Building private and secure exchange protocols for decentralized applications

Abstract

Οι Υπογραφές Προσαρμογέα (Adaptor Signatures, AS) επεκτείνουν τις κλασικές ψηφιακές υπογραφές επιτρέποντας την υπό όρους υπογραφή: μια προ-υπογραφή που σχετίζεται με μια δύσκολη υπολογιστική σχέση μπορεί να μετατραπεί σε πλήρη υπογραφή μόνο όταν αποκαλυφθεί το αντίστοιχο μυστικό (witness). Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει την υλοποίηση πρωτοκόλλων ιδιωτικών συναλλαγών χωρίς τροποποιήσεις στην υποδομή του blockchain και αποτελεί βασικό εργαλείο για εφαρμογές όπως οι ατομικές ανταλλαγές και τα ψηφιακά συμβόλαια σε blockchains περιορισμένων δυνατοτήτων, όπως το Bitcoin. Η πρώτη συνεισφορά της εργασίας είναι ένας επανακαθορισμός της ασφάλειας των AS μέσω της εισαγωγής της ιδιότητας απόκρυψης μάρτυρα (witness hiding), που διασφαλίζει ότι η ψηφιακή υπογραφή δεν αποκαλύπτει πληροφορίες για τον μάρτυρα. Παρουσιάζουμε μια γενική κατασκευή AS για οποιαδήποτε NP σχέση, βασισμένη μόνο σε μονόδρομες συναρτήσεις. Η δεύτερη συνεισφορά προτείνει μια εναλλακτική κατασκευή AS βασισμένη στο μοντέλο Υπολογισμού Πολλαπλών Μερών στο Κεφάλι (MPCitH). Η προσέγγισή μας καταργεί την ανάγκη για αναγωγές τύπου Karp, ενώ διατηρεί το σημαντικό χαρακτηριστικό του MPCitH: η κατασκευή χρησιμοποιεί το κρυπτογραφικό πρωτόκολλο ως «μαύρο κουτί» (χωρίς εσωτερική γνώση), ενώ η υπολογιστική σχέση παραμένει ρητά επεξεργάσιμη. Το προτεινόμενο πλαίσιο απλοποιεί το σχεδιασμό καθολικών υπογραφών προσαρμογέα και ενισχύει την πρακτική τους εφαρμογή σε αποκεντρωμένα δίκτυα τύπου blockchain και συστήματα προστασίας ιδιωτικότητας. Η τρίτη συνεισφορά εξερευνά τον χώρο του πρακτικού ασφαλούς υπολογισμού και εισάγει το MPC Versatile Virtual Machine (mpcVVM), ένα ανεξάρτητο από backend πλαίσιο και εργαλείο μεταγλωττιστή για την αυτοματοποιημένη μίξη πρωτοκόλλων στον ασφαλή υπολογισμό μεταξύ πολλών συμμετεχόντων (MPC). Σε αντίθεση με τις υπάρχουσες προσεγγίσεις που είναι χειροκίνητες, ευριστικές και δεσμευμένες σε ένα μόνο backend, το mpcVVM μεταγλωττίζει προγράμματα υψηλού επιπέδου MPC σε μια ενδιάμεση αναπαράσταση, επιτρέποντας αυτοματοποιημένη μίξη με επίγνωση διανυσματοποίησης σε πολλαπλά backends. Υλοποιούμε το πλαίσιο μας με τα MP-SPDZ και MOTION και το αξιολογούμε σε τυποποιημένα benchmarks. Πέρα από τα εμπειρικά κέρδη απόδοσης, παρέχουμε μια εγγύηση αποδεδειγμένης βελτιστότητας για τη μεθοδολογία μίξης μας και αποδεικνύουμε την πρακτική επιλυσιμότητα υπό φυσικές δομικές υποθέσεις στα προγράμματα εισόδου, επιλύοντας έτσι ένα πρόβλημα που είχε προηγουμένως θεωρηθεί ως NP-hard. Η συνεισφορά αυτή προάγει τόσο το συστημικό όσο και το θεωρητικό σκέλος του MPC, επεκτείνοντας την αποδεδειγμένα βέλτιστη μίξη πρωτοκόλλων στην περίπτωση πολλαπλών πρωτοκόλλων. Η τέταρτη συνεισφορά της διατριβής επεκτείνεται στο πεδίο των Non-Fungible Tokens (NFTs) και εισάγει το BarterSwap, ένα πλήρως αποκεντρωμένο πρωτόκολλο ανταλλαγής πολλαπλών NFTs χωρίς χρηματικά ανταλλάγματα, με στόχο την καθιέρωση μιας ανταλλακτικής οικονομίας (barter economy) στο περιβάλλον των blockchains. Το Barter-Swap βασίζεται στον αλγόριθμο Top Trading Cycles (TTC), επιτρέποντας τη δίκαιη, ταυτόχρονη και αμοιβαία επωφελή ανταλλαγή μεταξύ πολλών συμμετεχόντων χωρίς την ανάγκη ύπαρξης μεσολαβητή ή κεντρικού μηχανισμού εκκαθάρισης. Η υλοποίηση του πρωτοκόλλου στο Ethereum καταδεικνύει την πρακτική του βιωσιμότητα και αποδεικνύει ότι είναι εφικτή η δημιουργία ενός αποκεντρωμένου μοντέλου ανταλλαγής ψηφιακών περιουσιακών στοιχείων, το οποίο συνδυάζει ντετερμινιστική ορθότητα, ασφάλεια και άμεση εκτέλεση του αποτελέσματος εντός έξυπνων συμβολαίων, ενώ πραγματοποιεί ανταλλαγές χωρίς καμία χρήση χρηματικής αξίας, στηριζόμενο αποκλειστικά στις προτιμήσεις των χρηστών. Η πέμπτη συνεισφορά της διατριβής αφορά τον σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός πλήρως αποκεντρωμένου συστήματος ανταλλαγής πληροφοριών κυβερνοαπειλών (Cyber Threat Intelligence – CTI), το οποίο συμμορφώνεται με τα πρότυπα STIX/TAXII και λειτουργεί πάνω σε ιδιωτικό δίκτυο Hyperledger Fabric. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική εισάγει μηχανισμούς οργανωσιακής αποκέντρωσης και ελεγχόμενης πρόσβασης, επιλύοντας πρακτικά ζητήματα ακεραιότητας, διαθεσιμότητας και μη αποποίησης ευθύνης που χαρακτηρίζουν τις κεντρικοποιημένες TAXII υποδομές.