[论文解读] Privacy-Preserving Electronic Ticket Scheme with Attribute-based Credentials

Jinguang Han, Liqun Chen+3 more|View|Jun 9, 2017

Cryptography and Data Security参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于属性凭证的隐私保护电子票务方案，使用户能够基于经验证的属性（例如年龄、学生身份）获得折扣票务，而无需暴露其身份或确切的属性值。该方案在 q-强 Diffie-Hellman 假设下确保不可链接性、不可转让性、防双重使用，并具备形式化安全性，性能评估基于 Android 和 PC 平台的 JPBC 库。

ABSTRACT

Electronic tickets (e-tickets) are electronic versions of paper tickets, which enable users to access intended services and improve services' efficiency. However, privacy may be a concern of e-ticket users. In this paper, a privacy-preserving electronic ticket scheme with attribute-based credentials is proposed to protect users' privacy and facilitate ticketing based on a user's attributes. Our proposed scheme makes the following contributions: (1) users can buy different tickets from ticket sellers without releasing their exact attributes; (2) two tickets of the same user cannot be linked; (3) a ticket cannot be transferred to another user; (4) a ticket cannot be double spent; (5) the security of the proposed scheme is formally proven and reduced to well known (q-strong Diffie-Hellman) complexity assumption; (6) the scheme has been implemented and its performance empirically evaluated. To the best of our knowledge, our privacy-preserving attribute-based e-ticket scheme is the first one providing these five features. Application areas of our scheme include event or transport tickets where users must convince ticket sellers that their attributes (e.g. age, profession, location) satisfy the ticket price policies to buy discounted tickets. More generally, our scheme can be used in any system where access to services is only dependent on a user's attributes (or entitlements) but not their identities.

研究动机与目标

• 解决电子票务系统中用户属性（如年龄、学生身份）在购票过程中暴露导致的隐私泄露问题。
• 使用户能够在不暴露其确切属性或身份的情况下，证明其有资格获得折扣票务。
• 确保同一用户发出的两张票无法被关联，防止跨交易追踪。
• 防止票务转让与双重使用，同时支持对欺诈行为的检测。
• 在广为人知的 q-强 Diffie-Hellman 复杂性假设下，形式化证明安全性，并通过实验评估性能。

提出的方法

• 该方案基于 Camenisch 等人提出的集合成员资格与范围证明协议，利用属性凭证，使用户能够在不披露实际值的情况下，证明其属于某一集合或某一数值范围。
• 一个中央权威机构（CA）向用户签发带签名的属性，随后用户利用这些属性通过零知识证明生成匿名且不可链接的票务。
• 票务发放过程涉及创建一个知识证明（PoK），证明用户的属性满足特定策略（例如年龄 ∈ [15,25]），而无需披露实际年龄。
• 票务销售方或验证方通过使用对话记录与零知识证明来验证属性合规性，而无需了解属性的具体数值。
• 该方案整合了范围证明与集合成员资格证明，以支持灵活的策略定义（例如将“年轻人”定义为一个集合或年龄范围），性能通过在 A 型曲线上的 JPBC 库进行测量。
• 安全性通过归约至 q-强 Diffie-Hellman（q-SDH）假设进行形式化证明，确保不可伪造性、不可链接性与不可否认性。

实验结果

研究问题

• RQ1 票务系统能否在保护用户匿名性与不可链接性的前提下，根据用户属性发放不同类型的票务？
• RQ2 用户如何在不暴露其实际属性或身份的情况下，证明其有资格获得折扣票务？
• RQ3 在隐私保护的电子票务系统中，使用范围证明与集合成员资格证明的性能开销有何差异？
• RQ4 系统能否在维护诚实用户隐私的前提下检测到双重使用行为？
• RQ5 该方案的安全性在形式化归约至 q-SDH 假设下是否依然成立？

主要发现

• 该方案成功实现了不可链接性，确保即使在相同策略下，同一用户发出的两张票也无法被关联。
• 不可转让性得到强制执行，票务仅能由合法持有者使用，防止转售或共享。
• 支持双重使用检测，系统可识别并去匿名化试图重复使用票务的用户。
• 该方案的安全性在 q-强 Diffie-Hellman 假设下得到形式化证明，提供了强有力的密码学保障。
• 性能评估显示，集合成员资格证明显著快于范围证明，PC 平台使用 A 型配对时，验证时间约为 450 毫秒。
• 在 Android 与 PC 平台上的实现表明了可行性，使用默认 JPBC 设置时，完整票务流程的系统总运行时间约为 11.4 秒。