[论文解读] Blockchain Meets COVID-19: A Framework for Contact Information Sharing and Risk Notification System

Jinyue Song, Tianbo Gu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2020

COVID-19 Digital Contact Tracing被引用 10

一句话总结

本文提出了一种去中心化的基于区块链的COVID-19接触追踪与风险通知系统，结合了基于蓝牙的直接接触追踪和基于位置的间接接触追踪。通过使用弱随机化的蓝牙MAC地址和分层智能合约架构，该系统在原型评估中实现了低延迟和可扩展的性能，同时确保了数据完整性、用户隐私和透明性。

ABSTRACT

COVID-19 is a severe global epidemic in human history. Even though there are particular medications and vaccines to curb the epidemic, tracing and isolating the infection source is the best option to slow the virus spread and reduce infection and death rates. There are three disadvantages to the existing contact tracing system: 1. User data is stored in a centralized database that could be stolen and tampered with, 2. User's confidential personal identity may be revealed to a third party or organization, 3. Existing contact tracing systems only focus on information sharing from one dimension, such as location-based tracing, which significantly limits the effectiveness of such systems. We propose a global COVID-19 information sharing and risk notification system that utilizes the Blockchain, Smart Contract, and Bluetooth. To protect user privacy, we design a novel Blockchain-based platform that can share consistent and non-tampered contact tracing information from multiple dimensions, such as location-based for indirect contact and Bluetooth-based for direct contact. Hierarchical smart contract architecture is also designed to achieve global agreements from users about how to process and utilize user data, thereby enhancing the data usage transparency. Furthermore, we propose a mechanism to protect user identity privacy from multiple aspects. More importantly, our system can notify the users about the exposure risk via smart contracts. We implement a prototype system to conduct extensive measurements to demonstrate the feasibility and effectiveness of our system.

研究动机与目标

• 解决集中式接触追踪系统存在的数据泄露风险、隐私泄露和缺乏透明度等问题。
• 在不依赖可信第三方的情况下，实现全球用户间安全的去中心化接触和感染数据共享。
• 通过消除唯一标识符并使用弱随机化的蓝牙MAC地址实现匿名接触记录，保护用户身份。
• 通过分层智能合约架构确保数据一致性并防止篡改，强制执行全球一致的数据处理协议。
• 向暴露于感染者或感染场所的用户提供实时风险通知，提升早期干预能力。

提出的方法

• 系统通过扫描蓝牙广告来检测附近设备，而无需建立通信通道，从而降低电池消耗。
• 通过实现蓝牙MAC地址的弱随机化，在最小化数据传输开销的同时防止用户被重新识别。
• 接触数据存储在许可型区块链上，以确保不可篡改性、一致性并抵抗篡改。
• 分层智能合约架构管理感染状态更新和用户数据处理，实现透明、可验证且全球一致的逻辑执行。
• 系统支持双模式追踪：蓝牙用于直接的人际接触追踪，位置日志用于共享空间中的间接暴露追踪。
• 通过优化合约设计和批量处理，最小化Gas成本和延迟，性能通过在以太坊上的原型实现进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于区块链的系统能否有效支持像COVID-19这样的传染病的去中心化、隐私保护型接触追踪？
• RQ2 如何在不使用唯一标识符或持久通信通道的情况下实现基于蓝牙的接触追踪，以保护用户隐私？
• RQ3 分层智能合约架构在多国范围的接触追踪系统中，能在多大程度上确保数据一致性、透明性并抵抗滥用？
• RQ4 在真实工作负载下，该系统的性能开销（延迟、Gas成本）如何？
• RQ5 随着用户数量和接触数量的增加，该系统能否在保持低延迟和稳定Gas消耗的同时实现高效扩展？

主要发现

• 系统将平均事务延迟从1,800 ms降低至300 ms，Gas成本从2.3 million降至0.5 million wei，显著提升了性能。
• Gas消耗随请求数量和合约数量线性增长，表明在负载下具有良好的可扩展性和稳定性。
• 系统实现了稳定且方差低的请求处理成本，支持可靠且可预测的运行。
• 蓝牙MAC地址的弱随机化降低了电池消耗并防止长期追踪，增强了用户隐私。
• 分层智能合约设计确保了所有用户间感染状态的全局一致更新，防止了数据不一致和篡改。
• 原型通过大量仿真验证了其可行性和有效性，性能指标适合实际部署。