[論文レビュー] HE-DKSAP: Privacy-Preserving Stealth Address Protocol via Additively Homomorphic Encryption

Yuping Yan, George Shao+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2023

Cryptography and Data Security被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、加法的準同型暗号（特にPaillier）を活用して取引のリンク不能性と量子攻撃に対する耐性を向上させる、プライバシー保護型ステルスアドレスプロトコルであるHE-DKSAPを提案する。同様に、準同型暗号と二鍵構造ステルスアドレス方式を統合することで、計算効率とオンチェーンストレージの削減を実現しながらも、強固なセキュリティ保証を達成している。

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.

研究の動機と目的

• 従来のブロックチェーンステルスアドレスプロトコルにおけるプライバシーの脆弱性、特に鍵漏洩や量子コンピューティング攻撃への感受性を是正すること。
• プログラマブルブロックチェーンにおける取引のリンク不能性とデータ機密性を強化し、スケーラビリティを損なわないこと。
• 準同型暗号と二鍵ステルスアドレスメカニズムを統合した、新たなプロトコルの設計。
• 準同型暗号の使用がステルスアドレス生成における計算時間とオンチェーンストレージに与える性能上のトレードオフを評価すること。
• 将来の量子安全ブロックチェーンアプリケーション向けに、HE-DKSAPを完全準同型暗号（FHE-DKSAP）に拡張する基盤を構築すること。

提案手法

• プロトコルは、受信者の公開鍵とランダム値を加法的準同型暗号（Paillier）で暗号化し、平文を復号せずに暗号化された状態で演算を可能にする。
• 支出鍵とスキャン鍵の二重鍵構造により、鍵の漏洩が全プライベート鍵の暴露に繋がらない。
• ステルスアドレスは、次式で生成される準同型計算により生成される：$ C = \text{Enc}_{pk}(R \cdot P) + \text{Enc}_{pk}(r) \mod n^2 $、ここで $ R $ は送信者の一時的鍵、$ P $ は受信者の公開鍵である。
• 準同型暗号層に関しては、決定的ディフィー・ヘルマン（DDH）仮定および学習誤差（LWE）仮定の下で形式的に安全であると証明されている。
• FHE-DKSAPは、BFV完全準同型暗号方式を用いて拡張され、暗号化されたデータ上で復号せずに計算が可能である。
• CPA（ chosen-plaintext attack ）セキュリティ、リンク不能性、暗号方式攻撃に対する耐性について、形式的なセキュリティ分析が行われている。

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

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 加法的準同型暗号は、二鍵構造ステルスアドレスプロトコルに効果的に統合可能であり、プライバシー保護と量子耐性を向上させることができるか？
• RQ2 準同型暗号の計算オーバーヘッドは、実世界のブロックチェーンシステムにおけるステルスアドレス生成の効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 HE-DKSAPのオンチェーンストレージ容量は、標準的なDKSAPおよびFHE-DKSAPと比較してどの程度か？
• RQ4 CPA攻撃下において、HE-DKSAPはリンク不能性とデータ機密性をどの程度維持できるか？
• RQ5 FHE-DKSAP（BFV）の性能は、HE-DKSAP（Paillier）および標準的DKSAPと比較して、計算時間とストレージの観点からどの程度か？

主な発見

• HE-DKSAP-Paillierは、標準的DKSAPと比較して約20倍遅く、1回の生成あたり平均0.4456秒の計算時間である。
• FHE-DKSAP-BFVは、HE-DKSAP-Paillierと比較して顕著に高速で、平均計算時間は0.0355秒であり、標準的DKSAPにわずかに劣る程度である。
• HE-DKSAP-PaillierとFHE-DKSAP-BFVの両方とも、標準的DKSAPよりもオンチェーンストレージを削減しており、FHE-DKSAP-BFVは暗号化部品のストレージがたった256ビットである。
• LWE仮定の下でCPAセキュリティが達成されており、chosen-plaintext攻撃に対する耐性が確認された。
• セキュリティ分析により、HE-DKSAPがデータ機密性、取引のリンク不能性、および量子攻撃に対する耐性を保持していることが確認された。
• FHE-DKSAP-BFVの実装においてRUSTの使用が性能向上に寄与しており、低レベル言語の最適化の重要性が浮き彫りになった。

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