[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出两种基于Gamma签名的高效且安全的多签名方案GMS与AGMS，适用于Hyperledger Fabric等企业区块链平台。通过支持联合签名生成与验证，该方案减少了交易存储开销，提升了验证速度，并有效抵御伪密钥攻击与k-sum攻击，在实验中相较基于ECDSA的背书机制，吞吐量最高提升2倍。

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.

研究动机与目标

• 为解决企业区块链平台（如Fabric）中多签名验证带来的高计算与存储开销问题。
• 设计一种能抵御伪密钥攻击与k-sum问题攻击，同时保持高性能的多签名方案。
• 通过在Fabric背书流程中以高效联合签名方案替代ECDSA，提升交易吞吐量并降低延迟。
• 实现可扩展的分布式密钥聚合与联合签名，且在线计算开销最小化。

提出的方法

• 提出GMS，一种基于Gamma的多签名方案，利用拥有证明机制防止伪密钥攻击与k-sum问题。
• 提出AGMS，作为GMS的优化版本，通过重排签名阶段以减少消息到达后的在线计算步骤。
• 在AGMS中实现密钥聚合与签名的并行执行，从而降低整体签名延迟。
• 将AGMS集成至Fabric的背书流程中，以单个联合签名替代每个交易的多个独立ECDSA签名。
• 采用生成树结构支持高效的大规模签名者联合签名与验证。
• 采用具有同态特性的Schnorr密码学机制，实现高效签名聚合与验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使多签名方案在Hyperledger Fabric等企业区块链平台中更加高效且安全？
• RQ2 联合签名能否降低许可链中交易的存储与验证开销？
• RQ3 如何在多签名方案中缓解伪密钥与k-sum攻击的风险？
• RQ4 通过重排签名阶段与支持并行密钥聚合，可实现多大的性能提升？
• RQ5 多签名集成在多大程度上可提升Fabric的交易吞吐量与可扩展性？

主要发现

• AGMS方案使Fabric中交易验证的CPU运行时间接近恒定，与背书者数量无关，而ECDSA的验证时间呈线性增长。
• 采用AGMS的修订版Fabric交易流程显著加快了在线签名与验证速度，总处理时间短于默认的ECDSA方案。
• 所提出的方案通过以单个联合签名替代多个独立签名，显著减小了交易大小，降低了存储与带宽消耗。
• GMS通过拥有证明机制，提供了对伪密钥与k-sum问题攻击的强可证明安全性。
• 实现结果表明，AGMS在低存储复杂度下实现了高交易吞吐量，并对常见多签名漏洞具有强鲁棒性。
• 该方案不仅适用于许可链，还可扩展至无许可系统（如比特币），实现多签交易数据的高效压缩。