[논문 리뷰] Privacy-Preserving P2P Energy Market on the Blockchain

Alain Brenzikofer, Noa Melchior|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 20.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 허가된 블록체인 기반의 탈중앙화된 피어 투 피어 에너지 시장에 대한 두 가지 프라이버시 보장 아키텍처를 제안하며, 에너지 입찰과 사용자 신원 간의 연결 가능성을 방지하기 위해 영지식 증명 또는 신뢰할 수 있는 실행 환경(TeEs)을 사용한다. 주요 기여는 공개 레지스트리에도 불구하고 개인의 소비 프로파일이 기밀로 유지되는 투명하고 변조 금지 가능한 시장 정산을 가능하게 하는 것이다.

ABSTRACT

Quartierstrom creates a peer-to-peer marketplace for locally generated solar power. The marketplace is implemented as a smart contract on a permissioned blockchain governed by all prosumers. Two privacy-by-design concepts are presented which guarantee that the users individual load profile is not leaked to any third party despite using a blockchain. The first approach leverages UTXO based coin mixing protocols in combination with an account-based on-chain smart contract. The second approach relies on an off-chain smart contract running in trusted execution environments.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 거래가 개인 사용자의 신원과 에너지 입찰를 연결할 수 있는 개인정보 위험을 해결하기 위해.
• 모든 거래가 검증 가능하도록 보장하면서도 개인의 소비 데이터 泄露를 방지하기 위해 시장 투명성과 무결성을 유지하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 제3자에 의존하지 않고도 프라이버시 보장 정산을 가능하게 하기 위해.
• 온체인 암호화 혼합과 오프체인 신뢰할 수 있는 실행 환경이라는 두 가지 다른 기술적 접근 방식을 평가하기 위해.
• 공개 키가 연결 가능성 위험으로 인해 개인 정보로 간주되므로 GDPR 준수를 보장하기 위해.

제안 방법

• 후속 입찰 간의 연결 가능성을 끊기 위해 쉴드된 주소와 코인 믹싱 프로토콜(예: UTXO 기반 프라이버시 기법을 통한)을 사용한다.
• 온체인에서 입찰 유효성 검증이 가능하면서도 입찰 원천을 은폐하기 위해 영지식 증명 또는 링 서명을 활용한다.
• 경매 로직을 오프체인에서 실행하기 위해 다수의 하드웨어 제조사에서 제공하는 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEEs) 네트워크를 구축한다. 이는 기밀성과 무결성을 보장한다.
• 단일 장애 지점 방지를 위해 TEE 간에 pBFT 합의를 도입하여 사이드 채널 공격에 대한 내성 강화를 도모한다.
• 안전한 암호화 통신과 시장 정산을 가능하게 하기 위해 TEE 간에 분산 키 생성(DKG)을 통해 공통 비밀을 설정한다.
• TEEs의 인증 명세를 블록체인에 고정한 레지스트리를 도입하여 중앙 기관에 의존하지 않고도 분산되고 검증 가능한 경매 에이전트 등록을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 P2P 에너지 거래를 위한 투명한 온체인 이중 경매가 시장 무결성을 훼손하지 않으면서도 사용자 프라이버시를 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ2 영지식 증명이나 링 서명과 같은 암호 기법이 에너지 입찰와 개인 사용자 간의 연결 가능성을 어느 정도 방지할 수 있는가?
• RQ3 신뢰할 수 있는 실행 환경(TeEs)이 탈중앙화된 에너지 시장에서 프라이버시를 확보하기 위해 온체인 암호화 기법의 실질적인 대안이 될 수 있는가?
• RQ4 성능, 신뢰 가정, 탈중앙화성 측면에서 온체인 프라이버시(예: ZK 증명)와 오프체인 신뢰할 수 있는 실행 간의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ5 공개 키가 연결 가능성 위험으로 인해 개인 정보로 간주되는 경우, 공개 키가 개인 정보로 간주될 수 있는 상황에서 분산형 프라이버시 보장 에너지 시장은 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 쉴드된 주소와 코인 믹싱 프로토콜을 사용함으로써, 공개 블록체인에서도 입찰자와의 연결 가능성이 효과적으로 차단된다.
• 영지식 증명 또는 링 서명의 통합은 온체인에서 무결성 검증이 가능한 상태에서 사전에 비밀 입찰이 가능하게 한다.
• TEEs에서의 오프체인 실행은 다수의 하드웨어 제조사의 제품을 사용함으로써 사이드 채널 공격에 대한 위험을 최소화할 경우 강력한 기밀성과 무결성 보장을 가능하게 한다.
• 다양한 제조사에서 제공하는 TEE 간 pBFT 합의는 내성 강화를 도모하고 특정 에이전트에 대한 신뢰도를 감소시킨다.
• 분산 키 생성(DKG) 프로토콜은 에이전트 간에 안전한 공통 비밀을 설정할 수 있게 하여 향후 기밀성 보장과 입찰의 암호화를 지원한다.
• 블록체인에 고정된 TEE 인증 명세 레지스트리는 중앙 기관에 의존하지 않고도 분산되고 검증 가능한 경매 에이전트 등록을 가능하게 한다.