[论文解读] PrivacyGuard: Enforcing Private Data Usage Control with Blockchain and Attested Off-chain Contract Execution

Yang Xiao, Ning Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 48被引用 5

一句话总结

PrivacyGuard 是一种基于区块链和可信执行环境（TEE）的系统，可实现对私有数据使用的细粒度、可审计的控制。它使用智能合约定义数据访问策略，并利用 TEE 安全地在链外执行数据分析，将可验证的结果提交至公共区块链，从而确保机密性、不可否认性和合规性强制执行。

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.

研究动机与目标

• 为应对在大数据分析和人工智能应用中个人数据被未经授权使用的日益增长的担忧。
• 使数据所有者能够强制执行细粒度的使用策略，包括谁可以访问数据、用于何种目的以及在何种条件下访问。
• 通过区块链账本记录，提供不可否认的、防篡改的数据使用审计日志。
• 通过将数据处理卸载到可信执行环境（TEEs）来克服链上智能合约执行在可扩展性和机密性方面的局限性。
• 通过远程证明和密码学承诺，确保链外数据处理与既定策略的一致性，实现可验证的合规性。

提出的方法

• 将智能合约逻辑拆分为控制（链上）和数据处理（链下）两部分，以提高效率和保密性。
• 使用基于 Intel SGX 的 TEE 执行数据分析，确保数据的机密性和完整性。
• 在数据处理开始前，采用远程证明验证链下执行环境的可信性。
• 通过承诺协议将链下计算结果与存储在区块链上的密码学生哈希安全绑定，实现可验证的完成。
• 区块链以不可篡改的账本形式记录数据访问请求、事务状态和最终结果，以实现不可否认性。
• 数据经纪人智能合约管理数据共享、定价和交易生命周期，包括完成和撤销。

实验结果

研究问题

• RQ1 在去中心化环境中，数据所有者如何强制实施细粒度的、基于策略的数据访问与使用控制？
• RQ2 如何在不损害数据机密性的前提下，使链下数据处理既安全、高效又可验证？
• RQ3 如何通过密码学方法将链下计算的完整性和正确性与区块链绑定，以实现不可否认性？
• RQ4 在真实的数据市场环境中，结合 TEE 与区块链进行数据使用控制的性能开销如何？
• RQ5 该系统能否确保数据仅用于预定目的，而不会在授权范围之外被共享或滥用？

主要发现

• 使用以太坊和 Intel SGX 的 PrivacyGuard 原型实现成功证明了链下、保密的数据处理与可验证结果的可行性。
• 通过区块链实现的数据使用不可否认日志记录，确保所有事务不可篡改且可审计。
• 远程证明确保只有可信的、授权的代码在 TEE 中运行，防止恶意或未经授权的数据处理。
• 链下执行模型相比链上智能合约执行显著降低了链上计算开销，提升了可扩展性。
• 该系统在保护数据机密性的同时，支持来自大量数据所有者的复杂数据分析，并强制执行使用策略。
• 承诺协议实现了原子化且可验证的结果发布，确保只有正确且授权的输出才会被接受到区块链上。