Implementation and Evaluation of a Dilithium-Based Post-Quantum Blockchain Prototype

Die digitale Welt verlässt sich auf ein System aus Schlössern und Schlüsseln, um unser Geld, unsere Stimmen und unsere Geheimnisse zu schützen. Jahrzehntelang wurden diese Schlösser auf mathematischen Rätseln aufgebaut, die für Menschen leicht zu lösen, aber selbst für die leistungsfähigsten Computer nahezu unmöglich zu knacken waren. Wissenschaftler wissen jedoch schon lange, dass eine neue Art von Computer, die die seltsamen Regeln der Quantenphysik nutzt, diese Schlösser eines Tages in Sekundenschnelle brechen könnte. Um auf diese Zukunft vorzubereiten, entwerfen Forscher neue Schlösser, die auf anderen mathematischen Herausforderungen basieren, die selbst Quantencomputer nicht lösen können. Dieser Prozess wird als Post-Quanten-Kryptographie bezeichnet. Doch das bloße Austauschen des Schlosses reicht nicht aus. Ein Schloss ist nur so gut wie die Tür, in der es sitzt, die Scharniere, die es halten, und die Menschen, die entscheiden, wann es geöffnet wird. Wenn der Türrahmen schwach ist oder die Menschen verwirrt sind, wird das stärkste Schloss der Welt niemanden sicher halten.

Ein Team von Forschern der Misr University for Science and Technology beschloss, diese Idee zu testen, indem sie ein funktionierendes Modell eines digitalen Kassenbuches baute – ein System, das oft als Blockchain bezeichnet wird und dazu verwendet wird, Stimmen und Transaktionen zu protokollieren. Sie begannen mit einem Prototyp, der eine frühe Version eines neuen quantenresistenten Schlosses verwendete, und ersetzten dieses dann durch die offiziell standardisierte Version. Ihr Ziel war nicht nur zu sehen, ob das neue Schloss funktionierte, sondern zu beobachten, wie sich das gesamte System bei der Umstellung verhielt. Sie wollten sehen, ob der Rest der Maschine – die Teile, die Identitäten prüfen, Stimmen zählen und Daten speichern – den Übergang bewältigen konnte, ohne zu brechen. Was sie fanden, war, dass das neue Schloss fast genauso gut funktionierte wie das alte, aber die eigentlichen Probleme verbargen sich in den Ecken der Software, in der Art und Weise, wie die Daten aufgeschrieben wurden, und darin, wie die verschiedenen Teile des Systems miteinander kommunizierten.

Die Forscher begannen damit, die Rohgeschwindigkeit des neuen Schlosses, bekannt als ML-DSA-44, gegen die ältere Version zu messen, die sie zuvor verwendet hatten. Sie führten tausende Tests durch, um zu sehen, wie schnell das System eine Nachricht signieren und verifizieren konnte, dass die Signatur echt war. Die Ergebnisse zeigten, dass das neue Schloss keine dramatische Verbesserung oder eine Katastrophe darstellte; es war etwas langsamer, um etwa fünf bis acht Prozent, aber der Unterschied war gering genug, dass er ein reales System nicht verlangsamen würde. Dies war eine Erleichterung, da es bedeutete, dass die grundlegende kryptographische Änderung handhabbar war. Die Forscher erkannten jedoch schnell, dass die Geschwindigkeit des Schlosses der uninteressanteste Teil der Geschichte war. Die signifikanteren Erkenntnisse ergaben sich daraus, wie das System mit den Nachrichten umging, die durch das Schloss passierten.

In ihrem Modell war das System darauf ausgelegt, eine Entscheidung zu finalisieren, wie etwa die Genehmigung eines Blocks von Stimmen, sobald eine bestimmte Menge an Vertrauen aus einer Gruppe von Validatoren gesammelt wurde. Die Forscher gestalteten ein Szenario, in dem achtzig Prozent der vertrauenswürdigen Validatoren zustimmten, einen Block zu genehmigen, der tatsächlich fehlerhaft und ungültig war. Da das System darauf programmiert war, den Signaturen zu vertrauen, akzeptierte es die Genehmigung und finalisierte den fehlerhaften Block. Dies geschah in jedem einzelnen der zwanzigtausend Tests, die sie durchführten. Die Signaturen waren mathematisch perfekt und bewiesen, dass die Validatoren die Nachricht tatsächlich gesendet hatten, aber das System versäumte es zu prüfen, ob die Nachricht selbst Sinn ergab. Es war wie ein Sicherheitsbeamter, der den Ausweis eines Besuchers perfekt prüft, aber nicht bemerkt, dass der Besucher versucht, in einen Raum einzutreten, in den er gar nicht hineingehört. Das Schloss funktionierte, aber die Regel für das Öffnen der Tür war fehlerhaft.

Das Team entdeckte zudem einen subtilen, aber gefährlichen Fehler in der Art und Weise, wie das System prüfte, wer eine Nachricht sendet. In einem Teil des alten Codes fragte das System die Person, die eine Nachricht sendet: „Wer bist du?“, und nutzte diese Antwort dann, um den richtigen Schlüssel zu finden, um die Signatur zu verifizieren. Das System prüfte nie, ob der Name, den die Person angab, tatsächlich mit dem Namen übereinstimmte, der innerhalb der gesendeten, versiegelten Nachricht stand. In einem kontrollierten Test schickten die Forscher zwanzigtausend Nachrichten, bei denen der Absender behauptete, eine bestimmte Person zu sein, die Nachricht aber so signiert war, als käme sie von einer anderen. Das alte System akzeptierte alle von ihnen. Erst als die Forscher eine einfache Prüfung hinzufügten, um die beiden Namen miteinander zu vergleichen, begann das System, die nicht übereinstimmenden Nachrichten abzulehnen. Dies zeigte, dass ein System mathematisch sicher sein kann, aber dennoch anfällig ist, wenn es falschen Informationen vertraut, um seine Entscheidungen zu treffen.

Eine weitere große Entdeckung betraf die Art und Weise, wie die Daten gespeichert wurden. Die Forscher verglichen drei verschiedene Methoden, digitale Datensätze aufzuschreiben. Eine Methode verwendete ein gängiges Textformat, das Binärdaten in lange Zeichenketten aus Buchstaben und Zahlen umwandelte, was die Dateien viel größer machte. Eine andere Methode verwendete ein effizienteres Format, behielt aber dieselben langen Zeichenketten bei. Die dritte Methode verwendete das effiziente Format, speicherte die Daten jedoch als Rohbytes, so wie ein Computer sie natürlich sieht. Die Ergebnisse waren bemerkenswert: Der Wechsel zum Rohbyte-Format reduzierte die Größe der Datensätze im Vergleich zur textlastigen Version um fast die Hälfte. Dies bedeutete, dass ein System, das die neue Methode verwendete, deutlich weniger Speicherplatz benötigte und Daten schneller bewegen konnte – nicht weil das Schloss besser war, sondern weil die Art und Weise, wie die Daten verpackt wurden, klüger war.

Schließlich testete das Team, wie sich das System verhielt, wenn die verschiedenen Teile des Netzwerks auf separaten Computerprozessen liefen, was ein reales verteiltes Netzwerk simulierte. Sie führten kleine Verzögerungen ein, um die Zeit zu imitieren, die eine Nachricht benötigt, um über ein Netzwerk zu reisen. In einem spezifischen Test traf eine Nachricht nur einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Zeitpunkt ein, an dem das System bereits eine Entscheidung getroffen hatte. Das System markierte die Nachricht korrekt als verspätet, zählte sie aber dennoch zum Endergebnis dazu. Dies erzeugte eine Race Condition (Wettlaufsituation), bei der das Ergebnis von der exakten Zeitplanung des Netzwerks abhängen konnte. Die Forscher korrigierten diese Logik und führten die Tests erneut durch, wobei sie bestätigten, dass das System nun verspätete Nachrichten korrekt ignorieren würde. Dies verdeutlichte, dass selbst wenn die Kryptographie perfekt ist, das Timing dessen, wann ein System aufhört zuzuhören, genauso wichtig sein kann wie die Sicherheit der Nachrichten, die es hört.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass der Übergang in eine quantenresistente Zukunft nicht nur aus dem Austausch eines mathematischen Algorithmus besteht. Es ist eine komplexe Reise, die erfordert, jede Ebene des Systems zu prüfen – von der Art und Weise, wie Daten geschrieben werden, bis hin zu den Regeln, die darüber entscheiden, wie Entscheidungen getroffen werden. Das neue Schloss funktionierte gut, aber die Forscher fanden heraus, dass die wahren Risiken in der Anwendungslogik, den Identitätsprüfungen und der Koordination zwischen den verschiedenen Teilen des Systems lagen. Für diesen Prototyp hing der Erfolg der Migration ebenso sehr vom Beheben dieser umliegenden Probleme ab wie von der Leistung des neuen Signaturverfahrens. Die Arbeit dient als Erinnerung daran, dass in der digitalen Welt ein starkes Schloss nur ein Teil einer sicheren Tür ist, und der Rest des Rahmens ebenso stark sein muss.