[论文解读] A Secure Authentication Framework to Guarantee the Traceability of Avatars in Metaverse

Kedi Yang, Zhenyong Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2022

Face recognition and analysis被引用 5

一句话总结

本文提出了一种结合黏性签名（chameleon signatures）与基于生物特征的身份认证的双因素认证框架，以确保元宇宙中虚拟化身的可追溯性。通过使用黏性碰撞签名绑定虚拟身份，以及通过生物特征模板和黏性密钥绑定物理身份，该框架实现了虚拟与物理身份之间去中心化、一致且可追溯的身份认证，其安全性在CDH假设下得到证明，仿真结果也证实了该框架在虚拟-物理追踪方面的有效性。

ABSTRACT

Metaverse is a vast virtual environment parallel to the physical world in which users enjoy a variety of services acting as an avatar. To build a secure living habitat, it's vital to ensure the virtual-physical traceability that tracking a malicious player in the physical world via his avatars in virtual space. In this paper, we propose a two-factor authentication framework based on chameleon signature and biometric-based authentication. First, aiming at disguise in virtual space, we propose a chameleon collision signature algorithm to achieve the verifiability of the avatar's virtual identity. Second, facing at impersonation in physical world, we construct an avatar's identity model based on the player's biometric template and the chameleon key to realize the verifiability of the avatar's physical identity. Finally, we design two decentralized authentication protocols based on the avatar's identity model to ensure the consistency of the avatar's virtual and physical identities. Security analysis indicates that the proposed authentication framework guarantees the consistency and traceability of avatar's identity. Simulation experiments show that the framework not only completes the decentralized authentication between avatars but also achieves the virtual-physical tracking.

研究动机与目标

• 为解决在元宇宙中追踪恶意用户的问题，通过将虚拟化身与其真实世界身份关联起来。
• 克服在虚拟环境中化身可被伪装或克隆而导致的冒名顶替与身份欺骗问题。
• 设计一种可扩展的去中心化认证协议，以维持化身虚拟身份与物理身份之间的一致性。
• 通过密码学手段确保化身身份的不可否认性与可验证性，而无需依赖中心化权威机构。

提出的方法

• 提出一种黏性碰撞签名方案，允许用户使用黏性密钥对消息生成签名，从而实现对化身虚拟身份的可验证绑定。
• 引入一种基于生物特征的身份模型，将玩家的物理身份与生物特征模板及黏性密钥绑定，确保与真实用户之间的强绑定关系。
• 设计两种去中心化的认证协议，可同时验证化身的虚拟身份与物理身份，确保两个领域间的一致性。
• 采用基于判定性迪菲-赫尔曼（DDH）假设的黏性签名方案，其安全性可归约至计算性迪菲-赫尔曼（CDH）问题。
• 使用随机预言模型模拟哈希函数，模拟攻击者通过操纵哈希查询索引来伪造签名的行为。
• 采用安全游戏机制，挑战者模拟公钥及对哈希查询与签名查询的响应，攻击者成功伪造签名的概率受CDH问题困难性的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在防止冒名顶替的同时，将元宇宙中的虚拟身份与真实世界用户绑定，以确保可追溯性？
• RQ2 何种密码学机制可为化身身份提供不可否认性，同时支持去中心化认证？
• RQ3 如何安全地将生物特征模板集成到密码学框架中，以实现物理身份与虚拟化身的绑定？
• RQ4 能否设计一种黏性签名方案，使其在去中心化环境中同时支持可验证性与抗碰撞性？
• RQ5 在标准密码学假设下，所提出框架的安全强度如何？

主要发现

• 所提出的黏性碰撞签名方案在选择性消息伪造攻击下具有存在性不可伪造性（EUF-CMA），其安全性可归约至CDH问题。
• 该框架的伪造优势约为 $ \epsilon(\mathcal{K})/(e \cdot q_H) $，在判定性CDH（DCDH）假设下可忽略不计。
• 仿真结果表明，该框架能够成功支持化身之间的去中心化相互认证。
• 该系统实现了虚拟-物理可追溯性，使得恶意化身可通过密码学绑定被追溯至其真实世界用户。
• 生物特征模板与黏性密钥的集成确保了物理身份与化身身份之间的强绑定。
• 该框架在对抗性查询模型下，仍能保持认证会话中虚拟身份与物理身份之间的一致性。