Schematy progowe w blockchainach i HSM

Bitcoin i Ethereum obsługują skrypty wielopodpisowe w łańcuchu (P2MS/P2SH/multisig w Solidity). Wymagają one, aby t z n kluczy publicznych wspólnie podpisało transakcję, a podpis jest weryfikowany przez blockchain. Struktura jest publiczna i transparentna: każdy może zobaczyć, że adres wymaga wielu podpisujących. Progowy ECDSA generuje standardowy adres pojedynczego klucza i standardowy pojedynczy podpis, dzięki czemu struktura progowa pozostaje całkowicie niewidoczna w łańcuchu.

Zalety progowego ECDSA w porównaniu z multisig w łańcuchu to: pojedynczy podpis transakcji (niższe opłaty za gaz), brak widocznej w łańcuchu polityki multisig (prywatność), zgodność z każdym blockchainem wykorzystującym ECDSA (w tym z łańcuchami bez natywnej obsługi multisig) oraz rotacja klucza bez zmiany adresu w blockchainie, ponieważ klucz publiczny pozostaje taki sam po odświeżeniu klucza. Dzięki tym zaletom progowy ECDSA jest preferowanym rozwiązaniem w instytucjonalnej powiernictwie aktywów.

Fireblocks jest największym dostawcą instytucjonalnych usług powierniczych MPC. Ich architektura wykorzystuje progowy ECDSA w konfiguracji 2 z 3: dwa udziały są przechowywane w infrastrukturze Fireblocks (jeden w SGX, drugi w pamięci offline), a jeden udział znajduje się u klienta. Do wykonania transakcji potrzebna jest współpraca co najmniej dwóch z trzech udziałów. Żadna pojedyncza strona, w tym Fireblocks, nie może samodzielnie przemieścić środków. Za pośrednictwem tego systemu przetworzono transakcje o wartości ponad 4 bilionów dolarów.

Qredo Network wykorzystuje progowy ECDSA wraz z siecią Layer 2 do instytucjonalnego powiernictwa i handlu. Coinbase Prime korzysta z powiernictwa opartego na MPC i zbudowanego na progowym ECDSA (z użyciem tss-lib) w celu zabezpieczenia aktywów klientów instytucjonalnych. Oba systemy rozdzielają udziały klucza między geograficznie odseparowane centra danych, a HSM-y chronią poszczególne udziały. Copper.co również oferuje powiernictwo MPC z udziałami klucza chronionymi przez SGX.

Anchorage Digital to federalnie licencjonowany bank aktywów cyfrowych, który wykorzystuje podpisy progowe oparte na MPC do powiernictwa. Ich architektura zarządzania kluczami rozdziela udziały między wieloma centrami danych i wykorzystuje uwierzytelnianie biometryczne do autoryzowania ceremonii podpisywania. System zaprojektowano tak, aby spełniał federalne regulacje bankowe dotyczące zarządzania kluczami, a jednocześnie eliminował tradycyjny model powiernictwa oparty na pojedynczym HSM.

Ceremonia Key Signing Key (KSK) głównej strefy DNSSEC jest najbardziej publicznym przykładem zarządzania kluczami progowymi w infrastrukturze krytycznej. Odbywająca się co kwartał ceremonia wymaga fizycznej obecności 7 z 14 oficerów kryptograficznych z całego świata w jednym z dwóch bezpiecznych obiektów. Każdy oficer posiada kartę inteligentną zawierającą udział klucza. Wiele modułów bezpieczeństwa sprzętowego weryfikuje kworum przed zezwoleniem na użycie KSK do podpisania głównej strefy.

Moduły bezpieczeństwa sprzętowego (HSM) mogą dzielić klucze prywatne za pomocą dzielenia klucza M-of-N (na podstawie Shamir's Secret Sharing). Klastry AWS CloudHSM synchronizują materiał kluczowy między wieloma HSM-ami w klastrze. HSM-y Thales Luna obsługują ceremonie kluczy w modelu „split knowledge”, podczas których wielu operatorów dostarcza komponenty klucza łączone wyłącznie wewnątrz sprzętu odpornego na manipulacje. Uniemożliwia to pojedynczemu administratorowi wyodrębnienie materiału kluczowego.

AWS CloudHSM udostępnia klaster HSM-ów, które synchronizują się automatycznie. Gdy klucz zostanie utworzony w jednym HSM-ie, jest replikowany do wszystkich członków klastra. Klaster przedstawia aplikacjom pojedynczy logiczny HSM, zapewniając jednocześnie nadmiarowość sprzętową. W celu zachowania zgodności z regulacjami (PCI-DSS, HIPAA) użycie klastra HSM zamiast programowego przechowywania kluczy zapewnia zabezpieczenia wykrywające manipulacje i odporne na manipulacje, wymagane przez audytorów.

Unbound Key Control (UKC, obecnie część Dynatrace) implementuje wirtualny HSM z użyciem progowego ECDSA. Zamiast fizycznego HSM-u materiał kluczowy jest dzielony między wiele serwerów za pomocą kryptografii progowej. Operacje są wykonywane bez odtwarzania klucza. Takie podejście do „programowego HSM-u” zapewnia bezpieczeństwo porównywalne z HSM-em bez kosztów i złożoności sprzętu, a jednocześnie umożliwia wdrażanie natywne dla chmury i elastyczne skalowanie.

Poza zarządzaniem kluczami systemy oparte na kworum wymagają zatwierdzenia przez t z n upoważnionych stron przed wykonaniem wrażliwych operacji. AWS Systems Manager Change Manager, HashiCorp Vault z Shamir Unseal oraz CyberArk Privileged Access implementują polityki kworum. Systemy te zapewniają, że żaden pojedynczy administrator nie może samodzielnie wykonać destrukcyjnych operacji, zapewniając ochronę przed zagrożeniami wewnętrznymi i przejętymi poświadczeniami.

Sieciowe HSM-y Thales Luna obsługują Threshold Key Management dla środowisk o wysokim poziomie bezpieczeństwa. HSM-y Luna mogą implementować schematy m-of-n powierników klucza na potrzeby ceremonii generowania kluczy. Materiał kluczowy nigdy nie opuszcza HSM-u w postaci jawnej; zamiast tego opakowane udziały są rozdzielane między powierników i mogą zostać ponownie połączone wyłącznie wewnątrz HSM-u. Rozwiązanie to jest szeroko stosowane podczas ceremonii kluczy urzędów certyfikacji w infrastrukturze PKI.

Progowy ECDSA przewyższa multisig w łańcuchu, generując standardowe adresy pojedynczego klucza i standardowe podpisy. Fireblocks, Qredo i Coinbase wykorzystują go do zabezpieczania aktywów instytucjonalnych. Ceremonie głównego klucza KSK DNSSEC wykorzystują wymuszane sprzętowo kworum. Klastry AWS CloudHSM synchronizują materiał kluczowy między modułami sprzętowymi. Unbound Key Control wirtualizuje HSM-y za pomocą kryptografii progowej. Kontrola dostępu oparta na kworum rozszerza zasady progowe na operacje administracyjne.