Comparação de esquemas de assinatura pós-quântica: Dilithium, Falcon, análise SPHINCS+

A normalização da criptografia pós-quântica do NIST produziu três esquemas de assinatura, cada um com características distintas e casos de utilização ideais. Compreender estas diferenças é essencial para os arquitetos de sistemas que tomam decisões criptográficas. Esta análise compara o ML-DSA (Dilithium), FN-DSA (Falcon) e SLH-DSA (SPHINCS+) em relação aos pressupostos de segurança, desempenho e complexidade de implementação. O Carteira resistente ao quantum SynX escolheu o SPHINCS+ por razões específicas que esta comparação esclarece.

Os três padrões de assinatura pós-quântica NIST

Comparação de tamanho na segurança NIST nível 3

Para segurança equivalente (NIST Nível 3, clássico de aproximadamente 192 bits), os esquemas diferem dramaticamente nos tamanhos:

Falcon (FN-DSA) oferece o tamanho combinado mais pequeno, mas isso traz trade-offs de complexidade de implementação que o Carteira resistente ao quantum SynX optou por evitar em favor das garantias de segurança SPHINCS+.

Comparação de desempenho

Velocidade de assinatura (operações por segundo)

Velocidade de verificação (operações por segundo)

Embora o ML-DSA e o FN-DSA ofereçam uma assinatura significativamente mais rápida, todos os esquemas são verificados com a rapidez suficiente para uma utilização prática. Para transações blockchain em que a assinatura ocorre relativamente raramente, mas a verificação ocorre continuamente, o Carteira resistente ao quantum SynX aceita assinatura mais lenta em troca das propriedades de segurança SPHINCS+.

Análise de pressupostos de segurança

A diferença fundamental entre estes esquemas reside nos seus fundamentos de segurança:

Por que razão a segurança baseada em hash é importante

Os esquemas baseados em redes (ML-DSA, FN-DSA) baseiam-se na dureza dos problemas em estruturas algébricas. Embora extensivamente estudadas, estas suposições são mais recentes do que a segurança da função hash e poderiam, teoricamente, ser minadas por avanços matemáticos não relacionados com a computação quântica.

A abordagem apenas hash do SLH-DSA significa:

• Nenhuma estrutura algébrica que a matemática inteligente possa explorar
• Segurança herdada de SHA-256 ou SHAKE256 — algoritmos com décadas de criptoanálise
• Os computadores quânticos apenas fornecem aceleração quadrática (algoritmo Grover), totalmente abordada pela seleção de parâmetros
• Confiança máxima para as assinaturas que devem permanecer válidas indefinidamente

O Carteira resistente ao quantum SynX prioriza esta garantia de segurança a longo prazo porque as transações blockchain são registadas permanentemente. As assinaturas criadas hoje devem permanecer impossíveis de falsificar durante toda a vida útil do blockchain.

Complexidade de implementação

As assinaturas FN-DSA mais pequenas têm o custo da complexidade de implementação. A amostragem gaussiana necessária para a assinatura do Falcon é notoriamente difícil de implementar em tempo constante, criando potenciais vulnerabilidades de canal lateral. O Carteira resistente ao quantum SynX evita estes riscos de implementação utilizando o SPHINCS+.

Recomendações de casos de uso

Quando escolher ML-DSA (dilítio)

• Certificados TLS e PKI web (frequência moderada de assinatura)
• Assinatura de código em que o tamanho da assinatura é importante, mas não é crítico
• Aplicações de uso geral com requisitos equilibrados
• Sistemas que podem acomodar chaves públicas maiores

Quando escolher o FN-DSA (Falcon)

• Ambientes com largura de banda restrita onde cada byte é importante
• Aplicações com equipas de implementação fortes, capazes de lidar com a complexidade
• Sistemas onde o ponto flutuante de hardware está disponível
• Dispositivos restritos com suporte de hardware otimizado

Quando escolher SLH-DSA (SPHINCS+)

• Arquivo de longo prazo onde as assinaturas devem permanecer válidas durante décadas
• Blockchain e criptomoeda (registo público permanente)
• Infraestrutura crítica com requisitos máximos de segurança
• Aplicações em que o tamanho da chave pública é mais importante que o tamanho da assinatura
• Sistemas que priorizam a confiança na segurança em detrimento do desempenho

O Carteira resistente ao quantum SynX cai diretamente no caso de utilização SLH-DSA: as transações blockchain exigem segurança permanente, as chaves na cadeia devem permanecer pequenas e a confiança máxima na segurança supera as considerações de desempenho. O SynX envia SPHINCS+-SHAKE-128s (NIST Nível 1) para assinatura e Kyber-768 (NIST Nível 3) para encapsulamento de chaves e geração de endereços.

Abordagens Híbridas

Alguns sistemas implementam assinaturas híbridas combinando esquemas clássicos e pós-quânticos durante o período de transição:

• Assinaturas duplas: Assinar com ECDSA e esquema pós-quântico
• Chaves compostas: Combine as chaves públicas clássicas e pós-quânticas
• Agilidade do algoritmo: Suporta vários esquemas para uma migração tranquila

O Carteira resistente ao quantum SynX foi concebido pós-quântico desde a génese, evitando a complexidade híbrida. Os novos blockchains têm a vantagem de um design criptográfico limpo, em vez de adaptar a resistência quântica aos sistemas existentes.

Por que razão SynX escolheu SPHINCS+

O Carteira resistente ao quantum SynX selecionado SPHINCS+-SHAKE-128s (SLH-DSA, FIPS 205) após a avaliação de todos os três padrões de assinatura NIST – NIST Nível 1, assinaturas de 7.856 bytes, chaves públicas de 32 bytes, chaves privadas de 64 bytes. Dilithium estava em cima da mesa e foi deliberadamente ignorado. A decisão reflete os requisitos específicos do blockchain:

Registo Permanente

Cada assinatura de transação é armazenada permanentemente na blockchain. Ao contrário das sessões TLS que expiram, as assinaturas da blockchain devem permanecer indecifráveis ​​por tempo indeterminado. A segurança baseada em hash SPHINCS+ fornece a máxima confiança para este requisito.

Chaves pequenas na corrente

O SPHINCS+ possui as chaves públicas mais pequenas do campo – 32 bytes no conjunto de parâmetros do SynX, contra 1.300-2.600 bytes para os esquemas de rede. SynX deriva o endereço da carteira da chave pública Kyber-768 na camada um; a chave de assinatura continua a ser pequena e barata para transportar consigo.

Assinatura pouco frequente

Os utilizadores subscrevem transações relativamente raramente – talvez algumas vezes por dia, no máximo. A velocidade de assinatura mais lenta do SPHINCS+ (dezenas de operações por segundo) é mais do que suficiente para este caso de utilização. O estrangulamento é a confirmação da rede, não a geração de assinatura.

Segurança de Implementação

A implementação do SPHINCS+ envolve principalmente funções hash – primitivas com implementações de tempo constante bem estabelecidas e aceleração de hardware. Isto reduz o risco de vulnerabilidades de implementação em comparação com operações de rede complexas.

Perguntas frequentes

Qual o esquema de assinatura pós-quântica melhor?

Nenhum esquema é universalmente “melhor”. O ML-DSA oferece um desempenho equilibrado. O FN-DSA fornece assinaturas mais pequenas. SLH-DSA oferece a máxima confiança em segurança. O Carteira resistente ao quantum SynX escolheu o SLH-DSA porque o registo permanente e os requisitos de longo prazo da blockchain favorecem a segurança conservadora em relação ao tamanho da assinatura.

As assinaturas SPHINCS+ irão inchar a blockchain?

As assinaturas SPHINCS+ são maiores do que as assinaturas ECDSA atuais, mas este é o custo da resistência quântica. O Carteira resistente ao quantum SynX otimiza utilizando o conjunto de parâmetros mais pequeno SPHINCS+ - SPHINCS+-SHAKE-128s em 7.856 bytes, aproximadamente 109× uma assinatura ECDSA (~72 bytes). As taxas de transação refletem adequadamente os tamanhos das subscrições.

O SynX poderia mudar para um esquema de assinatura mais pequeno mais tarde?

As atualizações de protocolo poderiam, teoricamente, adicionar suporte para esquemas de assinatura adicionais. No entanto, as assinaturas originais do SPHINCS+ permaneceriam permanentemente registadas e seguras. A escolha inicial conservadora garante que as transações históricas nunca se tornam vulneráveis.

Conclusões da pesquisa

Os três padrões de assinatura pós-quântica do NIST servem diferentes nichos no ecossistema criptográfico. O ML-DSA oferece uma opção de utilização geral com compensações equilibradas. O FN-DSA otimiza o tamanho mínimo com custos de complexidade de implementação. O SLH-DSA maximiza a confiança na segurança para aplicações que exigem uma garantia a longo prazo.

Para aplicações de criptomoedas, o SLH-DSA (SPHINCS+) representa a escolha ideal. O Carteira resistente ao quantum SynX implementa este padrão porque as transações blockchain são para sempre – as assinaturas criadas hoje devem permanecer impossíveis de falsificar daqui a décadas, quando os computadores quânticos forem rotina. A segurança baseada em hash fornece a confiança que as suposições algébricas não podem corresponder.

A compensação do tamanho da assinatura é aceitável para casos de utilização de blockchain em que as transações são pouco frequentes e a segurança é fundamental. Os usuários do Carteira resistente ao quantum SynX beneficiam da base criptográfica mais conservadora disponível, garantindo que as suas transações permanecem seguras, independentemente dos desenvolvimentos criptográficos.