LayerZero Labs hat Aerie vorgestellt, ein Forschungssystem, das laut seinen Entwicklern 32.768 quantenresistente Falcon-Signaturen in 0,65 Sekunden auf einem Apple-Laptop ohne GPU-Beschleunigung aggregieren kann.
Zusammenfassung
- 32.768 Falcon-512-Signaturen wurden in 0,65 Sekunden unter Verwendung von 16 Worker-Threads aggregiert.
- Aeries Standard-Aggregat enthält beibehaltene Signaturdaten, wobei eine kleinere Version mit gemeinsamem Salt zusätzliche Bedingungen erfordert.
- Die Forscher berichten von schnellerer Proof-Generierung als bei leanVM, während leanVMs Proofs schneller verifiziert wurden.
- NIST führt Falcon als in der Standardisierung befindlich auf, getrennt von seinem finalisierten ML-DSA-Signaturstandard.
LayerZeros Ankündigung vom 16. Oktober nennt Forscher aus dem eigenen Team, von a16z crypto research, der Carnegie Mellon University und dem Imperial College London als Mitwirkende an dem Projekt, das auf dem kryptografischen Proof-System Akita aufbaut.
Das begleitende Paper stellt eine Methode vor, Tausende digitaler Signaturen zu einem einzigen Gültigkeitsnachweis zu kombinieren. Seine Autoren rahmen die Arbeit um ein Problem ein, mit dem Proof-of-Stake-Blockchains konfrontiert sind, bei dem Validatoren Nachrichten signieren, die den Netzwerkzustand bestätigen, und andere Teilnehmer diese Signaturen überprüfen müssen.
Laut dem Paper verwendet Ethereum derzeit BLS-Signaturen, um etwa 32.000 Validator-Stimmen zu einer kleinen Signatur zu kombinieren. BLS hält Quantenangriffen nicht stand, während die von US-Standardisierungsbeamten ausgewählten Post-Quanten-Alternativen nicht über dieselbe integrierte Aggregationsfähigkeit verfügen.
Aerie senkt die Proof-Generierung auf unter eine Sekunde
In den Apple M4 Max-Benchmarks des Teams verarbeitete Aerie den Falcon-512-Stapel mit 16 Worker-Threads und erreichte eine Spitzenspeichernutzung von 2,1 GiB. Eine zweite Arbeitslast, bestehend aus 16.384 Falcon-1024-Signaturen, benötigte 0,63 Sekunden bei ähnlichem Speicherbedarf.
Die Forscher beschreiben Falcon-1024 als die sicherere Option mit größeren Signaturen und mehr Berechnung als Falcon-512. Ihr Paper berichtet, dass die Erstellung eines Proofs für beide Arbeitslasten etwa 4,3 Sekunden dauerte, wenn auf einen Thread beschränkt.
Die Überprüfung des fertigen Falcon-512-Aggregats dauerte laut der Benchmark-Tabelle 54 Millisekunden auf einem Kern, verglichen mit 519 Millisekunden für die einzelne Überprüfung der Signaturen. Mit 16 Threads betrugen die entsprechenden Werte 11,6 Millisekunden und 42,9 Millisekunden.
Das Paper beschreibt die Batch-Konstruktion in direkten Worten.
„Ein Proof deckt den gesamten Stapel ab, ohne Rekursion.“
Laut den Autoren entfällt durch die Vermeidung von Rekursion die Notwendigkeit, Zwischenproofs zu erstellen und sie durch aufeinanderfolgende Runden zu kombinieren. Ihr Design ermöglicht es einem anderen Knoten, der die Signaturen hält, einen Ersatzproof zu erstellen, falls der ursprüngliche Aggregator ausfällt.
Kleinere Proofs tragen weiterhin Signaturdaten
Aerie behält einen kurzen Zufallswert, bekannt als Salt, aus jeder Signatur bei, damit der Verifizierer die zugehörigen Hashes direkt berechnen kann, erklären die Forscher. Der Proof übernimmt die verbleibenden mathematischen Prüfungen und verwendet Akita zur Unterstützung der Konstruktion.
Für die Falcon-512-Arbeitslast mit 32.768 Signaturen berichtet das Paper von einem Aggregat von 1.346 KiB, einschließlich Salts und Headern. Seine Proof-Komponente macht etwa 66 KiB aus, während die beibehaltenen Salts den Großteil der verbleibenden Daten bilden.
Die Autoren geben das Standard-Aggregat mit 42,1 Bytes pro Signatur an, etwa 16-mal kleiner als die gepolsterten Falcon-Signaturen, die es ersetzt. Ihre Größenmessungen schließen öffentliche Schlüssel und Nachrichten aus, die dem Verifizierer separat bereitgestellt werden.
Ein gemeinsames Salt könnte das vollständige Aggregat laut dem Paper auf etwa 66 KiB reduzieren, aber diese Schätzung hängt von einer separaten Signaturrichtlinie und Sicherheitsannahmen ab. Die Forscher stellen ausdrücklich fest, dass die Größenschätzung nicht die Einhaltung dieser Richtlinie belegt.
Gegenüber Orthus, einem früheren Falcon-Aggregationssystem, berichtet das Team von 1,5-mal schnellerer Proof-Generierung, 38-mal schnellerer Verifizierung und 1,7-mal kleineren Proofs auf demselben Server. Das Paper schränkt diesen Vergleich ein, indem es erklärt, dass Orthus' Arbeitslast Signaturformatprüfungen auslässt, die Aerie durchführt.
Ethereum-Vergleich umfasst verschiedene Signaturdesigns
Das Paper vergleicht Aerie mit leanVM, Teil von Ethereums hash-basierter Aggregationsarbeit. Wie crypto.news zuvor berichtete, haben Ethereum-Forscher Proof-Infrastruktur entwickelt, um große Post-Quanten-Signaturen für die Nutzung im Netzwerk zu komprimieren.
In Abschnitt 6.3 berichten die Aerie-Autoren, leanVM auf demselben M4 Max ausgeführt und 900 XMSS-Signaturen in 0,51 Sekunden unter Verwendung aller Kerne aggregiert zu haben. Ihr Vergleich setzt Aeries Falcon-512-Beweisdurchsatz auf das 29-Fache des XMSS-Durchsatzes von leanVM unter diesen Bedingungen.
Die Forscher berichten von einem Kompromiss bei der Verifikation. LeanVM-Beweise wurden in den zitierten Konfigurationen in 5,9 bis 6,5 Millisekunden auf einem Thread verifiziert, schneller als Aeries 54-Millisekunden-Ergebnis mit einem Thread für seinen Stapel von 32.768 Signaturen.
Eine separate Ethereum-Arbeit befasst sich damit, wie Validatoren neue Signaturen übernehmen könnten. Ein August-Entwurf schlug einen post-quanten-fähigen Einzahlungsvertrag mit kryptografischen Daten variabler Länge und einem Mechanismus zur Stilllegung neuer BLS-Einzahlungen vor.
Der GitHub-Eintrag des Vorschlags bleibt eine Entwurfseinreichung. Seine Beschreibung identifiziert einen irreversiblen BLS-Stilllegungsmodus, während Diskussionsaufzeichnungen ausstehendes technisches Feedback und Überprüfungsanforderungen zeigen.
In seinem Prioritätendokument vom 7. September setzte der Protocol Cluster der Ethereum Foundation ein Quantenresistenz-Ziel für Dezember 2029, das Ausführung, Konsens und Daten abdeckt. Die Foundation bezeichnete eine im Jahr 2030 eintretende Quantenbedrohung als bewusst aggressive Planungsannahme, wobei externe Experten voraussichtlich ab Januar 2027 dabei helfen sollen, den Fortschritt neu zu bewerten.
US-Standards unterscheiden Falcon von finalisierten Alternativen
Das National Institute of Standards and Technology führt ML-DSA und SLH-DSA unter den im August 2024 finalisierten Digitalen-Signatur-Standards auf. Seine aktuelle Programmübersicht identifiziert Falcon als für die laufende Standardisierung ausgewählt, ein separater Status von jenen abgeschlossenen Standards.
NIST empfiehlt Organisationen, mit der Migration gefährdeter Systeme zu beginnen, und identifiziert 2035 als Endpunkt für die Entfernung quantengefährdeter Algorithmen aus seinen Standards, wobei Systeme mit hohem Risiko früher umstellen.
LayerZero sagt, dass ML-DSA-Aggregation innerhalb von Aerie funktioniert, aber genaue Leistungszahlen und Implementierungsdetails bleiben in seiner Ankündigung ausstehend.
