[논문 리뷰] Decentralized Certificate Authorities

Bargav Jayaraman, Hannah Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 11.

Cryptography and Data Security참고 문헌 51인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 안전한 다자간 계산(MPC)을 사용하여 CA의 개인 서명 키를 여러 당사자 간에 분할하는 탈중앙화된 인증 기관(DCA) 모델을 제안한다. 이로써 키는 평문으로 재구성되지 않으며, secp192k1에서의 ECDSA를 위한 일반적인 MPC 프로토콜을 활용해 개인 키를 폭 드러내지 않고 공동으로 인증서를 서명할 수 있다. 성능 오버헤드가 수용 가능한 수준이어서 실제 구현 사례를 통해 실현 가능성과 실용성을 입증한다.

ABSTRACT

The security of TLS depends on trust in certificate authorities, and that trust stems from their ability to protect and control the use of a private signing key. The signing key is the key asset of a certificate authority (CA), and its value is based on trust in the corresponding public key which is primarily distributed by browser vendors. Compromise of a CA private key represents a single point-of-failure that could have disastrous consequences, so CAs go to great lengths to attempt to protect and control the use of their private keys. Nevertheless, keys are sometimes compromised and may be misused accidentally or intentionally by insiders. We propose splitting a CA's private key among multiple parties, and producing signatures using a generic secure multi-party computation protocol that never exposes the actual signing key. This could be used by a single CA to reduce the risk that its signing key would be compromised or misused. It could also enable new models for certificate generation, where multiple CAs would need to agree and cooperate before a new certificate can be generated, or even where certificate generation would require cooperation between a CA and the certificate recipient (subject). Although more efficient solutions are possible with custom protocols, we demonstrate the feasibility of implementing a decentralized CA using a generic two-party secure computation protocol with an evaluation of a prototype implementation that uses secure two-party computation to generate certificates signed using ECDSA on curve secp192k1.

연구 동기 및 목표

• 기존의 인증 기관(CA)에서 개인 키가 유출되면 TLS 신뢰성이 붕괴되는 단일 장애 지점 문제를 해결하기 위해.
• 내부자 오용, 실수 발급, 외부 해킹 등의 위험을 줄이기 위해 개인 키의 일부를 여러 기관 간에 분산함으로써.
• CA와 도메인 소유자 간의 공동 서명, 또는 다수의 독립된 CA 간의 공동 서명과 같은 새로운 신뢰 모델을 가능하게 하여 책임감과 동의를 강화하기 위해.
• 특정 프로토콜 설계 없이도 일반적인 MPC 프로토콜을 사용해 ECDSA 기반의 인증서 서명을 실현 가능한지 입증하기 위해.

제안 방법

• 개인 서명 키를 두 명 이상의 당사자 간에 분할하여, 어떤 당사자도 전체 키를 보유하지 않도록 한다.
• 개인 키를 평문으로 재구성하지 않고도 ECDSA 서명을 수행할 수 있도록 일반적인 양자 안전 계산 프로토콜(Yao의 가짜 회로 또는 이중 실행)을 사용한다.
• Obliv-C라는 안전 계산 프레임워크를 사용해 서명 과정을 구현하며, 큰 정수를 위한 obig 산술 유형과 기밀 입력 처리를 위한 오블리비어스 I/O를 활용한다.
• 서명 대상 메시지(tbsCert 해시)를 서명 전에 당사자 간에 평문으로 협상하고 검증하여 입력 일관성을 확보한다.
• 기밀 공유 기법을 사용해 개인 키 및 난수 공유를 조합하여 서명 성분 r과 s를 계산한다.
• 모든 중간 값과 입력은 비밀로 유지하면서, 최종 서명(r, s)과 0-체크 결과만 두 당사자에게 공개한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 MPC 프로토콜을 사용해 기존의 인증 기관에서의 단일 장애 지점 문제를 제거하고 개인 키 관리를 탈중앙화할 수 있는가?
• RQ2 특화된 최적화된 프로토콜이 아닌 일반적인 MPC 프로토콜을 사용해 ECDSA 서명을 구현하는 데 실용적인가?
• RQ3 실제 운영 환경에서 인증서 서명에 MPC를 사용할 경우 성능 특성과 오버헤드는 어떠한가?
• RQ4 MPC 기반 서명이 CA와 도메인 소유자 간의 공동 서명, 또는 다수의 독립된 CA 간의 공동 서명과 같은 새로운 신뢰 모델을 지원할 수 있는가?
• RQ5 기존 TLS 및 PKI 생태계에 영향을 주지 않고도 클라이언트 신뢰 저장소의 변경 없이 시스템을 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토타입 구현은 일반적인 MPC 프로토콜을 사용해 secp192k1 곡선에서 ECDSA 서명을 성공적으로 수행하여 탈중앙화된 인증 기관의 실현 가능성을 입증한다.
• MPC 프로토콜 내부에서만 키 공유가 조합되므로, 어떤 당사자도 개인 서명 키를 평문으로 알 수 없으며, 해킹되더라도 키가 폭 드러나지 않는다.
• 성능 오버헤드는 수용 가능하다: 일반 하드웨어에서 한 당사자당 약 10~15초 내외로 인증서 서명이 수행되며, 실생활 적용에 적합하다.
• 이 방법은 CA 전용 키 공유 및 CA-조직 간 공동 서명 등 다양한 신뢰 모델을 지원하여 보안성과 책임감을 향상시킨다.
• 기존의 MPC 기법(예: Araki 등에 의한 것)을 활용해 기존의 두 명 이상의 당사자로 확장 가능하며, 다른 암호 프로토콜로도 적용 가능하다.
• 기존의 PKI 메커니즘인 인증서 투명성 및 공개 키 핀닝과 통합 가능하여 클라이언트 신뢰 배포 문제를 해결할 수 있다.