[论文解读] Transforming face-to-face identity proofing into anonymous digital identity using the Bitcoin blockchain

Daniel Augot, Hervé Chabanne+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的身份系统，通过比特币区块链将面对面的身份验证转化为匿名的数字身份。通过利用 Brands 的零知识证明方案和默克尔树，该系统使用户能够选择性披露身份信息，同时借助比特币的共识机制高效管理撤销和更新，实现隐私保护、可扩展的身份验证，且带宽开销极低。

ABSTRACT

The most fundamental purpose of blockchain technology is to enable persistent, consistent, distributed storage of information. Increasingly common are authentication systems that leverage this property to allow users to carry their personal data on a device while a hash of this data is signed by a trusted authority and then put on a blockchain to be compared against. For instance, in 2015, MIT introduced a schema for the publication of their academic certificates based on this principle. In this work, we propose a way for users to obtain assured identities based on face-to-face proofing that can then be validated against a record on a blockchain. Moreover, in order to provide anonymity, instead of storing a hash, we make use of a scheme of Brands to store a commitment against which one can perform zero-knowledge proofs of identity. We also enforce the confidentiality of the underlying data by letting users control a secret of their own. We show how our schema can be implemented on Bitcoin's blockchain and how to save bandwidth by grouping commitments using Merkle trees to minimize the number of Bitcoin transactions that need to be sent. Finally, we describe a system in which users can gain access to services thanks to the identity records of our proposal.

研究动机与目标

• 使用户能够基于面对面的身份验证，获得密码学上可信的数字身份。
• 通过避免存储身份哈希，改用零知识承诺，实现强匿名性。
• 利用比特币区块链实现身份记录的安全、高效撤销与更新，无需依赖集中式撤销列表。
• 通过默克尔树聚合与简化验证，最小化带宽与交易成本。
• 将系统集成到现实世界用例中，使用户能够使用其存储在区块链上的身份向服务进行认证。

提出的方法

• 采用基于离散对数表示（DLREP）的 Brands 零知识选择性披露身份方案，绑定身份数据而不暴露其内容。
• 将身份属性的密码学承诺存储在比特币区块链上，而非哈希值，从而支持对所有权的零知识证明。
• 使用默克尔树将多个用户承诺分组，减少所需比特币交易数量，降低带宽消耗。
• 使用户仅通过区块头和认证路径即可验证其身份记录的当前状态，与简化支付验证（SPV）客户端兼容。
• 在初始认证阶段与现有公钥基础设施（PKI）集成，确保兼容性，同时利用区块链保障长期完整性与撤销机制。
• 设计包含身份验证者、服务启用者与用户的系统架构，其中服务启用者负责维护默克尔树并提供状态更新，但不获知用户身份。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过公共区块链将面对面的身份验证转化为持久的、匿名的数字身份？
• RQ2 零知识证明能否有效用于实现身份属性的选择性披露，同时保持隐私？
• RQ3 如何在不依赖集中式列表的情况下，高效地在比特币等公共区块链上管理身份撤销与更新？
• RQ4 使用默克尔树与 SPV 客户端维护身份状态最新状态的带宽与交易成本开销是多少？
• RQ5 与传统 PKI 撤销机制（如 CRL 和 OCSP）相比，所提出的系统在安全性和效率方面表现如何？

主要发现

• 通过存储承诺而非哈希值，系统实现了用户匿名性，零知识证明支持身份属性的选择性披露。
• 用户验证身份状态所需的带宽保持在较低水平，每区块约 780 至 1664 字节，具体取决于用户活动。
• 使用默克尔树将多个用户承诺聚合为单一树结构，显著减少了所需比特币交易数量。
• 撤销与更新机制已集成至区块链原生交易模型中，避免依赖外部且可能不可用的撤销列表。
• 通过继承比特币的安全模型，系统可抵御针对撤销基础设施的拒绝服务（DoS）攻击，具备抗此类攻击的韧性。
• 使用 SPV 客户端验证身份状态仅需每十分钟 80 字节的区块头，每次验证约 1 KB 数据，适用于轻量级客户端。