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

De digitale wereld vertrouwt op een systeem van sloten en sleutels om ons geld, onze stemmen en onze geheimen veilig te houden. Decennialang waren deze sloten gebouwd op wiskundige puzzels die gemakkelijk op te lossen waren voor mensen, maar bijna onmogelijk voor zelfs de krachtigste computers om te kraken. Echter, wetenschappers weten al lang dat een nieuw soort computer, één die gebruikmaakt van de vreemde regels van de kwantumfysica, deze sloten uiteindelijk in seconden kan breken. Om zich voor te bereiden op deze toekomst, ontwerpen onderzoekers nieuwe sloten gebaseerd op verschillende wiskundige uitdagingen die zelfs kwantumcomputers niet kunnen oplossen. Dit proces wordt post-kwantum cryptografie genoemd. Maar het simpelweg vervangen van het slot is niet genoeg. Een slot is slechts zo goed als de deur waar het in zit, de scharnieren die het vasthouden, en de mensen die beslissen wanneer het geopend wordt. Als het deurkozijn zwak is of de mensen verward zijn, zal het sterkste slot ter wereld niemand veilig houden.

Een team van onderzoekers aan de Misr University for Science and Technology besloot dit idee te testen door een werkend model van een digitaal grootboek te bouwen, een systeem dat vaak een blockchain wordt genoemd, dat wordt gebruikt om stemmen en transacties vast te leggen. Ze begonnen met een prototype dat een vroege versie van een nieuw kwantumresistent slot gebruikte en vervingen dit vervolgens door de officieel gestandaardiseerde versie. Hun doel was niet alleen om te zien of het nieuwe slot werkte, maar om te observeren hoe het hele systeem zich gedroeg wanneer de verandering werd doorgevoerd. Ze wilden zien of de rest van de machine — de onderdelen die identiteiten controleren, stemmen tellen en gegevens opslaan — de transitie kon verwerken zonder kapot te gaan. Wat ze ontdekten, was dat het nieuwe slot bijna precies even goed presteerde als het oude, maar dat de echte problemen zich in de hoekjes van de software verborgen, in de manier waarop de gegevens werden opgeschreven, en in de manier waarop de verschillende onderdelen van het systeem met elkaar communiceerden.

De onderzoekers begonnen met het meten van de ruwe snelheid van het nieuwe slot, bekend als ML-DSA-44, tegenover de oudere versie die ze eerder hadden gebruikt. Ze voerden duizenden tests uit om te zien hoe snel het systeem een bericht kon ondertekenen en kon verifiëren of de handtekening echt was. De resultaten toonden aan dat het nieuwe slot geen dramatische verbetering of een ramp was; het was iets langzamer, met ongeveer vijf tot acht procent, maar het verschil was klein genoeg zodat het een echt systeem niet zou vertragen. Dit was een opluchting, aangezien het betekende dat de kern van de cryptografische verandering beheersbaar was. De onderzoekers realiseerden zich echter snel dat de snelheid van het slot het minst interessante deel van het verhaal was. De meest significante bevindingen kwamen voort uit het observeren van hoe het systeem de berichten afhandelde die door het slot passeerden.

In hun model was het systeem ontworpen om een beslissing te finaliseren, zoals het goedkeuren van een blok stemmen, zodra er een bepaalde hoeveelheid vertrouwen was verzameld van een groep validators. De onderzoekers stelden een scenario op waarbij tachtig procent van de vertrouwde validators instemde met het goedkeuren van een blok dat feitelijk defect en ongeldig was. Omdat het systeem was ontworpen om de handtekeningen te vertrouwen, accepteerde het de goedkeuring en finaliseerde het het slechte blok. Dit gebeurde in elk van de twintigduizend tests die ze uitvoerden. De handtekeningen waren wiskundig perfect, wat bewees dat de validators inderdaad het bericht hadden verzonden, maar het systeem faalde om te controleren of het bericht zelf wel logisch was. Het was als een beveiliger die het ID-bewijs van een bezoeker perfect controleert, maar niet merkt dat de bezoeker een kamer probeert binnen te gaan waar hij geen recht op heeft. Het slot werkte, maar de regel voor het openen van de deur was gebrekkig.

Het team ontdekte ook een subtiele maar gevaarlijke fout in de manier waarop het systeem controleerde wie een bericht verzond. In een deel van de oude code vroeg het systeem de persoon die een bericht verzond: "Wie ben je?" en gebruikte vervolgens dat antwoord om de juiste sleutel te vinden om de handtekening te verifiëren. Het systeem controleerde nooit of de naam die de persoon gaf, daadwerkelijk overeenkwam met de naam die in het verzegelde bericht stond geschreven. In een gecontroleerde test stuurden de onderzoekers twintigduizend berichten waarbij de afzender beweerde dat hij één persoon was, maar het bericht was ondertekend alsof het van een ander kwam. Het oude systeem accepteerde ze allemaal. Het was pas toen de onderzoekers een eenvoudige controle toevoegden om de twee namen met elkaar te vergelijken, dat het systeem de mismatched berichten begon af te wijzen. Dit toonde aan dat een systeem wiskundig veilig kan zijn, maar nog steeds kwetsbaar kan zijn als het de verkeerde informatie vertrouwt om zijn beslissingen te nemen.

Nog een belangrijke ontdekking betrof de manier waarop gegevens werden opgeslagen. De onderzoekers vergeleken drie verschillende manieren om de digitale records op te schrijven. De ene methode gebruikte een gangbaar tekstformaat dat binaire gegevens omzette in lange reeksen letters en cijfers, waardoor de bestanden veel groter werden. Een andere methft een efficiënter formaat, maar behield dezelfde lange reeksen. De derde methode gebruikte het efficiënte formaat, maar sloeg de gegevens op als ruwe bytes, zoals een computer ze natuurlijk ziet. De resultaten waren opmerkelijk: de overstap naar het ruwe byteformaat verminderde de grootte van de records met bijna de helft vergeleken met de tekstzware versie. Dit betekende dat een systeem dat de nieuwe methode gebruikte, aanzienlijk minder opslagruimte nodig zou hebben en gegevens sneller zou kunnen verplaatsen, niet omdat het slot beter was, maar omdat de manier waarop de gegevens werden verpakt slimmer was.

Ten slotte testte het team hoe het systeem zich gedroeg wanneer de verschillende onderdelen van het netwerk draaiden op aparte computerprocessen, wat een gedistribueerd netwerk simuleert. Ze introduceerden kleine vertragingen om de tijd na te bootsen die het kost om een bericht over een netwerk te versturen. In één specifieke test arriveerde een bericht een fractie van een seconde nadat het systeem al een beslissing had genomen. Het systeem markeerde het bericht correct als te laat, maar telde het toch mee bij het definitieve resultaat. Dit creëerde een raceconditie waarbij de uitkomst kon veranderen afhankelijk van de exacte timing van het netwerk. De onderzoekers herstelden deze logica en voerden de tests opnieuw uit, waarmee ze bevestigden dat het systeem nu correct late berichten zou negeren. Dit benadrukte dat zelfs als de cryptografie perfect is, de timing van wanneer een systeem stopt met luisteren even belangrijk kan zijn als de beveiliging van de berichten die het hoort.

De studie concludeerde dat de overstap naar een kwantumresistente toekomst niet alleen gaat over het vervangen van een wiskundig algoritme. Het is een complexe reis die vereist dat elke laag van het systeem wordt gecontroleerd, van de manier waarop gegevens worden opgeschreven tot de regels die bepalen hoe beslissingen worden genomen. Het nieuwe slot presteerde goed, maar de onderzoekers ontdekten dat de echte risico's lagen in de applicatielogica, de identiteitscontroles en de coördinatie tussen verschillende onderdelen van het systeem. Voor deze prototype hing het succes van de migratie evenzeer af van het oplossen van deze omliggende kwesties als van de prestaties van het nieuwe handtekeningschema. Het werk dient als een herinnering dat in de digitale wereld een sterk slot slechts één onderdeel is van een sterke deur, en dat de rest van het frame net zo sterk moet zijn.