[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种针对中心化交易所的原生多签名冷钱包架构，通过将私钥份额分发至多个空气隔离设备和管理员，消除了单点妥协风险。该方法确保无人可单独签署交易，通过MPC-based密钥生成提升安全性，并保持与区块链协议的兼容性，不改变交易大小或结构。

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.

研究动机与目标

• 解决传统冷/热钱包系统中的关键安全缺陷，即单个管理员或设备被攻破后可访问全部私钥。
• 设计一种冷钱包协议，防止任何单一实体（包括交易所管理员）独立支出资金。
• 确保所提系统与现有区块链交易格式兼容，不增加交易大小或复杂度。
• 将协议扩展至让用户直接参与钱包创建与签名过程，通过MPC提升用户控制力，并增强对交易所侧漏洞的抵御能力。
• 在真实部署场景中，评估所提方案相较于业界先进方法的通信与计算开销。

提出的方法

• 原生使用区块链协议原生支持的多签名方案（ECDSA与Schnorr），避免交易膨胀或结构变更。
• 将私钥份额分发至至少两个独立的空气隔离设备（冷网关与核心设备），由不同管理员管理，确保任一实体无法持有完整密钥。
• 采用两方计算（2-PC）协议生成签名，各方仅贡献份额而不暴露私钥，最终签名仅在双方同意后重建。
• 在密钥生成与签名过程中应用安全MPC技术，确保即使一方被攻破，私钥仍保持数学隐藏状态。
• 通过物理存储设备（如USB驱动器）实现空气隔离通信，消除密钥交换与交易签名过程中的网络攻击向量。
• 通过允许用户持有钱包私钥的份额，实现用户参与签名过程，从而实现控制去中心化，并增强资金恢复选项。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种冷钱包系统，使得即使所有管理员或设备被完全攻破，也无法独立签署交易？
• RQ2 与传统冷钱包系统相比，所提多签名方案在通信与计算开销方面有何影响？
• RQ3 用户参与密钥生成与签名过程在多大程度上可提升安全性与弹性，同时不损害可用性？
• RQ4 所提方法是否保持与现有区块链交易格式和结构的兼容性，特别是在签名大小与验证方面？
• RQ5 所提系统的安全性是否可形式化归约为底层密码原语（如ECDSA与Schnorr）的安全性？

主要发现

• 所提系统通过确保任一设备或管理员均无法单独重建完整私钥或生成有效签名，彻底消除了单点故障。
• 通信开销极低，且为空气隔离方式，使用USB等物理介质，无网络成本，防止敏感数据远程外泄。
• 2-PC ECDSA的计算开销约为3Eₘ + 6Mₛ + 4Mₑc + 2Iₘ，2-PC Schnorr的计算开销约为2Eₘ + Mₛ + 3Mₑc + Iₘ，现代硬件可轻松处理。
• 最终交易签名在大小与结构上与标准单签名交易完全不可区分，保持了区块链效率。
• 将协议扩展至包含用户参与签名过程，可确保即使交易所被攻破，资金也无法在无用户参与的情况下被支出。
• 该系统的安全性可归约为底层PKI（如ECDSA、Schnorr）的安全性，在标准假设下提供强密码学保证。