[논문 리뷰] Secure Fingerprint Alignment and Matching Protocols

Fattaneh Bayatbabolghani, Marina Blanton외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 11.

Biometric Identification and Security참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 두 명의 참여자와 다수의 참가자 환경에서 모두 작동하는 가드블링 회로와 비밀 공유 기반의 안전하고 효율적인 프로토콜을 통해 분자 기반 알고리즘을 사용한 비밀스러운 지문 정렬 및 매칭을 위한 최초의 프로토콜을 제시한다. 삼각함수 및 선택 연산을 위한 새로운 안전한 보조 프로토콜을 도입하여 다수 참가자 환경에서 1초 이내 성능을 달성하고, 실제 생체인식 인증에 실용적인 효율성을 입증한다.

ABSTRACT

We present three private fingerprint alignment and matching protocols, based on what are considered to be the most precise and efficient fingerprint recognition algorithms, which use minutia points. Our protocols allow two or more honest-but-curious parties to compare their respective privately-held fingerprints in a secure way such that they each learn nothing more than an accurate score of how well the fingerprints match. To the best of our knowledge, this is the first time fingerprint alignment based on minutiae is considered in a secure computation framework. We build secure fingerprint alignment and matching protocols in both the two-party setting using garbled circuit evaluation and in the multi-party setting using secret sharing techniques. In addition to providing precise and efficient secure fingerprint alignment and matching, our contributions include the design of a number of secure sub-protocols for complex operations such as sine, cosine, arctangent, square root, and selection, which are likely to be of independent interest.

연구 동기 및 목표

• 반간의 참여자 간에 원시 생체정보를暴露하지 않고도 지문 데이터를 안전하고 비밀스럽게 비교할 수 있도록 하는 것.
• 이전 연구에서 정렬 프로토콜이 부족했음에도 불구하고 매칭에만 집중한 점을 보완하기 위해, 기존의 분자 기반 인식 기법에 기반한 안전한 정렬 알고리즘을 설계하는 것.
• 사인,余弦,反正탄젠트 및 f번째로 작은 원소 선택과 같은 복잡한 연산을 위한 효율적이고 재사용 가능한 안전한 보조 프로토콜을 개발하여 지문 인식을 초월한 응용에 활용 가능하게 하는 것.
• 두 명의 참가자(가드블링 회로) 및 다수의 참가자(비밀 공유) 환경에서 프로토콜을 구현하고 평가하여 실용적인 성능을 입증하는 것.
• 컴퓨터 시각 분야의 널리 사용되는 정밀한 알고리즘을 기반으로 하여 기존 생체인식 표준과의 호환성을 확보하는 것.

제안 방법

• 프로토콜은 안전한 계산 프레임워크를 기반으로 구축되며, 두 명의 참여자 환경에서는 가드블링 회로를, 다수의 참가자 환경에서는 비밀 공유를 사용하며, 모두 반간 모델에 기반한다.
• 기존 연구를 영감으로 삼았지만, 안전한 계산 환경에서의 효율성과 정확성을 고려해 수정한 고정소수점 사인,余弦,反正탄젠트 함수를 위한 새로운 안전한 보조 프로토콜을 설계한다.
• 효율적인 제곱근 표본 추출 알고리즘을 기반으로 하여 누출을 최소화하는 새로운 안전하고 데이터 무관(데이터 오블리비어스)한 f번째로 작은 원소 선택 프로토콜을 제안한다.
• 세 가지 잘 알려진 알고리즘을 사용하여 세 가지 안전한 지문 정렬 및 매칭 프로토콜을 구현한다: 상호 기하 변환, 곡률 기반 정렬, 스펙트럼 분자 표현.
• 실행 시간과 게이트 수를 측정하여, GC 및 SS 프레임워크에서 스펙트럼 분자 표현(SpectralFR)을 사용해 평가를 수행한다.
• 반절 게이트 최적화를 통해 통신 오버헤드를 최소화하고, 회로 가드블링을 오프라인으로 수행하여 온라인 지연 시간을 줄인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 연구에서 간과되었던 정렬 단계를 포함한 전체 지문 인식 파이프라인에 대해 안전한 계산이 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 고정소수점 값에 대해 사인,余弦,反正탄젠트와 같은 기본 수치 연산을 개인정보 보호 환경에서 안전하게 계산하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 집합 내에서 f번째로 작은 원소를 선택하는 복잡한 연산을 안전하게 계산할 경우 발생하는 성능 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ4 가드블링 회로와 비밀 공유 중 어떤 안전한 계산 프레임워크를 선택하느냐가 지문 매칭 프로토콜의 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 생체인식 시스템에 실용적으로 구현 가능한 수준으로 안전한 지문 정렬 및 매칭을 효율적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 비밀 공유 기반의 다수 참가자 환경에서 스펙트럼 분자 표현(SpectralFR) 기반의 안전한 지문 매칭 프로토콜은 1초 이내로 실행되어 실용적인 효율성을 입증한다.
• 두 명의 참여자 가드블링 회로 환경에서는 동일한 프로토콜이 수십 초가 소요되며, 통신이 총 시간의 약 57%를 차지하여 주요 성능 저하 원인이 된다.
• 비밀 공유 환경에서 계산 단계는 총 시간의 73~79%를 차지하며, 이는 이 모델에서 현지 계산이 주요 비용임을 시사한다.
• 프로토콜은 약 27.6%의 비-XOR 게이트를 사용하며, 게이트 수가 관리 가능하여 실용적 구현에 충분하다.
• 비밀 공유 기반의 접근 방식은 SpectralFR가 행렬 곱셈에 크게 의존하기 때문에, 곱셈이 많은 연산에 비해 가드블링 회로보다 훨씬 뛰어난 성능을 보여준다.
• 구현 결과는 비밀스러운 지문 정렬이 실현 가능하고 특히 다수 참가자 환경에서 효율적임을 보이며, 기존의 매칭 전용 접근 방식에 비해 인식 파이프라인의 완전성을 높인다.