[논문 리뷰] PrivacyGuard: Enforcing Private Data Usage Control with Blockchain and Attested Off-chain Contract Execution

Yang Xiao, Ning Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 15.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

PrivacyGuard는 블록체인과 신뢰성 실행 환경(Tee) 기반의 시스템으로, 개인 데이터 사용에 대해 세밀하고 감사 가능한 제어를 가능하게 한다. 스마트 컨트랙트를 사용해 데이터 접근 정책을 정의하고, TEE를 활용해 오프체인에서 데이터 분석을 안전하게 실행하며, 검증 가능한 결과를 공개 블록체인에 기록함으로써 기밀성, 비부인성, 준수 강제를 보장한다.

ABSTRACT

The abundance and rich varieties of data are enabling many transformative applications of big data analytics that have profound societal impacts. However, there are also increasing concerns regarding the improper use of individual data owner's private data. In this paper, we propose PrivacyGuard, a system that leverages blockchain smart contract and trusted execution environment (TEE) to enable individual's control over the access and usage of their private data. Smart contracts are used to specify data usage policy, i.e., who can use what data under which conditions and what analytics to perform, while the distributed blockchain ledger is used to keep an irreversible and non-repudiable data usage record. To address the efficiency problem of on-chain contract execution and to prevent exposing private data on the publicly viewable blockchain, PrivacyGuard incorporates a novel TEE-based off-chain contract execution engine along with a protocol to securely commit the execution result onto blockchain. We have built and deployed a prototype of PrivacyGuard with Ethereum and Intel SGX. Our experiment result demonstrates that PrivacyGuard fulfills the promised privacy goal and supports analytics on data from a considerable number of data owners.

연구 동기 및 목표

• 빅데이터 분석 및 AI 응용 분야에서 개인 데이터의 무단 사용에 대한 우려가 증가하는 데 대응하기 위해.
• 데이터 소유자가 누가 데이터에 접근할 수 있으며, 어떤 목적을 위해, 어떤 조건에서 사용할 수 있는지를 포함한 세밀한 사용 정책을 시행할 수 있도록 하기 위해.
• 블록체인 레지스트리 기록을 통해 데이터 사용에 대한 비부인성이고 무결성 있는 감사 기록을 제공하기 위해.
• 블록체인 내 스마트 컨트랙트 실행의 확장성과 기밀성 한계를 극복하기 위해 데이터 처리를 신뢰성 실행 환경(TEE)으로 오프로드하기 위해.
• 원격 인증과 암호화 기반의 약속을 통해 오프체인 데이터 처리가 정의된 정책에 따라 검증 가능하게 이루어지도록 보장하기 위해.

제안 방법

• 효율성과 기밀성을 향상시키기 위해 스마트 컨트랙트 로직을 제어(블록체인 내) 및 데이터 처리(오프체인) 컴포넌트로 분리한다.
• Intel SGX 기반 TEE를 사용해 신뢰할 수 있는 환경에서 데이터 분석을 실행함으로써 데이터 기밀성과 무결성을 보장한다.
• 데이터 처리 시작 전에 오프체인 실행 환경의 신뢰성을 검증하기 위해 원격 인증을 활용한다.
• 오프체인 계산 결과를 암호화 해시로 블록체인에 저장한 약속 프로토콜을 통해 결과의 결합을 안전하게 보장함으로써 검증 가능한 완료를 가능하게 한다.
• 비밀성 유지와 비부인성을 위해 블록체인은 데이터 접근 요청, 거래 상태, 최종 결과를 불변 레지스트리에 기록한다.
• 데이터 브로커 스마트 컨트랙트는 데이터 공유, 가격 설정, 거래 라이프사이클(완료 및 취소 포함)을 관리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 환경에서 데이터 소유자는 어떻게 세밀하고 정책 기반의 접근 및 사용 제어를 시행할 수 있는가?
• RQ2 데이터 기밀성을 훼손하지 않으면서도 오프체인 데이터 처리를 어떻게 안전하고 효율적이며 검증 가능하게 만들 수 있는가?
• RQ3 오프체인 계산의 무결성과 정확성을 어떻게 암호화적으로 블록체인에 묶어 비부인성을 확보할 수 있는가?
• RQ4 실제 데이터 마켓 환경에서 TEE와 블록체인을 결합한 데이터 사용 제어에 대한 성능 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ5 시스템은 데이터가 의도한 목적 외로 공유되거나 오용되지 않도록 보장할 수 있는가?

주요 결과

• Ethereum와 Intel SGX를 활용한 PrivacyGuard 프로토타입은 검증 가능한 결과를 제공하는 오프체인 기반의 기밀성 있는 데이터 처리의 실현 가능성을 성공적으로 입증했다.
• 블록체인을 통한 비부인성 로깅을 통해 모든 거래가 불변하고 감사 가능한 상태를 유지함을 보장했다.
• 원격 인증을 통해 오직 신뢰할 수 있고 승인된 코드만 TEE에서 실행되도록 보장하여 악성 또는 비승인된 데이터 처리를 방지했다.
• 오프체인 실행 모델은 블록체인 스마트 컨트랙트 실행 대비 상당한 블록체인 내 계산 오버헤드를 감소시키고 확장성을 향상시켰다.
• 다양한 데이터 소유자로부터 온 대규모 데이터에 대해 복잡한 분석을 수행하면서도 데이터 기밀성과 사용 정책 이행을 유지할 수 있었다.
• 약속 프로토콜을 통해 원자적이고 검증 가능한 결과 공개를 실현하여, 오직 정확하고 승인된 출력만이 블록체인에 수락됨을 보장했다.