[논문 리뷰] Blockchain meets Biometrics: Concepts, Application to Template Protection, and Trends

Oscar Delgado-Mohatar, Julián Fiérrez외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 19.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 29인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 이더리움 스마트 계약을 활용하여 불변성과 프라이버시를 보장하는 블록체인 기반의 생체인식 템플릿 보호 프레임워크를 제안한다. 메르클 트리의 사용은 스토리지 비용과 지연 시간을 감소시키며, 안전한 해싱을 통한 템플릿 보호는 높은 일치 정확도를 유지하여 실세계의 제약 조건 하에서 블록체인 기반 생체인식 인증이 실현 가능하고 비용 효율적이게 한다.

ABSTRACT

Blockchain technologies provide excellent architectures and practical tools for securing and managing the sensitive and private data stored in biometric templates, but at a cost. We discuss opportunities and challenges in the integration of blockchain and biometrics, with emphasis in biometric template storage and protection, a key problem in biometrics still largely unsolved. Key tradeoffs involved in that integration, namely, latency, processing time, economic cost, and biometric performance are experimentally studied through the implementation of a smart contract on the Ethereum blockchain platform, which is publicly available in github for research purposes.

연구 동기 및 목표

• 분산 시스템에서 생체인식 템플릿 보호의 핵심 과제를 해결하기 위해.
• 이더리움과 같은 공공 블록체인에 생체인식 템플릿을 저장하는 것의 실현 가능성과 상호 교환 관계를 평가하기 위해.
• 블록체인 내 및 외에서의 생체인식 일치 검사 및 템플릿 보호의 성능 및 비용 영향을 평가하기 위해.
• 미래 통합을 위한 고급 블록체인 기반 기능(예: 제로지식 증명 및 스테이트 채널)을 탐색하기 위해.
• 재현 가능성과 연구 용도를 위해 공개적으로 이용 가능한 스마트 계약 구현을 제공하기 위해.

제안 방법

• 메르클 트리 구조를 사용하여 생체인식 템플릿 메타데이터를 이더리움 블록체인에 저장하기 위한 스마트 계약의 구현.
• 암호화 해싱(예: SHA-256)을 사용하여 생체인식 템플릿을 보호하면서도 안전한 검증을 가능하게 하기 위해.
• 저복잡도 유사도 측정을 위한 해밍 거리(Hamming distance)를 활용한 블록체인 내 생체인식 일치 검사 평가.
• 직접 템플릿 저장, 해시만 저장, 메르클 트리 기반 저장 간의 비용, 지연 시간, 확장성 측면에서의 비교.
• 일치 정확도를 유지하면서도 프라이버시를 보장하는 템플릿 보호 기법의 적용.
• 스테이트 채널과 제로지식 증명(zkSNARKs 등)을 통한 향후 확장성 향상 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이더리움과 같은 공공 블록체인에 생체인식 템플릿을 성능이나 프라이버시를 훼손하지 않고 안전하고 효율적으로 저장할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 통합 생체인식 시스템에서 지연 시간, 처리 시간, 경제적 비용, 생체인식 일치 정확도 간의 주요 상호 교환 관계는 무엇인가?
• RQ3 메르클 트리의 사용은 블록체인 기반 생체인식 템플릿 관리에서 스토리지 비용과 검색 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 템플릿 보호 메커니즘이 프라이버시를 보장하면서도 어느 정도까지 일치 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ5 스테이트 채널과 제로지식 증명과 같은 신규 블록체인 기술은 블록체인 기반 생체인식 인증의 확장성과 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 이더리움 블록체인에 생체인식 템플릿을 직접 저장하는 것은 높고 변동성이 큰 스토리지 비용으로 인해 실현 불가능하다.
• 블록체인 내에서 생체인식 템플릿을 직접 해싱하는 것은 더 효율적이지만 여전히 상당한 거래 수수료가 발생하고 확장성에 한계가 있다.
• 메르클 트리 기반 스토리지로 블록체인 내 스토리지 비용을 고정된 예측 가능한 수준으로 낮출 수 있으며, 쓰기 작업은 10~20초가 소요된다.
• 해밍 거리를 활용한 블록체인 내 생체인식 일치 검사는 단순하고 저복잡도 매칭기준에 대해 실현 가능하고 비용 효율적이다.
• 암호화 해싱을 통한 템플릿 보호는 생체인식 일치 정확도를 유지하면서 프라이버시를 강화하며, GDPR 및 프라이버시 보존 생체인식 분야의 최선의 실천 방식과 부합한다.
• 미래 기술인 스테이트 채널과 제로지식 증명은 블록체인 내 계산을 줄이고 확장성을 향상시키는 데 큰 잠재력을 지니고 있으나, 여전히 계산적으로 부담이 크고 향후 연구가 필요하다.