[논문 리뷰] Extending On-chain Trust to Off-chain -- Trustworthy Blockchain Data Collection using Trusted Execution Environment (TEE)

Chunchi Liu, Hechuan Guo외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 30.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 블록체인의 신뢰를 온체인에서 오프체인 물리 환경으로 확장하여, 백신 추적과 같은 애플리케이션을 위한 진실성 있고 실시간이며 고장 내성인 데이터 수집을 보장하는 TEE 기반 신뢰할 수 있는 환경 모니터링 시스템과 일致성 프로토콜을 제안한다. 시스템은 Arm Cortex-M33 마이크로컨트롤러를 사용하여 온도, GPS, 조도 데이터를 안전하게 감지하며, 로컬 처리 지연은 84ms, 블록체인 동기화 지연은 130ms를 기록했고, 완전한 위변조 탐지 및 비부인성 기능을 제공한다.

ABSTRACT

Blockchain creates a secure environment on top of strict cryptographic assumptions and rigorous security proofs. It permits on-chain interactions to achieve trustworthy properties such as traceability, transparency, and accountability. However, current blockchain trustworthiness is only confined to on-chain, creating a "trust gap" to the physical, off-chain environment. This is due to the lack of a scheme that can truthfully reflect the physical world in a real-time and consistent manner. Such an absence hinders further real-world blockchain applications, especially for security-sensitive ones. In this paper, we propose a scheme to extend blockchain trust from on-chain to off-chain, and take trustworthy vaccine transportation as an example. Our scheme consists of 1) a Trusted Execution Environment (TEE)-enabled trusted environment monitoring system built with the Arm Cortex-M33 microcontroller that continuously senses the inside of a vaccine box through trusted sensors and generates anti-forgery data; and 2) a consistency protocol to upload the environment status data from the TEE system to blockchain in a truthful, real-time consistent, continuous and fault-tolerant fashion. Our security analysis indicates that no adversary can tamper with the vaccine in any way without being captured. We carry out an experiment to record the internal status of a vaccine shipping box during transportation, and the results indicate that the proposed system incurs an average latency of 84 ms in local sensing and processing followed by an average latency of 130 ms to have the sensed data transmitted to and available in the blockchain.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 애플리케이션에서 온체인과 오프체인 간의 '신뢰 격차'를 해소하기 위해 오프체인 물리 데이터가 실제 세계 조건을 정확히 반영하도록 보장한다.
• 신뢰할 수 있는 물리 세계 데이터 수집을 위한 저비용, 안전하고 실용적인 시스템을 개발한다.
• 에지 디바이스에서 블록체인으로 센서 데이터를 실시간으로, 지속적으로, 고장 내성적으로 업로드할 수 있도록 보장하며, 강력한 일致성과 비부인성을 확보한다.
• 실제 백신 운송 사례를 통해 시스템의 실현 가능성과 보안성을 입증한다.

제안 방법

• Arm Cortex-M33 마이크로컨트롤러를 사용하여 하드웨어 격리된 신뢰할 수 있는 환경 감지를 위한 TEE 기반 모니터링 시스템을 구현한다.
• TEE를 통해 위변조 방지 메커니즘을 구현하여 모든 센서 데이터가 암호학적으로 인증되고 위변조 증거가 되도록 보장한다.
• 실시간으로, 지속적으로, 고장 내성적으로 센서 데이터를 블록체인에 업로드하기 위한 일치성 프로토콜을 설계한다.
• 암호학적 해시와 안전한 채널을 사용하여 물리 세계 데이터를 온체인 기록과 연결하여 종단 간 추적 가능성을 확보한다.
• 오류 복구 및 고장 내성 기능을 통합하여 전송 실패 상황에서도 보안성과 일치성을 훼손하지 않는다.
• 실제 백신 운송 시나리오를 대상으로 시스템을 평가하여 지연 시간과 물리적 위변조 및 네트워크 공격에 대한 내성을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 기반 시스템은 온체인 데이터가 오프체인 물리 세계 상태를 정확하고 지속적으로 반영할 수 있도록 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ2 TEE를 활용해 에지 디바이스에서 블록체인으로 안전하고 저지연, 고장 내성적인 데이터 전송을 가능하게 하는 시스템 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 물리적 위변조를 암호학적 비부인성 기반으로 어떻게 감지하고 방지할 수 있는가?
• RQ4 실제 에지 환경 구현에서 TEE 기반 감지 기능을 블록체인과 통합할 경우 성능 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ5 Cortex-M33과 같은 저비용 TEE 플랫폼이 물리 추적 응용 분야에서 Intel SGX와 같은 고성능 솔루션과 동일한 보안 보장을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 평균 84ms의 로컬 감지 및 처리 지연을 기록했으며, 데이터가 블록체인에서 가용해지기까지 평균 130ms의 추가 지연이 발생한다.
• TEE 기반 시스템은 모든 시도된 물리적 위변조 및 방해 공격을 성공적으로 탐지하여 강력한 물리 보안성과 비부인성을 입증했다.
• 고장 내성 프로토콜은 보안 요구사항을 완화하지 않고도 전송 실패 상황에서 복구할 수 있었으며, 데이터 일치성과 무결성을 유지했다.
• Cortex-M33 기반 구현은 Intel SGX 대비 약 10배 저렴하여 물리 추적 응용 분야에서 대규모 에지 배포에 적합하다.
• 시스템은 높은 일치성으로 물리 세계 사건을 온체인 기록과 매핑하여 종단 간 검증 가능한 백신 추적을 가능하게 했다.
• https://github.com/zhuaiballl/TEE-enabled_Trusted_Environment_Monitoring_System 에 공개된 소스코드는 백신 추적을 초월한 다른 응용 분야로의 확장성을 제공한다.