[論文レビュー] Secure and Efficient Multi-Signature Schemes for Fabric: An Enterprise Blockchain Platform

Yue Xiao, Peng Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2022

Cryptography and Data Security被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、Hyperledger Fabricのようなエンタープライズブロックチェーンプラットフォームを対象に、Gamma署名に基づく安全で効率的なマルチ署名スキーム、GMSおよびAGMSを提案する。共同署名の生成と検証を可能にすることで、トランザクションのストレージを削減し、検証速度を向上させ、ローグキー攻撃およびk-sum攻撃に対して耐性を示し、実験ではECDSAベースのエンドースメントと比較して最大2倍のスループットを達成した。

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.

研究の動機と目的

• エンタープライズブロックチェーン（例：Fabric）におけるマルチ署名検証の高い計算およびストレージオーバーヘッドを解消すること。
• ローグキー攻撃およびk-sum問題攻撃に対して耐性を示しつつ、高いパフォーマンスを維持するマルチ署名スキームを設計すること。
• FabricのエンドースメントプロセスにおいてECDSAを効率的な共同署名スキームに置き換えることで、トランザクションスループットを向上させ、遅延を低減すること。
• 最小限のオンライン計算で、スケーラブルで分散型の鍵集約および共同署名を可能にすること。

提案手法

• ローグキー攻撃およびk-sum問題を防止するための所有証明を用いた、Gammaに基づくマルチ署名スキームGMSを提案する。
• メッセージ受信後のオンライン計算ステップを削減するため、署名フェーズの順序を再設計したGMSの最適化版AGMSを導入する。
• AGMSでは、鍵集約と署名の並列実行を可能にし、全体の署名遅延を低減する。
• AGMSをFabricのエンドースメントフローに統合し、各トランザクションごとに個々のECDSA署名から1つの共同署名に置き換える。
• スパニングツリー構造を用いて分散型の署名および検証を実現し、数千人の署名者に対しても効率的に対応可能である。
• 同型性を有するSchnorrベースの暗号技術を採用し、効率的な署名集約および検証を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エンタープライズブロックチェーンプラットフォーム（例：Fabric）向けに、マルチ署名スキームをより効率的かつ安全にすることは可能か？
• RQ2 共同署名は、許可型ブロックチェーンにおけるトランザクションのストレージおよび検証オーバーヘッドを低減できるか？
• RQ3 マルチ署名スキームにおいて、ローグキー攻撃およびk-sum攻撃のリスクをどのように軽減できるか？
• RQ4 署名フェーズの順序を再設計し、鍵集約を並列化することで、どの程度のパフォーマンス向上が達成できるか？
• RQ5 マルチ署名の統合によって、Fabricのトランザクションスループットおよびスケーラビリティはどの程度向上できるか？

主な発見

• AGMSスキームにより、Fabricにおけるトランザクション検証のCPU実行時間が、署名者数に依存せずにほぼ一定に保たれるようになった。これはECDSAとは異なり、線形にスケーリングするのとは対照的である。
• AGMSを統合した改訂版Fabricトランザクションプロセスでは、オンライン署名および検証が著しく高速化され、合計処理時間がデフォルトのECDSAベースのプロセスを下回った。
• 提案されたスキームにより、複数の個別署名を1つの共同署名に置き換えることで、トランザクションサイズが削減され、ストレージおよび帯域幅の使用量が低減した。
• GMSは所有証明を用いることで、ローグキー攻撃およびk-sum問題攻撃に対して強力な証明可能なセキュリティを提供する。
• 実装の結果、AGMSは低ストレージ複雑性と、一般的なマルチ署名脆弱性に対する高い耐性を備えた高スループットを実現した。
• このスキームは許可型ブロックチェーンに限らず、Bitcoinのような許可なしシステムにも適用可能であり、マルチシグ取引データを圧縮できる。