Badacze z East Texas A&M University opracowali to, co opisują jako pierwszą wdrożoną i eksperymentalnie zweryfikowaną postkwantową konstrukcję dla sieci Lightning Bitcoina. Lightning, off-chain warstwa płatnicza Bitcoina, routuje transakcje przez sieć węzłów, których tożsamości, faktury i komunikacja opierają się obecnie na kryptografii klasycznej. System, znany jako PQLN, chroni off-chain komunikację i funkcje płatnicze sieci bez konieczności jakichkolwiek zmian w zasadach konsensusu Bitcoina.

Badania PQLN, opublikowane przez Ahmeta Kurta, Abdul-Salema Beibitkhana, Yacouba Hannę i Abdullaha Aydegera, obejmują pięć podstawowych obszarów Lightning: gossip, transport między węzłami, faktury, cebule płatnicze oraz oferty BOLT 12. Zespół wdrożył konstrukcję w rust-lightning i zweryfikował ją względem rzeczywistych węzłów Lightning.

PQLN łączy podpisy cyfrowe ML-DSA i wymianę kluczy ML-KEM z istniejącą kryptografią Lightning. Oba algorytmy zostały wystandaryzowane przez amerykański National Institute of Standards and Technology (NIST) w 2024 roku odpowiednio w ramach FIPS 204 i FIPS 203.

PQLN chroni pięć obszarów Lightning

Lightning obecnie w dużym stopniu opiera się na kryptografii krzywych eliptycznych secp256k1. Wystarczająco wydajny komputer kwantowy uruchamiający algorytm Shora mógłby wyprowadzić klucze tajne zjawnionych kluczy publicznych, otwierając drogę do podszywania się pod węzły, fałszowania faktur, odszyfrowania transportu i deanonimizacji tras płatności.

Nowy system adresuje to istniejące kwantowe ryzyko w Lightning, nie próbując zastąpić kryptografii on-chain Bitcoina. PQLN rozprowadza postkwantowe tożsamości węzłów przez gossip BOLT 7, dodaje ML-KEM do uzgadniania transportu BOLT 8, podpisuje faktury BOLT 11 za pomocą ML-DSA i rozszerza ochronę postkwantową na oferty BOLT 12. Cebule płatnicze w ramach BOLT 4 zachowują swój dotychczasowy format, a hybrydowe sekrety ML-KEM są przekazywane wraz z nimi.

Transakcje finansowania, commitment i karne pozostają poza zakresem systemu. Ich klucze są zakorzenione w transakcjach Bitcoina i wymagałyby zmian na poziomie protokołu Bitcoina, aby uzyskać równoważną ochronę.

Oddzielnie deweloperzy Bitcoina omawiają podejścia na poziomie protokołu, takie jak BIP 360, podczas gdy StarkWare zademonstrował w sierpniu transakcję odporną na komputery kwantowe w mainnecie Bitcoina bez zmiany zasad konsensusu. PQLN adresuje warstwę aplikacyjną Lightning tego samego problemu, tam gdzie wymieniane są tożsamości, faktury i dane routingu.

Narzut kryptograficzny pozostaje poniżej jednej milisekundy

Testy wykazały, że obliczenia postkwantowe dodały stosunkowo niewiele czasu przetwarzania. Najwolniejsza zmierzona przez badaczy operacja kryptograficzna, podpisywanie ML-DSA, zajęła 0,33 milisekundy.

Płatności przez emulowane połączenie internetowe o opóźnieniu 50 milisekund zabrały dodatkowe 19 do 53 milisekund na każdy przeskok, przy czym większość tego opóźnienia wynikała z transmisji większych danych postkwantowych, a nie z samych obliczeń kryptograficznych.

Przepustowość i pamięć generowały znacznie większy koszt. Przy użyciu ML-DSA węzeł PQLN pobrał około 10 razy więcej danych gossip i przechowywał około dziewięć razy więcej niż węzeł niemodyfikowany. W odniesieniu do sieci z około 33 000 kanałów publicznych pomiary oznaczają, że wstępne pobranie gossip wzrosłoby z około 26 MB do około 270 MB. Wybór mniejszego schematu podpisów FN-DSA-512 zmniejszył wzrost danych gossip do około czterokrotności obecnego poziomu. Łącznie dane te wskazują, że dla operatorów węzłów ciężar przejścia na technologię postkwantową wynikałby z objętości danych, a nie z obliczeń.

Istniejące węzły Lightning pozostają kompatybilne

Badacze przetestowali 12 konfiguracji łączących węzły PQLN i standardowe węzły Lightning. Płatności końły się pomyślnie, gdy zmodernizowane i niemodyfikowane węzły dzieliły trasę, przy czym połączenia wracały do kryptografii klasycznej, gdy ochrona postkwantowa była niedostępna. Operatorzy oczekujący ostrzejszych gwarancji mogą zamiast tego włączyć tryb odrzucający takie obniżenia poziomu zabezpieczeń i zatrzymujący płatność przed wysłaniem HTLC.

Wdrożenie open source dodaje około 11 000 linii do badawczego forka rust-lightning. Jego twórcy opisują kod jako artefakt badawczy, a nie wersję produkcyjną, a dodatkowe testy interoperacyjności z Core Lightning, LND i Eclair nadal pozostają do wykonania. Testy te są kolejnym krokiem w określeniu, czy konstrukcja może wyjść poza stadium artefaktu badawczego.

NIST już wystandaryzował ML-KEM i ML-DSA i zaleca organizacjom rozpoczęcie migracji od kryptografii klucza publicznego podatnej na komputery kwantowe już teraz. Zgodnie z obecnym planem przejścia algorytmy podatne mają zostać uznane za przestarzałe i ostatecznie usunięte do 2035 roku, przy czym systemy o wyższym ryzyku mają przejść transformację wcześniej. Ponieważ PQLN działa bez zmian konsensusu, daje Lightningowi sposób na dostosowanie komunikacji na poziomie węzłów do tej osi czasu niezależnie od decyzji dotyczących protokołu bazowego Bitcoina.

Źródło: Crypto Adventure