[論文レビュー] Blockchain meets Biometrics: Concepts, Application to Template Protection, and Trends

Oscar Delgado-Mohatar, Julián Fiérrez+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 29被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、イーサリアムスマートコントラクトを活用して、改ざん不能でプライバシーを保護するストレージとオンチェーン一致を実現する、ブロックチェーンベースのフレームワークを提案する。マーチェルツリーを用いることでストレージコストとレイテンシが低減され、安全なハッシュ化によるテンプレート保護により高い一致精度を維持でき、実世界の制約下でもオンチェーンでのバイオメトリクス認証が実現可能かつ費用対効果に優れていることが示された。

ABSTRACT

Blockchain technologies provide excellent architectures and practical tools for securing and managing the sensitive and private data stored in biometric templates, but at a cost. We discuss opportunities and challenges in the integration of blockchain and biometrics, with emphasis in biometric template storage and protection, a key problem in biometrics still largely unsolved. Key tradeoffs involved in that integration, namely, latency, processing time, economic cost, and biometric performance are experimentally studied through the implementation of a smart contract on the Ethereum blockchain platform, which is publicly available in github for research purposes.

研究の動機と目的

• 分散型システムにおけるバイオメトリクステンプレート保護という重要な課題に取り組む。
• イーサリアムのようなパブリックブロックチェーンにバイオメトリクステンプレートを格納する可行性とトレードオフを評価する。
• オンチェーン対オフチェーンのバイオメトリクス一致およびテンプレート保護のパフォーマンスとコストインパクトを評価する。
• 将来の統合を検討するため、ゼロ知識証明やステートチャネルなどの高度なブロックチェーンプリミティブを検討する。
• 再現可能性および研究利用を目的として、公開可能なスマートコントラクト実装を提供する。

提案手法

• マーチェルツリー構造を用いて、イーサリアムブロックチェーン上にバイオメトリクステンプレートメタデータを格納するスマートコントラクトの実装。
• 暗号ハッシュ（例：SHA-256）を用いてバイオメトリクステンプレートを保護しつつ、安全な検証を可能にする。
• ハミング距離を用いた低複雑度の類似度スコアリングにより、オンチェーンでのバイオメトリクス一致を評価する。
• 直接テンプレート格納、ハッシュのみ格納、マーチェルツリー基盤の格納の3つの方法を、コスト、レイテンシ、スケーラビリティの観点から比較する。
• 一致精度を保持しつつプライバシーを確保するテンプレート保護技術の適用。
• ステートチャネルおよびゼロ知識証明（例：zkSNARKs）を用いた将来のスケーラビリティ向上の検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パブリックブロックチェーン（例：イーサリアム）にバイオメトリクステンプレートを、パフォーマンスやプライバシーを損なわずに安全かつ効率的に格納できるか？
• RQ2 ブロックチェーン統合バイオメトリクスシステムにおいて、レイテンシ、処理時間、経済的コスト、バイオメトリクス一致精度の間の主なトレードオフは何か？
• RQ3 マーチェルツリーの使用は、オンチェーンバイオメトリクステンプレート管理におけるストレージコストとリトリーバル効率にどのように影響するか？
• RQ4 ブロックチェーンベースのバイオメトリクスシステムにおいて、テンプレート保護メカニズムは、プライバシーを確保しつつも、どの程度の精度を維持できるか？
• RQ5 ステートチャネルやゼロ知識証明といった新たなブロックチェーン技術は、ブロックチェーン上でのバイオメトリクス認証のスケーラビリティと効率性をどの程度向上できるか？

主な発見

• イーサリアムブロックチェーン上にバイオメトリクステンプレートを直接格納することは、高額で変動するストレージコストのため現実的ではない。
• オンチェーンでバイオメトリクステンプレートを直接ハッシュ化することはより効率的だが、依然として顕著なトランザクション手数料が発生し、スケーラビリティに欠ける。
• マーチェルツリー基盤の格納により、オンチェーンストレージコストは固定かつ予測可能な水準にまで低下し、書き込み処理は10〜20秒程度である。
• ハミング距離を用いたオンチェーンバイオメトリクス一致は、単純で低複雑度のマッチャーに対して実現可能かつ費用対効果に優れている。
• 暗号ハッシュ化によるテンプレート保護は、バイオメトリクス一致精度を維持するとともにプライバシーを強化し、GDPRおよびプライバシー保護バイオメトリクス分野のベストプラクティスと整合する。
• 将来の技術としてのステートチャネルおよびゼロ知識証明は、オンチェーン計算を大幅に削減しスケーラビリティを向上させる大きな可能性を秘めているが、計算的に高負荷であり、さらなる研究が求められる。