[论文解读] Rational Threshold Cryptosystems

David Yakira, Ido Grayevsky+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 28被引用 4

一句话总结

本文提出了一种适用于无许可、去中心化环境的理性阈值密码系统框架，其中参与者为自利且追求利润最大化的个体。该框架基于以太坊的托管服务，通过押金扣减和激励机制强制合作，将共谋行为建模为囚徒困境，使参与者在经济上缺乏共谋动机，从而确保保密性和鲁棒性。

ABSTRACT

We propose a framework for threshold cryptosystems under a permissionless-economic model in which the participants are rational profit-maximizing entities. To date, threshold cryptosystems have been considered under permissioned settings with a limited adversary. Our framework relies on an escrow service that slashes and redistributes deposits to incentivize participants to adhere desired behaviors. Today, more than ever, sophisticated escrow services can be implemented over public blockchains like Ethereum, without additional trust assumptions. The key threat to rational threshold cryptosystems is collusion---by cooperating `illegally', a subset of participants can reveal the cryptosystem's secret, which, in turn is translated to unfair profit. Our countermeasure to collusion is framing. If the escrow is notified of collusion, it rewards the framer and slashes the deposits of all other participants. We show that colluding parties find themselves in the prisoner's dilemma, where the dominant strategy is framing.

研究动机与目标

• 解决阈值密码系统中固有的矛盾：当合作时机不当时，合作会损害安全性。
• 将参与者建模为无许可、去中心化环境中的理性、利润最大化参与者。
• 设计一种经济机制，通过押金扣减和激励框架，确保共谋抵抗性和协议鲁棒性。
• 使系统设计者和用户能够通过可量化的参数评估阈值密码系统的可信度和经济安全性。
• 通过智能合约演示在身份揭示和随机数信标等实际用例中的适用性。

提出的方法

• 引入一个作为以太坊智能合约实现的托管服务，用于管理押金并强制执行行为规则。
• 使用押金扣减和再分配作为对不合规或共谋行为的惩罚，从而制造经济上的抑制效应。
• 采用一种框架机制，即举报共谋的参与者将获得奖励，而其他参与者将受到惩罚，从而将共谋转化为囚徒困境。
• 将该框架应用于Ped-DKG和Shamir秘密共享等阈值密码系统，并与现有协议集成。
• 将破坏保密性和鲁棒性的经济成本建模为系统参数（t, n, R, Δ, α）的函数。
• 通过博弈论分析表明，在共谋情境下，框架是占优策略，使共谋行为变得不稳定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无许可环境中，如何保护阈值密码系统免受自利参与者为私利共谋的威胁？
• RQ2 何种经济机制可强制实现及时合作并防止过早披露秘密？
• RQ3 如何设计可扩展的托管服务，以支持大量参与者，同时保持安全性和效率？
• RQ4 破坏阈值密码系统保密性和鲁棒性的量化经济成本是什么？
• RQ5 能否通过框架激励机制将共谋行为转化为一种自我瓦解的占优策略？

主要发现

• 共谋在经济上不可行，因为参与者面临一种占优策略：举报他人，使相互背叛比合作更有利可图。
• 该框架确保参与者仅在指定时间（如死亡事件后或后门期满后）才披露秘密，通过将激励与系统设计对齐实现。
• 在Satoshi身份揭示的示例中，框架奖励设定为tΔ/2，降低了过早共谋的动机，同时允许比以往更小的押金。
• 托管机制可使用以太坊智能合约实现，实现无信任的强制执行，无需额外信任假设。
• 破坏鲁棒性的经济成本被量化为Δ（总扣押金），必须超过过早合作的收益（R/n），以确保安全性。
• 该框架支持许可和无许可部署，后者需要可扩展的DKG协议以支持大规模的n和t。