活用して、信頼できる第三者の必要性を排除する。

提案手法

• Open Provenance Model (OPM) を用いて出所情報をモデル化し、agent、artifact、process の三つ組として表現する。
• アクセス制御と出所イベントをログエントリとして管理するオンチェーン Document Tracker コントラクトを実装する。
• 変更を承認または却下するための二つの投票方式（過半数投票と乱数閾値投票）を管理する Vote コントラクトを使用する。
• 機微情報をオンチェーンで公開することなく、クラウド上でオフチェーン検証スクリプトを実行して変更を検証する。
• 実際の出所イベントをブロックチェーンのログイベントとして保存して、オンチェーンのストレージコストを最小化する。
• ローカルのGethノードとクラウドストレージを介して Ethereum と相互作用するオフチェーンクライアントモジュールと検証スクリプトを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンとスマートコントラクトは、科学的ワークフローにおけるデータ由来情報の収集・検証・記録をどのように安全に確保できるか？
• RQ2 機微情報を漏らさずに正直な出所情報の変更を保証する投票機構とインセンティブ構造は何か？
• RQ3 分散環境で検証可能性と可用性を維持しつつ、出所情報のプライバシーをどのように保護するか？
• RQ4 実世界のシナリオにおけるブロックチェーンベースの出所システムの性能とコスト特性はどのようになるか？

主な発見

• DataProv は不変のログ記録と自動検証によって出所の痕跡を安全に取得できる。
• システムは暗号化されたハッシュとオフチェーン検証を用いて、オンチェーンに出所を記録しつつ機微データを保護する。
• 投票機構（過半数および乱択閾値）は正直さを促し、無効な変更をペナルティ付きで抑止する。エラーが検出された場合、デポジットは投票者に再分配される。
• このアプローチは Ethereum 上で、オンチェーンのコントラクトとオフチェインのクライアントという二要素アーキテクチャで実装され、実世界の文脈（臨床薬物試験と小麦生産追跡）で評価されている。
• 実験は、DataProv が出所操作に固定費を達成し、テストされたシナリオで適度なオーバーヘッドを示すことを示唆している。
• 設計は機微データをオンチェーンで保存せず、メタデータと証拠のみを保存し、実データはクラウドストレージのオフチェーンにそのまま残す。