[논문 리뷰] Transforming face-to-face identity proofing into anonymous digital identity using the Bitcoin blockchain

Daniel Augot, Hervé Chabanne외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 09.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 기반 신원 시스템을 제안하며, 비트코인 블록체인을 활용해 대면 신원 확인을 익명적인 디지털 신원으로 전환한다. Brand의 지식이 없는 증명 기법과 머클 트리를 활용함으로써 사용자가 선택적 공개 방식으로 신원을 증명할 수 있도록 하면서도, 비트코인의 합의 기반으로 복구 및 업데이트를 효율적으로 관리하여, 최소한의 대역폭 오버헤드로 개인정보 보호 기능을 갖춘 확장 가능한 신원 검증을 실현한다.

ABSTRACT

The most fundamental purpose of blockchain technology is to enable persistent, consistent, distributed storage of information. Increasingly common are authentication systems that leverage this property to allow users to carry their personal data on a device while a hash of this data is signed by a trusted authority and then put on a blockchain to be compared against. For instance, in 2015, MIT introduced a schema for the publication of their academic certificates based on this principle. In this work, we propose a way for users to obtain assured identities based on face-to-face proofing that can then be validated against a record on a blockchain. Moreover, in order to provide anonymity, instead of storing a hash, we make use of a scheme of Brands to store a commitment against which one can perform zero-knowledge proofs of identity. We also enforce the confidentiality of the underlying data by letting users control a secret of their own. We show how our schema can be implemented on Bitcoin's blockchain and how to save bandwidth by grouping commitments using Merkle trees to minimize the number of Bitcoin transactions that need to be sent. Finally, we describe a system in which users can gain access to services thanks to the identity records of our proposal.

연구 동기 및 목표

• 대면 신원 확인 기반으로 암호학적으로 신뢰할 수 있는 디지털 신원을 사용자가 확보할 수 있도록 하는 것.
• 신원 해시를 저장하지 않고 지식이 없는 암호화 기반의 암호적 약속을 사용함으로써 강력한 익명성을 제공하는 것.
• 중앙 집중식 복구 목록에 의존하지 않고도 비트코인 블록체인을 통해 안전하고 효율적인 신원 기록의 복구 및 업데이트를 가능하게 하는 것.
• 머클 트리 집계 및 단순화된 검증을 통해 대역폭 및 거래 비용을 최소화하는 것.
• 사용자가 서비스에 블록체인에 저장된 신원을 사용해 인증할 수 있는 실제 응용 사례에 시스템을 통합하는 것.

제안 방법

• 이름 없는 증명 기반의 선택적 공개 신원 체계인 Brands의 기법을 활용하여 이산 로그 표현(Discrete Logarithm Representation, DLREP)을 기반으로 신원 데이터를 노출하지 않은 채로 바인딩한다.
• 신원 속성에 대한 암호적 약속을 해시 대신 비트코인 블록체인에 저장함으로써, 지식이 없는 증명을 통한 소유 증명이 가능해진다.
• 여러 사용자 약속을 그룹화하기 위해 머클 트리를 활용함으로써 필요한 비트코인 거래 수를 줄이고 대역폭을 최소화한다.
• 사용자가 블록 헤더와 인증 경로만을 사용하여 자신의 신원 기록 상태를 확인할 수 있도록 하며, 이는 단순화된 지불 검증(Simplified Payment Verification, SPV) 클라이언트와 호환된다.
• 초기 인증 단계에서 기존의 공개 키 인프라(PKI)와 통합하여 호환성을 확보하면서도, 장기적인 무결성과 복구 기능은 블록체인을 통해 활용한다.
• 신원 검증자, 서비스 활성화자, 사용자로 구성된 시스템 아키텍처를 설계하며, 서비스 활성화자는 머클 트리를 유지하고 상태 업데이트를 제공하지만 사용자 신원을 알 수 없다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공개 블록체인을 활용해 대면 신원 확인을 어떻게 지속적이고 익명적인 디지털 신원으로 전환할 수 있는가?
• RQ2 지식이 없는 증명을 효과적으로 활용해 신원 속성의 선택적 공개를 가능하게 하면서도 개인정보 보호를 유지할 수 있는가?
• RQ3 중앙 집중식 목록에 의존하지 않고도 비트코인과 같은 공개 블록체인에서 신원 복구 및 업데이트를 효율적으로 관리할 수 있는가?
• RQ4 머클 트리와 SPV 클라이언트를 사용해 최신 신원 상태를 유지하는 데 발생하는 대역폭 및 거래 비용 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ5 기존의 CRL 및 OCSP와 같은 전통적인 PKI 복구 메커니즘과 비교했을 때 제안된 시스템은 보안성과 효율성 면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 사용자 익명성을 확보하기 위해 해시 대신 약속을 저장하고, 지식이 없는 증명을 통해 신원 속성의 선택적 공개가 가능해진다.
• 신원 상태를 확인하기 위한 사용자 대역폭 요구량은 활동 수준에 따라 약 780바이트에서 1664바이트 사이로 유지되어 매우 낮다.
• 머클 트리의 활용으로 여러 사용자 약속을 하나의 트리로 묶어 필요한 비트코인 거래 수를 줄였다.
• 복구 및 업데이트 메커니즘은 블록체인의 기본 거래 모델에 통합되어 외부에서 접근 불가능한 복구 목록에 의존하지 않는다.
• 비트코인의 보안 모델을 그대로 이식함으로써 복구 인프라에 대한 DoS 공격에 대한 방어가 가능해졌으며, 이는 이러한 공격에 강건하다.
• SPV 클라이언트를 통한 신원 상태 검증은 10분마다 약 80바이트의 블록 헤더와 각 검증 시 약 1KB의 데이터만 필요로 하여 경량 클라이언트에서도 실용적으로 사용할 수 있다.