Die Einführung von Bitcoin im Jahr 2008 erregte große Aufmerksamkeit, da das Konzept einer dezentralen Kryptowährung eine Revolution des Finanzsektors zu versprechen schien. In der Tat gibt es 15 Jahre nach der Einführung von Bitcoin eine Vielzahl dezentraler Kryptowährungen mit Millionen von Nutzern weltweit. Nahezu alle Kryptowährungen beruhen auf digitalen Signaturen, die als Authentifizierungsmechanismus für Zahlungen verwendet werden, d. h., wenn ein Nutzer eine Zahlung leistet, muss er eine digitale Signatur unter seinem Signaturschlüssel erstellen, um die Transaktion zu autorisieren. Dies bedeutet, dass die Münzen eines Benutzers in einem Kryptowährungsnetzwerk direkt an den Signaturschlüssel dieses Benutzers gebunden sind, was im Umkehrschluss bedeutet, dass der Verlust des Signaturschlüssels mit dem Verlust der Münzen des Benutzers gleichzusetzen ist. Kryptographische Wallets sind im Bereich der Kryptowährungen zu einem unverzichtbaren Instrument geworden, das es den Nutzern ermöglicht, ihre Signaturschlüssel sicher zu speichern und zu verwalten. Trotz erheblicher Bemühungen, sichere kryptographische Wallets zu entwickeln, haben allerdings verschiedene Angriffe in der Vergangenheit bewiesen, dass dies eine schwierige Aufgabe ist und dass ein unsicheres Wallet-System dazu führen kann, dass Benutzern Millionen von US-Dollar gestohlen werden.

In dieser Dissertation leisten wir einen wesentlichen Beitrag zu der Entwicklung und Analyse von beweisbar sicheren kryptographischen Wallets. In einem ersten Schritt analysieren wir ausführlich die Sicherheit des Bitcoin Improvement Proposal 32 (BIP32), dem aktuellen Stand der Technik für kryptographische Wallets, der heutzutage in der Praxis weit verbreitet ist. Wir stellen fest, dass eine einfache Änderung des Standards dessen konkrete Sicherheit signifikant erhöhen kann. In einem zweiten Schritt entwickeln wir neue Wallet Schemata, die den Stand der Technik verbessern, indem sie entweder mehr Sicherheit oder mehr Funktionalität bieten. Konkret zeigen wir zunächst eine threshold Version von BIP32, bei der der geheime Signaturschlüssel eines Wallets auf mehrere Geräte verteilt wird. Dies erhöht die Sicherheit des Standards erheblich, da es einen Single Point of Failure vermeidet. Anschließend stellen wir das erste deterministische Wallet Schema vor, das auch gegen einen Angreifer mit Zugriff auf einen Quantencomputer sicher bleibt. Abschließend entwickeln wir das erste deterministische Wallet Schema, das die Ausführung sogenannter Adaptor-Signaturen unterstützt, ein komplexes Signaturverfahren mit verschiedenen Anwendungen im Bereich der Kryptowährungen. Darüber hinaus erweitern wir Adaptor-Signaturen zu einem Zweiparteiensystem und diskutieren Anwendungen eines solchen Systems in Kryptowährungsnetzwerken. Wir betonen, dass wir formale Modelle und Sicherheitsbeweise für alle unsere Konstruktionen nach den Richtlinien der modernen Kryptographie entwickeln und wir generell die Verwendung von beweisbar sicheren kryptographischen Wallets in der Praxis unterstützen wollen.