性能提升 47 倍，Safeheron TSS-RSA 算法正式开源
2022-06-25
Safeheron 是一家透明、开源的数字资产自托管平台，创始初心即为加密世界贡献透明、开源、可验证的安全自托管基础设施，提高与丰富区块链的原生特性 ，构建区块链场景中的最佳密码学实践。
近期，Safeheron 团队根据论文《Practical Threshold Signatures》，实现且开源 TSS-RSA (Threshold Signature Scheme of RSA) 算法库，并与 Arweave 生态项目方展开了深入合作。
开源地址
算法介绍
门限签名是一种分布式多方签名协议，包含分布式密钥生成，签名和验签算法。例如一个 ( 2，3 ) 门限方案，门限值为 3，即三个用户共同管理一个私钥。每个人都只持有部分私钥分片，其余分片不会公开。为了进行交易签名，需要将至少两个用户的签名数据整合在一起才能构建有效签名。
TSS-RSA 是使用 C++ 开发的基于 RSA 的门限签名算法，与传统的门限签名相比，其优势是：
基于 RSA 困难问题；
签名共享生成和验证是完全非交互的；
单个私钥分片签名的内容体积会更小。
此外，相较于传统多重签名来说，TSS-RSA 生成的签名数据不会多于多重签名生成的签名数据。交易时使用 TSS-RSA 只会伴随一个签名数据，所以交易处理费（有时称为交易费或燃料费）可以被控制在最低水平且将密钥的生成和密钥管理的责任分给多方，安全消除单私钥的风险负担。
功能使用
该库依赖于 OpenSSL, Protocol Buffers 以及 crypto-suites-cpp 开源库，使用 Cmake 实现自动化编译，目前可在 macOS 和 Linux 上运行。其中 crypto-suites-cpp 为 Safeheron 开发的一个密码学套件库，里面包含常见的加密算法、哈希算法，以及秘密共享方案和零知识证明协议等。
功能可分为四个功能模块，分别是生成私钥分片、生成签名分片、签名分片的合并、签名验证。
生成私钥分片
生成私钥分片前，需要先指定初始化参数，随后调用 GenerateKey 接口生成私钥分片。
生成签名分片
使用 EncodeEMSA_PSS 接口对消息进行预处理，随后使用生成的私钥分片对预处理后的消息进行签名，生成签名分片，同时生成该签名分片的正确性证明。
签名分片的合并
调用 CombineSignatures 接口对生成的签名分片进行合并。
签名验证
调用 VerifyEMSA_PSS 接口验证签名的完整性，随后调用 VerifySignature 接口验证签名的正确性。验证流程跟标准的 RSA 算法是一致的。
运行结果前往
性能展示
以 Golang 开发的开源项目 TCRSA 也是对 Practical Threshold Signatures 论文的一种实现，但在效率方面不尽如人意。
我们团队为明确 TSS-RSA 库和 TCRSA 库的效率差异，分别进行了 Benchmark 测试，并对以上四个功能模块进行对比分析，测试结果如下所示：
运营环境: os: linux，arch: amd64，cpu: 2 X 2499.99 MHz
参数取值: n (RSA-module bits) = 4096, L(participants counter) = 5, K(threshold) = 3
对比以上两表可知，在运行环境和参数取值相同的情况下，TSS-RSA 和 TCRSA 两种算法实现的效率差异主要体现在私钥分片生成的过程。其中 TSS-RSA 执行一次私钥分片生成仅需要 35.3s，而 TCRSA 执行一次私钥分片生成需要 1673.92s，约是前者的 47.4 倍。进一步地，TSS-RSA 的签名分片生成过程也比 TCRSA 的快约 2.5 倍。
总体来看，TSS-RSA 执行一轮完整的签名生成和验证需要 35.55s，而 TCRSA 执行完一轮完整的签名生成和验证需要 1674.79s，后者所需时间约是前者的 47 倍。
未来计划
Safeheron 与 Arweave 生态的金融基础设施的 everPay（everFinance）达成战略合作，并在不久后会推出可信 RSA 密钥分片服务 (TEE Based RSA Key Shard Service)，持续为其项目及整个 Arweave 生态提供坚实有力的安全基础设施支持。
可信 RSA 密钥分片服务采用了基于 Intel CPU 硬件提供的 SGX 机密计算技术，通过将 TSS-RSA (Threshold Signature Scheme of RSA) 算法中生成密钥和分片的整个过程放入可信执行环境中执行，保障 RSA 密钥可用且仅对硬件加密芯片可见，解决了中心化生成 RSA 密钥存在的潜在安全问题。与此同时，基于 Safeheron 提供的独有企业级安全解决方案，配合 Intel 的远程认证技术，保证密钥分片生成的整个流程是可信的，且这种可信是从技术上可证明的。
届时，Safeheron 也会将整个可信 RSA 密钥分片服务开源，通过完全透明化的方式来保证系统的安全可信，为区块链安全贡献力量。
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