[论文解读] Blockchain-enabled Identity Verification for Safe Ridesharing Leveraging Zero-Knowledge Proof

Wanxin Li, Collin Meese+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 21被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于零知识证明（ZKP）和许可区块链的隐私保护拼车身份验证系统，实现安全、去中心化的身份验证，同时不暴露敏感数据。该系统利用 Hyperledger Fabric 和 Hyperledger Ursa 实现毫秒级低延迟验证和高吞吐量，证明了其在现实世界部署中的可行性，并能抵御常见的网络攻击，如窃听和伪装攻击。

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.

研究动机与目标

• 解决因司机冒充和性侵犯事件等引发的拼车平台关键安全与隐私问题。
• 在不依赖中心化平台的前提下，实现在拼车生态系统中的去中心化、通用身份验证。
• 通过消除身份验证过程中私人信息的交换，保护用户隐私。
• 设计一种可扩展且安全的系统，适用于按需出行服务的现实世界部署。

提出的方法

• 系统使用许可区块链（Hyperledger Fabric）作为防篡改的账本，用于存储行程日志和 ZKP 验证记录。
• 使用 Hyperledger Ursa 实现零知识证明（ZKP）模块，以在不泄露任何私密数据的情况下验证司机身份。
• ZKP 协议确保完备性和可靠性，使证明者（司机）能够向验证者（对等节点）证明其身份所有权，而无需披露秘密信息。
• 该架构支持非交互式 ZKP，以减少通信开销，提高生产环境中的效率。
• 使用 Hyperledger Caliper 对性能进行基准测试，评估在不同工作负载下的交易吞吐量和延迟。
• 由于 ZKP 的密码学安全性和区块链的不可篡改性，系统设计可抵御常见攻击，包括窃听和虚假司机伪装攻击。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于区块链的系统结合零知识证明，能否在不暴露用户私密数据的情况下实现拼车中的安全身份验证？
• RQ2 所提出的基于 ZKP 的区块链系统在真实工作负载下的性能表现如何，特别是在延迟和吞吐量方面？
• RQ3 该系统在多大程度上能抵御常见的网络攻击，如窃听和身份伪装攻击？
• RQ4 该系统能否在许可区块链平台（如 Hyperledger Fabric）上部署，同时保持适合实时拼车应用的低延迟验证？

主要发现

• 所提出的系统使用 ZKP 模块在不到一毫秒内完成身份验证，证明其在实时应用中的高效率。
• 基于 Hyperledger Fabric 的区块链网络实现了高交易吞吐量和低延迟，适合大规模拼车部署。
• 系统能有效抵御窃听攻击，因为未传输任何敏感信息，仅传输经过 ZKP 加密的证明。
• ZKP 协议成功检测并拒绝了虚假身份证明（如错误的驾照号码），防止了伪装攻击。
• 使用 Hyperledger Caliper 进行的基准测试证实了系统在不同负载条件下的可扩展性和性能表现。
• ZKP 与许可区块链的集成在提供强隐私保障的同时，通过不可篡改的账本实现了可审计性。