Пороговые схемы в блокчейнах и HSM

Bitcoin и Ethereum поддерживают скрипты мультиподписи в блокчейне (P2MS/P2SH/multisig в Solidity). Для них требуется, чтобы t участников из n подписали транзакцию, а блокчейн проверяет эти подписи. Такая структура публична и прозрачна: любой может увидеть, что для адреса требуется несколько подписантов. Пороговая ECDSA создаёт стандартный адрес с одним ключом и стандартную единственную подпись, поэтому пороговая структура полностью незаметна в блокчейне.

Преимущества пороговой ECDSA перед мультиподписью в блокчейне: одна подпись транзакции (более низкие комиссии за газ), отсутствие видимой в блокчейне политики мультиподписи (конфиденциальность), совместимость с любым блокчейном, использующим ECDSA, включая сети без встроенной поддержки мультиподписи, а также смена ключа без изменения адреса в блокчейне, поскольку после обновления ключа открытый ключ остаётся тем же. Благодаря этим преимуществам пороговая ECDSA стала предпочтительным подходом для институционального хранения активов.

Fireblocks — крупнейший поставщик услуг институционального хранения на основе MPC. В его архитектуре используется пороговая ECDSA по схеме 2 из 3: две доли хранятся в инфраструктуре Fireblocks (одна в SGX, другая в холодном хранилище), а одна доля находится у клиента. Для транзакции требуется участие как минимум двух из трёх долей. Ни одна сторона, включая Fireblocks, не может единолично переместить средства. Через эту систему уже обработано более 4 триллионов долларов в транзакциях.

Сеть Qredo использует пороговую ECDSA вместе с сетью второго уровня для корпоративного хранения и торговли активами. Coinbase Prime использует хранение на основе MPC, построенное на пороговой ECDSA (с применением tss-lib), для защиты активов институциональных клиентов. В обеих системах доли ключа распределены между географически разнесёнными центрами обработки данных, а отдельные доли защищены HSM. Copper.co аналогичным образом предлагает хранение на основе MPC с долями ключа, защищёнными SGX.

Anchorage Digital — федерально лицензированный банк цифровых активов, использующий пороговые подписи на основе MPC для хранения активов. Его архитектура управления ключами распределяет доли между несколькими центрами обработки данных и использует биометрическую аутентификацию для авторизации церемоний подписания. Система разработана с учётом федеральных банковских требований к управлению ключами и при этом устраняет традиционную модель хранения в одном HSM.

Церемония создания ключа подписи корневой зоны (KSK) DNSSEC — самый публичный пример порогового управления ключами для критически важной инфраструктуры. Церемония проводится ежеквартально и требует физического присутствия 7 из 14 криптографических сотрудников со всего мира в одном из двух защищённых объектов. Каждый сотрудник хранит смарт-карту с долей ключа. Несколько аппаратных модулей безопасности проверяют кворум, прежде чем разрешить KSK подписать корневую зону.

Аппаратные модули безопасности (HSM) могут разделять закрытые ключи с помощью схемы разделения ключа M из N (на основе разделения секрета Шамира). Кластеры AWS CloudHSM синхронизируют материал ключей между несколькими HSM в кластере. HSM Luna от Thales поддерживают церемонии создания ключей с «разделённым знанием», во время которых несколько операторов предоставляют компоненты ключа, объединяемые только внутри защищённого от вскрытия оборудования. Это не позволяет одному администратору извлечь материал ключа.

AWS CloudHSM предоставляет кластер HSM, которые синхронизируются автоматически. Когда ключ создаётся в одном HSM, он реплицируется во все участники кластера. Для приложений кластер выглядит как один логический HSM, но при этом обеспечивает аппаратное резервирование. Для соблюдения нормативных требований (PCI-DSS, HIPAA) использование кластера HSM вместо хранения ключей в программном обеспечении обеспечивает защиту от незаметного вмешательства и вскрытия, которую требуют аудиторы.

Unbound Key Control (UKC, теперь часть Dynatrace) реализует виртуальный HSM с использованием пороговой ECDSA. Вместо физического HSM материал ключа разделяется между несколькими серверами с помощью пороговой криптографии. Операции выполняются без восстановления ключа. Такой подход с «программным HSM» обеспечивает безопасность, сопоставимую с HSM, без затрат и сложности физического оборудования, а также поддерживает развёртывание в облачной среде и эластичное масштабирование.

Системы на основе кворума применяются не только для управления ключами: они требуют одобрения со стороны t участников из n авторизованных лиц перед выполнением чувствительных операций. AWS Systems Manager Change Manager, HashiCorp Vault с механизмом снятия блокировки Шамира и CyberArk с управлением привилегированным доступом реализуют политики кворума. Эти системы не позволяют одному администратору единолично выполнять разрушительные операции и обеспечивают защиту от внутренних угроз и скомпрометированных учётных данных.

Сетевые HSM Luna от Thales поддерживают пороговое управление ключами для сред с высокими требованиями к безопасности. HSM Luna могут реализовывать схемы хранителей ключа M из N для церемоний генерации ключей. Материал ключа никогда не покидает HSM в открытом виде: вместо этого защищённые доли распределяются между хранителями и могут быть объединены только внутри HSM. Такой подход широко используется в церемониях создания ключей центров сертификации в инфраструктуре PKI.

Пороговая ECDSA превосходит мультиподпись в блокчейне, создавая стандартные адреса с одним ключом и стандартные единственные подписи. Fireblocks, Qredo и Coinbase используют её для защиты институциональных активов. В церемониях создания корневого KSK DNSSEC применяется кворум, обеспечиваемый аппаратными средствами. Кластеры AWS CloudHSM синхронизируют материал ключей между аппаратными устройствами. Unbound Key Control виртуализирует HSM с помощью пороговой криптографии. Управление доступом на основе кворума распространяет принципы пороговых схем на административные операции.