[논문 리뷰] Privacy on the Blockchain: Unique Ring Signatures

Rebekah Mercer|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 04.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 4인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 이더리움과 비트코인에서 프라이버시를 보장하는 거래를 가능하게 하기 위해 secp256k1 타원곡선을 기반으로 한 블록체인 호환성 있는 유일한 링 서명(URS)의 첫 번째 구현을 제시한다. 안정성 있고 효율적인 URS 체계를 도입하여 낙인표시 가능성을 방지하고 일반적인 공격에 저항하며, 랜덤 오ракulum 모델 하에서 정확성과 보안성에 대한 형식적 검증을 수행한다.

ABSTRACT

Ring signatures are cryptographic protocols designed to allow any member of a group to produce a signature on behalf of the group, without revealing the individual signer's identity. This offers group members a level of anonymity not attainable through generic digital signature schemes. We call this property 'plausible deniability', or anonymity with respect to an anonymity set. We concentrate in particular on implementing privacy on the blockchain, introducing a unique ring signature scheme that works with existing blockchain systems. We implement a unique ring signature (URS) scheme using secp256k1, creating the first implementation compatible with blockchain libraries in this way, so as for easy implementation as an Ethereum smart contract. We review the privacy and security properties offered by the scheme we have constructed, and compare its efficiency with other commonly suggested approaches to privacy on the blockchain.

연구 동기 및 목표

• 비트코인과 이더리움과 같은 공개 블록체인에서 모든 거래가 공개적으로 노출되는 문제를 해결하기 위해.
• 가짜 부인 가능성을 제공하고 신원 탈출 공격에 저항하는 유일한 링 서명(URS) 체계를 설계하고 구현하기 위해.
• 특히 이더리움 스마트 컨트랙트와의 호환성을 확보하기 위해 널리 사용되는 secp256k1 곡선을 사용하여 기존 블록체인 라이브러리와의 호환성을 확보하기 위해.
• 스칼라 곱셈에서 군의 순서가 아니라 필드의 순서에 대해 모듈로 연산을 수행하는 데서 발생하는 중요한 구현 오류를 명확히 하고 수정하기 위해, 이는 URS 보안에 필수적이다.
• zk-SNARKs와 CryptoNote 기반 기법과 같은 기존 프라이버시 강화 기법들과 비교하여, 체계의 프라이버시, 보안성, 효율성, 사용성에 대해 평가하기 위해.

제안 방법

• 비자기적 지식 증명(NIZK)을 사용하여 서명자와 공개 키의 링을 바인딩함으로써 신원을 드러내지 않는 비잔성 프ranklin-Zhang 유일한 링 서명 구조를 채택하였다.
• 비트코인과 이더리움에서 사용되는 기존 ECDSA 라이브러리와의 호환성을 확보하기 위해 secp256k1 타원곡선 상에서 URS 체계를 구현하였다.
• 스칼라 산술 처리의 핵심 문제를 해결하기 위해, 모든 지수가 군의 순서에 대해 모듈로로 감소되어야 하며, 필드 순서에 대해 감소시키는 것은 보안 취약점을 초래하므로 이를 수정하였다.
• 문헌에서 제시된 방법을 활용하여 타원곡선으로의 결정적 해싱을 구현하였으며, Barreto-Naehrig 곡선에 적합한 기법들을 secp256k1에 적응 적용하였다.
• 사용자가 자금을 기여하고 입력이 연결 불가능한 출력을 수령할 수 있는 스마트 컨트랙트 기반의 믹싱 프로토콜을 설계하여 거래 익명성을 향상시켰다.
• 서명 크기, 검증 시간, 계산 비용 측면에서 체계의 성능을 평가하였으며, zk-SNARKs 및 연결 가능한 링 서명과 같은 대안들과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 secp256k1 곡선 상에서 보안적이고 효율적인 유일한 링 서명 체계를 실제로 어떻게 적용할 수 있는가? 이는 비트코인과 이더리움에서 표준으로 사용되는 곡선이다.
• RQ2 URS 체계의 주요 구현 오류는 무엇이며, 특히 스칼라 산술 처리에서 발생하는 오류는 무엇이며, 이를 어떻게 수정하여 보안을 확보할 수 있는가?
• RQ3 제안된 URS 체계는 zk-SNARKs 및 CryptoNote 기반 시스템과 같은 기존의 블록체인 프라이버시 보장 솔루션과 비교하여 효율성과 프라이버시 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 URS 체계는 성능과 보안성을 유지하면서 이더리움 상의 스마트 컨트랙트로 배포될 수 있는가?
• RQ5 실제 블록체인 환경에서 URS의 실용적 제약 사항은 무엇이며, 이를 프로토콜 설계를 통해 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 이더리움과 비트코인 생태계에 통합 가능한 첫 번째 블록체인 호환성 유일한 링 서명 체계를 성공적으로 구현하였다.
• 중요한 구현 결함이 식별되고 수정되었다: 점 곱셈에서 사용되는 모든 스칼라 값은 군의 순서에 대해 모듈로로 감소되어야 하며, 필드의 순서에 대해 감소시키는 것은 보안 침해를 초래할 수 있다.
• 가짜 부인 가능성을 통해 강력한 프라이버시 보장을 제공하며, 링에 속한 누구라도 메시지를 서명했을 수 있으며 실제 서명자를 특정할 수 없다.
• 서명 크기와 검증 시간이 zk-SNARK 기반 접근 방식보다 현저히 작아져 자원 제약 환경에서 더 효율적이다.
• 스마트 컨트랙트 기반으로 이더리움에서의 실행 가능성을 입증하였으며, 믹싱 프로토콜에 실용적으로 배포할 수 있는 성능 특성을 확보하였다.
• 저자들은 이중선형 페어링 기반의 비선형 URS 체계가 여전히 높은 계산 비용과 복잡성으로 인해 열린 연구 과제로 남아 있음을 밝혔다.