Квантовая безопасность в Zcash
TL;DR
- Квантовые компьютеры представляют собой будущую угрозу, поскольку они могут нарушить некоторые схемы криптографии с открытым ключом, используемые блокчейнами сегодня.
- "Постквантовая" криптография означает криптографию, работающую на обычных компьютерах, но разработанную для противодействия атакам со стороны будущих квантовых компьютеров.
- Zcash не является полностью постквантовым сегодня.
- Защищенные транзакции в Zcash уменьшают объем публичных данных, которые могут изучать будущие атакующие, но использование защищенных транзакций не означает полной квантовой стойкости.
- Zcash готовится через исследования, ZIPs и предложения об обновлении, такие как ZIP 2005 и Проект Tachyon.
- Безопасная миграция в постквантовую эпоху должна защищать средства, приватность, кошельки, биржи и правила консенсуса одновременно.
Информацию об изменениях в Ironwood и актуальный на дату статус каждого компонента см. в Защищён ли Zcash от квантовых вычислений?.
Что такое квантовые вычисления?
Обычный компьютер хранит информацию в виде битов. Каждый бит может быть либо 0, либо 1.
Квантовый компьютер использует квантовые биты, называемые кубитами. Кубиты могут использоваться специальными алгоритмами, которые решают некоторые математические задачи намного быстрее, чем обычные компьютеры.
Это не означает, что квантовый компьютер быстрее во всем. Риск конкретен. Некоторая криптография зависит от математических задач, которые очень сложны для обычных компьютеров, но намного проще для достаточно мощного квантового компьютера.
Для блокчейнов наиболее важный пример — это криптография с открытым ключом. Открытые ключи и подписи используются для доказательства того, что пользователь имеет право потратить монеты.
Почему блокчейнам важно
Блокчейны используют криптографию для нескольких разных задач:
| Криптографический инструмент | Что он делает | Квантовое воздействие |
|---|
| Цифровые подписи | Доказывает, что владелец разрешил трату | Высокий риск для обычных систем эллиптических кривых |
| Хеш-функции | Строит адреса, обязательства, деревья Меркла и вызовы | Низкий риск, но важны запасы безопасности |
| Доказательства с нулевым раскрытием знаний | Доказывает, что защищенные транзакции действительны без раскрытия деталей | Зависит от системы доказательств и предположений |
| Согласование ключей | Помогает кошелькам шифровать данные заметок получателям | Требуется тщательный обзор под угрозой квантового модели |
Достаточно мощный квантовый компьютер может угрожать многим схемам подписей, используемым сегодня, включая подписи на эллиптических кривых. Это важно потому, что подпись — это то, что позволяет сети знать, что транзакция была разрешена правильным ключом.
Хеш-функции отличаются. Алгоритм Гровера может ускорить перебор, но он не нарушает хеш-функции таким же прямым образом. Более широкие запасы безопасности могут помочь.
Что такое постквантовая криптография?
Постквантовая криптография — это криптография, разработанная для обеспечения безопасности как против обычных компьютеров, так и против будущих квантовых компьютеров.
Это не означает, что криптография использует квантовый компьютер. Это означает, что система основана на других сложных математических задачах.
В 2024 году NIST опубликовала первые окончательные постквантовые стандарты:
- ML-KEM для установления ключей
- ML-DSA для цифровых подписей
- SLH-DSA для хеш-основанных цифровых подписей
Эти стандарты являются важным этапом, но блокчейн не может просто заменить один алгоритм на другой в одночасье. Правила консенсуса, кошельки, аппаратные кошельки, размер транзакций, комиссии и приватность должны быть учтены.
Как квантовый риск проявляется в цепочке блоков
Простой способ понять риск:
- Пользователь создает пару ключей.
- Открытый ключ или данные подписи могут появиться в цепочке блоков.
- Будущий квантовый атакующий может использовать этот открытый материал для получения закрытого ключа.
- Если средства все еще контролируются этим ключом, они могут быть под угрозой.
Прозрачные блокчейны по умолчанию раскрывают много информации. Адреса, суммы и связи транзакций являются публичными. Открытые данные ключей также могут становиться видимыми при потраченных монетах.
Это одна из причин, почему повторное использование адресов вредно. Повторное использование дает наблюдателям больше данных для соединения сегодня и предоставляет будущим атакующим больше исторических материалов для анализа.
Что отличает Zcash?
Zcash поддерживает как прозрачные, так и защищенные транзакции.
Прозрачный Zcash работает примерно как использование публичной блокчейн-сети в стиле Bitcoin. Адреса, суммы и связи транзакций видны всем.
Защищенный Zcash отличается. Защищенные транзакции используют доказательства с нулевым раскрытием знаний, чтобы сеть могла проверить, что транзакция соответствует правилам без раскрытия отправителя, получателя или суммы.
Это дает Zcash важное преимущество в приватности:
- Публикуется меньше транзакционных данных для всех.
- Пользователи избегают создания публичной схемы платежей при использовании защищенных транзакций.
- Будущим наблюдателям будет меньше публичной финансовой истории для анализа.
- Выборочное раскрытие может происходить через ключи просмотра вместо записей по умолчанию.
Но защищенный Zcash не является автоматически постквантовым. Защищенные пулы все еще зависят от криптографических предположений. Разрешение на трату, обязательства заметок, нуллайферы, системы доказательств, шифрование и ключи кошельков требуют тщательного обзора.
Короткая версия:
Использование защищенных транзакций уменьшает публичное раскрытие, но Zcash все равно нуждается в намеренном обновлении для постквантовой безопасности.
Карта рисков Zcash
| Область | Простое объяснение | Постквантовая проблема |
|---|
| Прозрачные адреса | Публичные адреса и публичная схема транзакций | Похожие риски на других прозрачных блокчейнах |
| Разрешение на трату | Доказательство того, что пользователь имеет право потратить | Схемы подписи могут потребовать замены или миграции |
| Защищенные заметки | Приватные записи стоимости внутри защищенных пулов | Некоторые компоненты могут потребовать новых предположений или инструментов восстановления |
| zk-SNARKs | Доказательства того, что защищенные транзакции действительны | Предположения системы доказательств требуют обзора |
| Сканирование кошельков | Как кошельки находят и расшифровывают полученные заметки | Согласование ключей и шифрование заметок требуют обзора |
| Миграция | Перемещение средств на более безопасную криптографию | Нужно избежать как потери средств, так и утечки приватности |
Как Zcash готовится
У Zcash есть процесс обновления сети
Zcash менял свою криптографию раньше. Sapling сделал защищенные транзакции проще в использовании. NU5 представил Orchard, Объединенные адреса и Halo 2.
Это важно потому, что готовность к постквантовой безопасности не является простым исправлением программного обеспечения. Это требует согласованных обновлений сети, изменений кошельков, аудитов и времени для миграции пользователей.
Прошлые обновления Zcash показывают, что экосистема имеет опыт перехода от более старой криптографии к новым дизайнам.
Halo и Orchard снизили старые предположения
Halo 2 используется в Orchard, современном защищенном пуле Zcash. Одно важное улучшение заключается в том, что Halo устранил необходимость доверенного настройки для системы доказательств Orchard.
Это не то же самое, что постквантовая безопасность. Это все равно важно, потому что это показывает, что Zcash может заменить основные криптографические компоненты, когда становятся доступны лучшие дизайны.
ZIP 2005 фокусируется на восстановлении при квантовых атаках
ZIP 2005 носит название "Orchard Quantum Recoverability". Он предлагает изменения, предназначенные для помощи пользователям Orchard в восстановлении или миграции средств, если квантовые атаки на старые предположения станут практичными.
Восстановление не то же самое, что полная постквантовая безопасность. Это узкая и все равно полезная область:
- Полная постквантовая безопасность стремится предотвратить работу квантовых атак.
- Восстановление дает честным пользователям лучший путь, если старая криптография становится небезопасной.
Для новичков можно рассматривать это как план экстренного выхода. Это не заменяет весь здание, но помогает людям безопасно покинуть старую комнату, если старый замок ослабнет.
Проект Tachyon смотрит в более крупные улучшения протокола
Проект Tachyon — это предложенный обновление Zcash, сосредоточенное на масштабируемости, синхронизации и росту состояния. Его публичный сайт говорит о том, что цель предложения — уменьшить размер транзакций, сократить рост состояния проверяющих узлов и получить полную постквантовую приватность как побочный эффект.
Поскольку Tachyon — это предложение, оно все еще зависит от инженерной работы, обзора и одобрения сообщества перед активацией. Его лучше всего понимать как часть активных исследований и направления обновлений Zcash, а не как функцию, уже доступную сегодня.
Исследования и стандарты развиваются
Широкий мир криптографии также развивается. Стандарты постквантовой криптографии NIST дают реализаторам более прочные компоненты для подписей и установления ключей. Исследователи в области доказательства с нулевым раскрытием продолжают изучать системы доказательств, которые могут выдерживать квантовые предположения.
Zcash может воспользоваться этой работой, но все равно должен адаптировать ее для приватного блокчейна.
Возможные подходы к будущим обновлениям
Разрешение на трату в постквантовом стиле
Zcash может в конечном итоге нуждаться в разрешении на трату, которое не зависит от схем подписи, уязвимых к квантовым атакам.
Это может использовать постквантовые подписи, гибридные подписи или другой дизайн. Гибридный дизайн использует как классические, так и постквантовые проверки во время переходного периода, чтобы система не зависела от одного предположения.
Сложность заключается в размере и стоимости. Поствантовые подписи могут быть больше, чем сегодняшние подписи, что влияет на размер транзакции, пропускную способность, комиссии, мобильные кошельки и аппаратные кошельки.
Новые форматы адресов и ключей
Новая криптография часто требует новых ключей и адресов. Пользователям потребуется четкий путь миграции от старых форматов к более безопасным.
Миграция должна быть простой в кошельках. Большинству пользователей не нужно понимать каждую криптографическую деталь, чтобы оставаться в безопасности.
Приватная миграция
Миграция особенно чувствительна для Zcash. Если многие пользователи перемещают средства из старых пулов в новые пулы по явным паттернам, сама миграция может утечь информации.
Хороший план миграции должен защищать:
- Средства пользователя
- Приватность пользователя
- Совместимость кошельков
- Поддержка бирж
- Поддержка аппаратных кошельков
- Безопасность консенсуса сети
Обзор системы доказательств в постквантовом стиле
Замена подписей недостаточна. Защищенный дизайн Zcash также зависит от доказательств с нулевым раскрытием знаний и обязательств.
Будущая работа может потребовать обзора или замены:
- Предположений zk-SNARK
- Полиномиальных обязательств
- Хешей вызовов Fiat-Shamir
- Обязательств заметок
- Построения нуллайферов
- Предположений деревьев Меркла
- Шифрования заметок и поведения ключей просмотра
Некоторые компоненты могут быть приемлемыми с измененными параметрами. Другие компоненты могут потребовать новых дизайнов.
Примеры для новичков
Пример 1: Старый замок
Представьте себе сейф со старым замком, который сегодня прочный. Новый инструмент, изобретенный в будущем, может быстро открыть этот старый замок.
Постквантовая криптография — это как заменить замок на дизайн, который новый инструмент не ожидается разрушить.
Для блокчейна замена замка трудна потому, что каждый кошелек, узел, биржа и аппаратное устройство должны понимать новый дизайн.
Пример 2: Публичный ящик для чеков
Прозрачная информация блокчейна — это как положить каждую квитанцию в публичный ящик навсегда. Даже если сегодня никто не может прочесть все шаблоны, будущие инструменты могут узнать больше позже.
Защищенный Zcash старается избегать публикации этих квитанций с самого начала. Это помогает долгосрочной приватности, но замок, защищающий систему, все равно должен быть проверен на будущее квантовое воздействие.
Пример 3: План выхода
Восстановление — это как планирование маршрута для выхода до того, как произойдет пожар. Вы надеетесь не использовать его, но безопаснее спроектировать его заранее, чем во время чрезвычайной ситуации.
ZIP 2005 соответствует этой идее для заметок Orchard.
Что пользователи могут сделать сегодня
Пользователям не нужно паниковать. Крупные общественные квантовые компьютеры, способные нарушить развернутую блокчейн-криптографию, недоступны сегодня.
Хорошие привычки все еще помогают:
- ПREFER защищенный Zcash при возможности.
- Избегайте повторного использования адресов.
- Обновляйте кошельки.
- Следите за объявлениями об обновлениях сети Zcash.
- Слежите за ZIPs и руководством по кошелькам, касающимся восстановления или миграции.
- Не предполагайте, что прозрачная активность является приватной.
- Не перемещайте средства на основе слухов; подождите четких инструкций от доверенных разработчиков Zcash и команд кошельков.
Вызовы
Постквантовые обновления трудны для каждой блокчейн-сети.
Общие вызовы включают:
- Более крупные ключи и подписи
- Более крупные транзакции
- Более высокая стоимость проверки
- Более высокое использование пропускной способности
- Новые аудиты безопасности
- Поддержка аппаратных кошельков
- Производительность мобильных кошельков
- Интеграция бирж и хранения
- Утечки приватности во время миграции
- Согласие сообщества на изменения в консенсусе
Для Zcash самая сложная часть — это не только сохранение возможности тратить монеты. Трудно сохранять возможность тратить монеты, при этом сохраняя приватность, которая делает Zcash уникальным.
Резюме
Квантовые компьютеры могут в конечном итоге угрожать некоторой криптографии, используемой блокчейнами. Постквантовая криптография — это долгосрочное решение, но ее нужно развернуть осторожно.
Zcash не является полностью постквантовым сегодня. Однако у Zcash есть полезные сильные стороны: защищенные транзакции снижают публичное раскрытие, сеть имеет историю обновлений криптографии, а текущие исследования, такие как ZIP 2005 и Проект Tachyon, уже направлены на будущие квантовые риски.
Для новичков основная идея проста: приватность сегодня снижает экспозицию данных в будущем, а тщательные обновления могут помочь Zcash перейти к более сильной безопасности эпохи квантовых вычислений без ущерба для удобства использования.
Связанные страницы
Ссылки
