[论文解读] DHP Framework: Digital Health Passports Using Blockchain -- Use case on international tourism during the COVID-19 pandemic

Constantinos Marios Angelopoulos, Amalia Damianou+1 more|Bournemouth University Research Online (Bournemouth University)|May 18, 2020

COVID-19 Digital Contact Tracing参考文献 30被引用 24

一句话总结

本文提出了DHP框架，这是一种基于区块链的系统，通过使用私有区块链和权威证明机制，实现新冠疫情期间安全、互操作的国际旅行数字健康护照的签发与验证。该系统通过数字签名、密码学链接和访问控制确保数据完整性、隐私性和可验证性，为旅游业复苏提供主动式替代方案，而非依赖被动的接触追踪。

ABSTRACT

In order to contain the COVID-19 pandemic, several countries enforced extended social distancing measures for several weeks, effectively pausing the majority of economic activities. In an effort to resume economic activity safely, several Digital Contact Tracing applications and protocols have been introduced with success. However, DCT is a reactive method, as it aims to break existing chains of disease transmission in a population. Therefore DCT is not suitable for proactively preventing the spread of a disease; an approach that relevant to certain use cases, such as international tourism, where individuals travel across borders. In this work, we first identify the limitations characterising DCT related to privacy issues, unwillingness of the public to use DCT mobile apps due to privacy concerns, lack of interoperability among different DCT applications and protocols, and the assumption that there is limited, local mobility in the population. We then discuss the concept of a Health Passport as a means of verifying that individuals are disease risk-free and how it could be used to resume the international tourism sector. Following, we present the DHP Framework that uses a private blockchain and Proof of Authority for issuing Digital Health Passports. The framework provides a distributed infrastructure supporting the issuance of DHPs by foreign health systems and their verification by relevant stakeholders, such as airline companies and border control authorities. We discuss the attributes of the system in terms of its usability and performance, security and privacy. Finally, we conclude by identifying future extensions of our work on formal security and privacy properties that need to be rigorously guaranteed via appropriate security protocols.

研究动机与目标

• 解决在疫情期间，被动式数字接触追踪（DCT）在实现安全国际旅行方面的局限性。
• 提出一种主动系统，通过数字健康护照验证旅行者的无疾病风险状态。
• 确保在外国卫生系统、航空公司和边境管理部门之间实现隐私保护、安全和互操作性。
• 利用区块链技术提供去中心化、防篡改的基础设施，用于签发和验证健康凭证。
• 明确未来在健康凭证系统中安全与隐私属性方面的研究需求。

提出的方法

• DHP框架使用带有权威证明共识机制的私有区块链，用于签发和存储数字健康护照（DHPs）。
• 每个DHP均由签发检测与健康机构（THF）使用非对称加密技术进行密码学签名，以确保完整性和真实性。
• 通过使用隐私保护密码原语存储旅行证件，将个人身份与健康数据进行加密绑定，防止直接关联。
• 边境控制和航空公司机构（BM）通过分布式账本执行验证，且仅限访问与特定航班清单相关的数据。
• 提出使用智能合约以实现可问责的可验证性，使BM能够证明其已验证清单中所有旅行者的身份。
• 系统通过访问控制机制确保仅授权方能检索数据，从而保护不可链接性和不可探索性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种去中心化、安全且保护隐私的系统，以签发和验证国际旅行者的数字健康护照？
• RQ2 为确保跨境健康凭证系统中的信任与合规性，需要哪些安全与隐私属性？
• RQ3 该系统如何确保在不同国家卫生系统以及航空公司和边境管理部门等利益相关方之间的互操作性？
• RQ4 需要哪些形式化的安全与隐私保障措施，以防止伪造、数据泄露或未经授权的追踪？
• RQ5 在保持数据完整性和可审计性的同时，系统如何支持被遗忘权？

主要发现

• DHP框架通过数字签名和区块链的不可篡改性确保数据完整性，防止健康凭证被篡改或伪造。
• 系统提供可验证且可问责的DHP签发机制，每个THF的身份均通过密码学方式与其签发的凭证绑定。
• 通过将健康数据与旅行证件加密绑定，保护隐私，防止在未经同意的情况下直接关联到个人。
• 该框架支持不可链接性，确保验证方无法将某位旅行者过去的检测结果与其关联，除非在特定旅行事件范围内。
• 系统实现不可探索性，防止好奇的验证方访问不在特定航班清单上的个人的健康数据。
• 识别出形式化安全属性如θ-活性、一致性与不可伪造性，作为未来协议开发的关键要素。