ZLiTE Lightweight Clients for Shielded Zcash Transactions using Trusted Execution

ZLiTE: Lightweight Clients for Shielded Zcash Transactions using Trusted Execution

论文：Cryptology ePrint Archive: Report 2018/1024 - ZLiTE（youtube解读）

相关论文：Bite: Bitcoin Lightweight Client Privacy using Trusted Execution（CSDN解读）

0 摘要Abstract

问题：

普通区块链加密货币在交易中使用假名，容易从交易所溯源，泄露交易者隐私（zcash）
zcash是用零知识证明保护shield transaction的收发方和金额的私密货币，用户必须用viewing key扫描区块链，尝试解锁每一笔交易来测试交易是否属于自己，移动设备计算与网络资源不支持。
客户端消费需构建实时更新的witness，移动设备计算与网络资源不支持。

ZLiTE：“轻客户端”的系统

服务器端：TEE（SGX）保证代码执行完整&数据机密，rORAM内存机制防止侧通道泄露敏感信息
客户端：发送viewing key给全节点以确认收款，并接收update构建witness以付款

1 简介Introduction

Zcash：解决交易隐私问题
零知识证明存在一些过去的交易，这些交易给了用户他们可以花费的资金，从而删除了所有信息，如发送者/接收者的身份、金额和可链接性。
收款通知：协调shield transaction
以太坊：account；比特币：UTXO扫描区块链并检查每个事务；
Zcash tx：（一个不透明的承诺、一个密文、一个防止重复消费的序列号，以及一个零知识证明交易的正确性和可用资金的存在）链上tx没有明文标志接受者的元数据，客户识别付款：解密tx中以接收者的公钥加密的密文。pc平台的资源充足的客户端可行，但资源紧张的移动设备客户端不可行。
创建交易：协调shield transaction
在zcash中需要提供witness以创建交易，witness是资金来源tx到最新区块tx构建的note commitment tree（Merkle tree），且需要动态实时更新新tx。
ZLiTE系统：私有信息检索+侧通道弹性可信执行+新的承诺树更新机制

2 背景Background

屏蔽交易shielded transaction
input note -> joinsplit -> output note
nullifier：更新note set
spending key & viewing key
lightweight client：仅存block header，满足利用merkle tree验证交易
ORAM：隐藏内存的address、access pattern、read/write
SGX
并不是识别和隔离平台上的所有恶意软件，而是将合法软件的安全操作封装在一个enclave中，保护其不受恶意软件的攻击，特权或者非特权的软件都无法访问enclave，也就是说，一旦软件和数据位于enclave中，即便操作系统或者和VMM（Hypervisor）也无法影响enclave里面的代码和数据。

3 解决方案 approach

Requirements
- R1 Privacy. 不泄露隐私viewing key,transaction count, blocks containing transactions
- R2 Integrity.资金完整 *** 即使TEE受损也要保证
- R3 Completeness.信息完整（收/付款所需）
- R4 Performance.性能

4 ZLiTE system

架构
交易检索Transaction Retrieval（收款通知）
- Initialization
a. ZFN初始化：连接p2p网络，下载完整zcash blockchain并不断更新
b. ZLC初始化：从p2p网络请求所有新block header，用安装包中原始block header验证；保留最近block header用以处理浅分叉，并不断更新。
- Synchronization Protocol
（1）ZLC对ZFN远程认证（remote attestation）
（2）认证成功，则建立TLS安全通信隧道
（3）ZLC请求（viewing key用以解密s-tx，h标志从已知区块高度开始检索）
（4）ZFN创建rORAM以存储要返回的tx；从h层开始用viewing key扫描BC；
DE成功，tx写入rORAM；
DE失败，用cmov技术进行读取操作（与写入操作看起来一样，混淆侧信道）
（5）ZFN将rORAM序列化，返回数据（tx，block headers，note commitment tree update）
（6）ZLC验证block header PoW和merkle tree，更新witness
交易创建Transaction Creation
witness路径根据note commitment tree得出，其需要根据最新区块更新。客户端保存已构建的note commitment tree，再根据update更新witness。

5 安全分析Security Analysis

信息泄露Information Leakage
1、ORAM的read/write不可区分，且cmov使控制流独立于tx，以此向侧信道掩饰相关tx
2、response大小与扫描的区块数量h有关，与tx数量无关
资金完整性与数据完整性Integrity and Completeness
1、ZLC验证PoW，从p2p中其他节点接收block header以确保最长链，抵御eclipse攻击
2、ZLC通过TEE attestation保证代码完整运行，相比SPV可以确定接收到所有收款通知
SGX完全受损Full SGX Compromise
假如ZFN的enclave内数据泄露，则viewing key隐私泄露（R1），spending key仍在ZLC保密（R2）
信任假设Trust Assumption
与Zcash相同，要求大多数诚实的挖矿节点，且p2p广播信息不被eclipse攻击

6 性能分析Performance

7 相关工作Related Work

1、BIP37
2、BITE
3、Zcash Scalable Clients
4、Decentralized anonymous micropayments
5、Bolt: Anonymous payment channels for decentralized currencies

8 结论Conclusion

1、ZLC轻客户端可以创建和接收屏蔽支付。
2、TEE改变了Zcash的原始信任模型（viewing key->ZFN），但在最好的隐私和Zcash使用场景间取舍平衡。
3、开发支持屏蔽交易的移动客户端成为可能，更多用户可以受益于Zcash完善的隐私保护。

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