Chữ ký dùng một lần

Chữ ký dùng một lần là gì?

Chữ ký dùng một lần là phương pháp chữ ký số, trong đó khóa ký được thiết kế để ký an toàn duy nhất một thông điệp.

Trong tiền mã hóa, chữ ký dùng một lần rất quan trọng vì cho thấy quyền sở hữu kỹ thuật số có thể được chứng minh mà không chỉ dựa vào toán học đường cong elliptic.

Ý tưởng cơ bản là khóa ký riêng có thể tạo một chữ ký hợp lệ, còn khóa xác minh công khai có thể chứng minh chữ ký đó khớp với thông điệp.

Nếu cùng một khóa riêng dùng một lần ký nhiều hơn một thông điệp, tính bảo mật của lược đồ có thể bị phá vỡ.

Điều này khiến chữ ký dùng một lần rất khác với các lược đồ chữ ký blockchain phổ biến như ECDSA hoặc chữ ký Schnorr, vốn được thiết kế để tạo nhiều chữ ký nếu được triển khai đúng cách.

Chữ ký dùng một lần thường được nhắc đến trong mật mã dựa trên hàm băm.

Chữ ký dựa trên hàm băm có ý nghĩa với crypto vì có thể được xây dựng chủ yếu từ các hàm băm mật mã thay vì dựa trên các giả định của lý thuyết số.

Khuyến nghị SP 800-208 của NIST quy định LMS và XMSS là các lược đồ chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái, sử dụng ý tưởng chữ ký dùng một lần làm thành phần nền tảng.

RFC 8391 của IETF về XMSS quy định Winternitz One-Time Signature Plus, còn gọi là WOTS+, là một lược đồ chữ ký dùng một lần được sử dụng bên trong XMSS.

RFC 8554 của IETF về LMS cũng quy định một lược đồ chữ ký dùng một lần là thành phần của hệ thống chữ ký dựa trên hàm băm Leighton-Micali.

Bài học chính dành cho người dùng crypto rất đơn giản.

Chữ ký chứng minh quyền kiểm soát khóa bí mật, nhưng mức độ an toàn của bằng chứng đó phụ thuộc vào việc sử dụng lược đồ chữ ký đúng như thiết kế.

Điểm chính về chữ ký dùng một lần

• • Chữ ký dùng một lần là lược đồ chữ ký số trong đó mỗi khóa ký riêng chỉ nên được dùng để ký một thông điệp.
  • Dùng cùng một khóa ký dùng một lần hai lần có thể làm lộ quá nhiều thông tin bí mật và tạo điều kiện giả mạo chữ ký.
  • Chữ ký dùng một lần thường dựa trên các hàm băm mật mã.
  • Chữ ký Lamport và chữ ký Winternitz là những ví dụ kinh điển về ý tưởng chữ ký dùng một lần.
  • WOTS+ là thành phần chữ ký dùng một lần hiện đại được sử dụng trong XMSS.
  • LMS sử dụng thành phần chữ ký dùng một lần trong một hệ thống chữ ký dựa trên hàm băm lớn hơn.
  • Cây Merkle có thể kết hợp nhiều chữ ký dùng một lần dưới một khóa công khai gốc.
  • Chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái đòi hỏi phải theo dõi cẩn thận khóa dùng một lần nào đã được sử dụng.
  • Chữ ký dùng một lần quan trọng đối với mật mã hậu lượng tử vì tính bảo mật có thể dựa trên các hàm băm thay vì các giả định về đường cong elliptic.
  • Phần lớn ví crypto hiện nay không sử dụng chữ ký dùng một lần thuần túy cho các giao dịch thông thường, nhưng khái niệm này quan trọng đối với thiết kế ví trong tương lai và quá trình chuyển đổi hậu lượng tử.

Chữ ký dùng một lần hoạt động như thế nào?

Chữ ký dùng một lần bắt đầu bằng khóa riêng chứa các giá trị bí mật.

Người ký sử dụng các giá trị bí mật đó để tạo chữ ký cho một thông điệp.

Người xác minh dùng khóa công khai để xác nhận các giá trị bí mật được tiết lộ khớp với thông điệp.

Trong nhiều thiết kế dựa trên hàm băm, khóa công khai chứa các giá trị băm của những giá trị bí mật.

Chữ ký tiết lộ một số giá trị bí mật được chọn.

Người xác minh băm các giá trị được tiết lộ rồi kiểm tra xem chúng có khớp với khóa công khai hay không.

Thiết kế này hiệu quả vì hàm băm dễ tính toán theo một chiều nhưng khó đảo ngược.

Vấn đề là chữ ký làm lộ một phần thông tin của khóa riêng.

Sau khi ký một thông điệp, một số giá trị bí mật không còn bí mật nữa.

Nếu dùng cùng một khóa dùng một lần để ký thông điệp thứ hai khác với thông điệp đầu tiên, nhiều giá trị bí mật hơn sẽ bị tiết lộ.

Khi có đủ thông tin bị lộ, kẻ tấn công có thể tạo chữ ký hợp lệ cho một thông điệp mà chủ sở hữu chưa bao giờ phê duyệt.

Vì sao gọi là dùng một lần?

Phương pháp này được gọi là chữ ký dùng một lần vì cùng một khóa ký chỉ nên được sử dụng một lần.

Quy tắc dùng một lần không phải là một gợi ý.

Đây là yêu cầu bảo mật cốt lõi.

Trong lược đồ chữ ký thông thường cho phép dùng nhiều lần, cùng một khóa riêng có thể ký nhiều thông điệp khác nhau miễn là thuật toán được sử dụng đúng cách.

Trong lược đồ chữ ký dùng một lần, mỗi chữ ký làm lộ một lượng thông tin có kiểm soát về khóa riêng.

Việc để lộ thông tin đó an toàn với một thông điệp vì khóa công khai và quy tắc ký được thiết kế cho một lần sử dụng.

Việc để lộ thông tin trở nên nguy hiểm khi cùng một khóa được dùng để ký nhiều lần.

Đó là lý do khóa dùng một lần cần được quản lý cẩn thận.

Nếu ví, node hoặc dịch vụ ký vô tình sử dụng lại cùng một khóa dùng một lần, người dùng có thể mất đi sự bảo đảm an toàn.

Trong crypto, nơi chữ ký có thể kiểm soát việc chuyển tài sản thực, sai sót này có thể gây tổn thất rất lớn.

Chữ ký dùng một lần Lamport

Chữ ký dùng một lần Lamport là một trong những thiết kế chữ ký dùng một lần đơn giản và nổi tiếng nhất.

Khóa riêng chứa các cặp giá trị bí mật ngẫu nhiên.

Mỗi bit của hash thông điệp sẽ chọn một giá trị bí mật từ một cặp.

Khóa công khai chứa giá trị băm của tất cả các giá trị bí mật.

Để ký một thông điệp, người ký tiết lộ một giá trị bí mật từ mỗi cặp dựa trên hash của thông điệp.

Để xác minh chữ ký, người xác minh băm từng giá trị được tiết lộ rồi đối chiếu với khóa công khai.

Tính bảo mật dựa trên độ khó của việc tìm một giá trị bí mật khớp với một giá trị băm công khai.

Nếu người ký chỉ ký một thông điệp, các giá trị chưa được tiết lộ vẫn được giữ kín.

Nếu người ký ký hai thông điệp khác nhau, chữ ký thứ hai có thể tiết lộ các giá trị bí mật ở phía còn lại của một số cặp.

Điều này có thể cung cấp cho kẻ tấn công đủ dữ liệu để tạo chữ ký cho thông điệp mới.

Chữ ký dùng một lần Winternitz

Chữ ký dùng một lần Winternitz cải thiện hiệu quả so với chữ ký Lamport cơ bản.

Thay vì tiết lộ một giá trị bí mật cho mỗi bit, các thiết kế Winternitz xử lý nhiều bit cùng lúc.

Tùy theo tham số được chọn, cách này có thể giảm kích thước chữ ký và khóa công khai.

Đổi lại, quá trình xác minh và ký sử dụng các chuỗi băm.

Chuỗi băm liên tục áp dụng hàm băm lên một giá trị.

Người ký tiết lộ một giá trị tại một điểm nhất định trong chuỗi.

Người xác minh tiếp tục băm từ điểm đó và kiểm tra xem kết quả có khớp với giá trị trong khóa công khai hay không.

WOTS+ là phiên bản được tăng cường của phương pháp Winternitz.

RFC 8391 quy định WOTS+ là thành phần chữ ký dùng một lần được XMSS sử dụng.

Các thiết kế kiểu Winternitz cho thấy chữ ký dùng một lần có thể trở nên thực tiễn hơn mà vẫn tuân thủ quy tắc chỉ sử dụng một lần.

WOTS+ và XMSS

WOTS+ là viết tắt của Winternitz One-Time Signature Plus.

Đây là lược đồ chữ ký dùng một lần được sử dụng bên trong XMSS.

XMSS là viết tắt của eXtended Merkle Signature Scheme.

RFC 8391 mô tả XMSS là hệ thống chữ ký số dựa trên hàm băm và nêu rõ XMSS cùng các biến thể XMSS multi-tree sử dụng WOTS+ làm thành phần nền tảng chính.

XMSS sử dụng nhiều cặp khóa WOTS+ và tổ chức chúng bằng cây Merkle.

Cây Merkle cho phép một khóa công khai gốc xác thực nhiều khóa công khai dùng một lần.

Mỗi lá WOTS+ chỉ nên được sử dụng một lần.

Người ký phải theo dõi chỉ số lá nào đã được sử dụng.

Đó là lý do XMSS được gọi là hệ thống có trạng thái.

Trạng thái khóa riêng phải được cập nhật an toàn sau mỗi chữ ký để không sử dụng lại cùng một khóa dùng một lần.

LMS và chữ ký dùng một lần

LMS là viết tắt của Leighton-Micali Signature.

Đây là một hệ thống chữ ký dựa trên hàm băm khác, sử dụng các ý tưởng chữ ký dùng một lần.

RFC 8554 mô tả LMS là hệ thống chữ ký số dựa trên các hàm băm mật mã, đồng thời quy định cả lược đồ chữ ký dùng một lần lẫn lược đồ chữ ký tổng quát.

LMS cũng sử dụng cấu trúc cây để kết hợp nhiều khóa dùng một lần thành một hệ thống chữ ký lớn hơn.

Giống XMSS, LMS là hệ thống có trạng thái.

Điều đó có nghĩa người ký phải theo dõi khóa dùng một lần nào đã được sử dụng.

Nếu việc theo dõi trạng thái thất bại, khóa dùng một lần có thể bị sử dụng lại.

Điều này có thể làm suy yếu hoặc phá hủy tính bảo mật của các chữ ký liên quan đến khóa đó.

NIST SP 800-208 phê duyệt một số bộ tham số LMS, HSS, XMSS và XMSS multi-tree được chọn cho chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái.

Điều này khiến LMS trở nên quan trọng đối với các hệ thống cần tính bảo mật của chữ ký dựa trên hàm băm và có thể quản lý trạng thái an toàn.

Cây Merkle và chữ ký dùng một lần

Cây Merkle là cấu trúc dữ liệu sử dụng hàm băm để kết nối nhiều lá với một nút gốc.

Trong các hệ thống chữ ký dựa trên hàm băm, mỗi lá có thể đại diện cho một khóa công khai dùng một lần.

Gốc Merkle trở thành khóa công khai chính.

Khi người ký dùng một lá để ký thông điệp, chữ ký bao gồm đường dẫn xác thực chứng minh rằng lá đó thuộc cây.

Người xác minh kiểm tra chữ ký dùng một lần, sau đó kiểm tra đường dẫn Merkle đến nút gốc.

Thiết kế này cho phép một nút gốc công khai hỗ trợ nhiều chữ ký.

Nếu không có cây, mỗi khóa dùng một lần sẽ cần được phân phối bằng khóa công khai riêng.

Cây Merkle giúp chữ ký dùng một lần trở nên thực tiễn đối với các hệ thống cần ký nhiều hơn một thông điệp.

Đổi lại, chữ ký lớn hơn và cần quản lý trạng thái cẩn thận.

Lợi ích là tính bảo mật mạnh dựa trên hàm băm với cấu trúc rõ ràng.

Chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái và không trạng thái

Chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái yêu cầu người ký ghi nhớ những khóa ký dùng một lần nào đã được sử dụng.

XMSS và LMS là các hệ thống có trạng thái.

Trạng thái thường là một chỉ số hoặc bộ đếm đánh dấu khóa dùng một lần tiếp theo chưa được sử dụng.

Nếu bộ đếm bị sao chép, khôi phục về trạng thái cũ hoặc hỏng, người ký có thể sử dụng lại khóa dùng một lần.

Điều này có thể xảy ra sau khi khôi phục bản sao lưu, sao chép thiết bị, lỗi phần mềm, hỏng phần cứng hoặc quy trình ký nhiều máy chủ phối hợp kém.

Chữ ký dựa trên hàm băm không trạng thái tìm cách tránh vấn đề này bằng cách không yêu cầu người ký duy trì bộ đếm sử dụng một lần nghiêm ngặt theo cùng cách đó.

Tiêu chuẩn FIPS 205 của NIST quy định SLH-DSA, một thuật toán chữ ký số dựa trên hàm băm không trạng thái, được xây dựng dựa trên SPHINCS+.

SLH-DSA không phải là chữ ký dùng một lần đơn giản dành cho người dùng thông thường.

Thuật toán sử dụng các cấu trúc dựa trên hàm băm ở bên trong để cung cấp một lược đồ chữ ký không trạng thái.

Sự khác biệt này quan trọng vì hệ thống có trạng thái có thể hiệu quả hơn, trong khi hệ thống không trạng thái có thể dễ vận hành an toàn hơn trong một số môi trường.

Chữ ký dùng một lần và mật mã hậu lượng tử

Chữ ký dùng một lần quan trọng trong mật mã hậu lượng tử vì nhiều chữ ký dựa trên hàm băm được cho là có khả năng chống lại các cuộc tấn công lượng tử đã biết tốt hơn các chữ ký đường cong elliptic được sử dụng rộng rãi.

Một máy tính lượng tử đủ mạnh có thể đe dọa các lược đồ chữ ký dựa trên giả định về bài toán logarit rời rạc.

Nhiều chữ ký blockchain hiện nay dựa trên mật mã đường cong elliptic.

Chữ ký dựa trên hàm băm chủ yếu dựa vào các đặc tính bảo mật của hàm băm.

Máy tính lượng tử vẫn có thể ảnh hưởng đến tính bảo mật của hàm băm thông qua các thuật toán tăng tốc tổng quát, nhưng có thể bù đắp rủi ro đó bằng cách lựa chọn tham số cẩn thận.

Đó là lý do NIST đã chuẩn hóa và khuyến nghị các phương pháp chữ ký dựa trên hàm băm cho một số trường hợp sử dụng nhất định.

Các thành phần chữ ký dùng một lần như WOTS+ là một phần của bức tranh rộng hơn về mật mã hậu lượng tử.

Đối với mạng crypto, việc chuyển đổi hậu lượng tử rất khó vì blockchain phải bảo vệ tài sản cũ, giao dịch mới, khả năng tương thích của ví, ví phần cứng, multisig, hợp đồng thông minh, bridge và kho lưu trữ dài hạn.

Chữ ký dùng một lần không phải là giải pháp hậu lượng tử duy nhất có thể áp dụng.

Đây là một trong những ý tưởng quan trọng nhất đứng sau chữ ký hậu lượng tử dựa trên hàm băm.

Chữ ký dùng một lần so với ECDSA

ECDSA là lược đồ chữ ký số cho phép sử dụng nhiều lần nếu được triển khai đúng cách.

Khóa riêng blockchain sử dụng ECDSA có thể ký nhiều giao dịch miễn là mỗi chữ ký dùng nonce an toàn và khóa riêng vẫn được giữ bí mật.

Khóa chữ ký dùng một lần không nên được dùng để ký nhiều thông điệp.

Đây là khác biệt chính.

Tính bảo mật của ECDSA phụ thuộc vào các giả định về đường cong elliptic và việc xử lý nonce an toàn.

Tính bảo mật của chữ ký dùng một lần thường phụ thuộc vào hàm băm và kỷ luật nghiêm ngặt về việc chỉ sử dụng khóa một lần.

Chữ ký ECDSA nhỏ gọn hơn nhiều chữ ký dựa trên hàm băm.

Tùy theo thiết kế, hệ thống chữ ký dùng một lần có thể có khóa công khai, chữ ký hoặc đường dẫn xác thực lớn hơn.

ECDSA được sử dụng rộng rãi trong hạ tầng blockchain hiện nay.

Chữ ký dùng một lần thường được nhắc đến nhiều hơn trong thiết kế hậu lượng tử, các hệ thống chuyên biệt và nghiên cứu chuyển đổi trong tương lai.

Chữ ký dùng một lần so với chữ ký Schnorr

Chữ ký Schnorr cũng cho phép sử dụng nhiều lần nếu được triển khai đúng cách.

BIP 340 của Bitcoin định nghĩa chữ ký Schnorr 64 byte trên đường cong elliptic secp256k1.

Chữ ký Schnorr có thể hỗ trợ các tính năng hữu ích như gộp chữ ký và các chứng minh bảo mật đơn giản hơn so với những thiết kế cũ.

Đây không phải là chữ ký dùng một lần.

Khóa riêng Schnorr có thể ký nhiều thông điệp nếu việc tạo nonce an toàn và giao thức được triển khai đúng cách.

Tuy nhiên, cả Schnorr và ECDSA đều cần được bảo vệ nghiêm ngặt trước các sai sót liên quan đến nonce.

Chữ ký dùng một lần dựa trên hàm băm có loại rủi ro khác.

Rủi ro vận hành lớn nhất là sử dụng cùng một khóa dùng một lần hai lần.

Cả hai nhóm đều cần được triển khai cẩn thận.

Nguyên nhân dẫn đến lỗi là khác nhau.

Chữ ký dùng một lần so với địa chỉ dùng một lần

Chữ ký dùng một lần không giống với địa chỉ dùng một lần.

Chữ ký dùng một lần là phương pháp ký mật mã.

Địa chỉ dùng một lần là cách sử dụng ví, trong đó người dùng nhận tiền tại một địa chỉ mới thay vì tái sử dụng cùng một địa chỉ.

Hướng dẫn bảo vệ quyền riêng tư của Bitcoin.org khuyến nghị sử dụng địa chỉ Bitcoin mới mỗi khi nhận một khoản thanh toán mới.

Sử dụng địa chỉ mới giúp cải thiện quyền riêng tư vì khiến việc liên kết các khoản thanh toán trở nên khó hơn.

Trong một số loại địa chỉ, cách này cũng có thể giảm việc để lộ khóa công khai không cần thiết.

Tuy nhiên, sử dụng địa chỉ mới không tự động có nghĩa là lược đồ chữ ký là chữ ký dùng một lần.

Hầu hết ví Bitcoin và Ethereum thông thường sử dụng lược đồ chữ ký cho phép dùng nhiều lần, chứ không phải lược đồ chữ ký dùng một lần thuần túy.

Các thuật ngữ này nghe có vẻ giống nhau nhưng mô tả những lớp bảo mật ví khác nhau.

Một khái niệm nói về cách khóa ký thông điệp, còn khái niệm kia nói về cách địa chỉ được sử dụng on-chain.

Chữ ký dùng một lần và việc tái sử dụng địa chỉ

Tái sử dụng địa chỉ không giống với tái sử dụng khóa ký dùng một lần, nhưng hai ý tưởng này có liên quan đến việc quản lý khóa an toàn.

Tái sử dụng địa chỉ có thể làm giảm quyền riêng tư bằng cách liên kết nhiều khoản thanh toán với cùng một địa chỉ.

Trong một số loại script Bitcoin, việc chi tiêu sẽ làm lộ khóa công khai on-chain.

Tài liệu dành cho nhà phát triển Bitcoin về giao dịch P2PKH cho thấy script chi tiêu bao gồm cả chữ ký lẫn khóa công khai.

Điều này không có nghĩa Bitcoin sử dụng chữ ký dùng một lần.

Điều đó có nghĩa việc để lộ khóa công khai và tái sử dụng địa chỉ có thể ảnh hưởng đến quyền riêng tư cũng như các giả định bảo mật trong tương lai.

Người dùng tái sử dụng địa chỉ cung cấp cho người quan sát thêm dữ liệu để liên kết hoạt động.

Quá trình chuyển đổi hậu lượng tử trong tương lai cũng có thể khiến việc để lộ khóa công khai trở thành một chủ đề rủi ro được quan tâm nhiều hơn.

Các phương pháp sử dụng ví tốt vốn đã khuyến khích tạo địa chỉ mới cho các khoản thanh toán khi có thể.

Chữ ký dùng một lần đẩy ý tưởng quản lý khóa an toàn này đi xa hơn bằng cách biến việc chỉ sử dụng khóa một lần thành một quy tắc toán học.

Chữ ký dùng một lần và thiết kế ví

Ví sử dụng chữ ký dùng một lần phải quản lý nhiều khóa ký.

Mỗi khóa chỉ nên được sử dụng một lần rồi loại bỏ.

Ví phải biết những khóa nào chưa được sử dụng.

Ví phải tránh ký hai giao dịch bằng cùng một khóa dùng một lần.

Ví phải xử lý bản sao lưu mà không khôi phục trạng thái khóa về trước đó.

Ví phải hỗ trợ nhiều thiết bị mà không dẫn đến việc sử dụng trùng khóa.

Ví phải xử lý cẩn thận các giao dịch thất bại, lần thử lại và giao dịch thay thế.

Nếu giao dịch thất bại trước khi được phát lên mạng, ví vẫn cần quyết định liệu khóa dùng một lần đã bị tiết lộ đủ để cần loại bỏ hay chưa.

Những chi tiết vận hành này khiến việc thiết kế ví chữ ký dùng một lần khó hơn vẻ bề ngoài.

Ví OTS thân thiện với người dùng phải che giấu sự phức tạp nhưng không được che giấu rủi ro.

Chữ ký dùng một lần và giao dịch blockchain

Mọi giao dịch blockchain đều cần một cách để chứng minh quyền phê duyệt.

Hầu hết blockchain hiện nay sử dụng chữ ký số để chứng minh người chi tiêu kiểm soát khóa riêng liên quan.

Chữ ký dùng một lần cũng có thể chứng minh quyền phê duyệt, nhưng sẽ làm thay đổi thiết kế giao dịch.

Giao dịch có thể cần chữ ký lớn hơn.

Script xác minh hoặc máy ảo có thể cần hỗ trợ xác minh dựa trên hàm băm.

Định dạng địa chỉ có thể cần cam kết với một gốc Merkle hoặc dữ liệu xác minh công khai khác.

Thị trường phí có thể bị ảnh hưởng nếu chữ ký lớn hơn và chiếm nhiều không gian khối hơn.

Light client có thể cần định dạng bằng chứng mới.

Ví phần cứng có thể cần cơ chế lưu trữ trạng thái khóa an toàn mới.

Multisig và hợp đồng thông minh có thể cần thiết kế mới cho việc gộp chữ ký hoặc chữ ký ngưỡng.

Đó là lý do việc bổ sung chữ ký dùng một lần vào một blockchain lớn là vấn đề thiết kế giao thức, chứ không chỉ là tính năng của ví.

Chữ ký dùng một lần và hợp đồng thông minh

Hợp đồng thông minh có thể xác minh chữ ký nếu máy ảo hỗ trợ các thao tác mật mã cần thiết.

Một số chain cung cấp sẵn các hàm xác minh chữ ký cho những thuật toán phổ biến.

Có thể xác minh chữ ký dùng một lần dựa trên hàm băm bằng các thao tác băm, nhưng kích thước chữ ký và phí gas có thể cao.

Hợp đồng xác minh chữ ký kiểu WOTS có thể cần thực hiện nhiều phép tính hàm băm.

Việc này có thể tốn kém nếu chain tính phí cho năng lực tính toán và lưu trữ dữ liệu.

Trên một chain thanh toán đơn giản, chữ ký lớn có thể làm tăng phí giao dịch.

Trên chain hợp đồng thông minh, logic xác minh lớn có thể làm tăng lượng gas sử dụng.

Điều này không khiến chữ ký dùng một lần trở nên vô dụng.

Điều đó có nghĩa quá trình triển khai cần được thiết kế và phân tích phí cẩn thận.

Tính bảo mật hậu lượng tử cần phù hợp với tính kinh tế của chain.

Chữ ký dùng một lần và multisig

Multisig có nghĩa là cần nhiều khóa để phê duyệt một hành động.

Trong ví crypto truyền thống, multisig có thể sử dụng một số khóa ECDSA hoặc Schnorr.

Với chữ ký dùng một lần, multisig trở nên phức tạp hơn vì mỗi bên tham gia có thể cần quản lý trạng thái khóa dùng một lần.

Mỗi người ký phải tránh sử dụng lại khóa ký dùng một lần của mình.

Đơn vị điều phối ví có thể cần theo dõi những khóa dùng một lần nào đã được sử dụng trong từng chính sách.

Nếu giao dịch multisig thất bại và được tạo lại, hệ thống ký phải tránh vô tình sử dụng lại khóa.

Chữ ký ngưỡng cũng có thể khó triển khai hơn với chữ ký dựa trên hàm băm so với một số hệ thống đường cong elliptic.

Chữ ký nhóm, chữ ký tổng hợp và trừu tượng hóa tài khoản có thể hỗ trợ các thiết kế trong tương lai, nhưng cần được phân tích cẩn thận.

Chữ ký dùng một lần có thể mang lại tính bảo mật mạnh, nhưng multisig khiến kỷ luật vận hành trở nên quan trọng hơn.

Đối với hoạt động lưu ký của tổ chức, quản lý trạng thái có thể quan trọng không kém sức mạnh mật mã.

Chữ ký dùng một lần và ví phần cứng

Ví phần cứng hữu ích vì giữ khóa riêng tách biệt khỏi các thiết bị kết nối Internet.

Ví phần cứng sử dụng chữ ký dùng một lần cần có bộ nhớ an toàn cho cả dữ liệu khóa bí mật lẫn trạng thái ký.

Thiết bị phải tăng chỉ số khóa dùng một lần một cách đáng tin cậy.

Thiết bị phải ngăn khôi phục trạng thái cũ sau khi khôi phục bản sao lưu.

Thiết bị phải xử lý tình trạng mất nguồn trong lúc ký.

Thiết bị phải phối hợp với phần mềm ví mà không làm lộ các giá trị bí mật chưa được sử dụng.

Thiết bị phải cảnh báo rõ cho người dùng trước những hành động có thể tiêu thụ một khóa dùng một lần.

Những yêu cầu này khó đáp ứng hơn nhiều so với việc chỉ lưu trữ một khóa riêng tĩnh.

Ví phần cứng có thể bảo vệ bí mật tốt, nhưng cũng cần logic quản lý trạng thái an toàn.

Với chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái, trạng thái là một phần trong tính bảo mật của khóa riêng.

Chữ ký dùng một lần và bản sao lưu

Bản sao lưu là một trong những vấn đề khó giải quyết nhất đối với các hệ thống chữ ký dùng một lần có trạng thái.

Bản sao lưu ví thông thường có thể khôi phục cùng một seed và tạo lại nhiều khóa.

Với hệ thống OTS có trạng thái, việc khôi phục bản sao lưu cũ có thể nguy hiểm nếu bộ đếm khóa chưa sử dụng bị đưa về trạng thái cũ.

Ví có thể cho rằng một khóa dùng một lần chưa được sử dụng dù khóa đó đã được dùng trước khi khôi phục bản sao lưu.

Điều này có thể khiến khóa bị sử dụng lại.

Việc sử dụng lại khóa có thể cho phép giả mạo chữ ký trong các lược đồ dùng một lần.

Hệ thống sao lưu an toàn phải giữ nguyên trạng thái ký hiện tại.

Hệ thống có thể cần bộ đếm an toàn, phần cứng đơn điệu, bộ nhớ được đồng bộ hoặc cơ chế loại bỏ khóa theo hướng thận trọng.

Đây là lý do chính khiến chữ ký dựa trên hàm băm không trạng thái trở nên hấp dẫn trong một số môi trường.

Trạng thái dễ mô tả nhưng rất khó bảo vệ hoàn hảo.

Chữ ký dùng một lần và khả năng chống chịu trước máy tính lượng tử

Chữ ký dùng một lần thường được mô tả là có khả năng chống chịu trước máy tính lượng tử vì chủ yếu có thể dựa trên hàm băm.

Cần hiểu điều này một cách thận trọng.

Khả năng chống chịu trước máy tính lượng tử không có nghĩa là không thể bị tấn công.

Điều đó có nghĩa lược đồ được thiết kế để chống lại các phương pháp tấn công lượng tử đã biết tốt hơn những lược đồ dựa trên các bài toán mà thuật toán lượng tử có thể giải hiệu quả.

Hàm băm vẫn cần tham số mạnh vì tìm kiếm lượng tử có thể làm giảm mức độ bảo mật thực tế của một số giả định dựa trên hàm băm.

Các tiêu chuẩn hiện đại lựa chọn tham số để tính đến điều này.

Tiêu chuẩn FIPS 205 của NIST về SLH-DSA là một phần của phong trào rộng hơn hướng đến chữ ký hậu lượng tử được tiêu chuẩn hóa.

Các lược đồ dựa trên hàm băm có trạng thái như XMSS và LMS cũng rất quan trọng vì cung cấp các lựa chọn chữ ký dựa trên hàm băm đã trưởng thành cho một số trường hợp sử dụng được chọn.

Đối với blockchain, khả năng chống chịu trước máy tính lượng tử cần được đánh giá ở các lớp ví, giao dịch, đồng thuận, bridge và hợp đồng thông minh.

Chữ ký hậu lượng tử chỉ hữu ích nếu toàn bộ hệ thống có thể sử dụng nó an toàn.

Lợi ích của chữ ký dùng một lần

Lợi ích đầu tiên của chữ ký dùng một lần là nền tảng bảo mật đơn giản.

Nhiều thiết kế chủ yếu dựa trên các hàm băm mật mã.

Lợi ích thứ hai là tính phù hợp với mật mã hậu lượng tử.

Chữ ký dựa trên hàm băm là một trong những nhóm chữ ký hậu lượng tử được nghiên cứu nhiều nhất.

Lợi ích thứ ba là tính minh bạch về mặt khái niệm.

Chữ ký Lamport cơ bản dễ hiểu hơn nhiều lược đồ chữ ký nâng cao.

Lợi ích thứ tư là giảm sự phụ thuộc vào các giả định về đường cong elliptic.

Điều này quan trọng đối với các hệ thống đang lên kế hoạch chuyển đổi mật mã dài hạn.

Lợi ích thứ năm là tính mô-đun.

Các thành phần chữ ký dùng một lần có thể kết hợp với cây Merkle và những cấu trúc khác để tạo ra các hệ thống chữ ký lớn hơn.

Những lợi ích này giải thích vì sao các khái niệm OTS vẫn xuất hiện trong các tiêu chuẩn mật mã nghiêm túc.

Hạn chế của chữ ký dùng một lần

Hạn chế đầu tiên là quy tắc chỉ sử dụng một lần.

Khóa riêng dùng một lần không thể ký an toàn số lượng thông điệp không giới hạn.

Hạn chế thứ hai là độ phức tạp trong quản lý khóa.

Ví hoặc hệ thống ký phải theo dõi cẩn thận các khóa chưa được sử dụng.

Hạn chế thứ ba là kích thước chữ ký.

Chữ ký dựa trên hàm băm có thể lớn hơn chữ ký đường cong elliptic phổ biến.

Hạn chế thứ tư là rủi ro về trạng thái vận hành.

Bản sao lưu, sao chép thiết bị, dự phòng máy chủ và thử lại giao dịch có thể vô tình dẫn đến việc sử dụng lại khóa.

Hạn chế thứ năm là chi phí tích hợp.

Blockchain có thể cần định dạng địa chỉ, quy tắc script, hỗ trợ máy ảo, mô hình phí và tiêu chuẩn ví mới.

Hạn chế thứ sáu là trải nghiệm người dùng.

Người dùng không nên phải tự tìm hiểu mọi chỉ số khóa dùng một lần, nhưng ví vẫn phải quản lý các chỉ số đó chính xác.

Rủi ro bảo mật của chữ ký dùng một lần

Rủi ro lớn nhất là ký nhiều hơn một thông điệp bằng cùng một khóa dùng một lần.

Điều này có thể làm lộ đủ thông tin bí mật để hỗ trợ kẻ tấn công giả mạo chữ ký.

Rủi ro thứ hai là tạo khóa riêng bằng nguồn ngẫu nhiên kém.

Nếu các giá trị bí mật có thể dự đoán được, lược đồ có thể thất bại.

Rủi ro thứ ba là hàm băm yếu hoặc tham số không an toàn.

Nếu hàm băm quá yếu, kẻ tấn công có thể tìm tiền ảnh hoặc các lối tắt hữu ích khác.

Rủi ro thứ tư là lỗi triển khai.

Mã hóa dữ liệu không chính xác, theo dõi chỉ số sai, xử lý checksum không đúng hoặc phân tách miền không phù hợp có thể tạo ra lỗ hổng.

Rủi ro thứ năm là rò rỉ kênh kề.

Thiết bị làm lộ các giá trị bí mật thông qua thời gian xử lý, mức tiêu thụ điện năng, truy cập bộ nhớ hoặc tiêm lỗi có thể mất đi tính bảo mật.

Rủi ro thứ sáu là khôi phục trạng thái cũ.

Nếu người ký quay lại trạng thái cũ, khóa lẽ ra phải được loại bỏ có thể bị sử dụng lại.

Chữ ký dùng một lần và việc tái sử dụng nonce

Không nên nhầm việc sử dụng lại khóa chữ ký dùng một lần với việc tái sử dụng nonce của ECDSA.

Trong ECDSA, nonce là một giá trị bí mật riêng cho mỗi chữ ký.

Nếu nonce bị sử dụng lại hoặc bị lộ, khóa riêng dài hạn có thể bị lộ.

Trong chữ ký dùng một lần, bản thân khóa riêng dùng một lần được thiết kế để ký một thông điệp.

Sử dụng lại khóa sẽ làm lộ quá nhiều thông tin bí mật của khóa dùng một lần đó.

Cả hai sai sót đều nghiêm trọng.

Chúng xảy ra trong các nhóm chữ ký khác nhau.

Bài học chung là hệ thống ký thường cần dữ liệu bí mật duy nhất cho mỗi chữ ký hoặc mỗi ngữ cảnh ký.

Nhà phát triển ví phải biết chính xác dữ liệu nào tuyệt đối không được sử dụng lại.

Người dùng có thể không nhìn thấy những chi tiết này, nhưng tài sản của họ phụ thuộc vào chúng.

Chữ ký dùng một lần và quyền riêng tư

Chữ ký dùng một lần có thể hỗ trợ thiết kế ví thân thiện với quyền riêng tư khi kết hợp với địa chỉ mới và cách tạo giao dịch cẩn trọng.

Tuy nhiên, chữ ký dùng một lần không tự động giúp blockchain trở nên riêng tư.

Số tiền giao dịch, thời điểm, đầu vào, đầu ra, siêu dữ liệu mạng và tương tác với hợp đồng thông minh vẫn có thể làm lộ thông tin.

Khóa dùng một lần có thể giảm việc để lộ khóa lặp lại.

Bản thân nó không che giấu mọi hoạt động.

Hướng dẫn về quyền riêng tư của Bitcoin khuyến nghị dùng địa chỉ mới cho các khoản thanh toán mới vì tái sử dụng địa chỉ có thể liên kết hoạt động.

Bài học này phù hợp với tinh thần của chữ ký dùng một lần.

Dữ liệu mật mã mới có thể giảm khả năng liên kết và giảm việc để lộ thông tin lặp lại.

Dù vậy, quyền riêng tư đòi hỏi thiết kế toàn hệ thống.

Ký một lần chỉ là một phần trong thiết kế đó.

Chữ ký dùng một lần trong thiết kế blockchain tương lai

Blockchain trong tương lai có thể sử dụng chữ ký dựa trên hàm băm để tăng khả năng chống chịu trước máy tính lượng tử.

Một số thiết kế có thể dùng hệ thống có trạng thái như XMSS hoặc LMS.

Các thiết kế khác có thể dùng hệ thống dựa trên hàm băm không trạng thái như SLH-DSA.

Một số mạng có thể hỗ trợ nhiều thuật toán chữ ký trong giai đoạn chuyển đổi.

Một số ví có thể cho phép người dùng chuyển tài sản từ loại chữ ký cũ sang loại địa chỉ hậu lượng tử.

Một số nền tảng hợp đồng thông minh có thể bổ sung precompile hoặc hỗ trợ xác minh chữ ký hậu lượng tử tích hợp sẵn.

Những thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến kích thước giao dịch, thị trường phí, không gian khối, light client, hệ thống lưu ký và ví phần cứng.

Các khái niệm về chữ ký dùng một lần nhiều khả năng vẫn quan trọng, ngay cả khi người dùng cuối không bao giờ thấy trực tiếp thuật ngữ này.

Đây là một phần trong bộ công cụ mật mã nhằm bảo đảm an toàn dài hạn cho blockchain.

Thách thức là khiến chúng có thể áp dụng thực tế ở quy mô lớn.

Những hiểu lầm phổ biến về chữ ký dùng một lần

Một hiểu lầm phổ biến là cho rằng chữ ký dùng một lần chỉ là chữ ký thông thường được sử dụng cẩn thận một lần.

Chữ ký dùng một lần thực sự là lược đồ chữ ký được thiết kế xoay quanh các khóa ký riêng chỉ dùng một lần.

Một hiểu lầm khác là cho rằng địa chỉ dùng một lần giống với chữ ký dùng một lần.

Địa chỉ dùng một lần là cách sử dụng địa chỉ ví, còn chữ ký dùng một lần là phương pháp mật mã.

Hiểu lầm thứ ba là cho rằng chữ ký dùng một lần tự động giải quyết mọi rủi ro lượng tử.

Chúng hỗ trợ giải quyết một phần vấn đề, nhưng blockchain vẫn cần kế hoạch chuyển đổi ở cấp giao thức.

Hiểu lầm thứ tư là cho rằng chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái dễ vận hành.

Quản lý trạng thái có thể khó khăn, đặc biệt khi xử lý bản sao lưu và nhiều thiết bị ký.

Hiểu lầm thứ năm là cho rằng chữ ký lớn hơn chỉ gây ra vấn đề lưu trữ.

Trong blockchain, chữ ký lớn hơn có thể ảnh hưởng đến phí, thông lượng, chi phí xác minh và trải nghiệm người dùng.

Thực tiễn tốt nhất dành cho nhà phát triển

Sử dụng các lược đồ đã được tiêu chuẩn hóa và đánh giá thay vì tự tạo thiết kế chữ ký dùng một lần mới.

Khi phù hợp, hãy tuân theo các đặc tả chính thức như RFC 8391, RFC 8554, NIST SP 800-208 hoặc FIPS 205.

Không bao giờ sử dụng lại khóa ký dùng một lần.

Bảo vệ trạng thái khóa cẩn thận như chính khóa riêng.

Thiết kế bản sao lưu sao cho chỉ số ký không thể bị khôi phục về trạng thái cũ.

Sử dụng nguồn ngẫu nhiên mạnh để tạo khóa.

Sử dụng phân tách miền để tránh vô tình tái sử dụng chữ ký giữa các giao thức.

Kiểm tra các trường hợp lỗi như gián đoạn khi ký, thay thế giao dịch, máy chủ gặp sự cố và khôi phục thiết bị.

Ghi rõ thời điểm chính xác một khóa dùng một lần được xem là đã sử dụng.

Thiết kế giao diện người dùng sao cho rõ ràng khi một thao tác tiêu thụ khả năng ký.

Thực tiễn tốt nhất dành cho người dùng crypto

Sử dụng ví tuân theo các tiêu chuẩn bảo mật hiện hành và được cập nhật thường xuyên.

Tránh tự ý sử dụng lại địa chỉ nếu ví khuyến nghị tạo địa chỉ mới.

Đừng cho rằng mọi yêu cầu ký đều an toàn chỉ vì chúng xuất hiện trong ví.

Kiểm tra chi tiết giao dịch trước khi ký.

Bảo vệ bản sao lưu ví và cẩn thận làm theo hướng dẫn khôi phục của ví.

Khi khả thi, hãy sử dụng ví phần cứng để lưu trữ số dư lớn.

Tránh dùng ví hậu lượng tử thử nghiệm trừ khi bạn hiểu rõ rủi ro và dự án đã được đánh giá kỹ lưỡng.

Không sao chép khóa riêng, seed hoặc tệp ký giữa các thiết bị trừ khi tài liệu ví xác nhận việc đó an toàn.

Thận trọng với phần mềm ví tuyên bố có khả năng bảo mật trước máy tính lượng tử nhưng không giải thích lược đồ chữ ký và những đánh đổi liên quan.

Hãy nhớ rằng sức mạnh mật mã không thể bảo vệ bạn khỏi phishing, phần mềm độc hại hoặc việc phê duyệt không an toàn.

Khi nào chữ ký dùng một lần hữu ích?

Chữ ký dùng một lần hữu ích khi hệ thống muốn có chữ ký số chủ yếu dựa trên hàm băm.

Chúng hữu ích làm thành phần nền tảng cho các lược đồ chữ ký hậu lượng tử.

Chúng hữu ích trong các hệ thống chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái như XMSS và LMS.

Chúng hữu ích khi tính xác thực dài hạn quan trọng và hệ thống có thể quản lý trạng thái khóa an toàn.

Chúng hữu ích trong nghiên cứu và thiết kế giao thức nhằm bảo đảm an toàn hậu lượng tử cho blockchain.

Chúng hữu ích khi nhà thiết kế muốn giảm sự phụ thuộc vào các giả định về đường cong elliptic.

Chúng hữu ích trong firmware, hạ tầng và môi trường có mức độ bảo đảm cao, nơi có thể theo dõi cẩn thận từng lần ký.

Chúng kém hữu ích hơn khi người dùng cần ký đơn giản không giới hạn từ một khóa duy nhất mà không quản lý trạng thái.

Chúng kém hữu ích hơn khi kích thước chữ ký phải cực nhỏ.

Chúng nguy hiểm nếu được triển khai mà không có cơ chế theo dõi nghiêm ngặt việc sử dụng khóa.

Chữ ký dùng một lần trong một câu

Chữ ký dùng một lần là lược đồ chữ ký số, thường được xây dựng từ các hàm băm, trong đó mỗi khóa ký riêng chỉ nên ký một thông điệp vì việc sử dụng lại có thể làm lộ thông tin bí mật và cho phép giả mạo.

Câu hỏi thường gặp

Chữ ký dùng một lần có nghĩa là gì?

Chữ ký dùng một lần là phương pháp chữ ký số trong đó khóa ký riêng được thiết kế để ký an toàn chỉ một thông điệp.

Vì sao khóa chữ ký dùng một lần chỉ được dùng một lần?

Khóa này chỉ được dùng một lần vì mỗi chữ ký làm lộ một phần thông tin của khóa bí mật, còn việc ký thêm thông điệp có thể làm lộ đủ thông tin để giả mạo.

Chữ ký dùng một lần có giống địa chỉ dùng một lần không?

Không. Chữ ký dùng một lần là lược đồ ký mật mã, còn địa chỉ dùng một lần là cách sử dụng ví bằng việc tạo địa chỉ mới cho một khoản thanh toán.

Chữ ký Lamport là gì?

Chữ ký Lamport là thiết kế chữ ký dùng một lần kinh điển dựa trên hàm băm, trong đó việc ký làm lộ các giá trị bí mật được chọn tương ứng với các bit trong hash của thông điệp.

WOTS+ là gì?

WOTS+ là Winternitz One-Time Signature Plus, một lược đồ chữ ký dùng một lần hiện đại được sử dụng làm thành phần nền tảng trong XMSS.

XMSS là gì?

XMSS là eXtended Merkle Signature Scheme, một hệ thống chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái, sử dụng các khóa dùng một lần WOTS+ bên trong cây Merkle.

LMS là gì?

LMS là hệ thống Leighton-Micali Signature, một lược đồ chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái, sử dụng chữ ký dùng một lần và cấu trúc cây.

Chữ ký dùng một lần có thuộc nhóm hậu lượng tử không?

Nhiều hệ thống chữ ký dùng một lần được xem là ứng viên hậu lượng tử vì chủ yếu dựa trên hàm băm, nhưng tính bảo mật vẫn phụ thuộc vào tham số và chất lượng triển khai.

Bitcoin và Ethereum hiện nay có sử dụng chữ ký dùng một lần không?

Các giao dịch Bitcoin và Ethereum thông thường nhìn chung sử dụng lược đồ chữ ký cho phép dùng nhiều lần như ECDSA hoặc chữ ký kiểu Schnorr, thay vì chữ ký dùng một lần thuần túy.

Điều gì xảy ra nếu khóa ký dùng một lần bị sử dụng lại?

Việc sử dụng lại khóa ký dùng một lần có thể làm lộ quá nhiều thông tin bí mật và cho phép kẻ tấn công giả mạo chữ ký hợp lệ.

Vì sao cây Merkle được dùng cùng chữ ký dùng một lần?

Cây Merkle cho phép xác thực nhiều khóa công khai dùng một lần dưới một khóa công khai gốc, giúp hệ thống ký dựa trên hàm băm trở nên thực tiễn hơn.

Thách thức lớn nhất của chữ ký dùng một lần là gì?

Thách thức lớn nhất là quản lý trạng thái khóa an toàn vì ví và hệ thống ký phải ngăn việc vô tình sử dụng lại khóa dùng một lần.

Kết luận

Chữ ký dùng một lần là một ý tưởng mật mã đơn giản nhưng mạnh mẽ.

Phương pháp này cho phép người ký chứng minh quyền kiểm soát khóa bí mật đối với một thông điệp, thường bằng cách tiết lộ những giá trị bí mật được chọn cẩn thận để có thể xác minh thông qua hàm băm.

Chính thiết kế làm nên sự tinh gọn của chữ ký cũng khiến nó đòi hỏi quy tắc nghiêm ngặt.

Không được sử dụng lại khóa ký.

Nếu cùng một khóa dùng một lần ký nhiều hơn một thông điệp, chữ ký có thể làm lộ quá nhiều thông tin riêng tư và cho phép giả mạo.

Quy tắc chỉ sử dụng một lần khiến chữ ký dùng một lần rất khác với các lược đồ chữ ký blockchain phổ biến như ECDSA và Schnorr.

Trong thị trường crypto hiện nay, phần lớn ví thông thường không sử dụng chữ ký dùng một lần thuần túy cho các giao dịch phổ biến.

Dù vậy, khái niệm này rất phù hợp vì chữ ký dùng một lần là thành phần nền tảng cốt lõi trong các hệ thống chữ ký dựa trên hàm băm như WOTS+, XMSS và LMS.

Các hệ thống này quan trọng vì mật mã dựa trên hàm băm là một trong những con đường quan trọng nhất hướng tới chữ ký số hậu lượng tử.

Các tiêu chuẩn của NIST và đặc tả của IETF cho thấy đây không chỉ là một ý tưởng học thuật.

Đây là một phần của hoạt động kỹ thuật mật mã nghiêm túc nhằm bảo đảm an toàn dài hạn.

Đối với blockchain, chữ ký dùng một lần đặt ra những vấn đề thực tiễn về định dạng địa chỉ, kích thước giao dịch, phí, chi phí xác minh, bản sao lưu ví, ví phần cứng, multisig và hỗ trợ hợp đồng thông minh.

Vấn đề khó nhất thường không nằm ở toán học.

Vấn đề khó nhất là bảo đảm không bao giờ vô tình sử dụng lại khóa dùng một lần.

Điều đó đòi hỏi theo dõi trạng thái cẩn thận, bản sao lưu an toàn, thiết bị đáng tin cậy và giao diện người dùng được thiết kế tốt.

Bài học trước mắt dành cho người dùng là tuân thủ các phương pháp quản lý ví an toàn và tránh những hành vi ký không an toàn.

Bài học dành cho nhà phát triển là sử dụng các tiêu chuẩn đã được đánh giá và xem trạng thái khóa là dữ liệu bảo mật trọng yếu.

Bài học dành cho nhà thiết kế blockchain là quá trình chuyển đổi hậu lượng tử sẽ cần cả mật mã mạnh lẫn kỹ thuật hệ thống thực tiễn.

Chữ ký dùng một lần không phải giải pháp hoàn chỉnh cho mọi vấn đề bảo mật crypto.

Đây là công cụ nền tảng giúp giải thích cách các hệ thống tài sản kỹ thuật số trong tương lai có thể bảo vệ quyền sở hữu trong một thế giới mà các giả định chữ ký cũ cần được thay đổi.