Onderzoekers van East Texas A&M University hebben ontwikkeld wat zij beschouwen als het eerste geïmplementeerde en experimenteel geëvalueerde post-quantumontwerp voor Bitcoin's Lightning Network. Lightning, Bitcoin's off-chain betaallaag, routeert transacties via een netwerk van nodes waarvan identiteiten, facturen en berichten momenteel op klassieke cryptografie leunen. Het systeem, bekend als PQLN, beschermt de off-chain communicatie- en betalingsfuncties van het netwerk zonder dat er wijzigingen in Bitcoin's consensusregels nodig zijn.

Het PQLN-onderzoek, gepubliceerd door Ahmet Kurt, Abdul-Salem Beibitkhan, Yacoub Hanna en Abdullah Aydeger, behandelt vijf kernonderdelen van Lightning: gossip, peer-transport, facturen, betalingsuien en BOLT 12-offertes. Het team implementeerde het ontwerp in rust-lightning en valideerde het tegen echte Lightning-nodes.

PQLN combineert ML-DSA digitale handtekeningen en ML-KEM-sleuteluitwisseling met de bestaande cryptografie van Lightning. Beide algoritmen zijn in 2024 gestandaardiseerd door het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST), respectievelijk onder FIPS 204 en FIPS 203.

PQLN beschermt vijf Lightning-onderdelen

Lightning leunt momenteel zwaar op secp256k1 elliptische-curvecryptografie. Een voldoende krachtige kwantumcomputer die Shor's algoritme uitvoert, zou geheime sleutels kunnen afleiden uit blootgestelde publieke sleutels, wat de deur opent naar node-imitatie, vervalste facturen, transportontsleuteling en deanonymisering van betalingsroutes.

Het nieuwe systeem pakt deze bestaande kwantumblootstelling op Lightning aan zonder Bitcoin's on-chain cryptografie te willen vervangen. PQLN verspreidt post-quantum node-identiteiten via BOLT 7 gossip, voegt ML-KEM toe aan de BOLT 8 transport-handshake, ondertekent BOLT 11-facturen met ML-DSA en breidt post-quantumbescherming uit naar BOLT 12-offertes. Betalingsuien onder BOLT 4 behouden hun bestaande formaat, waarbij hybride ML-KEM-geheimen worden meedragen.

Funding-, commitment- en penalty-transacties vallen buiten de reikwijdte van het systeem. Hun sleutels zijn geworteld in Bitcoin-transacties en zouden wijzigingen op Bitcoin-protocolniveau vereisen om equivalente bescherming te krijgen.

Afzonderlijk bespreken Bitcoin-ontwikkelaars aanpakken op protocolniveau zoals BIP 360, terwijl StarkWare in augustus een kwantumbestendige transactie op Bitcoin mainnet demonstreerde zonder de consensusregels te wijzigen. PQLN pakt de Lightning-applicatielaag van datzelfde probleem aan, waar identiteiten, facturen en routeringsgegevens worden uitgewisseld.

Cryptografische overhead blijft onder één milliseconde

Tests toonden aan dat post-quantumberekeningen relatief weinig verwerkingstijd toevoegden. De traagste gemeten cryptografische bewerking, het ondertekenen met ML-DSA, nam 0,33 milliseconde in beslag.

Betalingen over een gesimuleerde internetverbinding van 50 milliseconde ondervonden per hop een extra vertraging van 19 tot 53 milliseconde, waarbij het merendeel van die vertraging voortkwam uit de verzending van grotere post-quantumgegevens in plaats van uit de cryptografische berekeningen zelf.

Bandbreedte en opslag leverden een aanzienlijk grotere kostenpost op. Met ML-DSA downloadde een PQLN-node ongeveer tien keer zoveel gossip-gegevens en sloeg het ongeveer negen keer zoveel op als een ongewijzigde node. Toegepast op een netwerk met ongeveer 33.000 publieke kanalen betekenen de metingen dat een eerste gossip-download zou groeien van circa 26 MB naar ongeveer 270 MB. De keuze voor het kleinere FN-DSA-512-handtekeningenschema beperkte de gossipgroei tot ongeveer vier keer het bestaande niveau. Samen genomen geven deze cijfers aan dat voor node-operators de zwaarste kost van een post-quantumovergang uit datavolume komt in plaats van uit rekenkracht.

Bestaande Lightning-nodes blijven compatibel

De onderzoekers testten twaalf configuraties die PQLN en standaard Lightning-nodes combineerden. Betalingen werden voltooid wanneer upgraded en ongewijzigde nodes een route deelden, waarbij verbindingen terugvielen op klassieke cryptografie wanneer post-quantumbescherming niet beschikbaar was. Operators die strengere garanties zoeken, kunnen in plaats daarvan een modus inschakelen die zulke downgrades weigert en de betaling stopt voordat een HTLC wordt verstuurd.

De open-sourceimplementatie voegt ongeveer 11.000 regels toe aan een onderzoeksfork van rust-lightning. De ontwikkelaars omschrijven de code als een onderzoeksartefact in plaats van een productierelease, en aanvullende interoperabiliteitstests tegen Core, LND en Eclair zijn nog nodig. Die tests zijn de volgende stap om te bepalen of het ontwerp verder kan komen dan een onderzoeksartefact.

NIST heeft ML-KEM en ML-DSA reeds gestandaardiseerd en zegt dat organisaties nu moeten beginnen met de migratie van kwantumkwetsbare cryptografie met publieke sleutels. Volgens het huidige transitieplan worden kwetsbare algoritmen afgeraden en uiteindelijk in 2035 verwijderd, waarbij systemen met een hoger risico naar verwachting eerder zullen overstappen. Omdat PQLN zonder consensuswijzigingen werkt, biedt het Lightning een manier om communicatie op nodeniveau af te stemmen op die tijdlijn, onafhankelijk van beslissingen rond Bitcoin's basisprotocol.

Bron: Crypto Adventure