[논문 리뷰] Privacy in Blockchain Systems

Jad Wahab|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 27.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 문헌 고찰은 공개적이고 허가 없는 블록체인에서의 개인정보 보호 기법을 분석하며 비트코인과 이더리움의 접근 방식부터 제로지식 증명, 링 서명, 안전한 다자간 계산과 같은 고도의 기법에 이르기까지 살펴본다. Zcash, Hawk, Chainspace와 같은 시스템을 평가하여, 블록체인의 익명성은 급속도로 발전하고 있음에도 불구하고 확장성, 효율성, 실용적 구현 측면에서 여전히 해결되지 않은 도전 과제가 많다는 결론을 이끌어낸다.

ABSTRACT

In this literature review, we first briefly provide an introduction on the privacy aspect of blockchain systems and why it is a difficult quality to achieve, especially using traditional methods. Next, we go over a wide range of different strategies and techniques, along with their respective empirical implementations. Starting with approaches that attempted to provide privacy on Bitcoin/existing blockchain systems, then going into more advanced techniques, such as secure multi-party computations, ring signatures, and zero knowledge proofs, that construct a more advanced blockchain system from scratch with the objective of preserving privacy. Finally, we conclude that the current state of privacy on blockchains still needs work for it to be reliable. Nevertheless, the field of privacy in this domain is developing and advancing at a rapid rate.

연구 동기 및 목표

• 공개적이고 허가 없는 블록체인 시스템, 특히 비트코인과 이더리움에 대한 개인정보 보호의 현재 상태를 분석하기.
• CoinJoin과 상태 채널과 같은 전통적인 개인정보 보존 방법이 강력한 개인정보 보호 보장을 달성하는 데에 한계가 있음을 평가하기.
• 제로지식 증명, 링 서명, 안전한 다자간 계산과 같은 고도의 암호 기법을 활용해 개인정보 보호를 설계 단계부터 통합한 블록체인 시스템을 구축하기 위한 연구 수행.
• Zcash, Hawk, Chainspace와 같은 기존의 개인정보 보존 블록체인 플랫폼의 실용적 타당성과 성능 상충 관계를 평가하기.
• 확장성, 효율성, 암호학적으로 견고한 개인정보 보존을 달성하기 위한 열린 연구 과제를 규명하기.

제안 방법

• 기초적인 블록체인 시스템(비트코인과 이더리움)을 조사하고, 공개적이고 투명한 거래 장부로 인해 발생하는 본질적인 개인정보 보호 한계를 분석.
• 거래 혼합을 통해 거래 간 연결성을 은폐하고자 하는 직접적 접근 방식인 CoinJoin과 머지 피하기 기법을 검토.
• 이더리움에서의 상태 채널과 개인정보 보존 스마트 계약을 분석하며, 높은 가스 비용과 확장성 문제를 강조.
• 고도의 암호 기법을 탐색: 링 서명(예: CryptoNote), 제로지식 증명(예: Zcash/Pinocchio, ZK-SNARKs), 안전한 다자간 계산(예: Enigma).
• 개인정보 보호 설계 원칙을 적용한 시스템인 Chainspace를 평가하며, 비밀 데이터를 드러내지 않고 계산을 검증하기 위해 제로지식 증명을 사용하고, 크로스 샤딩 일致성을 확보하기 위해 샤드화된 비잔티노스 원자적 커밋(S-BAC)을 적용함.
• Chainspace의 아키텍처를 분석하며, 사용자가 계약을 로컬에서 실행하고 오직 암호화된 출력과 제로지식 증명만을 노드에 제출함으로써 개인정보 보존과 무결성을 보장함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비트코인과 이더리움과 같은 공개 블록체인의 근본적인 개인정보 보호 한계는 무엇이며, 왜 전통적 방법은 부족한가?
• RQ2 제로지식 증명과 링 서명과 같은 고도의 암호 기법이 문법적 은폐 기법에 비해 블록체인 시스템에서 개인정보 보호를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 Zcash, Hawk, Chainspace와 같은 시스템이 신뢰할 수 있는 제3자에 의존하지 않고 종단 간 개인정보 보존을 얼마나 잘 달성할 수 있는가?
• RQ4 이더리움과 같은 기존 블록체인 플랫폼에 개인정보 보존 스마트 계약을 구현할 경우 발생하는 성능 및 확장성 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 Chainspace의 샤드화된 합의 프로토콜인 S-BAC는 다수의 샤드를 통해 거래의 무결성과 개인정보 보존을 어떻게 보장하는가?

주요 결과

• CoinJoin과 상태 채널과 같은 전통적 개인정보 보존 방법은 연결 분석에 취약하며 강력한 암호학적 보장을 제공하지 못한다.
• Zcash의 ZK-SNARKs 구현은 강력한 암호학적 익명성을 제공하지만, 높은 계산 오버헤드와 신뢰 설정에 의존한다는 점에서 비용이 크다.
• Hawk의 이더리움 기반 개인정보 보존 스마트 계약은 이론적으로는 타당하지만, 과도한 가스 비용으로 인해 실용적이지 않으며, 한 예시는 배포 및 실행에 약 $94가 소요된다.
• Chainspace는 사용자가 계약을 로컬에서 실행하고 오직 제로지식 증명만을 제출함으로써 개인정보 보호 설계 원칙을 달성하며, 신뢰할 수 있는 제3자 필요 없이도 기능한다.
• Chainspace의 S-BAC 프로토콜은 비잔티노스 조건 하에서도 교차 샤딩 거래의 일관성과 장애 내성 보장을 제공하며, 3f+1 노드 구조에서 최대 f개의 악성 노드를 수용할 수 있다.
• 진전이 있었음에도 불구하고 현재의 개인정보 보존 솔루션은 여전히 비효율적이고 비용이 많이 들며, 특히 고처리량 환경에서의 실용적 도입을 제한하는 성능 저하 요인이 남아 있다.