Terskelsystemer i blokkjeder og HSM-er

Bitcoin og Ethereum støtter on-chain-multisignaturskript (P2MS/P2SH/multisig i Solidity). Disse krever at t-of-n offentlige nøkler medsignerer en transaksjon, og dette verifiseres av blokkjeden. Strukturen er offentlig og transparent: Alle kan se at adressen krever flere signerere. Terskel-ECDSA produserer en standardadresse med én nøkkel og én standardsignatur, slik at terskelstrukturen er fullstendig usynlig on-chain.

Terskel-ECDSA har flere fordeler sammenlignet med on-chain-multisignaturer: én enkelt transaksjonssignatur (lavere gassgebyrer), ingen synlig multisig-policy on-chain (bedre personvern), kompatibilitet med alle blokkjeder som bruker ECDSA (også blokkjeder uten innebygd multisig-støtte) og nøkkelrotasjon uten at blokkjedeadressen endres (fordi den offentlige nøkkelen forblir den samme etter en nøkkeloppdatering). Disse fordelene gjør terskel-ECDSA til den foretrukne løsningen for institusjonell oppbevaring.

Fireblocks er den største leverandøren av MPC-basert oppbevaring for institusjonelle kunder. Arkitekturen deres bruker terskel-ECDSA med 2-of-3: To andeler oppbevares i Fireblocks' infrastruktur (én i SGX og én i kaldlagring), mens én andel oppbevares hos kunden. En transaksjon krever samarbeid fra minst to av de tre andelene. Ingen enkeltpart, heller ikke Fireblocks, kan flytte midler på egen hånd. Det er behandlet transaksjoner til en verdi av over 4 billioner dollar gjennom dette systemet.

Qredo Network bruker terskel-ECDSA sammen med et Layer 2-nettverk for institusjonell oppbevaring og handel. Coinbase Prime bruker MPC-basert oppbevaring bygget på terskel-ECDSA (med tss-lib) for å sikre institusjonelle kunders aktiva. Begge systemene distribuerer nøkkelandeler på geografisk atskilte datasentre, med HSM-er som beskytter de enkelte andelene. Copper.co tilbyr på tilsvarende måte MPC-basert oppbevaring med SGX-beskyttede nøkkelandeler.

Anchorage Digital er en digital aktivabank med føderalt bankcharter som bruker MPC-baserte terskelsignaturer til oppbevaring. Nøkkelhåndteringsarkitekturen deres distribuerer andeler på tvers av flere datasentre og bruker biometrisk autentisering for å autorisere signeringsseremonier. Systemet er utformet for å oppfylle føderale bankforskrifter for nøkkelhåndtering, samtidig som den tradisjonelle oppbevaringsmodellen med én HSM fjernes.

Seremonien for DNSSEC-rotsonens nøkkelsigneringsnøkkel (KSK) er det mest offentlige eksempelet på terskelbasert nøkkelhåndtering for kritisk infrastruktur. Seremonien gjennomføres hvert kvartal og krever at 7 av 14 kryptoansvarlige fra hele verden er fysisk til stede ved ett av to sikre anlegg. Hver ansvarlig har et smartkort som inneholder en nøkkelandel. Flere maskinvarebaserte sikkerhetsmoduler verifiserer quorumet før KSK-en får signere rotsonen.

Maskinvarebaserte sikkerhetsmoduler (HSM-er) kan dele opp private nøkler ved hjelp av M-av-N-nøkkeloppdeling, basert på Shamir's Secret Sharing. AWS CloudHSM-klynger synkroniserer nøkkelmateriale på tvers av flere HSM-er i en klynge. Thales Luna HSM-er støtter «split knowledge»-nøkkelseremonier, der flere operatører oppgir nøkkelkomponenter som først kombineres inne i den manipulasjonssikre maskinvaren. Dette hindrer at én enkelt administrator trekker ut nøkkelmateriale.

AWS CloudHSM tilbyr en klynge med HSM-er som synkroniseres automatisk. Når en nøkkel opprettes i én HSM, replikeres den til alle klyngemedlemmene. Klyngen vises som én logisk HSM for applikasjoner, men tilbyr maskinvarebasert redundans. For å oppfylle regulatoriske krav som PCI-DSS og HIPAA gir bruk av en HSM-klynge, i stedet for programvarebasert nøkkellagring, den manipulasjonssporende og manipulasjonsresistente beskyttelsen revisorene krever.

Unbound Key Control (UKC, nå en del av Dynatrace) implementerer en virtuell HSM ved hjelp av terskelbasert ECDSA. I stedet for en fysisk HSM deles nøkkelmaterialet på flere servere ved hjelp av terskelkryptografi. Operasjoner utføres uten at nøkkelen rekonstrueres. Denne tilnærmingen med en «programvare-HSM» gir sikkerhet på nivå med en HSM uten kostnadene og kompleksiteten ved maskinvare, samtidig som den muliggjør skybasert distribusjon og elastisk skalering.

Utover nøkkelhåndtering krever quorum-baserte systemer godkjenning fra t-av-n autoriserte parter før sensitive operasjoner utføres. AWS Systems Manager Change Manager, HashiCorp Vault with Shamir Unseal og CyberArk Privileged Access implementerer alle quorum-policyer. Disse systemene sikrer at ingen enkeltadministrator kan utføre destruktive operasjoner på egen hånd, og gir beskyttelse mot innsidetrusler og kompromitterte legitimasjonsopplysninger.

Thales Luna Network HSM-er støtter Threshold Key Management for miljøer med høye sikkerhetskrav. Luna HSM-er kan implementere ordninger med m-av-n nøkkelforvaltere for nøkkelgenereringsseremonier. Nøkkelmaterialet forlater aldri HSM-en i klartekst. I stedet distribueres innkapslede nøkkelandeler til nøkkelforvalterne, og de kan bare kombineres på nytt inne i en HSM. Dette brukes i stor utstrekning til nøkkelseremonier for sertifiseringsinstanser i PKI-infrastruktur.

Terskelbasert ECDSA gir bedre ytelse enn multisignaturer på kjeden ved å produsere standardadresser og signaturer for én enkelt nøkkel. Fireblocks, Qredo og Coinbase bruker dette til å sikre institusjonelle aktiva. DNSSEC-rotsonens KSK-seremonier bruker et maskinvarehåndhevet quorum. AWS CloudHSM-klynger synkroniserer nøkkelmateriale på tvers av maskinvare. Unbound Key Control virtualiserer HSM-er ved hjelp av terskelkryptografi. Quorum-basert tilgangskontroll utvider terskelprinsippene til administrative operasjoner.