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Das Dokument “Threshold Signatures for Central Bank Digital Currencies” untersucht die Anwendung von Schwellenwert-Signaturverfahren (Threshold Signature Schemes, TSS) zur Erhöhung der Sicherheit von digitalen Zentralbankwährungen (Central Bank Digital Currencies, CBDCs). Ein Schwellenwert-Signaturverfahren ist eine kryptografische Methode, bei der die Erstellung einer digitalen Signatur nicht durch einen einzelnen privaten Schlüssel, sondern durch die Zusammenarbeit einer bestimmten Mindestanzahl (eines “Schwellenwerts”) von Parteien ermöglicht wird, die jeweils einen Teil des Schlüssels besitzen.
Digitale Signaturen sind entscheidend für die Authentizität und Integrität von CBDC-Transaktionen. Das Kompromittieren eines privaten Schlüssels stellt jedoch ein erhebliches Risiko dar. TSS löst dieses Problem, indem die Signaturberechtigung auf mehrere Parteien verteilt wird, sodass eine Teilmenge dieser Parteien zusammenarbeiten muss, um eine gültige Signatur zu erzeugen. Dies reduziert das Risiko eines Single Point of Failure und erhöht die Widerstandsfähigkeit des Systems.
Die Arbeit analysiert CBDC-spezifische Anforderungen und verwendet die Filia CBDC-Lösung von Giesecke+Devrient als Basis für eine detaillierte Evaluierung. Der Fokus liegt auf ECDSA-basierten TSS, da diese für die Kompatibilität mit bestehenden Systemen relevant sind.
Als Architektur wird ein separates Schlüsselmanagement-Netzwerk (Key Management Network, KMN) innerhalb der Finanzdienstleister (FSP) gewählt. Die Anforderungen an die TSS-Integration umfassen transparente Unterstützung für Standard- und Schwellenwert-Wallets, effiziente verteilte Schlüsselgenerierung (DKG), hohen Signaturdurchsatz, sichere Schlüsselrekonstruktion, Schlüsselaktualisierung/-ergänzung und Kompatibilität mit der bestehenden ECDSA-Infrastruktur.
Die theoretische Analyse bestätigt, dass das CGGMP21-Protokoll, das in der Implementierung verwendet wird, die Sicherheitsanforderungen erfüllt. Die empirische Leistungsbewertung zeigt, dass die Rechen- und Kommunikationskomplexität bei DKG, Vorab-Signierung und Signierung mit zunehmender Anzahl von Knoten und Schwellenwerten ansteigt. Insbesondere die End-to-End-Transaktionsleistung nimmt bei Verwendung von Schwellenwert-Signaturen, vor allem bei FSP-übergreifenden Überweisungen, um eine Größenordnung ab.
Trotz des Leistungsabfalls, insbesondere unter hoher Last und bei interaktiven Signiervorgängen (die bei fehlenden Vorab-Signaturen oder Schlüsselaktualisierungen auftreten), kommen die Autoren zu dem Schluss, dass TSS die Sicherheit von CBDC-Implementierungen verbessern kann, während die Leistung für reale Anwendungen akzeptabel bleibt. Zukünftige Arbeiten sollen sich auf die Optimierung von Rechen- und Kommunikationsengpässen sowie auf die Untersuchung post-quantensicherer TSS konzentrieren.