[논문 리뷰] Secure and Efficient Multi-Signature Schemes for Fabric: An Enterprise Blockchain Platform

Yue Xiao, Peng Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 19.

Cryptography and Data Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 엔터테인먼트 블록체인 플랫폼인 Hyperledger Fabric와 같은 플랫폼을 위해 감마 서명 기반으로 두 가지 보안적이고 효율적인 다중 서명 기반 스킴, GMS와 AGMS를 제안한다. 공동 서명 생성 및 검증을 가능하게 함으로써, 이 스킴들은 거래 저장소 용량을 줄이고 검증 속도를 향상시키며, 도용 키 공격 및 k-합 공격에 저항할 수 있으며, 실험 결과 ECDSA 기반의 승인 대비 최대 2배 높은 처리량을 달성한다.

ABSTRACT

Digital signature is a major component of transactions on Blockchain platforms, especially in enterprise Blockchain platforms, where multiple signatures from a set of peers need to be produced to endorse a transaction. However, such process is often complex and time-consuming. Multi-signature, which can improve transaction efficiency by having a set of signers cooperate to produce a joint signature, has attracted extensive attentions. In this work, we propose two multi-signature schemes, GMS and AGMS, which are proved to be more secure and efficient than state-of-the-art multi-signature schemes. Besides, we implement the proposed schemes in a real Enterprise Blockchain platform, Fabric. Experiment results show that the proposed AGMS scheme helps achieve the goal of high transaction efficiency, low storage complexity, as well as high robustness against rogue-key attacks and k-sum problem attacks.

연구 동기 및 목표

• 엔터프라이즈 블록체인 플랫폼인 Fabric와 같은 환경에서 다중 서명 검증의 높은 계산 및 저장소 오버헤드 문제를 해결하기 위해.
• 높은 성능을 유지하면서도 도용 키 공격 및 k-합 문제 공격에 저항할 수 있는 다중 서명 스킴을 설계하기 위해.
• Fabric의 승인 프로세스에서 ECDSA를 효율적인 공동 서명 스킴으로 대체함으로써 거래 처리량을 향상시키고 지연 시간을 줄이기 위해.
• 최소한의 온라인 계산을 통해 확장 가능하고 분산된 키 집계 및 공동 서명을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 도용 키 공격 및 k-합 문제를 방지하기 위해 소유 증명을 사용하는 감마 기반 다중 서명 스킴인 GMS를 제안한다.
• 메시지 수신 후 온라인 계산 단계를 줄이기 위해 서명 단계의 순서를 재정렬한 GMS의 최적화된 버전인 AGMS를 도입한다.
• AGMS에서 키 집계와 서명을 동시에 실행함으로써 전체 서명 지연 시간을 감소시킨다.
• AGMS를 Fabric의 승인 프로세스에 통합하여, 각 거래당 개별 ECDSA 서명을 하나의 공동 서명으로 대체한다.
• 스패닝 트리 구조를 사용해 분산된 서명 및 검증을 지원함으로써 수천 명의 서명자에게도 효율적으로 대응할 수 있도록 한다.
• 동형 성질을 지닌 셰너 기반 암호 기법을 사용해 효율적인 서명 집계 및 검증을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 엔터프라이즈 블록체인 플랫폼인 Fabric와 같은 환경에서 다중 서명 스킴을 더욱 효율적이고 보안적으로 만들 수 있는가?
• RQ2 공동 서명이 허가된 블록체인 환경에서 거래 저장소 및 검증 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ3 다중 서명 스킴에서 도용 키 공격 및 k-합 문제의 위험을 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 서명 단계의 순서를 재정렬하고 키 집계를 동시에 실행함으로써 어떤 성능 향상이 달성될 수 있는가?
• RQ5 다중 서명 통합을 통해 Fabric의 거래 처리량과 확장성은 어느 정도 향상될 수 있는가?

주요 결과

• AGMS 스킴은 Fabric에서 거래 검증의 CPU 실행 시간을 서명자의 수에 관계없이 거의 일정하게 유지하며, ECDSA와는 달리 선형적으로 증가하지 않는다.
• AGMS를 통합한 개선된 Fabric 거래 프로세스는 온라인 서명 및 검증 속도가 크게 향상되어, 기본 ECDSA 기반 프로세스보다 총 처리 시간이 짧다.
• 제안된 스킴들은 다수의 개별 서명을 하나의 공동 서명으로 대체함으로써 거래 크기를 줄여 저장소 및 대역폭 사용량을 감소시킨다.
• GMS는 소유 증명을 통해 도용 키 및 k-합 문제 공격에 대해 강력한 보장된 보안성을 제공한다.
• 구현 결과, AGMS는 낮은 저장소 복잡도와 일반적인 다중 서명 취약점에 대한 강건성을 바탕으로 높은 거래 처리량을 달성할 수 있음을 보여준다.
• 이 스킴은 허가된 블록체인 외에도 비허가 블록체인 시스템, 예를 들어 비트코인과 같은 환경에서도 적용 가능하며, 다중 서명 거래 데이터를 압축할 수 있다.