[논문 리뷰] HE-DKSAP: Privacy-Preserving Stealth Address Protocol via Additively Homomorphic Encryption

Yuping Yan, George Shao외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 17.

Cryptography and Data Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 추가적 호모모르픽 암호화(특히 Paillier)를 활용하여 거래의 연결 불가능성과 양자 계산 공격에 대한 저항성을 향상시키는 프라이버시 보장 스틸스 어드레스 프로토콜인 HE-DKSAP을 제안한다. 호모모르픽 암호화를 이중키 스틸스 어드레스 기법과 통합함으로써 HE-DKSAP는 강력한 보안 보장을 달성하면서도 기존의 단순 DKSAP에 비해 계산 효율성과 온체인 스토리지 용량을 줄였다.

ABSTRACT

Blockchain transactions have gained widespread adoption across various industries, largely attributable to their unparalleled transparency and robust security features. Nevertheless, this technique introduces various privacy concerns, including pseudonymity, Sybil attacks, and potential susceptibilities to quantum computing, to name a few. In response to these challenges, innovative privacy-enhancing solutions like zero-knowledge proofs, homomorphic encryption, and stealth addresses (SA) have been developed. Among the various schemes, SA stands out as it prevents the association of a blockchain transaction's output with the recipient's public address, thereby ensuring transactional anonymity. However, the basic SA schemes have exhibited vulnerabilities to key leakage and quantum computing attacks. To address these shortcomings, we present a pioneering solution - Homomorphic Encryption-based Dual-Key Stealth Address Protocol (HE-DKSAP), which can be further extended to Fully HE-DKSAP (FHE-DKSAP). By leveraging the power of homomorphic encryption, HE-DKSAP introduces a novel approach to safeguarding transaction privacy and preventing potential quantum computing attacks. This paper delves into the core principles of HE-DKSAP, highlighting its capacity to enhance privacy, scalability, and security in programmable blockchains. Through a comprehensive exploration of its design architecture, security analysis, and practical implementations, this work establishes a privacy-preserving, practical, and efficient stealth address protocol via additively homomorphic encryption.

연구 동기 및 목표

• 기존 블록체인 스틸스 어드레스 프로토콜의 프라이버시 취약점, 즉 키 泄露 및 양자 컴퓨팅 공격에 대한 취약성을 해결하기 위해.
• 확장 가능한 블록체인 환경에서 거래의 연결 불가능성과 데이터 기밀성을 강화하면서도 확장성에 영향을 주지 않기 위해.
• 호모모르픽 암호화를 이중키 스틸스 어드레스 메커니즘과 통합하여 더 강력한 보안을 제공하는 새로운 프로토콜을 설계하기 위해.
• 스틸스 어드레스 생성 과정에서 호모모르픽 암호화의 계산 오버헤드가 실세계 블록체인 시스템의 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 미래의 양자 안전 블록체인 응용을 위한 완전 호모모르픽 암호화(FHE-DKSAP)로의 확장을 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 프로토콜은 수신자의 공개 키와 무작위 값을 암호화하기 위해 추가적 호모모르픽 암호화(Paillier)를 사용하여, 복호화 없이도 암호문 간의 호모모르픽 연산을 가능하게 한다.
• 지출 키와 스캐닝 키를 분리하는 이중키 아키텍처를 통해, 키 유출 시 전체 개인 키가 노출되는 것을 방지한다.
• 스틸스 어드레스는 다음과 같은 호모모르픽 계산을 통해 생성된다: $ C = \text{Enc}_{pk}(R \cdot P) + \text{Enc}_{pk}(r) \mod n^2 $, 여기서 $ R $ 은 발신자의 일시적 키이고 $ P $ 는 수신자의 공개 키이다.
• 호모모르픽 암호화 계층에 대해 결정적 디피-헬만(DDH) 가정과 학습 오차(LWE) 가정에 기반한 형식적 보안 증명이 수행되었다.
• 완전 호모모르픽 암호화(FHE)를 위한 확장으로 BFV 완전 호모모르픽 암호화 체계를 사용하여, 복호화 없이도 암호화된 데이터에서 연산을 수행할 수 있도록 하였다.
• CPA(선택 평문 공격) 보안, 연결 불가능성, 암호 정책 공격에 대한 저항성에 대해 형식적 보안 분석을 수행하였다.

Figure 1: Dual-key Stealth Address Protocol (DKSAP)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가적 호모모르픽 암호화는 이중키 스틸스 어드레스 프로토콜에 효과적으로 통합될 수 있는가? 이는 프라이버시 향상과 양자 저항성 향상에 기여하는가?
• RQ2 호모모르픽 암호화의 계산 오버헤드는 실세계 블록체인 시스템에서 스틸스 어드레스 생성의 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HE-DKSAP의 온체인 스토리지 크기는 표준 DKSAP 및 FHE-DKSAP와 비교해 얼마나 되는가?
• RQ4 HE-DKSAP는 선택 평문 공격 하에서 얼마나 잘 연결 불가능성과 데이터 기밀성을 유지하는가?
• RQ5 FHE-DKSAP(BFV)의 성능은 HE-DKSAP(Paillier) 및 단순 DKSAP와 비교해 계산 및 스토리지 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• HE-DKSAP-Paillier는 단순 DKSAP보다 약 20배 느리며, 평균 생성 시간은 0.4456초이다.
• FHE-DKSAP-BFV는 HE-DKSAP-Paillier보다 훨씬 빠르며, 평균 계산 시간은 0.0355초로, 단순 DKSAP와 약간만 느리다.
• HE-DKSAP-Paillier와 FHE-DKSAP-BFV는 모두 단순 DKSAP보다 온체인 스토리지 용량을 줄였으며, FHE-DKSAP-BFV는 암호문 구성 요소에 대해 오직 256비트만 저장한다.
• LWE 가정에 기반한 CPA 보안이 달성되어 선택 평문 공격에 대한 저항성이 확인되었다.
• 보안 분석 결과, HE-DKSAP는 데이터 기밀성, 거래 연결 불가능성, 양자 공격에 대한 저항성을 모두 유지함을 확인하였다.
• FHE-DKSAP-BFV의 구현에서 RUST의 사용이 성능 향상에 기여하여, 저수준 언어 최적화의 중요성을 입증하였다.

Figure 2: Homomorphic Encryption based Dual-key Stealth Address Protocol (HE-DKSAP)