[论文解读] Private key encryption and recovery in blockchain

Mehmet Aydar, Salih Cemil Cetin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Biometric Identification and Security参考文献 21被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于生物识别的区块链私钥加密与分布式恢复机制，利用指纹生成的对称密钥实现安全的密钥存储，并采用秘密共享技术实现容错的密钥恢复。该方法通过消除对密码的依赖并支持生物识别辅助的密钥重建，提升了安全性和可用性。

ABSTRACT

The disruptive technology of blockchain can deliver secure solutions without the need for a central authority. In blockchain protocols, assets that belong to a participant are controlled through the private key of an asymmetric key pair that is owned by the participant. Although, this lets blockchain network participants to have sovereignty on their assets, it comes with the responsibility of managing their own keys. Currently, there exists two major bottlenecks in managing keys; $a)$ users don't have an efficient and secure way to store their keys, $b)$ no efficient recovery mechanism exists in case the keys are lost. In this study, we propose secure methods to efficiently store and recover keys. For the first, we introduce an efficient encryption mechanism to securely encrypt and decrypt the private key using the owner's biometric signature. For the later, we introduce an efficient recovery mechanism using biometrics and secret sharing scheme. By applying the proposed key encryption and recovery mechanism, asset owners are able to securely store their keys on their devices and recover the keys in case they are lost.

研究动机与目标

• 解决区块链系统中安全且用户友好的私钥管理这一关键挑战。
• 克服传统密钥存储方法的局限性，如依赖密码、物理丢失以及集中信任机制。
• 设计一种基于生物识别的加密方案，利用指纹模板生成对称密钥以保护私钥。
• 设计一种基于秘密共享的分布式密钥恢复机制，结合生物识别技术，在无需依赖集中式权威机构的情况下恢复丢失的密钥。
• 通过在去中心化环境中整合生物识别与密码学密钥管理，同时提升安全性与可用性。

提出的方法

• 使用指纹生物识别技术生成对称加密密钥，用于加密私钥，确保仅授权用户可解密。
• 应用可撤销的指纹模板以增强安全性，并在生物识别数据泄露时支持密钥重新加密。
• 采用基于擦除码的方法将私钥分割为多个分片，以实现冗余与安全存储。
• 利用秘密共享方案（如Shamir方案）将密钥分片分发至可信实体或设备，仅当收集到足够数量的分片时才可重建密钥。
• 将生物识别认证与秘密共享过程集成，确保仅合法所有者可发起密钥恢复。
• 设计一种支持本地加密与分布式恢复的框架，最大限度减少对集中式服务器或密码的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不暴露原始生物识别模板的前提下，利用生物识别数据对区块链中的私钥进行安全加密？
• RQ2 在去中心化的区块链环境中，如何实现高效且安全的私钥丢失恢复机制？
• RQ3 如何使基于生物识别的密钥加密机制具备对生物识别模板泄露或撤销的抗性？
• RQ4 能否有效结合分布式秘密共享方案与生物识别认证，实现安全且用户友好的密钥恢复？
• RQ5 与传统密钥存储机制相比，所提出的系统在安全性、可用性与隐私保护方面表现如何？

主要发现

• 所提出的基于生物识别的加密机制可利用指纹生成的对称密钥，实现安全的、无需密码的私钥加密。
• 通过集成可撤销的指纹技术，可在生物识别数据暴露时实现密钥重新加密，提升长期安全性。
• 基于秘密共享的恢复机制确保只有在收集到足够数量的分片时才能重建私钥，防止单点故障。
• 该系统减少了对集中式密钥存储或密码记忆的依赖，显著提升了可用性与安全性。
• 该框架支持与移动应用集成，并可未来结合白盒密码学实现运行时保护。
• 该方法有效解决了现有系统的关键缺陷，包括缺乏生物识别集成以及缺乏高效丢失密钥恢复机制。