[논문 리뷰] Decentralized Blockchain for Privacy-Preserving Large-Scale Contact Tracing

Wenzhe Lv, Sheng Wu외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 02.

Privacy-Preserving Technologies in Data참고 문헌 10인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 블루투스 5.0를 사용한 프라이버시 보장 대규모 접촉 추적을 위한 탈중앙화되고 허가가 없는 블록체인 프로토콜인 Bychain을 제안한다. 제로지식 증명과 키 엔드 메커니즘을 조합함으로써 신원을 블록체인 상의 위치 데이터에서 분리하여 프라이버시를 보장하면서도 소유권 검증이 가능하도록 한다. 평가 결과, 저지연(421ms 이하)과 실제 이동성 및 환경 조건 하에서도 뛰어난 성능을 확보하였다.

ABSTRACT

Activity-tracking applications and location-based services using short-range communication (SRC) techniques have been abruptly demanded in the COVID-19 pandemic, especially for automated contact tracing. The attention from both public and policy keeps raising on related practical problems, including extit{1) how to protect data security and location privacy? 2) how to efficiently and dynamically deploy SRC Internet of Thing (IoT) witnesses to monitor large areas?} To answer these questions, in this paper, we propose a decentralized and permissionless blockchain protocol, named extit{Bychain}. Specifically, 1) a privacy-preserving SRC protocol for activity-tracking and corresponding generalized block structure is developed, by connecting an interactive zero-knowledge proof protocol and the key escrow mechanism. As a result, connections between personal identity and the ownership of on-chain location information are decoupled. Meanwhile, the owner of the on-chain location data can still claim its ownership without revealing the private key to anyone else. 2) An artificial potential field-based incentive allocation mechanism is proposed to incentivize IoT witnesses to pursue the maximum monitoring coverage deployment. We implemented and evaluated the proposed blockchain protocol in the real-world using the Bluetooth 5.0. The storage, CPU utilization, power consumption, time delay, and security of each procedure and performance of activities are analyzed. The experiment and security analysis is shown to provide a real-world performance evaluation.

연구 동기 및 목표

• 코로나19와 같은 팬데믹 기간 동안 안전하고 프라이버시 보장된, 확장 가능한 접촉 추적의 필수적 필요를 해결한다.
• 제3자 신뢰에 의존함으로써 발생하는 데이터 유출 및 프라이버시 침해 문제를 해결하기 위해 중앙집중식 시스템의 한계를 극복한다.
• 실시간 모니터링을 위해 대도시 지역 전역에 걸쳐 IoT 워치맨을 효율적이고 동적으로 배치할 수 있도록 한다.
• 신뢰할 수 있는 제3자에 의존하지 않고도 사용자 신원을 블록체인 상의 위치 증명에서 분리함으로써 강력한 신원 프라이버시를 보장한다.
• 인공 잠재력장 기반의 인centive 메커니즘을 통해 최적의 워치맨 배치를 유도함으로써 모니터링 커버리지를 극대화한다.

제안 방법

• 사용자 신원을 드러내지 않으면서도 위치 데이터를 증명자에 바인딩하는 상호작용 기반 제로지식 증명을 사용한 프라이버시 보장 SRC 프로토콜을 설계한다.
• 데이터 소유자가 개인 키를暴露하지 않고도 블록체인 상의 위치 기여를 소유하고 있음을 증명할 수 있도록 하는 키 엔드 메커니즘을 구현한다.
• 감사 가능성과 무결성을 확보하기 위해 PoL(위치 증명) 기여와 암호학적 증거를 통합한 일반화된 블록 구조를 개발한다.
• 최대 커버리지를 확보하기 위해 IoT 워치맨을 최적의 위치로 유도하는 인공 잠재력장 기반의 인센티브 할당 모델을 제안한다.
• 실세계 환경에서 위치 진술을 검증하기 위해 오버더어웨이 신호 전파 모델링과 RSSI 기반 거리 추정을 통합한다.
• 실제 블루투스 5.0 하드웨어에서 프로토콜을 구현하고, 스토리지, CPU, 전력, 지연, 보안 등 다양한 성능 지표를 측정하여 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 있는 제3자에 의존하지 않고도 탈중앙화된 접촉 추적 시스템에서 신원 프라이버시를 어떻게 보존할 수 있는가?
• RQ2 사용자 신원과 분리된 채로 안전하게 위치 증명을 바인딩할 수 있는 암호학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 대규모 도시 환경에서 모니터링 커버리지를 극대화하기 위해 IoT 워치맨을 어떻게 효율적이고 동적으로 배치할 수 있는가?
• RQ4 실제 이동성 및 환경 조건 하에서 블록체인 기반 접촉 추적 시스템이 초래하는 성능 오버헤드(지연, 전력, CPU)는 어느 정도인가?
• RQ5 신호 감쇠, 장애물, 다양한 사용자 이동 속도 존재하에서도 시스템은 얼마나 신뢰성 있고 정확성을 유지하는가?

주요 결과

• 네트워크 혼잡도와 전파 지연로 인해 키 엔드 생성 및 PoL 기여 업로드에 평균 421ms의 지연 시간이 발생했지만, 여전히 허용 가능한 범위 내에 유지되었다.
• 신호 전파 지연은 상대 속도와 환경 조건에 따라 크게 달라졌으며, 장벽 벽이 블루투스 신호를 차단할 경우 최대 2초의 간격이 발생했다.
• 보안 강도(128비트)와 성능 사이의 최적 균형을 고려해 secp256k1 타원곡선을 키 생성에 선택하였으며, 보안 수준이 높아질수록 키 생성 시간이 지수적으로 증가하는 경향을 보였다.
• 도시 환경에서 여러 워치맨으로부터 PoL 메시지를 성공적으로 수집하였으며, 상호작용 간격은 0.4초에서 2초 사이로, 이는 움직이는 사용자를 위한 커버리지를 유지하는 데 충분하였다.
• 인공 잠재력장 기반의 인센티브 메커니즘이 효과적으로 워치맨의 배치를 고커버리지 지역으로 유도하여 모니터링 효율성을 향상시켰다.
• 보안 분석 결과, 제로지식 증명과 키 엔드의 조합이 블록체인이 공개적으로 접근 가능하더라도 블록체인 상의 위치 데이터에 대한 디아노니마이제이션을 방지함을 확인하였다.