什么是量子安全密碼學(xué)?一文淺析量子安全密碼學(xué)是否將影響以太坊性能?
當(dāng)量子安全遇上性能取舍，以太坊 2029 年抗量子就緒計劃的技術(shù)賬。
什么是量子安全加密技術(shù)
量子安全加密技術(shù)保護(hù)量子計算時代的敏感數(shù)據(jù)、訪問和通信。
人們在計算機(jī)上所做的幾乎所有事情都使用加密技術(shù)。正因如此，大多數(shù)時候，入侵者無法閱讀您的電子郵件，訪問您的醫(yī)療記錄，從您的社交媒體帳戶中發(fā)帖，遠(yuǎn)程關(guān)閉您的汽車，或者擾亂城市電網(wǎng)。
現(xiàn)代加密技術(shù)非常完善，當(dāng)受保護(hù)的數(shù)據(jù)或系統(tǒng)遭到破壞時，很少是因為有人攻破了加密本身。大多數(shù)泄露事件都是由于人為錯誤造成的 - 有人不小心泄露了密碼，或者在安全系統(tǒng)中留下了后門。 您可以將現(xiàn)代加密方法（例如 2048 位公鑰）視為最堅固的保險庫：幾乎不可能被攻破，除非有人將鑰匙遺落在外面。
然而，隨著量子計算時代的到來，這一切都會發(fā)生改變。未來，如果壞人擁有足夠強(qiáng)大的量子計算機(jī)，則可以解鎖任何 2048 位保險庫并訪問保護(hù)的數(shù)據(jù)。
我們并不確切知道量子系統(tǒng)何時可能強(qiáng)大到足以破解 2048 位加密，但一些專家已根據(jù)現(xiàn)有認(rèn)知勾勒出了時間線。
美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 的后量子密碼學(xué)報告指出，首次（加密被）攻破可能最早發(fā)生在 2030 年。
滑鐵盧大學(xué)的專家 Michele Mosca 博士寫道：“我估計，到 2026 年，我們今天依賴的一些基本公鑰加密工具有七分之一的可能性被攻破；到 2031 年，這種可能性為 50%。”
量子安全加密技術(shù)重建了加密“保險庫”，使其能夠抵御量子攻擊和傳統(tǒng)攻擊。
值得注意的是，也有人將量子安全密碼學(xué)稱為后量子計算 (PQC) 或抗量子計算。根據(jù) NIST 的定義， 這類 IT 安全“旨在開發(fā)能同時抵御量子計算機(jī)和經(jīng)典計算機(jī)攻擊，并可與現(xiàn)有通信協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)互操作的密碼系統(tǒng)。”
不要與量子加密相混淆，量子加密依賴自然物理定律來生成安全的加密系統(tǒng)，量子安全加密算法使用不同類型的加密來實現(xiàn)量子安全。
量子安全密碼學(xué)的工作原理
關(guān)于量子安全加密技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，最重要的一點是，它們將量子計算機(jī)容易求解的數(shù)學(xué)問題替換成經(jīng)典計算機(jī)和量子計算機(jī)都難以求解的數(shù)學(xué)問題。
2016 年，NIST 作為標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的一部分發(fā)出了提案征集。他們的目標(biāo)專注于尋找最佳的量子安全算法和方案以成為新的密碼標(biāo)準(zhǔn)。全球各組織創(chuàng)建并提交了方案——共計 69 個。4
六年后，NIST 正式發(fā)布了全球首批三項后量子加密標(biāo)準(zhǔn)。IBM 研究人員與多個行業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴合作開發(fā)了其中兩種后量子加密算法：ML-KEM（最初名為 CRYSTALS-Kyber）和 ML-DSA（最初名為 CRYSTALS-Dilithium）。第三個已發(fā)布的數(shù)字簽名方案 SLH-DSA（最初提交的名稱為 SPHINCS+）是與一名后來加入 IBM 的研究人員共同開發(fā)的。此外，NIST 還選擇了 IBM 開發(fā)的第四種數(shù)字簽名算法 FN-DSA（最初名為 FALCON）用于未來的標(biāo)準(zhǔn)化工作。
早期加密技術(shù)依賴于大數(shù)分解，而這些新標(biāo)準(zhǔn)依賴于格問題。要理解格問題，想象有位數(shù)學(xué)家向您展示一個包含 1000 個大數(shù)的列表?，F(xiàn)在，假設(shè)那位數(shù)學(xué)家向您展示一個甚至更大的數(shù)字，并告訴您這是將列表中的 500 個數(shù)字相加得出的。要找出使用的是哪 500 個數(shù)字，經(jīng)典計算機(jī)和量子計算機(jī)都會力不從心。但如果數(shù)學(xué)家告訴您他使用了哪 500 個數(shù)字，就很容易核實他是否說的是實話。因此，基于格的問題可以很好地取代加密技術(shù)中的質(zhì)數(shù)分解問題。
量子威脅：真實存在，但非燃眉之急
以太坊所依托的密碼學(xué)體系，在面對經(jīng)典計算機(jī)時仍屬安全。然而足夠先進(jìn)的量子計算機(jī)有朝一日或可破解此類體系，致使私鑰面臨暴露風(fēng)險，進(jìn)而危及價值數(shù)十億美元的資產(chǎn)安全。
以太坊推出的后量子倡議傳達(dá)了一項明確訊息：當(dāng)前雖無迫在眉睫之威脅，但延緩行動并非可行之策。
對一項全球化、去中心化的網(wǎng)絡(luò)實施升級，是一項歷時數(shù)年的復(fù)雜工程，涉及以下環(huán)節(jié)：
- 協(xié)議層面的重新設(shè)計
- 全生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同配合
- 全面的測試與驗證工作
正因如此，以太坊將實現(xiàn)量子安全就緒的目標(biāo)時間設(shè)定在 2029 年前后，遠(yuǎn)在相關(guān)威脅預(yù)計進(jìn)入實用階段之前。
量子安全密碼學(xué)可能拖累以太坊性能的緣由
量子安全密碼學(xué)伴隨著一項關(guān)鍵取舍：諸多后量子方案相較以太坊現(xiàn)用密碼學(xué)系統(tǒng)，對資源的需求更為密集。
與現(xiàn)行的密碼學(xué)簽名相比，多數(shù)后量子替代方案普遍存在以下傾向：
- 生成的簽名數(shù)據(jù)更大，單筆交易數(shù)據(jù)量隨之增加
- 驗證過程所需計算資源更為可觀
- 缺乏高效的內(nèi)置聚合能力
由此，以太坊面臨三項核心挑戰(zhàn)：
帶寬與存儲層面
簽名體積增大將導(dǎo)致：
- 交易數(shù)據(jù)膨脹
- 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量上升
- 區(qū)塊鏈存儲規(guī)模增速加快
計算成本層面
驗證者承擔(dān)著簽名驗證之責(zé)。若簽名驗證復(fù)雜度提升：
- 區(qū)塊驗證速度將放緩
- 硬件配置要求面臨提高的風(fēng)險
- 網(wǎng)絡(luò)的去中心化特性或?qū)⑹軗p
聚合效率的減損
以太坊共識層目前受益于 Boneh-Lynn-Shacham (BLS) 簽名機(jī)制，該機(jī)制可實現(xiàn)高效的簽名聚合。然而，多數(shù)量子安全方案本身并不支持此項能力，從而構(gòu)成一項顯著的可擴(kuò)展性障礙。
共識層面臨的難題
最為重大的性能風(fēng)險潛藏于以太坊的共識層。當(dāng)前成千上萬名驗證者所提交的見證消息，經(jīng)由 BLS 簽名機(jī)制得以高效聚合。此舉有助于維系：
- 較低的帶寬占用
- 迅捷的驗證過程
- 穩(wěn)健的整體可擴(kuò)展性
諸多量子安全替代方案目前尚無法在聚合等方面提供同等水平的效率。
倘若以太坊簡單地以一種負(fù)載更重的方案替換 BLS，網(wǎng)絡(luò)或?qū)⒃庥鲆韵聠栴}：
- 區(qū)塊傳播延遲加劇
- 驗證者負(fù)載攀升
- 整體運(yùn)行效率下滑
須知以太坊并非意在直接替換簽名機(jī)制，而是計劃借助 SNARK 技術(shù)，將成千上萬份繁重的證明壓縮為一份單一、緊湊的密碼學(xué)憑證。
以太坊的應(yīng)對之道：非為替換，意在重構(gòu)
以太坊開發(fā)者并未消極接受性能的下降，而是尋求一條更為明智的路徑：對系統(tǒng)加以重構(gòu)，使其得以在量子安全的約束條件下運(yùn)行。其核心理念在于基于 SNARK 的聚合技術(shù)。
此方案的具體內(nèi)涵為何？
網(wǎng)絡(luò)無需逐一驗證海量的大型簽名，而僅需驗證一份緊湊的單一密碼學(xué)證明，該證明本身即可證實其項下所有簽名的有效性。
此方法具備以下優(yōu)勢：
- 將龐大數(shù)據(jù)體量壓縮為緊湊的證明
- 削減驗證環(huán)節(jié)的開銷
- 有助于維系可擴(kuò)展性
簡言之，以太坊正致力于在資源消耗更高的密碼學(xué)地基之上，重建運(yùn)行效率。
執(zhí)行層：用戶體驗的直接觸點
執(zhí)行層系錢包與交易運(yùn)行之所，亦是用戶最能直接感知影響之處。
潛在的調(diào)整舉措包括：
- 因簽名驗證趨于復(fù)雜，Gas 成本或?qū)⑦m度攀升
- 引入賬戶抽象技術(shù)的錢包設(shè)計更新
- 實施分階段遷移策略，規(guī)避全網(wǎng)絡(luò)范圍的驟然切換
其目標(biāo)在于盡可能降低對用戶的干擾，同時允許：
- 新舊密碼學(xué)體系并行運(yùn)轉(zhuǎn)
- 用戶依自身規(guī)劃選擇升級時機(jī)
- 開發(fā)者在受控環(huán)境中逐步適配
須知，量子安全升級并非單純涉及安全性議題，而是一項跨越密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、經(jīng)濟(jì)模型及錢包設(shè)計的全棧式挑戰(zhàn)。以太坊正致力于將一項潛在難題轉(zhuǎn)化為一次工程層面的機(jī)遇。
隱性成本：數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載
量子安全密碼學(xué)的影響遠(yuǎn)不止于個別交易層面，其亦對以太坊的數(shù)據(jù)層構(gòu)成額外壓力。
體積更為龐大的密碼學(xué)組件或?qū)a(chǎn)生以下影響：
- 加劇數(shù)據(jù)可用性系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)
- 波及擴(kuò)展解決方案中所采用的 Blob 存儲機(jī)制
- 致使網(wǎng)絡(luò)傳播過程趨于復(fù)雜
這正是以太坊路線圖涵蓋多個層次協(xié)同升級，而非局限于簽名機(jī)制單一替換的緣由所在。
真正的權(quán)衡：安全與效率，抑或兼而有之？
究其根本，相關(guān)討論已超越速度單一維度，其關(guān)鍵在于如何在以下諸要素間達(dá)致恰當(dāng)平衡：
- 安全性（抵御量子攻擊的防護(hù)能力）
- 性能表現(xiàn)（吞吐量與延遲水平）
- 成本支出（Gas 費(fèi)用與驗證者資源消耗）
- 去中心化程度（維持節(jié)點準(zhǔn)入門檻的合理性）
若處置失當(dāng)，量子安全升級或?qū)⒁l(fā)：
- 成本進(jìn)一步走高
- 大型驗證者獲得更多優(yōu)勢
- 網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)荷加重
然若執(zhí)行得力，則有望實現(xiàn)：
- 密碼學(xué)設(shè)計的優(yōu)化
- 驗證流程的精簡
- 去中心化屬性的強(qiáng)化
若無審慎的工程設(shè)計，量子安全密碼學(xué)或致 Gas 費(fèi)用攀升，并擠壓小型驗證者的生存空間。以太坊所采取的多層次策略，旨在維系網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)高效、費(fèi)用可及及實質(zhì)性的去中心化。
以太坊審慎推進(jìn)的考量
以太坊刻意規(guī)避貿(mào)然鎖定任一特定解決方案的路徑，其背后存在多重考量。
密碼學(xué)系統(tǒng)選擇失當(dāng)或?qū)ⅲ?/p>
- 引入新的安全漏洞
- 將網(wǎng)絡(luò)固鎖于低效的設(shè)計架構(gòu)之上
- 暴露此前并不存在的攻擊敞口
有鑒于此，開發(fā)者群體優(yōu)先關(guān)注密碼學(xué)敏捷性，具體體現(xiàn)為：
- 隨需應(yīng)變、跨時升級算法的能力
- 響應(yīng)新興發(fā)現(xiàn)的靈活空間
- 規(guī)避不可逆的決策取舍
量子安全密碼學(xué)是否將影響以太坊性能？
向抗量子密碼學(xué)的演進(jìn)進(jìn)程，正揭示出一項更為深層的現(xiàn)實：此議題并非單純關(guān)乎安全，而系一項橫跨密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、經(jīng)濟(jì)模型及用戶體驗的全棧式工程挑戰(zhàn)。
倘若以太坊在不重構(gòu)底層架構(gòu)的前提下直接采用抗量子密碼學(xué)，網(wǎng)絡(luò)幾乎無疑將變得更為沉重、遲滯且運(yùn)營成本更為高昂。
然而，此并非以太坊所奉行之策略。反之，其正借助多項技術(shù)吸納量子安全帶來的額外負(fù)荷，避免將成本代價轉(zhuǎn)嫁予用戶：
- 基于 SNARK 的聚合技術(shù)
- 賬戶抽象機(jī)制
- 協(xié)議層面的重構(gòu)
- 多層次協(xié)同優(yōu)化
以太坊正致力于消解量子安全的費(fèi)用壓力，使其后果不致由用戶承擔(dān)。
到此這篇關(guān)于什么是量子安全密碼學(xué)?一文淺析量子安全密碼學(xué)是否將影響以太坊性能?的文章就介紹到這了,更多相關(guān)量子安全密碼學(xué)對以太坊性能影響內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持腳本之家！
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