[论文解读] Privacy in Blockchain Systems

Jad Wahab|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 9被引用 5

一句话总结

本综述文献分析了公共、无许可区块链中的隐私保护技术，从比特币和以太坊的方案到零知识证明、环签名和安全多方计算等先进方法。评估了Zcash、Hawk和Chainspace等系统，结论是尽管区块链隐私技术发展迅速，但在可扩展性、效率和实际部署方面仍存在重大挑战未解决。

ABSTRACT

In this literature review, we first briefly provide an introduction on the privacy aspect of blockchain systems and why it is a difficult quality to achieve, especially using traditional methods. Next, we go over a wide range of different strategies and techniques, along with their respective empirical implementations. Starting with approaches that attempted to provide privacy on Bitcoin/existing blockchain systems, then going into more advanced techniques, such as secure multi-party computations, ring signatures, and zero knowledge proofs, that construct a more advanced blockchain system from scratch with the objective of preserving privacy. Finally, we conclude that the current state of privacy on blockchains still needs work for it to be reliable. Nevertheless, the field of privacy in this domain is developing and advancing at a rapid rate.

研究动机与目标

• 分析公共、无许可区块链系统（特别是比特币和以太坊）中当前隐私状态。
• 评估传统隐私保护方法（如CoinJoin和状态通道）在实现强隐私保证方面的局限性。
• 研究高级密码学技术（如零知识证明、环签名和安全多方计算）在构建隐私原生区块链系统中的应用。
• 评估现有隐私增强型区块链平台（如Zcash、Hawk和Chainspace）的实际可行性与性能权衡。
• 识别在实现可扩展、高效且密码学上安全的区块链隐私方面尚未解决的研究挑战。

提出的方法

• 调查了基础区块链系统（比特币和以太坊）及其由于公开透明的交易账本而产生的固有隐私限制。
• 回顾了直接方法，如CoinJoin和合并避免，通过交易混合尝试隐藏交易关联。
• 分析了以太坊上的状态通道和隐私保护智能合约，强调其高Gas成本和可扩展性问题。
• 探索了高级密码学技术：环签名（如CryptoNote）、零知识证明（如Zcash/Pinocchio、ZK-SNARKs）和安全多方计算（如Enigma）。
• 评估了隐私原生系统Chainspace，其利用零知识证明在不泄露私有数据的情况下验证计算，并采用分片拜占庭原子提交（S-BAC）协议实现跨分片一致性。
• 研究了Chainspace的架构，其中用户在本地执行合约，并仅向节点提交加密输出和零知识证明以供验证，从而确保隐私性和完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 公共区块链（如比特币和以太坊）的根本隐私限制是什么？为何传统方法不足以应对？
• RQ2 与语法混淆方法相比，零知识证明和环签名等高级密码学技术如何增强区块链系统的隐私性？
• RQ3 Zcash、Hawk和Chainspace等系统在不依赖可信第三方的情况下，能在多大程度上实现端到端隐私？
• RQ4 在以太坊等现有区块链平台上部署隐私保护智能合约的性能与可扩展性权衡如何？
• RQ5 Chainspace中的分片共识协议S-BAC如何确保在多个分片间保持交易完整性和隐私性？

主要发现

• 传统隐私方法（如CoinJoin和状态通道）易受链接分析攻击，且无法提供强密码学保证。
• Zcash对ZK-SNARKs的实现支持强密码学隐私的交易，但代价是高昂的计算开销，并依赖可信设置。
• Hawk在以太坊上实现的隐私保护智能合约在理论上是可靠的，但因Gas成本过高而不切实际，例如一个示例的部署和执行成本约为94美元。
• Chainspace通过允许用户在本地执行合约并仅提交零知识证明以供验证，实现了隐私原生设计，消除了对可信第三方的依赖。
• Chainspace中的S-BAC协议在3f+1节点架构下，支持最多f个恶意节点，确保了跨分片交易的一致性和拜占庭条件下的容错性。
• 尽管已有进展，当前的隐私解决方案仍效率低下且成本高昂，存在显著的性能瓶颈，限制了在高吞吐量场景下的实际应用。