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MPC 分布式签名系统 - 架构设计文档
1. 系统概述
本系统是一个基于多方安全计算 (MPC) 的分布式门限签名系统，支持 t-of-n 阈值签名方案。系统采用微服务架构，使用 Go 语言开发，基于 bnb-chain/tss-lib 实现 TSS (Threshold Signature Scheme) 协议。
1.1 核心特性
- 门限签名: 支持任意 t-of-n 阈值方案 (如 2-of-3, 3-of-5, 4-of-7)
- 分布式密钥生成 (DKG): 无需可信第三方生成密钥
- ECDSA secp256k1: 与以太坊/比特币兼容的签名算法
- 高安全性: 密钥分片加密存储，单点泄露不影响安全性
- 微服务架构: 可独立扩展和部署
1.2 技术栈
| 层级 | 技术选型 |
|---|---|
| 语言 | Go 1.21+ |
| TSS 库 | bnb-chain/tss-lib/v2 |
| 通信协议 | gRPC + HTTP/REST |
| 数据库 | PostgreSQL |
| 缓存 | Redis |
| 消息队列 | RabbitMQ |
| 服务发现 | Consul |
| 容器化 | Docker + Docker Compose |
2. 系统架构
2.1 整体架构图
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Client Layer │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │
│ │ iOS App │ │ Android App │ │ Web Client │ │
│ │ (MPC SDK) │ │ (MPC SDK) │ │ │ │
│ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ │
└─────────┼─────────────────┼─────────────────┼───────────────────────┘
│ │ │
▼ ▼ ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ API Gateway (HTTP/gRPC) │
└─────────────────────────────┬───────────────────────────────────────┘
│
┌───────────────────┼───────────────────┐
▼ ▼ ▼
┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
│ Account │ │ Session │ │ Message │
│ Service │ │ Coordinator │ │ Router │
│ (用户/账户管理) │ │ (会话协调) │ │ (消息路由) │
│ │ │ │ │ │
│ Port: 50054 │ │ Port: 50051 │ │ Port: 50052 │
│ HTTP: 8083 │ │ HTTP: 8080 │ │ HTTP: 8081 │
└────────┬────────┘ └────────┬────────┘ └────────┬────────┘
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────┐ │
│ │ Server Party │ │
│ │ Service x N │◄──────────┘
│ │ (MPC 计算节点) │
│ │ │
│ │ Party 1: 50053 │
│ │ Party 2: 50055 │
│ │ Party 3: 50056 │
│ └────────┬────────┘
│ │
▼ ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Data Layer │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │
│ │ PostgreSQL │ │ Redis │ │ RabbitMQ │ │
│ │ (持久化) │ │ (缓存/会话) │ │ (消息队列) │ │
│ └──────────────┘ └──────────────┘ └──────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
2.2 服务职责
2.2.1 Session Coordinator (会话协调器)
- 创建和管理 MPC 会话
- 协调参与方加入会话
- 跟踪会话状态和进度
- 管理参与方就绪状态
2.2.2 Message Router (消息路由器)
- 路由 TSS 协议消息
- 支持点对点和广播消息
- 消息缓存和重传
- WebSocket 实时通信
2.2.3 Server Party (服务端参与方)
- 作为 MPC 协议的服务端参与方
- 执行 DKG 和签名协议
- 安全存储加密的密钥分片
- 支持多实例部署
2.2.4 Account Service (账户服务)
- 用户注册和认证
- 账户管理
- MPC 会话入口 API
- 账户恢复流程
3. 核心流程
3.1 密钥生成流程 (Keygen)
┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐
│ Client │ │Coordinator│ │ Router │ │ Parties │
└────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘
│ │ │ │
│ CreateSession │ │ │
│──────────────>│ │ │
│ │ │ │
│ SessionID + │ │ │
│ JoinTokens │ │ │
│<──────────────│ │ │
│ │ │ │
│ JoinSession (各参与方) │
│──────────────────────────────────────────────>│
│ │ │ │
│ MarkReady (各参与方) │
│──────────────────────────────────────────────>│
│ │ │ │
│ StartSession │ │
│──────────────>│ │ │
│ │ Notify Start │ │
│ │──────────────────────────────>│
│ │ │ │
│ │ TSS Messages (多轮) │
│ │ │<─────────────>│
│ │ │ │
│ │ ReportCompletion │
│ │<──────────────────────────────│
│ │ │ │
│ Session Completed │ │
│<──────────────│ │ │
│ │ │ │
3.2 签名流程 (Signing)
┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐
│ Client │ │Coordinator│ │ Router │ │ Parties │
└────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘
│ │ │ │
│ CreateSignSession │ │
│ (messageHash) │ │ │
│──────────────>│ │ │
│ │ │ │
│ SessionID │ │ │
│<──────────────│ │ │
│ │ │ │
│ JoinSession (t+1 参与方) │ │
│──────────────────────────────────────────────>│
│ │ │ │
│ StartSession │ │
│──────────────>│ │ │
│ │ │ │
│ │ TSS Messages (多轮) │
│ │ │<─────────────>│
│ │ │ │
│ │ Signature │ │
│ │<──────────────────────────────│
│ │ │ │
│ Signature (R, S, V) │ │
│<──────────────│ │ │
│ │ │ │
4. 数据模型
4.1 Session (会话)
type Session struct {
ID uuid.UUID // 会话唯一标识
Type SessionType // keygen | sign
Status SessionStatus // created | waiting | in_progress | completed | failed
ThresholdT int // 签名阈值 (t+1 签名者)
ThresholdN int // 总参与方数
MessageHash []byte // 待签名消息哈希 (签名会话)
Participants []Participant // 参与方列表
CreatedAt time.Time
ExpiresAt time.Time
}
4.2 Participant (参与方)
type Participant struct {
PartyID string // 参与方标识
PartyIndex int // 协议中的索引
DeviceInfo DeviceInfo // 设备信息
Status ParticipantStatus // joined | ready | computing | completed
JoinToken string // 加入令牌
}
4.3 KeyShare (密钥分片)
type KeyShare struct {
ID uuid.UUID
AccountID uuid.UUID
PartyID string
EncryptedShareData []byte // AES-GCM 加密的分片数据
PublicKey []byte // 组公钥
CreatedAt time.Time
}
5. 安全设计
5.1 密钥安全
- 密钥分片存储: 使用 AES-256-GCM 加密存储
- 主密钥管理: 从环境变量或 KMS 加载
- 无单点故障: 任意 t 个节点被攻破不影响安全性
5.2 通信安全
- TLS 加密: 所有 gRPC/HTTP 通信使用 TLS
- 消息认证: TSS 消息包含参与方签名
- 会话令牌: 使用 UUID v4 生成一次性令牌
5.3 安全属性
| 属性 | 描述 |
|---|---|
| 门限安全 | 需要至少 t+1 方参与才能签名 |
| 密钥不可恢复 | 少于 t+1 个分片无法恢复私钥 |
| 前向安全 | 会话密钥独立，历史泄露不影响未来 |
| 抗合谋 | t 个恶意方无法伪造签名 |
6. 部署架构
6.1 最小部署 (2-of-3)
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Server 1 (Coordinator) │
│ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ Session Coord. │ │ Message Router │ │
│ │ Port: 50051 │ │ Port: 50052 │ │
│ └─────────────────┘ └─────────────────┘ │
│ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ Account Service │ │ PostgreSQL │ │
│ │ Port: 50054 │ │ Redis/RabbitMQ │ │
│ └─────────────────┘ └─────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐
│ Server Party 1 │ │ Server Party 2 │ │ Server Party 3 │
│ Port: 50053 │ │ Port: 50055 │ │ Port: 50056 │
└──────────────────┘ └──────────────────┘ └──────────────────┘
6.2 生产环境部署
- 高可用: 每个服务至少 2 副本
- 负载均衡: Nginx/Traefik 反向代理
- 服务发现: Consul 集群
- 监控: Prometheus + Grafana
7. 目录结构
mpc-system/
├── api/ # API 定义
│ ├── grpc/ # gRPC 生成代码
│ └── proto/ # Protobuf 定义
├── docs/ # 文档
├── migrations/ # 数据库迁移
├── pkg/ # 公共包
│ ├── crypto/ # 加密工具
│ └── tss/ # TSS 封装
├── services/ # 微服务
│ ├── account/ # 账户服务
│ ├── message-router/ # 消息路由
│ ├── server-party/ # 服务端参与方
│ └── session-coordinator/ # 会话协调
├── tests/ # 测试
│ ├── e2e/ # 端到端测试
│ ├── integration/ # 集成测试
│ └── unit/ # 单元测试
├── docker-compose.yml # Docker 编排
├── Makefile # 构建脚本
└── go.mod # Go 模块