Security and Privacy of Cryptocurrency Signatures
Sicherheit und Vertraulichkeit von Kryptowährungssignaturen
Creators: name: Ronge, Viktoria
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: Informatik
computer science
Kryptowährungen
cryptocurrencies
Anonymität
anonymity
privacy
Bitcoin
Monero
Zcash

description: Cryptocurrencies have become an indispensable part of today’s world. In their various forms they play an increasingly important role, both as a fi nancial investment product and as a means of payment. However, since one does not directly see the parties involved in a transaction but at most unique identifi ers, there exists still the erroneous assumption that cryptocurrencies are anonymous per se. This thesis deals with diff erent forms of anonymity within the system of cryptocurrencies themself and what has to be considered when trying to deanonymize. Here, the term anonymity is used more broadly to refer not only to the fact that it is not known who the actual sender (or receiver) in a given transaction is, but also that actually existing connections between diff erent identifi ers cannot be detected. The focus is on the cryptocurrencies Bitcoin, Monero and Zcash. Bitcoin was chosen because it is the currency with the highest market capitalization of all, while Monero and Zcash have the highest market capitalization among such currencies, which by their construction ensure a certain degree of anonymity for both sender and receiver. In this context, Chapter 4 first deals with various assumptions that are applied in deanonymization. For these, a taxonomy with four categories is designed which allows to make statements about the reliability of the individual groups as well as to indicate factors which infl uence the reliability of at least a large part of the assumptions within a group. Motivated by selected considered assumptions, a definition for the measure of anonymity for cryptocurrencies is established in Chapter 5. This measure especially is valid for cryptocurrencies which use, like Monero, ring signatures to hide the actual senders of a transaction within a larger anonymity set. It is used to evaluate various concrete methods of anonymization, one of which is also constructed in Chapter 5. Chapter 6 concludes the main part of this work by constructing a protocol that uses Threshold Signatures. Theses allow a subset of fi xed size of a pre-selected group to collectively generate a signature (and in Bitcoin use it to authorize a transaction). Such a signature can be prevented if only a single member concretely chosen to generate the signature is malicious. The new protocol overcomes this problem and allows a correct signature to be generated even with a maximum allowed number of malicious group members present.
description: Kryptowährungen sind aus der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Sie spielen in verschiedensten Ausprägungen sowohl als Finanzanlageprodukt als auch als Zahlungsmittel eine größer werdende Rolle. Da man jedoch bei einer Transaktion nicht direkt die beteiligten Parteien, sondern maximal eindeutige Kennungen sieht, existiert nach wie vor die irrige Annahme, Kryptowährungen wären per se anonym. Diese Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Formen der Anonymität innerhalb des Systems der jeweiligen Kryptowährung und was bei dem Versuch der Aufhebung von Anonymität zu beachten ist. Dabei wird der Begriff Anonymität weiter gefasst und bezieht sich nicht nur darauf, dass in einer bestimmten Transaktion nicht bekannt ist, wer der tatsächlich Absender -- oder Empfänger -- ist, sondern auch, dass existierende, nicht zufällige, Verbindungen zwischen verschiedenen Kennungen nicht zu erkennen sind. Der Fokus liegt dabei auf den Kryptowährungen Bitcoin, Monero und Zcash. Bitcoin wurde ausgewählt, da es sich dabei um die Währung mit der höchsten Marktkapitalisierung überhaupt handelt, während Monero und Zcash die höchste Marktkapitalisierung unter solchen Währungen aufweisen, welche durch ihre Konstruktion ein gewisses Maß an Anonymität für Sender und Empfänger gewährleisten. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich zuerst Kapitel 4 mit unterschiedlichen Annahmen, welche verschiedenen Deanonymisierungsverfahren zugrunde liegen. Für diese Verfahren wird eine Taxonomie mit vier Kategorien entworfen, welche es erlaubt, über die Zuverlässigkeit der einzelnen Gruppen Aussagen zu treffen sowie Faktoren zu benennen, welche die Zuverlässigkeit jeweils mindestens einen Großteil der Annahmen innerhalb einer Gruppe beeinflussen. Von ausgewählten Annahmen motiviert wird in Kapitel 5 eine Definition für das Maß von Anonymität für Kryptowährungen angegeben. Dieses Maß gilt insbesondere für Währungen, welche ähnlich wie Monero Ringsignaturen verwenden, um die tatsächlichen Sender in einem größeren Anonymitätsset zu verstecken. Es wird zur Evaluation verschiedener konkreter Methoden der Anonymisierung herangezogen, wobei eine der Methoden ebenfalls in Kapitel 5 konstruiert wird. Kapitel 6 schließt den Hauptteil dieser Arbeit mit der Konstruktion eines Protokolls, welches Threshold Signatures verwendet, ab. Diese erlauben einer Teilmenge fester Größe einer zuvor ausgewählten Gruppe, gemeinsam eine Signatur zu erzeugen, womit in Bitcoin eine Transaktion autorisiert werden kann. Dabei kann ein Mitglied, welches in der konkreten Teilmenge, welche zur Erzeugung der Signatur herangezogen wird, ist, die Erzeugung der Signatur verhindern. Das neue Protokoll löst dieses Problem und erlaubt es, dass selbst mit einer maximal zulässigen Zahl an bösartigen Gruppenmitgliedern eine korrekte Signatur erstellt wird.