[논문 리뷰] Reinforcing Security and Usability of Crypto-Wallet with Post-Quantum Cryptography and Zero-Knowledge Proof

Yathin Kethepalli, Rony Joseph외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 14.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 라티스 기반의 임계 비밀 분할(LTSSS), 키 생성을 위한 Kyber, 그리고 인증을 위한 무지식 증명(ZKP)을 사용하는 양자군비공격에 강건한 암호지갑을 제안한다. 기존의 시드 페스워드를 두 개의 비밀번호 시스템으로 대체하고 개인 키 재키싱을 가능하게 함으로써, 양자 공격에 대한 보안성을 향상시키고 사용자 친화성을 높이며, PQC와 ZKP 통합을 통해 복구 가능성과 향후 기밀성 보장을 보장한다.

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.

연구 동기 및 목표

• RSA 및 ECC에서 쇼어 알고리즘을 악용하는 양자 컴퓨팅 공격에 취약한 현재의 암호지갑 문제를 해결하기 위해.
• 12/24단어 시드 페스워드를 기억하기 쉬우며 잃어버릴 가능성이 낮은 두 개의 비밀번호 시스템으로 대체하여 사용자 친화성을 향상시키기 위해.
• 서버 장애 또는 자격 증명 유출 시에도 안전한 지갑 복구 및 개인 키 재키싱을 가능하게 하기 위해.
• 장기적인 보안 강건성을 확보하기 위해 양자군비암호화(PQC)와 무지식 증명(ZKP)을 통합하기 위해.
• 실제 배포 환경에서 강력한 보안성과 실용적인 사용자 친화성을 균형 있게 확보하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 라티스 기반의 임계 비밀 분할 기법(LTSSS)을 사용하여 여러 신뢰할 수 있는 당사자 간에 개인 키를 분산 및 재구성한다.
• NIST 표준화된 양자군비 키 봉인 메커니즘(KEM)인 Kyber를 사용하여 안전한 키 생성 및 분배를 수행한다.
• 두 개의 비밀번호 시스템을 활용하여 공유 비밀을 생성함으로써 기존의 시드 페스워드를 대체하고 사용자 기억 부담을 감소시킨다.
• 무지식 증명(ZKP)을 사용하여 비밀번호나 개인 키를 폭로하지 않고도 사용자를 인증함으로써 기밀성을 보장한다.
• 동일한 사용자 이름과 비밀번호를 사용하여 개인 키 재키싱을 지원함으로써 복구 및 강화된 액세스 제어를 가능하게 한다.
• 중간자 공격을 방어하기 위해 SSL과 다중 요인 인증(MFA)을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 비밀번호 시스템이 보안에 손상을 주지 않으면서도 사용자 친화성을 향상시키기 위해 기존의 12/24단어 시드 페스워드를 대체할 수 있는가?
• RQ2 어떻게 하면 양자군비암호화를 디지털 지갑 아키텍처에 효과적으로 통합하여 장기적인 보안성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 무지식 증명이 민감한 자격 증명을 폭로하지 않고도 얼마나 효과적으로 안전한 인증을 가능하게 하는가?
• RQ4 라티스 기반의 임계 비밀 분할 기법이 서버 장애 발생 시 안정적인 지갑 복구 및 키 재키싱을 지원할 수 있는가?
• RQ5 PQC와 ZKP를 병행 사용할 경우, 고전적 공격과 양자 공격 양자 모두에 대한 강건성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 12/24단어 시드 페스워드를 두 개의 비밀번호 시스템으로 대체하여 사용자가 실수로 잃어버리거나 폭력적 공격에 노출될 위험을 크게 감소시켰다.
• Kyber와 LWE 기반 암호화의 사용은 기존 알려진 양자 공격, 특히 쇼어 알고리즘 기반 공격에 강력한 저항성을 제공한다.
• 무지식 증명은 비밀번호를 전송하거나 저장하지 않기 때문에, 자격 증명 도용에 노출될 가능성을 최소화한다.
• 동일한 사용자 이름과 비밀번호를 사용하여 개인 키 재키싱을 지원함으로써, 사용자가 백업 페스워드에 의존하지 않고도 액세스를 복구할 수 있다.
• LTSSS 메커니즘을 통해 서버 장애 발생 시에도 지갑 복구가 가능하여 가용성과 강건성을 확보한다.
• SSL과 MFA 통합은 중간자 공격에 대한 보호를 강화하지만, 구현 취약점은 여전히 고려 대상이다.