[论文解读] Reinforcing Security and Usability of Crypto-Wallet with Post-Quantum Cryptography and Zero-Knowledge Proof

Yathin Kethepalli, Rony Joseph+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Blockchain Technology Applications and Security被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于格基阈值秘密共享（LTSSS）、Kyber密钥生成以及零知识证明（ZKP）认证的抗量子密码钱包。通过用双密码系统替代传统的助记词，并支持私钥重新密钥，该方案在增强对量子攻击的防护能力与可用性的同时，通过PQC与ZKP的集成，确保了恢复能力和前向安全性。

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.

研究动机与目标

• 为解决当前加密钱包在量子计算攻击下的脆弱性，特别是针对RSA和ECC利用Shor算法的攻击。
• 通过用更易记忆且不易丢失的双密码系统替代12/24个单词的助记词，提升可用性。
• 在服务器宕机或凭证泄露的情况下，实现安全的钱包恢复与私钥重新密钥。
• 通过集成抗量子密码学（PQC）与零知识证明（ZKP），确保长期的安全弹性。
• 在实际部署场景中，平衡强安全性与实用性。

提出的方法

• 系统采用基于格的阈值秘密共享方案（LTSSS），在多个可信方之间分发并重建私钥。
• 使用Kyber——一种NIST标准化的抗量子密钥封装机制（KEM）——实现安全的密钥生成与分发。
• 采用双密码系统生成共享密钥，替代传统的助记词，降低用户记忆负担。
• 利用零知识证明（ZKP）实现用户认证，而无需暴露密码或私钥，确保机密性。
• 钱包支持使用相同用户名和密码进行私钥重新密钥，实现恢复与增强的访问控制。
• 集成安全套接字层（SSL）与多因素认证（MFA），以防御中间人（MiTM）攻击。

实验结果

研究问题

• RQ1 双密码系统能否在不损害安全性的前提下替代传统助记词，从而提升可用性？
• RQ2 如何有效将抗量子密码学集成到数字钱包架构中，以确保长期安全性？
• RQ3 零知识证明在多大程度上可实现安全认证，而无需暴露敏感凭证？
• RQ4 基于格的阈值秘密共享方案能否在服务器故障时可靠地支持钱包恢复与密钥重新密钥？
• RQ5 PQC与ZKP的联合使用在多大程度上增强了对经典与量子威胁的弹性？

主要发现

• 所提出的系统用双密码系统替代了12/24个单词的助记词，显著降低了用户丢失与暴力破解暴露的风险。
• 使用Kyber与基于LWE的密码学可对已知的量子攻击（包括基于Shor算法的攻击）提供强抵抗能力。
• 零知识证明可实现安全认证，而无需传输或存储密码，从而最小化凭证被盗的风险。
• 通过相同的用户名和密码支持私钥重新密钥，使用户无需依赖备份助记词即可恢复访问。
• 通过LTSSS机制，系统可在服务器宕机期间实现钱包恢复，确保可用性与弹性。
• SSL与MFA的集成增强了对中间人攻击的防护，但实现中的漏洞仍需关注。