Forscher der East Texas A&M University haben ein Design entwickelt, das sie als das erste implementierte und experimentell evaluierte Post-Quantum-Design für Bitcoins Lightning Network bezeichnen. Lightning, Bitcoins Off-Chain-Zahlungsschicht, leitet Transaktionen über ein Netzwerk von Knoten, deren Identitäten, Rechnungen und Nachrichten derzeit auf klassischer Kryptografie beruhen. Das als PQLN bekannte System schützt die Off-Chain-Kommunikations- und Zahlungsfunktionen des Netzwerks, ohne Änderungen an den Konsensregeln von Bitcoin zu erfordern.

Die PQLN-Forschung, veröffentlicht von Ahmet Kurt, Abdul-Salem Beibitkhan, Yacoub Hanna und Abdullah Aydeger, umfasst fünf zentrale Lightning-Bereiche: Gossip, Peer-Transport, Rechnungen, Payment-Onions und BOLT 12 Offers. Das Team implementierte das Design in rust-lightning und validierte es an echten Lightning-Knoten.

PQLN kombiniert ML-DSA-digitale Signaturen und ML-KEM-Schlüsselaustausch mit der bestehenden Kryptografie von Lightning. Beide Algorithmen wurden 2024 vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) unter FIPS 204 bzw. FIPS 203 standardisiert.

PQLN schützt fünf Lightning-Bereiche

Lightning ist derzeit stark auf die secp256k1-Elliptic-Curve-Kryptografie angewiesen. Ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer mit Shors Algorithmus könnte aus offengelegten öffentlichen Schlüsseln geheime Schlüssel ableiten, was Tür und Tor für Knoten-Imitation, gefälschte Rechnungen, Transportentschlüsselung und Deanonymisierung von Zahlungsrouten öffnet.

Das neue System adressiert diese bestehende Quanten-Gefährdung auf Lightning, ohne die On-Chain-Kryptografie von Bitcoin zu ersetzen. PQLN verteilt Post-Quantum-Knotenidentitäten über BOLT 7 Gossip, ergänzt den BOLT 8 Transport-Handshake um ML-KEM, signiert BOLT 11 Rechnungen mit ML-DSA erweitert die Post-Quantum-Schutzmaßnahmen auf BOLT 12 Offers. Payment-Onions nach BOLT 4 behalten ihr bestehendes Format, wobei hybride ML-KEM-Geheimnisse mitgeführt werden.

Funding-, Commitment- und Penalty-Transaktionen bleiben außerhalb des Systems. Ihre Schlüssel sind in Bitcoin-Transaktionen verankert und würden Änderungen auf Bitcoin-Protokollebene erfordern, um einen gleichwertigen Schutz zu erhalten.

Unabhängig davon diskutieren Bitcoin-Entwickler Protokollansätze wie BIP 360, während StarkWare im August eine quantensichere Transaktion auf dem Bitcoin-Mainnet demonstrierte, ohne die Konsensregeln zu ändern. PQLN adressiert die Lightning-Anwendungsschicht desselben Problems, auf der Identitäten, Rechnungen und Routing-Daten ausgetauscht werden.

Kryptografischer Overhead bleibt unter einer Millisekunde

Die Tests ergaben, dass die Post-Quantum-Berechnungen relativ wenig Verarbeitungszeit hinzufügten. Die langsamste von den Forschern gemessene kryptografische Operation, das ML-DSA-Signieren, dauerte 0,33 Millisekunden.

Zahlungen über eine emulierte Internetverbindung mit 50 Millisekunden Latenz benötigten zusätzlich 19 bis 53 Millisekunden pro Hop, wobei der Großteil dieser Verzögerung auf die Übertragung größerer Post-Quantum-Daten und nicht auf die kryptografischen Berechnungen selbst zurückging.

Bandbreite und Speicher verursachten deutlich höhere Kosten. Mit ML-DSA lud ein PQLN-Knoten etwa zehnmal so viele Gossip-Daten herunter und speicherte rund neunmal so viel wie ein unveränderter Knoten. Angewandt auf ein Netzwerk mit rund 33.000 öffentlichen Kanälen würde der anfängliche Gossip-Download laut den Messungen von etwa 26 MB auf rund 270 MB anwachsen. Die Wahl des kleineren Signaturverfahrens FN-DSA-512 reduzierte das Gossip-Wachstum auf etwa das Vierfache des bestehenden Niveaus. Insgesamt zeigen die Zahlen, dass für Knotenbetreiber die höhere Kosten eines Post-Quantum-Umstiegs aus dem Datenvolumen und nicht aus der Berechnung resultieren würden.

Bestehende Lightning-Knoten bleiben kompatibel

Die Forscher testeten 12 Konfigurationen, die PQLN- und Standard-Lightning-Knoten kombinierten. Zahlungen wurden abgeschlossen, wenn aktualisierte und unveränderte Knoten sich eine Route teilten, wobei Verbindungen auf klassische Kryptografie zurückfielen, wenn Post-Quantum-Schutz nicht verfügbar war. Betreiber, die strengere Garantien suchen, können stattdessen einen Modus aktivieren, der solche Downgrades ablehnt und die Zahlung stoppt, bevor ein HTLC gesendet wird.

Die Open-Source-Implementierung fügt einem Forschungs-Fork von rust-lightning rund 11.000 Zeilen hinzu. Ihre Entwickler bezeichnen den Code als Forschungsartefakt und nicht als Produktionsrelease; zusätzliche Interoperabilitätstests mit Core Lightning, LND und Eclair sind noch erforderlich. Diese Tests sind der nächste Schritt, um zu bestimmen, ob das Design über ein Forschungsartefakt hinausgehen kann.

Das NIST hat ML-KEM und ML-DSA bereits standardisiert und empfiehlt Organisationen, jetzt mit der Migration von quantenverwundbarer Public-Key-Kryptografie zu beginnen. Nach dem aktuellen Umstellungsplan sollen verwundbare Algorithmen als veraltet eingestuft und bis 2035 endgültig entfernt werden, wobei Systeme mit höherem Risiko früher umstellen sollen. Da PQLN ohne Konsensänderungen funktioniert, bietet es Lightning eine Möglichkeit, die Kommunikation auf Knotenebene unabhängig von Entscheidungen zu Bitcoins Basisprotokoll an diesen Zeitplan anzupassen.

Quelle: Crypto Adventure