[논문 리뷰] Blockchain-enabled Identity Verification for Safe Ridesharing Leveraging Zero-Knowledge Proof

Wanxin Li, Collin Meese외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 27.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 개인 정보 보호 기반의 린셔링용 신원 검증 시스템을 제안한다. 이 시스템은 허가된 블록체인 위에서 제로지식 증명(ZKP)을 사용하여 민감한 데이터를 폭 lộ하지 않고도 안전하고 탈중앙화된 신원 검증을 가능하게 한다. 시스템은 Hyperledger Fabric와 Hyperledger Ursa를 활용하여 밀리초 이내의 저지연 검증과 고처리량을 달성하며, 실세계 적용에 대한 타당성을 입증한다. 또한 일반적인 공격, 예를 들어 도청 및 위조 공격에 저항할 수 있다.

ABSTRACT

The on-demand mobility market, including ridesharing, is becoming increasingly important with e-hailing fares growing at a rate of approximately 130% per annum since 2013. By increasing utilization of existing vehicles and empty seats, ridesharing can provide many benefits including reduced traffic congestion and environmental impact from vehicle usage and production. However, the safety of riders and drivers has become of paramount concern and a method for privacy-preserving identity verification between untrusted parties is essential for protecting users. To this end, we propose a novel privacy-preserving identity verification system, extending zero-knowledge proof (ZKP) and blockchain for use in ridesharing applications. We design a permissioned blockchain network to perform the ZKP verification of a driver's identity, which also acts as an immutable ledger to store ride logs and ZKP records. For the ZKP module, we design a protocol to facilitate user verification without requiring the exchange of any private information. We prototype the proposed system on the Hyperledger Fabric platform, with the Hyperledger Ursa cryptography library, and conduct extensive experimentation. To measure the prototype's performance, we utilize the Hyperledger Caliper benchmark tool to perform extensive analysis and the results show that our system is suitable for use in real-world ridesharing applications.

연구 동기 및 목표

• 운전사 위조 및 성폭행 사건 등으로 인해 발생하는 린셔링 플랫폼의 심각한 안전 및 개인정보 보호 문제를 해결하기 위해.
• 중앙 집중형 플랫폼에 의존하지 않고도 린셔링 생태계 전반에서 탈중앙화되고 보편적인 신원 검증을 가능하게 하기 위해.
• 신원 검증 과정에서 비밀 정보의 교환을 제거함으로써 사용자 개인정보를 보호하기 위해.
• 실세계의 온디맨드 모빌리티 서비스에 적합한 확장성 있고 안전한 시스템을 설계하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 린셔링 로그와 ZKP 검증 기록을 저장하기 위한 변하지 않는 레거시로 허가된 블록체인(Hyperledger Fabric)을 사용한다.
• 제로지식 증명(ZKP) 모듈은 Hyperledger Ursa를 사용하여 비밀 정보를 폭로하지 않고도 운전사 신원을 검증한다.
• ZKP 프로토콜은 완전성과 타당성을 보장하여, 증명자(운전사)가 비밀 정보를 폭로하지 않고도 검증자(피어 노드)에게 신원 소유를 확신시킬 수 있도록 한다.
• 생산 환경에서의 효율성을 높이기 위해 통신 오버헤드를 줄이기 위해 비상호작용 ZKP을 지원하는 아키텍처를 구현한다.
• 거래 처리량과 다양한 워크로드 하에서의 지연 시간을 평가하기 위해 Hyperledger Caliper를 사용하여 성능을 벤치마킹한다.
• ZKP의 암호학적 보안성과 블록체인의 불변성 덕분에 도청 및 위조 운전사 스푸핑 공격에 저항할 수 있도록 설계되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제로지식 증명을 활용한 블록체인 기반 시스템이 개인 정보를 폭로하지 않고도 린셔링에서 안전한 신원 검증을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 실세계 워크로드 하에서 제안된 ZKP-블록체인 시스템의 성능은 지연 시간과 처리량 측면에서 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 도청 및 신원 위조 공격과 같은 일반적인 사이버 공격에 대해 시스템은 어느 정도 내성적인가?
• RQ4 Hyperledger Fabric와 같은 허가된 블록체인 플랫폼에 시스템을 구현할 수 있으며, 실시간 린셔링 응용 프로그램에 적합한 저지연 검증을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 ZKP 모듈을 통해 1ms 이내로 신원 검증을 수행하여 실시간 응용 프로그램에 매우 효율적임을 입증한다.
• Hyperledger Fabric 기반의 블록체인 네트워크는 높은 거래 처리량과 낮은 지연 시간을 달성하여 대규모 린셔링 구현에 적합하다.
• 민감한 정보가 전송되지 않기 때문에 도청 공격에 강력하게 저항하며, 오직 ZKP 암호화된 증명만 전송된다.
• ZKP 프로토콜은 잘못된 운전면허 번호와 같은 위조 신원 증명을 성공적으로 탐지하고 거부하여 스푸핑 공격을 방지한다.
• Hyperledger Caliper를 사용한 벤치마킹 결과, 시스템은 다양한 부하 조건 하에서도 확장성과 성능을 확보하고 있음을 확인했다.
• ZKP와 허가된 블록체인의 통합은 강력한 개인정보 보호 보장과 불변 레거시를 통한 감사 가능성이라는 이중적 이점을 제공한다.