블록체인과 HSM의 임계값 체계

Bitcoin과 Ethereum은 온체인 다중 서명 스크립트(Solidity의 P2MS/P2SH/multisig)를 지원합니다. 이러한 스크립트에서는 t-of-n 공개 키가 거래에 공동 서명해야 하며, 블록체인이 이를 검증합니다. 구조가 공개되고 투명하므로 누구나 해당 주소에 여러 서명자가 필요한지 확인할 수 있습니다. 임계 ECDSA는 표준 단일 키 주소와 표준 단일 서명을 생성하므로 온체인에서는 임계 구조가 완전히 드러나지 않습니다.

온체인 다중 서명에 비해 임계값 ECDSA는 단일 거래 서명을 사용하고(가스 수수료 절감), 온체인에 다중 서명 정책이 노출되지 않으며(프라이버시 보호), ECDSA를 사용하는 모든 블록체인과 호환됩니다(기본 다중 서명을 지원하지 않는 체인 포함). 또한 키를 갱신해도 공개 키가 동일하게 유지되므로 블록체인 주소를 변경하지 않고 키를 교체할 수 있습니다. 이러한 장점 때문에 임계값 ECDSA는 기관 자산 수탁에 선호되는 방식입니다.

Fireblocks는 가장 규모가 큰 기관용 MPC 수탁 서비스 제공업체입니다. 이 아키텍처는 2-of-3 임계값 ECDSA를 사용합니다. 두 개의 키 조각은 Fireblocks 인프라에 있고(하나는 SGX에, 하나는 콜드 스토리지에 있음), 나머지 하나는 고객이 보유합니다. 거래를 실행하려면 세 키 조각 중 최소 두 개의 협력이 필요합니다. Fireblocks를 포함한 어떤 단일 당사자도 독자적으로 자금을 이동할 수 없습니다. 이 시스템을 통해 4조 달러가 넘는 거래가 처리되었습니다.

Qredo Network는 기업 자산 수탁과 거래를 위해 레이어 2 네트워크와 함께 임계값 ECDSA를 사용합니다. Coinbase Prime은 임계값 ECDSA를 기반으로 구축된 MPC 기반 수탁 방식(tss-lib 사용)을 통해 기관 고객의 자산을 보호합니다. 두 시스템 모두 지리적으로 분리된 데이터 센터에 키 조각을 분산하고, HSM으로 개별 키 조각을 보호합니다. Copper.co 역시 SGX로 보호되는 키 조각을 사용하는 MPC 수탁 서비스를 제공합니다.

Anchorage Digital은 MPC 기반 임계값 서명을 사용해 자산을 수탁하는 연방 인가 디지털 자산 은행입니다. 키 관리 아키텍처는 여러 데이터 센터에 키 조각을 분산하고, 생체 인증을 사용해 서명 의식을 승인합니다. 이 시스템은 기존의 단일 HSM 수탁 모델을 없애면서 키 관리에 관한 연방 은행 규정을 충족하도록 설계되었습니다.

DNSSEC 루트 영역 키 서명 키(KSK) 의식은 중요 인프라에서 임계값 키 관리를 적용한 가장 공개적으로 알려진 사례입니다. 이 의식은 분기마다 진행되며, 전 세계 암호 담당자 14명 중 7명이 두 보안 시설 중 한 곳에 직접 참석해야 합니다. 각 담당자는 키 조각이 들어 있는 스마트 카드를 보유합니다. 여러 하드웨어 보안 모듈이 정족수를 검증한 후에야 KSK가 루트 영역에 서명할 수 있습니다.

하드웨어 보안 모듈(HSM)은 M-of-N 키 분할 방식(샤미르 비밀 공유 기반)을 사용해 개인 키를 분할할 수 있습니다. AWS CloudHSM 클러스터는 클러스터 내 여러 HSM에 키 자료를 동기화합니다. Thales Luna HSM은 여러 운영자가 키 구성 요소를 제공하고, 변조 방지 하드웨어 내부에서만 이를 결합하는 "분할 지식" 키 의식을 지원합니다. 이를 통해 어느 단일 관리자도 키 자료를 추출할 수 없게 됩니다.

AWS CloudHSM은 자동으로 동기화되는 HSM 클러스터를 제공합니다. 한 HSM에서 키를 생성하면 클러스터의 모든 구성원에게 복제됩니다. 클러스터는 애플리케이션에 단일 논리적 HSM으로 보이지만 하드웨어 중복성을 제공합니다. 규제 준수(PCI-DSS, HIPAA)를 위해 소프트웨어에 키를 저장하는 대신 HSM 클러스터를 사용하면 감사 담당자가 요구하는 변조 감지 및 변조 방지 보호 기능을 제공할 수 있습니다.

Unbound Key Control(UKC, 현재 Dynatrace의 일부)은 임계값 ECDSA를 사용해 가상 HSM을 구현합니다. 물리적 HSM을 사용하는 대신 임계값 암호학을 이용해 여러 서버에 키 자료를 분할합니다. 키를 재구성하지 않고도 작업을 수행할 수 있습니다. 이 "소프트웨어 HSM" 방식은 하드웨어 비용과 복잡성 없이 HSM과 동등한 보안을 제공하며, 클라우드 네이티브 배포와 탄력적 확장도 지원합니다.

키 관리 외에도 정족수 기반 시스템은 민감한 작업을 실행하기 전에 t-of-n 권한 보유 당사자의 승인을 요구합니다. AWS Systems Manager Change Manager, Shamir 봉인 해제를 지원하는 HashiCorp Vault, CyberArk Privileged Access는 모두 정족수 정책을 구현합니다. 이러한 시스템은 어떤 단일 관리자도 파괴적인 작업을 독자적으로 수행할 수 없게 하여 내부자 위협과 탈취된 자격 증명에 대한 방어를 제공합니다.

Thales Luna Network HSM은 높은 보안이 필요한 환경을 위해 임계값 키 관리를 지원합니다. Luna HSM은 키 생성 의식에 m-of-n 키 관리인 체계를 적용할 수 있습니다. 키 자료는 평문으로 HSM 외부에 나가지 않습니다. 대신 래핑된 키 조각을 관리인들에게 분배하고, HSM 내부에서만 다시 결합할 수 있습니다. 이 방식은 PKI 인프라에서 인증 기관 키 의식에 널리 사용됩니다.

임계값 ECDSA는 표준 단일 키 주소와 서명을 생성하므로 온체인 다중 서명보다 우수합니다. Fireblocks, Qredo, Coinbase는 이를 사용해 기관 자산을 보호합니다. DNSSEC 루트 KSK 의식에서는 하드웨어로 강제되는 정족수를 사용합니다. AWS CloudHSM 클러스터는 여러 하드웨어에 걸쳐 키 자료를 동기화합니다. Unbound Key Control은 임계값 암호학을 사용해 HSM을 가상화합니다. 정족수 기반 접근 제어는 임계값 원칙을 관리 작업으로 확장합니다.