Threshold-Verfahren in Blockchains und HSMs

Bitcoin und Ethereum unterstützen On-Chain-Multi-Signatur-Skripte (P2MS/P2SH/multisig in Solidity). Diese erfordern, dass t von n öffentlichen Schlüsseln eine Transaktion gemeinsam signieren, was von der Blockchain überprüft wird. Die Struktur ist öffentlich und transparent: Jeder kann sehen, dass die Adresse mehrere Signierende erfordert. Threshold-ECDSA erzeugt eine Standardadresse mit einem einzigen Schlüssel und eine standardmäßige einzelne Signatur, sodass die Threshold-Struktur On-Chain vollständig unsichtbar bleibt.

Threshold-ECDSA bietet gegenüber On-Chain-Multi-Sig folgende Vorteile: eine einzelne Transaktionssignatur (geringere Gasgebühren), keine auf der Blockchain sichtbare Multi-Sig-Richtlinie (mehr Privatsphäre), Kompatibilität mit jeder Blockchain, die ECDSA verwendet, einschließlich Blockchains ohne native Multi-Sig-Unterstützung, sowie eine Schlüsselrotation ohne Änderung der Blockchain-Adresse, da der öffentliche Schlüssel nach einer Schlüsselauffrischung gleich bleibt. Aufgrund dieser Vorteile ist Threshold-ECDSA der bevorzugte Ansatz für die institutionelle Verwahrung.

Fireblocks ist der größte institutionelle MPC-Verwahrungsanbieter. Die Architektur verwendet Threshold-ECDSA mit einem 2-von-3-Schema: Zwei Anteile befinden sich in der Infrastruktur von Fireblocks, einer in SGX und einer im Cold Storage, während ein Anteil beim Kunden liegt. Für eine Transaktion ist die Zusammenarbeit von mindestens zwei der drei Anteile erforderlich. Keine einzelne Partei, auch nicht Fireblocks, kann eigenständig Vermögenswerte transferieren. Über dieses System wurden Transaktionen im Wert von mehr als 4 Billionen US-Dollar verarbeitet.

Qredo Network verwendet Threshold-ECDSA zusammen mit einem Layer-2-Netzwerk für die Verwahrung und den Handel durch Unternehmen. Coinbase Prime nutzt eine MPC-basierte Verwahrung auf Grundlage von Threshold-ECDSA und tss-lib, um die Vermögenswerte institutioneller Kunden zu sichern. Beide Systeme verteilen die Schlüsselanteile auf geografisch getrennte Rechenzentren, wobei HSMs die einzelnen Anteile schützen. Copper.co bietet ebenfalls MPC-Verwahrung mit durch SGX geschützten Schlüsselanteilen an.

Anchorage Digital ist eine bundesrechtlich zugelassene Bank für digitale Vermögenswerte, die MPC-basierte Threshold-Signaturen für die Verwahrung verwendet. Ihre Schlüsselmanagement-Architektur verteilt die Anteile auf mehrere Rechenzentren und nutzt biometrische Authentifizierung zur Autorisierung von Signaturzeremonien. Das System ist darauf ausgelegt, die bundesrechtlichen Vorschriften für das Schlüsselmanagement zu erfüllen und gleichzeitig das traditionelle Verwahrungsmodell mit einem einzigen HSM überflüssig zu machen.

Die Zeremonie für den Key Signing Key (KSK) der DNSSEC-Root-Zone ist das prominenteste öffentliche Beispiel für Threshold-Schlüsselverwaltung in kritischen Infrastrukturen. Sie findet vierteljährlich statt und erfordert, dass 7 von 14 Crypto Officers aus aller Welt persönlich in einer von zwei gesicherten Einrichtungen anwesend sind. Jeder Crypto Officer besitzt eine Smartcard mit einem Schlüsselanteil. Mehrere Hardware-Sicherheitsmodule prüfen das Quorum, bevor sie dem KSK erlauben, die Root-Zone zu signieren.

Hardware-Sicherheitsmodule (HSMs) können private Schlüssel mithilfe des M-von-N-Verfahrens zur Schlüsselaufteilung aufteilen, das auf Shamir's Secret Sharing basiert. AWS CloudHSM-Cluster synchronisieren das Schlüsselmaterial über mehrere HSMs innerhalb eines Clusters. Thales Luna HSMs unterstützen Zeremonien zur Schlüsselverwaltung nach dem Prinzip „Split Knowledge“, bei denen mehrere Operatoren Schlüsselkomponenten bereitstellen, die ausschließlich innerhalb der manipulationsresistenten Hardware zusammengeführt werden. Dadurch wird verhindert, dass ein einzelner Administrator Schlüsselmaterial extrahieren kann.

AWS CloudHSM stellt einen Cluster aus HSMs bereit, die automatisch synchronisiert werden. Wird ein Schlüssel in einem HSM erstellt, wird er auf alle Cluster-Mitglieder repliziert. Der Cluster stellt Anwendungen ein einzelnes logisches HSM bereit, bietet jedoch Hardware-Redundanz. Für die Einhaltung gesetzlicher und regulatorischer Vorgaben (PCI-DSS, HIPAA) bietet die Verwendung eines HSM-Clusters anstelle einer softwarebasierten Schlüsselspeicherung den von Prüfern geforderten Schutz vor Manipulation und die erforderliche Manipulationserkennung.

Unbound Key Control (UKC, jetzt Teil von Dynatrace) implementiert mithilfe von Threshold-ECDSA ein virtuelles HSM. Statt eines physischen HSM wird das Schlüsselmaterial mithilfe von Schwellenwertkryptografie auf mehrere Server verteilt. Operationen werden ausgeführt, ohne den Schlüssel wieder zusammenzusetzen. Dieser Ansatz eines „Software-HSM“ bietet HSM-gleichwertige Sicherheit ohne die Kosten und Komplexität der Hardware und ermöglicht gleichzeitig cloudnative Bereitstellung sowie elastische Skalierung.

Über die Schlüsselverwaltung hinaus erfordern quorum-basierte Systeme die Genehmigung von t-von-n autorisierten Parteien, bevor sie sensible Operationen ausführen. AWS Systems Manager Change Manager, HashiCorp Vault mit Shamir Unseal und CyberArk Privileged Access implementieren jeweils Quorum-Richtlinien. Diese Systeme stellen sicher, dass kein einzelner Administrator destruktive Operationen eigenmächtig ausführen kann, und bieten damit Schutz vor Bedrohungen durch Insider und kompromittierte Zugangsdaten.

Thales Luna Network HSMs unterstützen Threshold Key Management für Hochsicherheitsumgebungen. Luna HSMs können für Schlüsselerzeugungszeremonien Schemata mit m-von-n-Schlüsselverwaltern implementieren. Das Schlüsselmaterial verlässt das HSM niemals im Klartext. Stattdessen werden verpackte Schlüsselanteile an die Schlüsselverwalter verteilt und können nur innerhalb eines HSM wieder zusammengeführt werden. Dieses Verfahren wird häufig für Schlüsselerzeugungszeremonien von Zertifizierungsstellen in PKI-Infrastrukturen eingesetzt.

Was ist der wichtigste On-Chain-Vorteil von Threshold-ECDSA gegenüber dem nativen Multisig von Bitcoin und Ethereum?

Threshold-ECDSA ist On-Chain-Multisig überlegen, da damit standardmäßige Adressen und Signaturen mit einem einzigen Schlüssel erzeugt werden. Fireblocks, Qredo und Coinbase verwenden das Verfahren, um institutionelle Vermögenswerte zu sichern. Zeremonien für den DNSSEC-Root-KSK verwenden ein hardwareseitig durchgesetztes Quorum. AWS CloudHSM-Cluster synchronisieren Schlüsselmaterial über mehrere HSMs hinweg. Unbound Key Control virtualisiert HSMs mithilfe von Schwellenwertkryptografie. Quorum-basierte Zugriffskontrolle überträgt Threshold-Prinzipien auf administrative Operationen.