[논문 리뷰] BSSSQS: A Blockchain Based Smart and Secured Scheme for Question Sharing in the Smart Education System

Anik Islam, Md. Fazlul Kader외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 05.

Cryptography and Data Security참고 문헌 32인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스마트 교육 시스템에서 안전하고 탈중앙화된 질문 공유를 위한 블록체인 기반 기법인 BSSSQS를 제안한다. 이 기법은 타임스탬프 및 해시 체이닝을 사용하는 두 단계 암호화 방식을 통해 시험지의 보안을 강화하고, 스마트 계약을 통해 시간 잠금 접근을 강제하며, 랜덤하고 안전한 질문 선택 기능을 제공한다. 공식적 분석과 비교 평가를 통해 기존 모델 대비 뛰어난 보안성과 무결성을 입증한다.

ABSTRACT

Existing education systems are facing a threat of question paper leaking (QPL) in the exam which jeopardizes the quality of education. Therefore, it is high time to think about a more secure and flexible question sharing system which can prevent QPL issue in the future education system. Blockchain enables a way of creating and storing transactions, contracts or anything that requires protection against tampering, accessing etc. This paper presents a new scheme for smart education, by utilizing the concept of blockchain, for question sharing. A two-phase encryption technique for encrypting question paper (QSP) is proposed. In the first phase, QSPs are encrypted using timestamp and in the second phase, previous encrypted QSPs are encrypted again using a timestamp, salt hash and hashes from previous QSPs. These encrypted QSPs are stored in the blockchain along with a smart contract which helps the user to unlock the selected QSP. An algorithm is also proposed for selecting a QSP for the exam which picks a QSP randomly. Moreover, a timestamp based lock is imposed on the scheme so that no one can decrypt the QSP before the allowed time. Finally, security is analyzed by proving different propositions and the superiority of the proposed scheme over existing schemes is proven through a comparative study based on the different features.

연구 동기 및 목표

• 특히 개발도상국에서 증가하는 문제로 대두되고 있는 학업 기관 내 시험지 泄密(QPL) 문제를 해결하기 위해.
• 스마트 교육 환경에서 시험 문제를 안전하고 탈중앙화되며 변조 방지 가능한 방식으로 공유하기 위한 시스템을 설계하기 위해.
• 시험지의 데이터 무결성, 기밀성, 접근 제어를 보장하기 위해 블록체인 기술을 활용하기 위해.
• 시험지의 사전 유출을 방지하기 위해 신규로 제안된 두 단계 암호화 메커니즘과 시간 잠금 접근 제어를 도입하기 위해.
• 시험의 공정성과 예측 불가능성을 높이기 위해 시험에 사용될 질문들을 랜덤하고 예측 불가능하게 선택할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 두 단계 암호화 과정을 적용한다: 첫째, 각 시험지(QSP)는 타임스탬프를 사용하여 암호화되고, 둘째, 이 결과는 이전 QSP의 해시, 솔트, 그리고 새로운 타임스탬프를 사용하여 재암호화된다.
• 블록체인에 스마트 계약을 배포하여 접근 제어를 관리하고, 지정된 시간 이후에만 QSP를 해제한다.
• 타임스탬프 기반 잠금 메커니즘은 지정된 시험 시간 이전에는 복호화를 방지하며, 비정상적인 접근 시도 시 실시간 경고 시스템을 작동시킨다.
• 시험에 사용될 QSP를 선택하기 위해 랜덤화 알고리즘을 사용하여 예측 불가능성과 공정성을 보장한다.
• 모든 암호화된 QSP는 권한이 있는 블록체인에 저장되어 무결성과 감사 가능성을 확보한다.
• 아키텍처는 분산된 시험 센터 간 QSP의 분산 공유를 지원하여 중심화된 기관에 대한 의존도를 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트 교육 시스템에서 블록체인 기술을 어떻게 활용하여 시험지 泄密(QPL)을 방지할 수 있는가?
• RQ2 시험지의 배포 이전 및 동안 기밀성과 무결성을 모두 보장하는 암호화 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 시험지의 조기 복호화를 방지하기 위해 시간 잠금 접근 제어를 어떻게 구현할 수 있는가?
• RQ4 제안된 랜덤화 알고리즘이 질문 선택의 공정성 향상과 예측 가능성 감소에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 보안성과 신뢰성 측면에서 BSSSQS는 기존의 중심화된 또는 블록체인 기반 외의 질문 공유 기법들보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 제안된 두 단계 암호화 메커니즘은 시간 기반의 가림 기법과 이전 QSP의 암호학적 체이닝을 결합함으로써 보안성을 크게 향상시킨다.
• 블록체인 통합을 통해 데이터의 불변성 확보 및 저장된 시험지의 불법 수정 방지 기능을 확보한다.
• 타임스탬프 잠금 메커니즘은 지정된 시험 시간 이전에 QSP에 대한 접근을 성공적으로 차단했으며, 비정상적인 접근 시도 시 실시간 경고 기능도 작동했다.
• 랜덤화 알고리즘은 사용자가 어떤 QSP가 선택될지 예측할 수 없게 하여 시험의 공정성을 높이고, 공모 위험을 감소시켰다.
• 보안 분석 결과, BSSSQS는 재생 공격, 지연된 재생 공격, 중간자 공격 등의 일반적인 공격에 강건함을 입증했다.
• 포괄적인 비교 평가 결과, BSSSQS는 블록체인 지원, 암호화, 타임스탬프 잠금, 분산 공유 등 핵심 기능 전반에서 기존 기법들을 압도적으로 뛰어넘는 성능을 보였다.