[論文レビュー] A Secure Authentication Framework to Guarantee the Traceability of Avatars in Metaverse

Kedi Yang, Zhenyong Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2022

Face recognition and analysis被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、シャンブル署名とバイオメトリクスベースの認証を統合した二要因認証フレームワークを提案し、メタバースにおけるアバターの追跡可能性を確保する。チャネルコリジョン署名による仮想的身元の束縛と、バイオメトリックテンプレートおよびシャンブル鍵による物理的身元の束縛により、分散型で一貫性があり、追跡可能な仮想的・物理的身元間の認証が可能となる。セキュリティはCDH仮定のもとで証明されており、シミュレーション結果は仮想的・物理的追跡の有効性を確認している。

ABSTRACT

Metaverse is a vast virtual environment parallel to the physical world in which users enjoy a variety of services acting as an avatar. To build a secure living habitat, it's vital to ensure the virtual-physical traceability that tracking a malicious player in the physical world via his avatars in virtual space. In this paper, we propose a two-factor authentication framework based on chameleon signature and biometric-based authentication. First, aiming at disguise in virtual space, we propose a chameleon collision signature algorithm to achieve the verifiability of the avatar's virtual identity. Second, facing at impersonation in physical world, we construct an avatar's identity model based on the player's biometric template and the chameleon key to realize the verifiability of the avatar's physical identity. Finally, we design two decentralized authentication protocols based on the avatar's identity model to ensure the consistency of the avatar's virtual and physical identities. Security analysis indicates that the proposed authentication framework guarantees the consistency and traceability of avatar's identity. Simulation experiments show that the framework not only completes the decentralized authentication between avatars but also achieves the virtual-physical tracking.

研究の動機と目的

• 仮想空間における悪意あるユーザーの追跡を可能にするために、アバターの仮想的身元を現実世界の身元に結びつける課題に対処すること。
• アバターが偽装されたり複製されたりする可能性がある仮想環境におけるなりすましや身元偽装の限界を克服すること。
• 仮想的身元と物理的身元の両方が一貫性を保つ、スケーラブルで分散型の認証プロトコルを設計すること。
• 中央集権的機関に依存せずに、暗号的手法を用いてアバター身元の非否認性と検証可能性を確保すること。

提案手法

• ユーザーがシャンブル鍵を用いてメッセージに署名できるシャンブルコリジョン署名方式を提案し、アバターの仮想的身元との検証可能な束縛を可能にする。
• プレイヤーの物理的身元がバイオメトリックテンプレートとシャンブル鍵に結びつけられるバイオメトリクスベースの身元モデルを導入し、実ユーザーへの強い束縛を確保する。
• 仮想的身元と物理的身元の両方を同時に検証する2つの分散型認証プロトコルを設計し、両分野における一貫性を保証する。
• 計算的ディフィー・ヘルマン（CDH）問題への還元に基づくシャンブル署名方式を採用し、DDH仮定に基づく。
• ハッシュ関数のシミュレーションにランダムオракルモデルを用い、攻撃者がハッシュクエリインデックスを操作することで署名を偽造しようとする。
• チャレンジャーが公開鍵とハッシュ・署名クエリへの応答をシミュレートするセキュリティゲームを採用し、改ざん者の成功確率はCDH問題の困難さによって上限が定められる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタバースにおける仮想的身元を、なりすましを防ぎつつ現実世界のユーザーに追跡可能な方法で結びつけるにはどうすればよいか？
• RQ2 分散型認証をサポートしつつ、アバター身元に対して非否認性を提供する暗号的メカニズムは何か？
• RQ3 バイオメトリックテンプレートをどのように暗号的フレームワークに安全に統合し、物理的身元と仮想的アバターを結びつけることができるか？
• RQ4 分散環境において検証可能性とコリジョン耐性の両方を満たすシャンブル署名方式を設計できるか？
• RQ5 標準的な暗号的仮定のもとで、提案されたフレームワークのセキュリティ強度はどの程度か？

主な発見

• 提案されたシャンブルコリジョン署名方式は、選択メッセージ改ざん攻撃（EUF-CMA）に対して存在的に偽造不能であり、CDH問題への還元が可能である。
• フレームワークの改ざん成功確率は、およそ $ \epsilon(\mathcal{K})/(e \cdot q_H) $ であり、DCDH仮定のもとで無視できる程度に小さい。
• シミュレーション結果から、フレームワークが分散型相互認証を効果的にサポートすることが確認された。
• システムは仮想的・物理的追跡可能性を実現し、暗号的束縛により悪意あるアバターが現実世界のユーザーにたどり着けるようにした。
• バイオメトリックテンプレートとシャンブル鍵の統合により、物理的身元とアバター身元との強い束縛が確保された。
• 攻撃者によるクエリモデルでさえも、認証セッションを通じて仮想的身元と物理的身元の両方が一貫性を保つことが確認された。