Ethereum’s Strategie Tegen De Dreiging Van Kwantumcomputing: Een Heroverweging Van Protocollen

Ethereum-oprichter Vitalik Buterin heeft recentelijk gewezen op de noodzaak een fundamentele herziening van de cryptografische basis van het netwerk uit te voeren. Hij waarschuwt dat de opkomst van kwantumcomputing de veiligheid van cruciale delen van de Ethereum-protocol kan ondermijnen. Buterin heeft een meerfasenplan gepresenteerd om de kwetsbare punten aan te pakken, waarvan er vier zijn: consensus-layer BLS-handtekeningen, gegevensbeschikbaarheidsmechanismen zoals KZG-commitments, het ECDSA-handtekeningenschema gebruikt door standaard gebruikersaccounts, en zero-knowledge proof systemen die door applicaties en layer-2 netwerken worden ingezet.

Buterin pleit voor een stapsgewijze aanpak waarbij elk onderdeel van het protocol specifieke oplossingen krijgt. Belangrijk in dit proces is de keuze van de hashfunctie, een element dat cruciaal kan zijn voor de toekomst van Ethereum. Als we de veiligheid van het netwerk willen garanderen, moeten we ervoor zorgen dat we de juiste hashfunctie kiezen; dit zou wel eens ‘de laatste hashfunctie van Ethereum’ kunnen zijn.

Met de recente focus van de Ethereum Foundation op post-kwantumbeveiliging, lijkt er een sterke visie te zijn om aan deze potentiële bedreiging tegemoet te komen. Er is een team opgericht dat zich uitsluitend richt op post-kwantum beveiliging, en eerder deze maand is er een ambitieuze upgrade-structuur gepubliceerd, de “Strawmap”, die tot 2029 quantum-resistente handtekeningen en STARK-vriendelijke cryptografie moet integreren in het consensusontwerp van het netwerk.

Bij de consensuslaag stelt Buterin voor BLS-handtekeningen, de cryptografische bewijzen die validators gebruiken om blokken goed te keuren, te vervangen door hash-gebaseerde alternatieven. Deze aanpak wordt door onderzoekers beschouwd als meer bestand tegen kwantumaanvallen. Tegelijkertijd is er ook de suggestie om STARKs (een type zero-knowledge proof) in te zetten om meerdere handtekeningen van validators samen te voegen tot één enkele attestatie. Dit zou niet alleen de efficiëntie verbeteren, maar ook de kosten verlagend.

Wat betreft gegevensbeschikbaarheid laat Buterin weten dat er compromissen gesloten moeten worden. Ethereum geniet momenteel van KZG-commitments, die zorgen voor de juiste structuur en beschikbaarheid van blockdata. STARKs kunnen deze functie overnemen, maar missen een wiskundige eigenschap genaamd lineariteit, wat de toepassing van tweedimensionale gegevensbeschikbaarheidsmonsters bemoeilijkt.

Het is cruciaal om te beseffen dat de invoering van kwantumveilige cryptografie aanzienlijke kosten met zich meebrengt. De verificatie van de huidige ECDSA-handtekeningen kost ongeveer 3.000 gas, maar een hash-gebaseerde quantum-resistente handtekening kan oplopen tot wel 200.000 gas. Dit extrapoleert verder bij het gebruik van STARKs voor zero-knowledge proof systemen; terwijl een ZK-SNARK tussen de 300.000 en 500.000 gas kost om te verifiëren, kan een quantum-resistente STARK dat cijfer zelfs verhogen tot ongeveer 10 miljoen gas. Dit is simpelweg onhaalbaar voor de meeste privacy- en layer-2-toepassingen.

De oplossing ligt vermoedelijk in het protocol-niveau van recursieve handtekening- en bewijsaggregatie. Volgens het Ethereum Improvement Proposal (EIP) 8141 zou elke transactie een “validatieframe” bevatten dat kan worden vervangen door een STARK die de correcte uitvoering verifieert. Alle validatieframes in een blok kunnen vervolgens worden samengevoegd tot één enkele bewijs, wat de on-chain footprint klein houdt, zelfs als individuele handtekeningen groter worden.

Buterin stelt dat deze bewijsmolecule zou kunnen plaatsvinden op de mempool-laag in plaats van tijdens de blokproductie. Dit betekent dat nodes elke 500 milliseconden geldige transacties kunnen verspreiden, vergezeld van een bewijs van geldigheid. Terwijl Buterin onderstreept dat dit beheersbaar is, wijst hij er ook op dat er veel engineeringwerk te verrichten is.

Vraag & Antwoord

Wat zijn de voornaamste kwetsbaarheden van Ethereum in de context van kwantumcomputers?
De kwetsbaarheden liggen voornamelijk bij BLS-handtekeningen, KZG-commitments, ECDSA-handtekeningen en zero-knowledge proofs, die door kwantumcomputers kunnen worden aangetast, waardoor de veiligheid van transacties in gevaar komt.

Wat is de oplossing die Buterin voorstelt om deze kwetsbaarheden te verhelpen?
Buterin stelt voor om BLS-handtekeningen te vervangen door hash-gebaseerde alternatieven en STARKs te integreren voor de aggregatie van handtekeningen. Dit proces moet stapsgewijs en met de juiste hashfunctie worden uitgevoerd voor optimale veiligheid.

Waarom zijn de kosten van kwantumveilige cryptografie een zorgenkind?
De kosten voor de verificatie van kwantumveilige handtekeningen en proofs zijn significant hoger dan die van de huidige systemen, wat een obstakel vormt voor brede adoptie, vooral voor privacy-oplossingen en layer-2 toepassingen.