[論文レビュー] Bringing data minimization to digital wallets at scale with general-purpose zero-knowledge proofs

Matthias Babel, Johannes Sedlmeir|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2023

Cryptography and Data Security被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、汎用 zk-SNARK が自己主権型アイデンティティ（SSI）向けのスケーラブルでデータ最小化された匿名認証を実現できることを示しており、モバイル端末での実用的な性能を示すとともに、プライベート撤回、認証連鎖、指定検証者プレゼンテーションなどの利点を概説する。

ABSTRACT

Today, digital identity management for individuals is either inconvenient and error-prone or creates undesirable lock-in effects and violates privacy and security expectations. These shortcomings inhibit the digital transformation in general and seem particularly concerning in the context of novel applications such as access control for decentralized autonomous organizations and identification in the Metaverse. Decentralized or self-sovereign identity (SSI) aims to offer a solution to this dilemma by empowering individuals to manage their digital identity through machine-verifiable attestations stored in a "digital wallet" application on their edge devices. However, when presented to a relying party, these attestations typically reveal more attributes than required and allow tracking end users' activities. Several academic works and practical solutions exist to reduce or avoid such excessive information disclosure, from simple selective disclosure to data-minimizing anonymous credentials based on zero-knowledge proofs (ZKPs). We first demonstrate that the SSI solutions that are currently built with anonymous credentials still lack essential features such as scalable revocation, certificate chaining, and integration with secure elements. We then argue that general-purpose ZKPs in the form of zk-SNARKs can appropriately address these pressing challenges. We describe our implementation and conduct performance tests on different edge devices to illustrate that the performance of zk-SNARK-based anonymous credentials is already practical. We also discuss further advantages that general-purpose ZKPs can easily provide for digital wallets, for instance, to create "designated verifier presentations" that facilitate new design options for digital identity infrastructures that previously were not accessible because of the threat of man-in-the-middle attacks.

研究の動機と目的

• SSI とデジタルウォレットにおけるプライバシー保護とデータ最小化を実現するデジタルアイデンティティの必要性を喚起する。
• 大規模かつ規制環境における現在の匿名認証アプローチの制約を評価する。
• 撤回、ハードウェア結合、連鎖性に対処する汎用的な ZKP ベースの匿名認証設計を提案する。
• エッジデバイスでの実用的な性能を示し、展開上の考慮事項を論じる。

提案手法

• 匿名認証を実装するためにゼロ知識式要約非対話証明（zk-SNARKs）を採用する。
• 入力を開示せずに認証検証の正しい実行を証明する、汎用的な検証者/証明ワークフローを使用する。
• Circom で回路を実装し、Groth16 準拠の証明系の R1CS 表現へ翻訳する。
• 信頼済みセットアップの考慮事項（CRS）を検討し、ユニバーサルまたは透明な zk-SNARK 変種と比較する。
• モバイルウォレット展開の実現性を示す性能分析を提供する。

Figure 1 : Issuance and verification of a credential using general-purpose ZKPs .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 汎用 zk-SNARK が SSI に適したデータ最小化された匿名認証を大規模でサポートできるか？
• RQ2 一般的なエッジデバイス（例: スマートフォン）上での zk-SNARK ベースの匿名認証の実用的性能はどの程度か？
• RQ3 このフレームワーク内でプライベート撤回、認証連鎖、ハードウェア結合などの機能をどのように実現できるか？
• RQ4 プライバシーリスクを低減する設計済み検証者プレゼンテーションの利点とトレードオフは何か？

主な発見

• パフォーマンステストは zk-SNARK ベースの認証をモバイルフォンで展開する実用的な実現性を示している。
• zk-SNARKs は匿名認証システム内でプライベート撤回、認証連鎖、ハードウェア結合を実現する。
• 指定検証者プレゼンテーションは、検証可能性を指定された検証者に限定することにより、セキュリティとプライバシーの懸念に対処する。
• 汎用的な ZKPs は、手作業で作成したプリミティブを超えるカスタマイズ可能な述語とデータ最小化された発行を促進する。
• このアプローチは SSI の要件と暗号技術の適応性を橋渡しし、監査可能性と既存のアイデンティティ基盤への統合を改善する。

Figure 2 : Example workflow for generating the zk-SNARK proving and verification program in the case of the Groth16 proof system. These programs need to be integrated into the wallet app and verification backend, respectively.