Архитектурное размещение постквантовых цифровых подписей ML-DSA и SLH-DSA в блокчейн-системах

Переход распределенных реестров к постквантовым цифровым подписям обычно сводят к замене алгоритма подписи. Однако в блокчейн-системе подпись определяет не только криптографическую проверку подлинности, но и размер транзакции, плотность блока, скорость роста цепочки, пропускную способность и время проверки блока. В работе экспериментально оценены архитектурные последствия размещения постквантовых подписей ML-DSA и SLH-DSA на четырех уровнях, а именно подписи каждой транзакции, гибридной подписи транзакции, подписи заголовка блока узлом-валидатором и подписи контрольной точки. Исследованы двадцать три схемы, включая две классические, три варианта ML-DSA, двенадцать вариантов SLH-DSA и шесть гибридных схем; выполнено шесть тысяч девятьсот измерений операций формирования ключей, формирования и проверки подписи, дополненных имитационным моделированием плотности блока и времени его проверки. Показано, что даже наиболее компактная постквантовая схема при размещении подписи в каждой транзакции снижает плотность блока и пропускную способность почти в пятнадцать раз, а для полного семейства хеш-основанных схем падение плотности достигает от тридцати до ста девяноста трех раз, тогда как при подписи заголовка блока или контрольной точки прирост роста цепочки не превышает полутора процентов. Основной результат состоит в том, что уровень архитектурного размещения подписи является самостоятельным фактором пригодности постквантовой схемы, поскольку одна и та же схема может быть неприемлема на уровне транзакции и практически применима на уровне блока или контрольной точки.

1. Shor P.W. Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer. SIAM Journal on Computing. 1997;26(5):1484–1509. https://doi.org/10.1137/S0097539795293172

2. Aggarwal D., Brennen G., Lee T., Santha M., Tomamichel M. Quantum Attacks on Bitcoin, and How to Protect Against Them. Ledger. 2018;3. https://doi.org/10.5195/ledger.2018.127

3. Kearney J.J., Perez-Delgado C.A. Vulnerability of Blockchain Technologies to Quantum Attacks. Array. 2021;10:100065. https://doi.org/10.1016/j.array.2021.100065

4. Ducas L., Kiltz E., Lepoint T., et al. CRYSTALS-Dilithium: A Lattice-Based Digital Signature Scheme. IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems. 2018;2018(1):238–268. https://doi.org/10.13154/tches.v2018.i1.238-268

5. Bernstein D.J., Hülsing A., Kölbl S., Niederhagen R., Rijneveld J., Schwabe P. The SPHINCS+ Signature Framework. In: CCS '19: Proceedings of the 2019 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security, 11–15 November 2019, London, UK. New York: ACM; 2019. P. 2129–2146. https://doi.org/10.1145/3319535.3363229

6. Fernández-Caramés T.M., Fraga-Lamas P. Towards Post-Quantum Blockchain: A Review on Blockchain Cryptography Resistant to Quantum Computing Attacks. IEEE Access. 2020;8:21091–21116. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2968985

7. Gao Y.-L., Chen X.-B., Chen Y.-L., Sun Y., Niu X.-X., Yang Y.-X. A Secure Cryptocurrency Scheme Based on Post-Quantum Blockchain. IEEE Access. 2018;6:27205–27213. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2827203

8. Allende M., López León D., Cerón S., et al. Quantum-Resistance in Blockchain Networks. Scientific Reports. 2023;13(1). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32701-6

9. Buser M., Dowsley R., Esgin M., et al. A Survey on Exotic Signatures for Post-Quantum Blockchain: Challenges and Research Directions. ACM Computing Surveys. 2023;55(12):251. https://doi.org/10.1145/3572771

10. Bernstein D.J., Duif N., Lange T., Schwabe P., Yang B.-Y. High-Speed High-Security Signatures. Journal of Cryptographic Engineering. 2012;2(2):77–89. https://doi.org/10.1007/s13389-012-0027-1

11. Bernstein D.J., Lange T. Post-Quantum Cryptography. Nature. 2017;549(7671):188–194. https://doi.org/10.1038/nature23461