[논문 리뷰] DHP Framework: Digital Health Passports Using Blockchain -- Use case on international tourism during the COVID-19 pandemic

Constantinos Marios Angelopoulos, Amalia Damianou외 1명|Bournemouth University Research Online (Bournemouth University)|2020. 05. 18.

COVID-19 Digital Contact Tracing참고 문헌 30인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 코로나19 패an드믹 기간 동안 해외 여행을 위한 안전하고 상호운용 가능한 국제 이동을 가능하게 하기 위해 개인 블록체인과 권한 증명(Proof of Authority)을 활용한 디지털 헬스 패스를 발행하고 검증하는 블록체인 기반의 DHP 프레임워크를 제안한다. 디지털 서명, 암호학적 연결 및 액세스 제어를 통해 데이터 무결성, 기밀성 및 검증 가능성을 확보하며, 감염자 추적 대비 사전 대응형 접근 방식을 제공함으로써 관광 산업 회복에 기여한다.

ABSTRACT

In order to contain the COVID-19 pandemic, several countries enforced extended social distancing measures for several weeks, effectively pausing the majority of economic activities. In an effort to resume economic activity safely, several Digital Contact Tracing applications and protocols have been introduced with success. However, DCT is a reactive method, as it aims to break existing chains of disease transmission in a population. Therefore DCT is not suitable for proactively preventing the spread of a disease; an approach that relevant to certain use cases, such as international tourism, where individuals travel across borders. In this work, we first identify the limitations characterising DCT related to privacy issues, unwillingness of the public to use DCT mobile apps due to privacy concerns, lack of interoperability among different DCT applications and protocols, and the assumption that there is limited, local mobility in the population. We then discuss the concept of a Health Passport as a means of verifying that individuals are disease risk-free and how it could be used to resume the international tourism sector. Following, we present the DHP Framework that uses a private blockchain and Proof of Authority for issuing Digital Health Passports. The framework provides a distributed infrastructure supporting the issuance of DHPs by foreign health systems and their verification by relevant stakeholders, such as airline companies and border control authorities. We discuss the attributes of the system in terms of its usability and performance, security and privacy. Finally, we conclude by identifying future extensions of our work on formal security and privacy properties that need to be rigorously guaranteed via appropriate security protocols.

연구 동기 및 목표

• 팬데믹 기간 동안 반응형 디지털 접촉 추적(DCT)의 한계를 해결하여 해외 이동의 안전성을 확보하기 위해.
• 디지털 헬스 패스를 활용해 여행자의 질병 비위험 상태를 사전에 검증하는 프로악티브 시스템을 제안하기 위해.
• 외국 건강 시스템, 항공사 및 국경 관리 당국 간 기밀성, 보안성 및 상호운용성을 확보하기 위해.
• 블록체인 기술을 활용해 건강 자격 증명의 발행 및 검증을 위한 탈중앙화되고 변조 금지된 인fra스트럭처를 제공하기 위해.
• 건강 자격 증명 시스템의 보안 및 기밀성 특성에 대한 향후 연구 필요성을 체계화하기 위해.

제안 방법

• DHP 프레임워크는 권한 증명 공인 기반의 프라이빗 블록체인을 사용하여 디지털 헬스 패스(DHP)를 발행하고 저장한다.
• 각 DHP는 비대칭 암호화를 사용해 발행한 테스팅 및 헬스 시설(THF)에 의해 암호학적으로 서명되어 무결성과 진위성을 보장한다.
• 개인 신원은 기밀성 보장 암호 primitive를 사용해 여행 서류에 저장되어, 건강 데이터와 직접 연결되지 않도록 한다.
• 국경 관리 및 항공사 당국(BM)은 분산 원장 기반으로 검증을 수행하며, 특정 명단에만 한정된 데이터에 한해 액세스를 제한한다.
• 스마트 계약을 통해 책임 있는 검증 가능성을 구현하여, BM가 명단에 포함된 모든 여행자의 검증을 입증할 수 있도록 한다.
• 시스템은 접근 제어를 강제하여 오직 자격이 있는 당사자만 데이터를 검색할 수 있도록 하여, 연결 불가능성과 탐색 불가능성을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해외 여행자를 대상으로 디지털 헬스 패스를 발행하고 검증할 수 있는 탈중앙화되고 안전하며 기밀성을 보장하는 시스템을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 국경을 초월하는 건강 자격 증명 시스템에서 신뢰성과 준수를 확보하기 위해 필요한 보안 및 기밀성 특성은 무엇인가?
• RQ3 다양한 국가 건강 시스템과 항공사, 국경 관리 당국과 같은 이해관계자 간의 상호운용성을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ4 위조, 데이터 泄露 또는 무단 추적을 방지하기 위해 어떤 형식적 보안 및 기밀성 보장 조건이 필요한가?
• RQ5 데이터 무결성과 감사 가능성은 유지하면서도 '잊혀질 권리'를 어떻게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• DHP 프레임워크는 디지털 서명과 블록체인의 불변성으로 인해 데이터 무결성을 확보하여 건강 자격 증명의 변조나 위조를 방지한다.
• 각 THF의 신원이 암호학적으로 발행된 자격 증명과 연결되어 있어 DHP의 발행 과정이 검증 가능하고 책임감 있게 운영된다.
• 건강 데이터를 여행 서류에 암호학적으로 바인딩함으로써 기밀성이 보장되며, 동의 없이 개인과 직접 연결되지 않도록 한다.
• 프레임워크는 연결 불가능성(unlinkability)을 지원하여 검증자가 특정 여행 행사 외부에서 이전 테스트 결과를 여행자와 연결할 수 없도록 한다.
• 시스템은 탐색 불가능성(unexplorability)을 강제하여 호기심 있는 검증자가 특정 여행 명단에 포함되지 않은 개인의 건강 데이터에 접근할 수 없도록 한다.
• 향후 프로토콜 개발을 위해 θ-라이브니스, 일관성 및 위조 방지성과 같은 형식적 보안 특성이 필수적임을 규명하였다.