[論文レビュー] Enhancing Cold Wallet Security with Native Multi-Signature schemes in Centralized Exchanges

Shahriar Ebrahimi, Parisa Hasanizadeh+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Cryptography and Data Security参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、中央集権型取引所向けに、プライベートキーの一部を複数のオフラインデバイスおよび管理者に分散させることで、単一のコンpromisedポイントを排除するネイティブなマルチ署名コールドウォレットアーキテクチャを提案する。この方法により、個々の人物が単独で取引を署名できず、MPCに基づく鍵生成によりセキュリティが向上し、トランザクションサイズや構造に変更を加えずにブロックチェーンとの互換性を維持する。

ABSTRACT

Currently, one of the most widely used protocols to secure cryptocurrency assets in centralized exchanges is categorizing wallets into cold and hot. While cold wallets hold user deposits, hot} wallets are responsible for addressing withdrawal requests. However, this method has some shortcomings such as: 1) availability of private keys in at least one cold device, and~2) exposure of all private keys to one trusted cold wallet admin. To overcome such issues, we design a new protocol for managing cold wallet assets by employing native multi-signature schemes. The proposed cold wallet system, involves at least two distinct devices and their corresponding admins for both wallet creation and signature generation. The method ensures that no final private key is stored on any device. To this end, no individual authority can spend from exchange assets. Moreover, we provide details regarding practical implementation of the proposed method and compare it against state-of-the-art. Furthermore, we extend the application of the proposed method to an scalable scenario where users are directly involved in wallet generation and signing process of cold wallets in an MPC manner.

研究の動機と目的

• 従来のコールド／ホットウォレットシステムにおける深刻なセキュリティ欠陥に対処する。これは、1人の管理者やデバイスが侵害されると、すべてのプライベートキーにアクセス可能になるという点である。
• どのエコノミー管理者も独立して資金を支出できないようなコールドウォレットプロトコルを設計する。
• 提案されたシステムが、既存のブロックチェーン取引フォーマットと互換性を持ち、取引サイズや複雑さを増加させないことを保証する。
• MPCを介してユーザーがウォレット作成および署名に直接関与できるようにプロトコルを拡張し、ユーザーのコントロール強化と取引所側の侵害に対するレジリエンスを向上させる。
• 実際の展開環境における最新の手法と比較して、提案された手法の通信および計算オーバーヘッドを評価する。

提案手法

• ブロックチェーンプロトコルがネイティブにサポートするマルチ署名方式（ECDSAおよびSchnorr）を採用し、取引のボリューム増加や構造的変更を回避する。
• 少なくとも2つの異なるオフラインデバイス（コールドゲートウェイおよびコア）にプライベートキーの一部を分散し、それぞれが別々の管理者によって管理することで、1つのエンティティが完全な鍵を保持しないようにする。
• 署名生成に2者間計算（2-PC）プロトコルを用い、各参加者が自身の鍵の一部を提供するが、プライベートキーを露呈せずに、合意に達した時点で最終的な署名が再構成される。
• 鍵生成および署名プロセスにおいて、安全なMPC技術を適用し、1人の参加者が侵害されても、プライベートキーが数学的に隠されたままになるようにする。
• 物理的ストレージデバイス（例：USBドライブ）を介したオフライン通信を実装し、鍵交換および取引署名中にネットワークベースの攻撃ベクトルを排除する。
• ユーザーがウォレットのプライベートキーの一部を保持できるようにし、署名プロセスにユーザーを参加させることで、コントロールの分散化と資金回復の選択肢の向上を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1人の管理者やデバイスが完全に侵害されても、独立して取引を署名できないようなコールドウォレットシステムを設計可能か？
• RQ2 提案されたマルチ署名方式は、従来のコールドウォレットシステムと比較して、通信および計算オーバーヘッドにどのような影響を与えるか？
• RQ3 鍵生成および署名におけるユーザーの関与が、使いやすさを損なわせることなく、セキュリティおよびレジリエンスをどの程度向上できるか？
• RQ4 提案された方法は、特に署名サイズおよび検証の観点から、既存のブロックチェーン取引フォーマットおよび構造と互換性を保っているか？
• RQ5 強化されたシステムのセキュリティは、ECDSAやSchnorrなどの下位の暗号プリミティブのセキュリティに形式的に還元可能か？

主な発見

• 提案されたシステムは、1人のデバイスや管理者が完全なプライベートキーを再構成したり、有効な署名を単独で生成したりできないようにすることで、単一障害点を排除する。
• 通信オーバーヘッドは最小限であり、USBドライブなどの物理メディアを用いたオフライン通信により、ネットワークコストが発生せず、機密データのリモート抽出も防止される。
• 2-PC ECDSAでは約 3Eₘ + 6Mₛ + 4Mₑc + 2Iₘ、2-PC Schnorrでは約 2Eₘ + Mₛ + 3Mₑc + Iₘ の計算オーバーヘッドが発生するが、現代のハードウェアで十分に処理可能である。
• 最終的な取引署名は、サイズおよび構造の両面で標準的なシングル署名取引と区別できないため、ブロックチェーンの効率性が維持される。
• 署名プロセスにユーザーを参加させることで、取引所が侵害されても、ユーザーの参加がなければ資金を支出できなくなる。
• システムのセキュリティは、ECDSAやSchnorrなどの下位のPKIのセキュリティに還元可能であり、標準的な仮定の下で強力な暗号的保証が得られる。