Автор: Денис Аветисян
Исследование сравнивает производительность перспективных криптографических алгоритмов, устойчивых к квантовым вычислениям, в контексте децентрализованных систем.
Анализ производительности алгоритмов цифровой подписи, устойчивых к квантовым атакам (ML-DSA, Falcon, Hawk, HAETAE) в прототипе блокчейна.
В условиях растущей угрозы квантовых вычислений, долгосрочная безопасность блокчейн-систем требует перехода к криптографическим алгоритмам, устойчивым к атакам, таким как алгоритм Шора. Данная работа, посвященная ‘Performance Analysis of Quantum-Secure Digital Signature Algorithms in Blockchain’, представляет собой анализ производительности нескольких постквантовых схем цифровой подписи, включая CRYSTALS-Dilithium, Falcon и Hawk, в контексте прототипа блокчейна. Экспериментальные результаты демонстрируют компромиссы между размером ключей и подписей, скоростью верификации и вычислительными затратами различных схем, включая HAETAE. Какие дальнейшие оптимизации и аппаратные решения позволят эффективно внедрить постквантовую криптографию в реальные блокчейн-приложения?
Неизбежность Квантового Преломления: Криптография на Пороге Перемен
Современные системы защиты информации, обеспечивающие конфиденциальность онлайн-транзакций и коммуникаций, в значительной степени полагаются на криптографию с открытым ключом, в частности, на эллиптическую криптографию (ECC). Данный подход позволяет безопасно обмениваться данными, не раскрывая секретные ключи, и широко применяется в банковских операциях, электронной коммерции, защите электронной почты и многих других сферах. В основе ECC лежит математическая сложность решения определенных задач, что делает взлом ключей крайне трудоемким для классических компьютеров. Однако, широкое распространение и критическая важность этих алгоритмов требуют постоянного анализа их устойчивости к новым угрозам, включая появление квантовых вычислений, способных существенно упростить решение этих задач.
Алгоритм Шора представляет собой серьезную угрозу существующим криптографическим системам, таким как эллиптическая криптография (ECC) и RSA. В отличие от классических алгоритмов, которые требуют экспоненциального времени для факторизации больших чисел — основы безопасности этих систем — алгоритм Шора, использующий принципы квантовых вычислений, способен выполнить эту задачу за полиномиальное время. Это означает, что при наличии достаточно мощного квантового компьютера, способного реализовать этот алгоритм, современные методы шифрования окажутся уязвимыми. В частности, алгоритм Шора эффективно находит периоды функций, что позволяет взламывать алгоритмы дискретного логарифмирования, лежащие в основе многих криптографических протоколов. Хотя создание квантового компьютера, способного реализовать алгоритм Шора в масштабах, необходимых для взлома современных криптосистем, является сложной технической задачей, теоретическая возможность такого взлома требует немедленного перехода к квантово-устойчивым алгоритмам шифрования.
Неизбежная угроза со стороны квантовых вычислений требует срочного перехода к новым криптографическим алгоритмам, устойчивым как к классическим, так и к квантовым атакам. Современные системы шифрования, обеспечивающие безопасность онлайн-транзакций и коммуникаций, становятся все более уязвимыми перед лицом развивающихся квантовых технологий. Разработка и внедрение постквантовой криптографии — это не просто техническая задача, а стратегическая необходимость для поддержания конфиденциальности и целостности данных в будущем. Исследования в этой области сосредоточены на алгоритмах, основанных на математических проблемах, которые, как считается, трудно решить даже для мощных квантовых компьютеров, таких как решетчатая криптография и многомерные системы уравнений. Переход к этим новым стандартам потребует значительных усилий по обновлению инфраструктуры и программного обеспечения, но является необходимым шагом для обеспечения долгосрочной безопасности в цифровом мире.
Решетчатая Квантовая Защита: Новый Фундамент Криптографии
Постквантовая криптография направлена на обеспечение безопасности данных в условиях развития квантовых вычислений. Существующие алгоритмы шифрования, такие как RSA и ECC, уязвимы к атакам со стороны квантовых компьютеров, использующих алгоритм Шора O(n^3) для факторизации больших чисел и дискретного логарифмирования. Алгоритм Шора позволяет квантовым компьютерам эффективно взламывать эти алгоритмы, что делает необходимым переход к криптографическим решениям, устойчивым к квантовым атакам. Постквантовая криптография исследует и разрабатывает новые алгоритмы, которые предположительно не могут быть эффективно взломаны даже с использованием квантовых компьютеров, обеспечивая долгосрочную безопасность цифровой информации.
Криптография, основанная на решётках, представляет собой перспективный подход к построению криптосистем, устойчивых к квантовым атакам. В её основе лежит сложность решения определенных математических задач в теории решеток, таких как задача поиска ближайшей точки (closest vector problem, CVP) и задача короткого вектора (short vector problem, SVP). Безопасность этих систем обусловлена предположением о том, что решение этих задач требует экспоненциального времени для любого известного классического или квантового алгоритма. Решетки, в данном контексте, представляют собой дискретные подгруппы ℝⁿ, а сложность задач CVP и SVP напрямую зависит от размерности решетки и используемых параметров. Эффективность и безопасность криптосистем, основанных на решетках, активно исследуются и подтверждаются криптографическим сообществом.
Алгоритмы CRYSTALS-Dilithium и Falcon были выбраны Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST) для стандартизации в рамках конкурса по постквантовой криптографии. Dilithium представляет собой цифровой алгоритм подписи, основанный на проблеме Learning With Errors (LWE) над кольцами, обеспечивающий высокую степень безопасности и относительно небольшие размеры подписей. Falcon, также алгоритм цифровой подписи, использует структуру NTRU и демонстрирует высокую скорость работы и компактные размеры подписей, особенно при проверке. Оба алгоритма прошли тщательное тестирование и анализ со стороны криптографического сообщества, подтвердив свою устойчивость к известным атакам и продемонстрировав приемлемую производительность на различных платформах, что делает их ключевыми кандидатами для защиты данных в эпоху квантовых вычислений.
Решетчатые Подписи в Блокчейне: Оценка Производительности и Интеграции
Блокчейны в значительной степени полагаются на цифровые подписи для обеспечения аутентичности транзакций и неизменности данных. Цифровые подписи позволяют подтвердить, что транзакция исходит от владельца закрытого ключа, и что данные не были изменены после подписания. Этот механизм критически важен для предотвращения двойных трат и других видов мошенничества. В контексте блокчейна, каждая транзакция подписывается отправителем с использованием его приватного ключа, а затем проверяется всеми узлами сети с использованием соответствующего публичного ключа. Невозможность подделать цифровую подпись гарантирует целостность и достоверность информации, хранящейся в блокчейне, что является фундаментальным принципом работы децентрализованных систем.
Для оценки производительности постквантовых схем цифровой подписи, таких как Falcon и CRYSTALS-Dilithium, была разработана и реализована прототипная блокчейн-система. Данная реализация позволила провести практическую оценку интеграции данных схем в стандартную модель, основанную на аккаунтах, и их взаимодействия с хеш-функцией SHA3-256, используемой для хеширования блоков. Прототип был разработан с целью демонстрации возможности использования постквантовых подписей в реальной блокчейн-среде и сбора данных о производительности, таких как размер блоков и пропускная способность транзакций.
В процессе оценки постквантовых подписей в блокчейне использовалась стандартная модель, основанная на аккаунтах, для обеспечения совместимости с существующей инфраструктурой. Хэширование блоков осуществлялось с применением SHA3-256, что позволяет интегрировать новые криптографические схемы без существенных изменений в базовой архитектуре. Такой подход упрощает внедрение постквантовых подписей в существующие блокчейн-системы, минимизируя затраты на переход и обеспечивая обратную совместимость с текущими стандартами.
В ходе реализации прототипа блокчейна было установлено, что схемы цифровой подписи Falcon-512 и Hawk-512 позволяют достичь размера блока в 2.5-2.7 МБ при обработке 1000 транзакций. Данный показатель существенно ниже, чем у схемы ML-DSA-87, которая при аналогичной нагрузке генерирует блоки размером 9.9 МБ. Полученные результаты демонстрируют значительное преимущество Falcon-512 и Hawk-512 с точки зрения эффективности использования дискового пространства и пропускной способности сети.
Архитектура Квантово-Устойчивой Системы: Интерфейсы и Математические Примитивы
Реализация построена на основе криптографического интерфейса, который абстрагирует все криптографические операции. Этот подход позволяет легко заменять различные схемы цифровой подписи, не затрагивая основную логику системы. Такая модульная конструкция обеспечивает гибкость и адаптивность к меняющимся требованиям безопасности и стандартам. Вместо жесткой привязки к конкретному алгоритму, система взаимодействует с криптографическим интерфейсом, который, в свою очередь, вызывает необходимую реализацию. Это значительно упрощает процесс обновления или замены алгоритмов, а также позволяет легко интегрировать новые, более совершенные схемы подписи без внесения масштабных изменений в код. Такой дизайн не только повышает безопасность, но и снижает затраты на сопровождение и обновление системы.
Для обеспечения гибкости и упрощения интеграции различных криптографических схем, в реализации используются специализированные интерфейсы, такие как OqsMldsaCrypto и OqsFalconCrypto. Эти интерфейсы служат своеобразными обертками вокруг API библиотеки liboqs, стандартизируя доступ к алгоритмам и позволяя легко заменять одну схему подписи на другую без существенных изменений в коде. Такой подход обеспечивает модульность системы и облегчает адаптацию к новым достижениям в области постквантовой криптографии, а также позволяет проводить сравнительный анализ эффективности различных алгоритмов в единой среде. Использование стандартизированных интерфейсов также способствует повышению надежности и безопасности системы, поскольку позволяет четко определить и контролировать взаимодействие между различными компонентами.
Алгоритмы, такие как Falcon, опираются на математические примитивы NTRU, представляющие собой систему, основанную на сложности решения определенных задач в кольцах многочленов. В основе безопасности Falcon лежит сложность решения проблемы поиска коротких векторов в решетках. В свою очередь, CRYSTALS-Dilithium использует проблему Module-LWE (Learning With Errors) — обобщение проблемы LWE, работающее с модулями. Module-LWE предполагает поиск скрытого вектора в решетке, основываясь на неполных и зашумленных данных, что обеспечивает устойчивость к известным атакам. Оба подхода, NTRU и Module-LWE, представляют собой ключевые элементы постквантовой криптографии, поскольку считаются устойчивыми к атакам с использованием квантовых компьютеров, в отличие от традиционных алгоритмов, таких как RSA или ECC.
В основе эффективности криптографии на решетках лежит использование преобразования Фурье над целыми числами, известного как Number Theoretic Transform (NTT). В отличие от стандартного дискретного преобразования Фурье, применяемого к комплексным числам, NTT оперирует с целыми числами по модулю, что позволяет избежать операций с плавающей точкой и значительно ускорить вычисления. Этот подход особенно важен для реализации таких алгоритмов, как CRYSTALS-Dilithium и Falcon, где NTT применяется для эффективного выполнения умножения полиномов в кольце многочленов. NTT(a)(x) = \sum_{k=0}^{n-1} a_k \omega^{kx}, где ω — примитивный корень n-й степени из единицы по модулю q.
Проведенное тестирование показало значительное превосходство алгоритмов Falcon-512 и Hawk-512 в скорости валидации блоков транзакций. При обработке тысячи транзакций, время валидации для данных алгоритмов составило всего 47-52 миллисекунды. Это существенно быстрее, чем у ML-DSA-87, которому требуется 234 миллисекунды для выполнения той же операции. Полученные результаты демонстрируют, что использование решёточных криптографических алгоритмов, таких как Falcon и Hawk, может значительно повысить производительность систем, требующих частой и быстрой проверки транзакций, предлагая потенциальные улучшения в масштабируемости и общей эффективности.
Эволюция Децентрализованных Систем: Стандартизация и Будущие Направления
Успешная интеграция постквантовых схем цифровой подписи в блокчейны представляется критически важной для сохранения безопасности и целостности децентрализованных систем в условиях прогрессирующего развития квантовых вычислений. Традиционные криптографические алгоритмы, обеспечивающие защиту транзакций и данных в современных блокчейнах, становятся уязвимыми перед мощностью квантовых компьютеров, способных взламывать существующие методы шифрования. Внедрение постквантовых решений, разработанных для противодействия атакам квантовых вычислений, позволит обеспечить долгосрочную устойчивость и надежность децентрализованных систем, защищая активы и данные пользователей от потенциальных угроз. Этот переход требует тщательной разработки, тестирования и стандартизации новых алгоритмов, а также обновления инфраструктуры блокчейнов для поддержки постквантовой криптографии, гарантируя бесперебойную и безопасную работу децентрализованных приложений в будущем.
Постоянная оценка и оптимизация алгоритмов, таких как HAETAE и Hawk, представляется критически важной для обеспечения их надежности и производительности в условиях постоянно развивающихся угроз. Исследования направлены на выявление и устранение потенциальных уязвимостей, а также на повышение эффективности вычислений и снижение потребления ресурсов. Улучшение этих алгоритмов не ограничивается лишь теоретическими изысканиями; проводятся практические испытания в различных сценариях, включая моделирование атак и анализ производительности в реальных системах. Целью является достижение оптимального баланса между безопасностью, скоростью и размером подписи, что позволит эффективно интегрировать эти схемы в децентрализованные системы и обеспечить их устойчивость к будущим угрозам, включая появление квантовых компьютеров.
Процесс стандартизации, осуществляемый Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), играет ключевую роль в создании криптографической инфраструктуры, устойчивой к атакам с использованием квантовых компьютеров. Активные исследования, проводимые в академической и индустриальной сферах, дополняют работу NIST, направленную на выбор и утверждение постквантовых криптографических алгоритмов. Этот совместный подход не только способствует разработке надежных и эффективных методов шифрования, но и обеспечивает основу для их широкого внедрения в различные системы, включая блокчейны и другие децентрализованные платформы. Ожидается, что стандартизация позволит преодолеть фрагментацию рынка и обеспечит совместимость между различными реализациями, что критически важно для построения безопасного и доверенного цифрового будущего.
Схема цифровой подписи Hawk-512 демонстрирует значительное преимущество в эффективности передачи данных, формируя подписи объемом всего 555 байт. Это существенно меньше, чем у альтернативных схем, таких как ML-DSA-44 (2420 байт) и Falcon-512 (658 байт). Данное свойство особенно ценно в сетях с ограниченной пропускной способностью, где минимизация размера данных критически важна для обеспечения скорости и масштабируемости децентрализованных систем. Меньший размер подписи позволяет сократить затраты на передачу и хранение данных, делая Hawk-512 перспективным решением для приложений, работающих в условиях ограниченных ресурсов, например, в мобильных устройствах или IoT-сетях.
Исследование производительности квантово-устойчивых алгоритмов цифровой подписи в блокчейне показывает неизбежность компромиссов. Каждая схема — ML-DSA, Falcon, Hawk или HAETAE — предлагает свой баланс между размером подписи, скоростью верификации и вычислительными затратами. Это напоминает о том, что абсолютной защиты не существует, а архитектурные решения — это лишь пророчества о будущих отказах. Как говорил Давид Гильберт: «Вся математика лежит в простом перечислении возможностей». И в контексте постквантовой криптографии, это перечисление возможностей становится все более сложным, требуя от разработчиков гибкости и готовности к адаптации. Порядок, в виде оптимизированного алгоритма, — это лишь временный кэш между сбоями, вызванными новыми угрозами и ограничениями.
Что же дальше?
Данное исследование, демонстрируя производительность постквантовых схем цифровой подписи в контексте блокчейна, лишь обнажает глубину предстоящих компромиссов. Оно показывает, что разделение системы на отдельные компоненты — будь то микросервисы или криптографические алгоритмы — не избавляет от общей судьбы. Каждая оптимизация в одном аспекте неминуемо порождает новые уязвимости в другом. Растущие размеры подписей и вычислительные затраты — это не просто технические препятствия, а предзнаменование будущих точек отказа.
Вместо гонки за абсолютной безопасностью и производительностью, представляется более реалистичным признать неизбежность зависимости. Система стремится к состоянию, где уязвимость одного элемента рано или поздно повлечет за собой каскад сбоев во всей архитектуре. Будущие исследования должны сосредоточиться не на создании «непробиваемых» алгоритмов, а на разработке механизмов адаптации и восстановления, способных смягчить последствия неизбежных провалов.
В конечном счете, постквантовая криптография — это не решение проблемы безопасности, а лишь перенос её акцента. Вместо защиты от взлома, необходимо научиться жить с ним, предвидя и смягчая последствия. Всё связанное когда-нибудь упадёт синхронно — и вопрос лишь в том, как смягчить этот удар.
Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.17785.pdf
Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/
Смотрите также:
- Сердце музыки: открытые модели для создания композиций
- Эмоциональный отпечаток: Как мы научили ИИ читать душу (и почему рейтинги вам врут)
- Волны звука под контролем нейросети: моделирование и инверсия в вязкоупругой среде
- Почему ваш Steam — патологический лжец, и как мы научили компьютер читать между строк
- Квантовый скачок из Андхра-Прадеш: что это значит?
- LLM: математика — предел возможностей.
2026-01-27 10:44