[論文レビュー] Reinforcing Security and Usability of Crypto-Wallet with Post-Quantum Cryptography and Zero-Knowledge Proof

Yathin Kethepalli, Rony Joseph+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、格子基盤の閾値秘密分散（LTSSS）、キーメーキングにKyber、認証にゼロ知識証明（ZKP）を用いた、後量子暗号セキュアな暗号ウォレットを提案する。従来のシードフレーズに代えて二パスワード方式を導入し、プライベートキーの再鍵化を可能にすることで、量子攻撃に対する耐性と使いやすさを両立させるとともに、PQCとZKPの統合により回復可能性と前方機密性を確保する。

ABSTRACT

Crypto-wallets or digital asset wallets are a crucial aspect of managing cryptocurrencies and other digital assets such as NFTs. However, these wallets are not immune to security threats, particularly from the growing risk of quantum computing. The use of traditional public-key cryptography systems in digital asset wallets makes them vulnerable to attacks from quantum computers, which may increase in the future. Moreover, current digital wallets require users to keep track of seed-phrases, which can be challenging and lead to additional security risks. To overcome these challenges, a new algorithm is proposed that uses post-quantum cryptography (PQC) and zero-knowledge proof (ZKP) to enhance the security of digital asset wallets. The research focuses on the use of the Lattice-based Threshold Secret Sharing Scheme (LTSSS), Kyber Algorithm for key generation and ZKP for wallet unlocking, providing a more secure and user-friendly alternative to seed-phrase, brain and multi-sig protocol wallets. This algorithm also includes several innovative security features such as recovery of wallets in case of downtime of the server, and the ability to rekey the private key associated with a specific username-password combination, offering improved security and usability. The incorporation of PQC and ZKP provides a robust and comprehensive framework for securing digital assets in the present and future. This research aims to address the security challenges faced by digital asset wallets and proposes practical solutions to ensure their safety in the era of quantum computing.

研究の動機と目的

• 量子コンピューティング攻撃、特にRSAやECCに対するショアのアルゴリズムの利用に起因する現在の暗号ウォレットの脆弱性を是正すること。
• 12/24語のシードフレーズを、より覚えやすく、紛失のリスクが低い二パスワード方式に置き換えることで、使いやすさを向上させること。
• サーバー障害や資格情報の漏洩が発生した場合の安全なウォレット回復とプライベートキーの再鍵化を可能にすること。
• 長期的なセキュリティ耐性を確保するため、後量子暗号（PQC）とゼロ知識証明（ZKP）を統合すること。
• 実世界の展開状況において、強固なセキュリティと実用的な使いやすさのバランスを図ること。

提案手法

• 複数の信頼できる当事者に分散・再構成可能な、格子基盤の閾値秘密分散方式（LTSSS）を用いて、プライベートキーを管理する。
• NIST標準化済みの後量子暗号キーラッピングメカニズム（KEM）であるKyberを、安全な鍵生成および配布に用いる。
• 二パスワード方式により共有秘密を生成し、従来のシードフレーズに代えてユーザーの記憶負荷を軽減する。
• ゼロ知識証明（ZKP）を用いて、パスワードやプライベートキーを露呈せずにユーザーを認証することで、機密性を確保する。
• 同じユーザー名とパスワードを用いてプライベートキーの再鍵化を可能にし、バックアップフレーズに依存せずにアクセスを回復可能にする。
• MITM攻撃から防御するため、SSLと多要素認証（MFA）を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二パスワード方式は、セキュリティを損なわせることなく、従来のシードフレーズに置き換えることで使いやすさを向上させられるか？
• RQ2 後量子暗号をどのようにデジタルウォレットアーキテクチャに効果的に統合できるか？
• RQ3 ゼロ知識証明は、機密資格情報の露出を回避しつつ、どの程度安全な認証を可能にするか？
• RQ4 格子基盤の閾値秘密分散方式は、サーバー障害発生時における信頼性あるウォレット回復と鍵の再鍵化をサポートできるか？
• RQ5 PQCとZKPを併用することで、古典的および量子攻撃に対してどの程度の耐性が向上するか？

主な発見

• 提案されたシステムは、12/24語のシードフレーズを二パスワード方式に置き換えることで、ユーザーによる紛失やブルートフォース攻撃のリスクを顕著に低減した。
• KyberとLWEベースの暗号技術の使用により、ショアのアルゴリズムに基づく既知の量子攻撃に対して強い耐性を発揮する。
• ゼロ知識証明により、パスワードを送信または保存せず、資格情報の盗難リスクを最小限に抑えた安全な認証が可能になった。
• 同じユーザー名とパスワードを用いてプライベートキーの再鍵化が可能であり、バックアップフレーズに依存せずにアクセスを回復できる。
• LTSSSメカニズムにより、サーバー障害時におけるウォレット回復が可能となり、可用性とレジリエンスが確保された。
• SSLとMFAの統合により、MITM攻撃に対する保護が強化されたが、実装上の脆弱性は依然として懸念事項である。