Schemi a soglia nelle blockchain e negli HSM

Bitcoin ed Ethereum supportano script di firme multiple on-chain (P2MS/P2SH/multisig in Solidity). Questi richiedono che t chiavi pubbliche su n co-firmino una transazione, verificata dalla blockchain. La struttura è pubblica e trasparente: chiunque può vedere che l'indirizzo richiede più firmatari. L'ECDSA a soglia produce un indirizzo standard a chiave singola e una singola firma standard, rendendo completamente invisibile on-chain la struttura a soglia.

Rispetto alla multi-firma on-chain, l'ECDSA a soglia offre i seguenti vantaggi: una singola firma della transazione, con commissioni gas più basse; nessuna policy multi-firma visibile on-chain, a beneficio della privacy; compatibilità con qualsiasi blockchain che usa ECDSA, comprese quelle che non supportano nativamente la multi-firma; e rotazione della chiave senza modificare l'indirizzo blockchain, poiché la chiave pubblica rimane la stessa dopo un aggiornamento delle quote. Questi vantaggi rendono l'ECDSA a soglia l'approccio preferito per la custodia istituzionale.

Fireblocks è il principale fornitore istituzionale di custodia MPC. La sua architettura usa l'ECDSA a soglia 2-su-3: due quote risiedono nell'infrastruttura di Fireblocks, una in SGX e una in archiviazione a freddo, mentre una quota risiede presso il cliente. Una transazione richiede la collaborazione di almeno due delle tre quote. Nessun singolo partecipante, incluso Fireblocks, può spostare fondi unilateralmente. Attraverso questo sistema sono state elaborate transazioni per oltre 4.000 miliardi di dollari.

Qredo Network usa l'ECDSA a soglia con una rete Layer 2 per la custodia e il trading aziendali. Coinbase Prime usa una custodia basata su MPC e costruita sull'ECDSA a soglia, usando tss-lib, per proteggere gli asset dei clienti istituzionali. Entrambi i sistemi distribuiscono le quote della chiave tra data center geograficamente separati, con HSM che proteggono le singole quote. Anche Copper.co offre una custodia MPC con quote della chiave protette da SGX.

Anchorage Digital è una banca di asset digitali con charter federale che usa firme a soglia basate su MPC per la custodia. La sua architettura di gestione delle chiavi distribuisce le quote tra più data center e usa l'autenticazione biometrica per autorizzare le cerimonie di firma. Il sistema è progettato per soddisfare le normative bancarie federali sulla gestione delle chiavi, eliminando al contempo il tradizionale modello di custodia basato su un singolo HSM.

La cerimonia DNSSEC della Key Signing Key (KSK) della zona radice è l'esempio pubblico più noto di gestione delle chiavi a soglia per le infrastrutture critiche. Svolta con cadenza trimestrale, la cerimonia richiede la presenza fisica di 7 dei 14 Crypto Officer provenienti da tutto il mondo in una delle due strutture protette. Ogni responsabile dispone di una smart card contenente una parte della chiave. Prima di consentire alla KSK di firmare la zona radice, più moduli di sicurezza hardware verificano il raggiungimento del quorum.

I moduli di sicurezza hardware (HSM) possono suddividere le chiavi private mediante la suddivisione M-di-N delle chiavi, basata sulla condivisione segreta di Shamir. I cluster AWS CloudHSM sincronizzano il materiale delle chiavi tra più HSM all'interno del cluster. Gli HSM Thales Luna supportano cerimonie di gestione delle chiavi basate sulla "conoscenza distribuita", nelle quali più operatori forniscono componenti della chiave che vengono combinati esclusivamente all'interno dell'hardware resistente alle manomissioni. In questo modo si impedisce a un singolo amministratore di estrarre il materiale delle chiavi.

AWS CloudHSM fornisce un cluster di HSM che si sincronizzano automaticamente. Quando una chiave viene creata in un HSM, viene replicata in tutti i membri del cluster. Il cluster si presenta alle applicazioni come un unico HSM logico, ma offre ridondanza hardware. Per la conformità normativa (PCI-DSS, HIPAA), l'utilizzo di un cluster HSM anziché dell'archiviazione delle chiavi nel software fornisce le protezioni contro le manomissioni e a prova di manomissione richieste dai revisori.

Unbound Key Control (UKC, ora parte di Dynatrace) implementa un HSM virtuale utilizzando ECDSA a soglia. Anziché essere conservato in un HSM fisico, il materiale della chiave viene suddiviso tra più server mediante la crittografia a soglia. Le operazioni vengono eseguite senza ricostruire la chiave. Questo approccio basato su un "HSM software" offre una sicurezza equivalente a quella di un HSM senza i costi e la complessità dell'hardware, consentendo al contempo la distribuzione cloud-native e la scalabilità elastica.

Oltre alla gestione delle chiavi, i sistemi basati sul quorum richiedono l'approvazione di t parti autorizzate su n prima di eseguire operazioni sensibili. AWS Systems Manager Change Manager, HashiCorp Vault con Shamir Unseal e CyberArk Privileged Access implementano tutti criteri di quorum. Questi sistemi impediscono a un singolo amministratore di eseguire autonomamente operazioni distruttive, offrendo una difesa contro le minacce interne e le credenziali compromesse.

Gli HSM Thales Luna Network supportano la gestione delle chiavi a soglia per gli ambienti ad alta sicurezza. Gli HSM Luna possono implementare schemi con m custodi su n per le cerimonie di generazione delle chiavi. Il materiale della chiave non lascia mai l'HSM in testo non cifrato; al contrario, le parti incapsulate della chiave vengono distribuite ai custodi e possono essere ricombinate esclusivamente all'interno di un HSM. Questa soluzione è ampiamente utilizzata per le cerimonie relative alle chiavi delle autorità di certificazione nelle infrastrutture PKI.

Qual è il principale vantaggio on-chain dell'ECDSA a soglia rispetto al multisig nativo di Bitcoin/Ethereum?

L'ECDSA a soglia supera il multi-sig on-chain perché produce indirizzi e firme standard basati su una singola chiave. Fireblocks, Qredo e Coinbase lo utilizzano per proteggere gli asset istituzionali. Le cerimonie DNSSEC della KSK della zona radice utilizzano un quorum applicato dall'hardware. I cluster AWS CloudHSM sincronizzano il materiale delle chiavi tra più componenti hardware. Unbound Key Control virtualizza gli HSM utilizzando la crittografia a soglia. Il controllo degli accessi basato sul quorum estende i principi della soglia alle operazioni amministrative.