Performance Analysis of Quantum-Secure Digital Signature Algorithms in Blockchain

기술 요약: 블록체인 내 양자 내성 디지털 서명 알고리즘의 성능 분석

문제 정의
퍼블릭 블록체인의 장기적인 보안은 기반이 되는 디지털 서명 체계의 난해성 가정(hardness assumptions)에 크게 의존합니다. 비트코인과 이더리움 같은 현재의 배포 모델은 타원 곡선 암호(ECC), 구체적으로 secp256k1 상의 ECDSA 또는 Schnorr 서명을 활용합니다. 이러한 체계는 대규모 양자 컴퓨터가 실현될 경우 거대 로그 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 쇼어(Shor) 알고리즘에 취약합니다. 이는 공격자가 현재의 트랜잭션 데이터를 수집한 뒤 양자 컴퓨팅 능력이 실현되었을 때 서명을 위조할 수 있는 "지금 저장하고 나중에 해독하는(store now, decrypt later)" 위험을 초 к생합니다. 양자 내성 암호(PQC)가 해결책을 제시하고 있으나, 기존 문헌은 주로 암호학적 특성과 마이크로 벤치마크(독립된 라이브러리 성능)에 집중되어 있습니다. 이러한 알고리즘들이 실제 블록체인 시스템에 통합되었을 때, 트랜잭션 볼륨, 블록 크기, 검증 지연 시간에 의해 비용이 어떻게 영향을 받는지에 대한 이해에는 공백이 존재합니다.

방법론
이 공백을 메우기 위해, 저자는 디지털 서명 알고리즘이 시스템 성능에 미치는 영향을 격리하여 측정할 수 있도록 설계된 로컬 단일 노드 블록체인 프로토타입을 개발했습니다. 이 프로토타입은 이더리움과 유사한 계정 기반 모델을 구현하되, 암호학적 오버헤드에만 집중하기 위해 합의 및 네트워킹 레이어는 생략했습니다.

• 시스템 설계: 시스템은 팩토리 패턴(factory pattern)을 사용하여 서명 체계를 추상화함으로써, 애플리케이션 로직(지갑, 트랜잭션, 블록)을 변경하지 않고도 알고리즘을 투명하게 교체할 수 있도록 합니다.
• 평가 대상 알고리즘: 본 연구는 네 가지 격자 기반(lattice-based) 서명 체계에 초점을 맞춥니다:
  • CRYSTALS-Dilithium (ML-DSA): NIST 표준화 모델 (ML-DSA-44, 65, 87).
  • Falcon: NIST 표준화 모델 (Falcon-512, 1024).
  • Hawk: 새로운 격자 기반 체계 (Hawk-512, 1024).
  • HAETAE: 참조 구현이 프로토타입의 MSVC 툴체인과 호환되지 않아 독립적인 마이크로 벤치마크를 통해서만 평가되었습니다.
• 실험 워크플로우:
  1. 키 생성(Key Generation): 생성 시간을 측정하기 위해 각 스킴당 100회 반복 수행.
  2. 트랜잭션 서명(Transaction Signing): 블록당 1,000개의 트랜잭션을 생성하며 평균 서명 시간 측정.
  3. 블록 검증(Block Validation): 1,000개 트랜잭션 블록을 반복 검증(100회)하여 전체 블록 검증 시간과 트랜잭션당 검증 지연 시간을 도출.
  4. 지표(Metrics): 수집된 데이터에는 키/서명 크기, 직렬화된 트랜잭션/블록 크기, 그리고 키 생성, 서명, 검증에 소요되는 마이크로초(μs) 단위의 타이밍 지표가 포함됩니다.

주요 기여

1. 프로토타입 구현: 본 논문은 애플리케이션 로직과 기초가 되는 서명 기술을 분리하여, 시스템 컨텍스트 내에서 양자 내성 알고리즘을 공정하게 비교할 수 있는 블록체인 유사 프로토타입을 제시합니다.
2. 통합 벤치마킹: 마이크로 벤치마크 데이터(키 생성, 서명, 검증)와 블록체인 수준의 지표(검증 지연 시간, 블록 생성 크기)를 결합하여, 고립된 라이브러리 테스트를 넘어선 방법론을 제시합니다.
3. 비교 분석: 블록체인 환경 내에서 ML-DSA, Falcon, Hawk에 대한 상세한 성능 비교를 제공하며, HAETAE를 독립적인 테스트를 통해 분석에 포함하여 범위를 확장했습니다.

실험 결과
실험은 liboqs 라이브러리를 사용하여 ML-DSA와 Falcon을, Hawk와 HAETAE의 참조 구현을 사용하여 Windows x86_64 환경에서 수행되었습니다.

• 크기 지표 (저장 공간/대역폭):
  • ML-DSA: 가장 큰 데이터 점유율을 보입니다. 1,000개 트랜잭션 블록 기준, 크기는 약 5.1 MB (ML-DSA-44)에서 9.9 MB (ML-DSA-87) 사이입니다.
  • Falcon: 훨씬 더 압축된 서명을 제공합니다. Falcon-512 블록은 약 2.5 MB이며, Falcon-1024는 약 4.9 MB입니다.
  • Hawk: 통합된 스킴 중 가장 압축된 서명을 제공합니다. Hawk-512는 약 2.65 MB의 블록 크기를 기록하며, 동등한 보안 수준에서 Falcon 및 ML-DSA보다 작은 서명(555 바이트)을 가집니다.
• 타이밍 지표 (성능):
  • 키 생성: ML-DSA가 가장 빠르며(1밀리초 미만), Falcon은 복잡한 격자 샘플링으로 인해 가장 느립니다 (Falcon-512는 5.7 ms, Falcon-1024는 16.8 ms). Hawk는 그 중간 단계에 위치합니다.
  • 서명: Hawk가 가장 빠른 서명 속도(Hawk-512 기준 0.03 ms)를 보였고, Falcon(0.21 ms), ML-DSA(0.28 ms)가 그 뒤를 이었습니다.
  • 검증: 이는 검증 노드에게 핵심적인 지표입니다. Hawk-512(0.047 ms)와 Falcon-512(0.052 ms)는 ML-DSA 변형들(0.10 ms ~ 0.23 ms)보다 현저히 빠릅니다.
  • 블록 검증: 1,000개 트랜잭션 블록에 대해 검증 시간은 약 47 ms (Hawk-512)에서 234 ms (ML-DSA-87)까지 나타났습니다.
• HAETAE (독립 실행): 마이크로 벤치마크 결과, HAETAE는 ML-DSA보다 키와 서명 크기가 작지만, Falcon/Hawk보다는 큽니다. 검증 시간(0.07–0.16 ms)은 빠른 Falcon/Hawk 변형들과 느린 ML-DSA-87 사이에 위치합니다.

의의 및 주장
본 논문은 모든 성능 및 크기 지표에서 압도적인 단일 양자 내성 스킴은 존재하지 않는다고 겸허히 주장합니다. 대신, 선택은 특정 트레이드오프(trade-offs)에 달려 있습니다:

• ML-DSA는 가장 단순한 설계를 제공하고 NIST 표준화를 따르지만, 높은 저장 공간 및 검증 비용을 초래합니다.
• Falcon과 Hawk는 검증 속도와 데이터 압축 측면에서 우수한 성능을 제공하여, 고처리량 블록체인 및 대역폭 제약이 있는 노드에 매우 중요합니다. 그러나 구현 복잡성이 높으며(특히 Falcon의 키 생성), Hawk의 경우 표준화가 되어 있지 않다는 특징이 있습니다.
• HAETAE는 크기 효율성 면에서 유망함을 보여주나, 블록체인 컨텍스트에서의 완전한 평가를 위한 추가적인 통합 작업이 필요합니다.

저자는 블록체인 마이그레이션을 위해 양자 내성 서명을 선택할 때, 구현 복잡성, 크기 오버헤드, 검증 지연 시간 사이의 균형을 맞춰야 한다고 결론짓습니다. 본 연구는 ML-DSA가 실행 가능한 표준이지만, 검증 중심의 워크로드에는 Falcon이나 Hawk 같은 스킴이 더 매력적인 트레이드오프를 제공할 수 있음을 강조합니다.

한계점 및 향후 과제
본 논문은 프로토타입이 네트워킹이나 합의가 없는 단일 노드 시스템임을 인정하며, 따라서 블록 전파 지연이나 P2P 대역폭 제약을 포착하지 못했다는 점을 명시합니다. 향후 과제로는 프로토타입을 멀티 노드 환경으로 확장하고, 다양한 워크로드(예: 스마트 컨트랙트)를 평가하며, HAETAE를 현재의 툴체인에 포팅하거나 리눅스 환경으로 이동하여 통합하는 것을 목표로 합니다. 또한, 향후 연구에서는 임베디드 장치에서의 메모리 사용량 및 에너지 소비도 고려할 예정입니다.