Criptografia Pós-Quântica em Segurança Blockchain

A tecnologia Blockchain surgiu como um avanço revolucionário na era digital de hoje, transformando tudo, desde transações financeiras a segurança de dados. Para salvaguardar e validar transações, a blockchain depende de algoritmos criptográficos complicados. No entanto, à medida que nos aproximamos de uma nova revolução tecnológica com o advento da computação quântica, a durabilidade dos atuais padrões de encriptação está a ser posta em causa.

Com a sua capacidade de processamento inigualável, a computação quântica tem o potencial de quebrar protocolos criptográficos tradicionais que servem de base para a segurança blockchain. Esta próxima ameaça exige a criação de uma nova era de criptografia: Criptografia Pós-Quântica (PQC). À medida que exploramos este novo território, é fundamental compreender os princípios da criptografia blockchain e como a computação quântica pode transformar o cenário da segurança digital.

Vamos analisar o estado atual da criptografia em blockchain, a influência disruptiva da computação quântica e como a criptografia pós-quântica pode ser a chave para proteger o nosso futuro digital nas secções a seguir.

Compreender a Criptografia em Blockchain

Para manter a sua integridade e segurança, a tecnologia blockchain, que serve como a espinha dorsal das transações digitais atuais e da segurança de dados, emprega uma variedade de abordagens criptográficas. Estas abordagens são categorizadas aproximadamente em três tipos: criptografia de chave simétrica, criptografia de chave assimétrica e funções hash, cada uma das quais desempenha um papel distinto no ecossistema blockchain.

Criptografia de chave simétrica

A criptografia de chave simétrica faz uso de uma única chave para criptografia e descriptografia. Esta abordagem é bem conhecida pela sua eficácia na encriptação de dados. Apesar de fornecer uma encriptação rápida e eficiente, a Criptografia de Chave Simétrica é menos comum no blockchain devido a dificuldades em transmitir com segurança a chave entre o remetente e o receptor. Esta restrição é crítica num sistema descentralizado como o blockchain, onde a confiança e a segurança são críticas.

Ler mais: https://www.gate.io/learn/articles/what-is-symmetric-key-cryptography/305

Criptografia de chave assimétrica

A criptografia de chave assimétrica, em contraste com abordagens simétricas, usa duas chaves: uma chave pública para encriptação e uma chave privada para desencriptação. Devido ao seu potencial para permitir a partilha segura de dados entre várias partes, esta abordagem é cada vez mais utilizada em aplicações blockchain. Apesar de ser mais lento do que as abordagens de chave simétrica, proporciona maior escalabilidade e segurança, tornando-o crucial para circunstâncias como transações de bitcoin onde a confiança entre as partes é essencial.

Ler mais: https://www.gate.io/learn/articles/what-are-asymmetrickey-algorithms/32

Funções Hash

As funções de hash são essenciais para a tecnologia blockchain, uma vez que não requerem chaves. Em vez disso, transformam o texto simples num valor de hash de comprimento fixo, garantindo a integridade e a segurança dos dados. Estas funções são críticas para estabelecer um ambiente blockchain seguro e fidedigno. São fundamentais na ligação de blocos na cadeia de blocos, garantindo que cada bloco está ligado de forma segura e imutável ao seu antecessor.

O Papel da Criptografia nas Aplicações Blockchain

A criptografia Blockchain é diversa, com cada técnica a cumprir funções distintas que contribuem para a segurança geral, a confiabilidade e o funcionamento das redes blockchain. Aqui estão algumas das áreas mais comuns em que a criptografia é usada em blockchain.

• Assinaturas Digitais: Fornece equivalentes digitais de assinaturas do mundo real, oferecendo autenticação, integridade e não repúdio. São essenciais para a verificação de transações na cadeia de blocos.
• Segurança das transações: Algoritmos criptográficos, como o SHA-256, são empregados em criptomoedas, formando a espinha dorsal de transações de moeda digital seguras e fiáveis.
• Contratos Inteligentes: Os princípios criptográficos são utilizados na execução de contratos inteligentes, que executam ações de forma autónoma com base em condições predefinidas, aumentando a eficiência e fiabilidade nas transações de blockchain.
• Gestão de Identidade e Acesso: O Blockchain aproveita métodos criptográficos para gerir identidades digitais com segurança, oferecendo soluções robustas para privacidade de dados e acesso controlado.

Visão geral da computação quântica

A computação quântica é um enorme avanço na tecnologia informática que é fundamentalmente diferente da computação normal. Enquanto os computadores normais utilizam bits (0s e 1s) para processar informações, os computadores quânticos usam bits quânticos ou qubits. Por causa das leis da superposição e do emaranhamento, que são ideias fundamentais na mecânica quântica, estes qubits podem existir em vários estados ao mesmo tempo. Isto permite que os computadores quânticos processem grandes quantidades de dados a taxas surpreendentes, excedendo consideravelmente as capacidades dos supercomputadores mais poderosos da atualidade.

O impacto potencial da computação quântica em numerosas indústrias é tremendo, especialmente em áreas que exigem resolução complicada de problemas e processamento de dados. No entanto, o seu maior potencial disruptivo reside na sua capacidade de desafiar as abordagens de encriptação existentes. A criptografia depende significativamente de questões matemáticas que agora são difíceis ou inviáveis de resolver usando a computação regular. Com as suas poderosas capacidades de processamento, a computação quântica ameaça desvendar as abordagens de encriptação existentes, o que representa um enorme risco de segurança para vários sistemas, incluindo a tecnologia blockchain.

Vulnerabilidades Expostas pela Computação Quântica

Origem: https://cybersecurityglossary.com/rivest-shamir-adleman-rsa/

Vulnerabilidade de encriptação RSA

A dificuldade de fatorar números primos grandes é a base da encriptação RSA, um sistema criptográfico de chave pública amplamente utilizado. Muitos protocolos de segurança digital contam com esta abordagem criptográfica. Os computadores quânticos podem quebrar a encriptação RSA muito mais rápido do que os computadores convencionais. Algoritmos criados expressamente para computadores quânticos, como o algoritmo de Stor, podem resolver problemas de fatorização principal rapidamente, comprometendo a segurança proporcionada pela encriptação RSA.

ECC (Criptografia de Curva Elíptica) em Risco

A dificuldade de fatorar números primos grandes é a base da encriptação RSA, um sistema criptográfico de chave pública amplamente utilizado. Muitos protocolos de segurança digital contam com esta abordagem criptográfica. Os computadores quânticos têm a capacidade de quebrar a encriptação RSA muito mais rápido do que os computadores convencionais. Algoritmos criados expressamente para computadores quânticos, como o algoritmo de Stor, podem resolver problemas de fatorização principal rapidamente, comprometendo a segurança proporcionada pela encriptação RSA.

Algoritmos Hash e Computação Quântica

As funções hash criptográficas, como o SHA-256, são críticas para a integridade e autenticação dos dados. São amplamente utilizados numa vasta gama de aplicações criptográficas, incluindo blockchain. Embora as funções hash sejam consideradas mais resistentes a ataques quânticos, não estão completamente imunes. Os ataques de colisão, como a técnica de Grover, poderiam teoricamente acelerar o processo de identificação dos dados de entrada de um hash, embora de forma menos dramática do que o impacto no RSA ou ECC.

Introdução à Criptografia Pós-Quântica (PQC)

Criptografia pós-quântica (PQC) refere-se a algoritmos criptográficos que se pensa serem seguros contra um ataque de computador quântico. À medida que a computação quântica progride, representa uma ameaça substancial para os algoritmos tradicionais de criptografia, que são críticos para proteger comunicações e dados digitais. Esta ameaça iminente acelerou o desenvolvimento do PQC, que se esforça para criar sistemas criptográficos que sejam seguros mesmo face às capacidades melhoradas dos computadores quânticos.

O PQC não envolve o uso de tecnologia quântica em criptografia (como na distribuição de chaves quânticas), mas sim o desenvolvimento de algoritmos que os computadores clássicos (não quânticos) ainda podem executar mas os computadores quânticos não podem quebrar facilmente. A importância do PQC decorre do seu papel potencial na proteção de dados e comunicações sensíveis contra futuros ataques quânticos, o que é fundamental para garantir a segurança a longo prazo numa variedade de setores, incluindo segurança nacional, finanças e proteção de dados pessoais.

Papel Potencial do PQC

• Protegendo a tecnologia Blockchain: Dada a dependência da blockchain em protocolos criptográficos para transações e contratos inteligentes, o PQC é vital para a sua segurança contínua.
• Garantir a segurança de dados a longo prazo: O PQC fornece um caminho para proteger as comunicações digitais atuais e futuras contra a possível descriptografia quântica.
• Adaptabilidade: O objetivo é desenvolver algoritmos de PQC que possam ser integrados na infraestrutura existente com o mínimo de interrupção.

Função do NIST e Algoritmos de PQC

O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) é extremamente importante no desenvolvimento e padronização de algoritmos PQC. Reconhecendo a ameaça quântica desde o início, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) lançou um procedimento para solicitar, avaliar e padronizar um ou mais algoritmos de criptografia de chave pública resistentes a quânticos. O objetivo não é simplesmente desenvolver algoritmos que possam resistir a ataques quânticos, mas também garantir que são eficientes e fáceis de executar.

O NIST selecionou sete algoritmos para uma avaliação mais aprofundada entre as muitas submissões recebidas, concentrando-se em várias abordagens criptográficas. De acordo com as atualizações mais recentes, quatro tipos de algoritmos são muito promissores:

Criptografia baseada em rede: Estes algoritmos baseiam-se em problemas de rede, que envolvem encontrar o vetor mais curto ou mais próximo numa rede de alta dimensão. São considerados difíceis de resolver mesmo para computadores quânticos. Os exemplos incluem o problema Aprender com Erros (LWE) e as suas variantes.

Criptografia baseada em código: Originados de códigos de correção de erros, esses algoritmos baseiam-se na dureza da decodificação de um código linear geral. São estudados há décadas e são conhecidos pela sua resistência a ataques quânticos.

Criptografia Polinomial Multivariada: Estes algoritmos envolvem a resolução de sistemas de polinómios multivariados, o que é um problema difícil conhecido. São atraentes devido à sua eficiência e ao pequeno tamanho das chaves.

Criptografia baseada em hash: Isto envolve a criação de assinaturas digitais usando funções hash. A segurança destes algoritmos decorre da resistência das funções hash a ataques de colisão, pré-imagem e segunda pré-imagem.

Relevância para a segurança Blockchain

Integração com a Infraestrutura Blockchain Existente: Os algoritmos PQC selecionados precisam ser compatíveis com os sistemas blockchain existentes, exigindo uma consideração cuidadosa da sua integração e implementação.

Garantir a viabilidade a longo prazo das redes Blockchain: À medida que a tecnologia blockchain continua a evoluir e a ser amplamente adotada, a integração do PQC será fundamental para garantir a sua resiliência contra ameaças quânticas.

Equilibrando Desempenho e Segurança: Dadas as restrições de recursos de muitas redes blockchain, os algoritmos PQC escolhidos devem encontrar um equilíbrio entre a eficiência computacional e a segurança robusta.

O PQC é uma técnica proativa para proteger sistemas criptográficos de ameaças de computação quântica. O envolvimento do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) na padronização de algoritmos PQC é fundamental para a segurança futura de inúmeras tecnologias, incluindo blockchain. A adoção destes algoritmos será fundamental para a segurança a longo prazo e a capacidade de sobrevivência das redes blockchain no futuro pós-quântico.

Implementando PQC em Blockchain: Estratégias e Desafios

Com a aproximação da chegada da computação quântica, incluir o PQC na cadeia de blocos é fundamental para garantir a sua segurança a longo prazo. Isto é crítico, uma vez que as tecnologias blockchain estão a ser cada vez mais utilizadas para uma vasta gama de aplicações, incluindo transações financeiras e gestão de identidade. O modelo de confiança da blockchain baseia-se na sua segurança criptográfica. O PQC é fundamental para preservar a confiança, garantindo que as transações e os dados estão seguros contra ameaças quânticas.

Principais Desafios na Implementação do PQC

• Seleção e Padronização de Algoritmos: Escolher os algoritmos PQC certos que sejam seguros contra ataques quânticos e suficientemente eficientes para aplicações blockchain.
• Integração com Sistemas Existentes: Atualizar sistemas blockchain existentes com novos algoritmos PQC sem interromper as suas operações apresenta um desafio técnico significativo.
• Considerações de desempenho: Os algoritmos PQC, em geral, exigem mais recursos computacionais. Garantir que não degradam significativamente o desempenho dos sistemas blockchain é crucial.
• Gestão de Chaves e Armazenamento: A transição para o PQC pode envolver alterações nas práticas de gestão e armazenamento de chaves, uma vez que os algoritmos de PQC têm frequentemente diferentes requisitos de tamanho e estrutura de chave.

Soluções Potenciais

• Implementação em fases: Introdução gradual do PQC, permitindo testes e optimização antes da implementação completa.
• Sistemas Criptográficos Híbridos: Combinar métodos criptográficos atuais com algoritmos PQC pode fornecer um equilíbrio entre segurança e desempenho durante o período de transição.
• Colaboração com a Comunidade Criptográfica: Trabalhar em estreita colaboração com especialistas em criptografia para se manter atualizado com os mais recentes desenvolvimentos e melhores práticas de PQC.

Abordagem em camadas à integração PQC em Blockchain

Camada de hardware

Para responder às necessidades computacionais dos algoritmos PQC, os nós numa rede blockchain podem exigir actualizações de hardware. Isto inclui CPUs mais rápidas e capacidades de memória maiores. Para suportar algoritmos de PQC, pode ser necessário modificar ou substituir hardware criptográfico especializado, tais como os Módulos de Segurança de Hardware (HSMs), garantindo a geração, o armazenamento e a gestão seguros de chaves.

Camada de dados

A transição para o PQC para os dados armazenados na cadeia de blocos implica a adoção de técnicas de encriptação resistentes a quânticas. Isso pode implicar cargas criptografadas maiores e, como resultado, alterações nos procedimentos de armazenamento e processamento de dados. Embora as funções hash sejam mais resistentes ao quântico em geral, avaliar a sua segurança contra ataques quânticos é fundamental. Quaisquer atualizações necessárias envolveriam garantir que a integridade dos dados da cadeia de blocos não está comprometida.

Camada de rede

Não só o PQC deve proteger os dados das transações, mas também as ligações de comunicação entre nós. Isto inclui encriptação de dados em trânsito e autenticação de pedidos de rede, o que pode exigir o desenvolvimento de novos protocolos ou actualizações para os actuais.

Camada de Consenso

Para habilitar o PQC, os métodos de consenso de blockchain (como Prova de Trabalho ou Prova de Estaca) podem precisar ser modificados. Alterações na forma como os blocos são validados e adicionados à cadeia de blocos podem ser implementadas para garantir que o processo de consenso permaneça à prova de adulteração face às ameaças quânticas.

Camada de Incentivo

O uso do PQC pode alterar a dinâmica computacional da participação na rede blockchain. Para alinhar os incentivos com os novos protocolos de segurança, as estruturas de recompensa para mineiros ou validadores podem ter de ser reavaliadas.

Camada Contratual

Os contratos inteligentes, que são frequentemente fundamentais para a operação de blockchain, devem ser examinados quanto à segurança criptográfica num mundo pós-quântico. Para usar algoritmos PQC, os desenvolvedores podem precisar construir novos contratos ou alterar os existentes, garantindo que a sua execução permaneça segura contra ataques quânticos.

Camada de aplicação

Para suportar futuros padrões criptográficos, as aplicações e interfaces do utilizador final, como carteiras e plataformas de câmbio, terão de ser atualizadas. Isto inclui garantir que as APIs são capazes de lidar com novos formatos-chave e tecnologias de encriptação, e que as interfaces de utilizador são construídas para conduzir facilmente os utilizadores através de quaisquer novos processos de segurança.

Estudos de caso e aplicações do mundo real

Quantum Resistente Ledger (QRL)

O Quantum Resistente Ledger (QRL) é um projeto notável em tempo real que incorpora criptografia pós-quântica na tecnologia blockchain. QRL é uma tecnologia blockchain que foi especificamente desenvolvida para ser resistente a ataques de computação quântica. Este projeto é notável pelo uso de métodos de computação pós-quântica para alcançar segurança absoluta, conforme verificado pelas auditorias red4sec e x41 D-sec.

Origem: https://www.theqrl.org/

Principais características do Projeto QRL:

• Suporte multiplataforma: O QRL suporta uma vasta gama de plataformas de interação do utilizador, incluindo aplicações de desktop para Windows, Mac e Linux, aplicações móveis para iOS e Android e interfaces web.
• Suporte de Carteira de Hardware: O projeto suporta carteiras de hardware como o Ledger Nano S, o que melhora a segurança dos ativos digitais.
• Suporte de mensagens em cadeia e notarização: O QRL oferece suporte a mensagens na cadeia e notarização, que adicionam camadas de funcionalidade ao blockchain.
• Integração Keybase ID: Esta funcionalidade melhora a identificação do utilizador e a segurança dentro do ecossistema.
• APIs robustas: O QRL fornece uma vasta gama de APIs, incluindo a API QRL, a API Explorer, a API da Carteira e as ferramentas de linha de comando, tornando-a muito personalizável para programadores e integradores.

A QRL pretende implementar contratos inteligentes e um método de consenso de prova de participação, ambos estão atualmente em desenvolvimento. A criação de um centro de desenvolvimento está projectada para aumentar drasticamente a produção de desenvolvimento do projeto. Esta pesquisa demonstra como a tecnologia blockchain pode expandir-se para incluir características de resistência quântica, garantindo segurança e longevidade face ao aumento das capacidades dos computadores quânticos. O projeto QRL está a apresentar-se como uma solução blockchain preparada para o futuro e rica em recursos, destacando a importância de prever e reagir aos crescentes desafios e possibilidades técnicas no setor blockchain.

Iniciativas e Colaborações Globais

Quantum-Safe Security Working Group (QSWG): Este grupo de trabalho foi formado pelas principais empresas de tecnologia e institutos de investigação para produzir padrões e melhores práticas para a criptografia quântica segura. O QSWG trabalha globalmente para resolver as dificuldades associadas à mudança para técnicas de criptografia resistentes a quânticas.

European Quantum Flagship: O European Quantum Flagship é uma coligação de grupos académicos, industriais e governamentais dedicados ao avanço da tecnologia quântica, particularmente soluções de criptografia quânticas seguras. Estão a investigar formas de integrar várias tecnologias, particularmente sistemas blockchain, nas infraestruturas atuais.

Adaptações e Inovações Corporativas

Blockchain Quantum-Safe da IBM: A IBM está a criar soluções criptográficas quânticas seguras para as suas plataformas blockchain como pioneira na investigação em computação quântica. A sua investigação está centrada no desenvolvimento de algoritmos que possam resistir a ataques quânticos, mantendo-se eficientes e compatíveis com os sistemas existentes.

Investigação em Computação Quântica do Google: O Google está a explorar ativamente a computação quântica e as suas implicações para a criptografia. Para proteger contra futuras ameaças quânticas, estão a investigar novos protocolos criptográficos que podem ser integrados na tecnologia blockchain.

Avanços Tecnológicos e Avanços

Desenvolvimento de Algoritmos de Resistência Quântica: Investigadores de várias instituições estão a trabalhar em algoritmos sofisticados resistentes a quânticos, como a criptografia baseada em rede, que se pensa serem eficazes contra ataques quânticos de computadores. Estes algoritmos estão a ser avaliados para possível inclusão em redes blockchain.

Casos de estudo específicos do setor

Adaptação de blockchain de saúde: As organizações de saúde que estão a usar blockchain para uma gestão segura dos dados dos pacientes estão a começar a testar soluções de PQC. Estas organizações estão particularmente preocupadas em proteger dados sensíveis de saúde de futuras ameaças de computação quântica.

Serviços Governamentais e Segurança Blockchain: Várias agências governamentais em todo o mundo estão a testar projetos de blockchain para serviços públicos, com o objetivo de incorporar o PQC para garantir a segurança e integridade dos dados a longo prazo.

Conclusão

À medida que nos aproximamos do alvorecer de uma nova era tecnológica anunciada pela chegada da computação quântica, a incorporação da Criptografia Pós-Quântica (PQC) na tecnologia blockchain surge como um empreendimento chave. Este ensaio cobriu os fundamentos criptográficos da blockchain, a ameaça iminente da computação quântica e o papel crítico do PQC no reforço da blockchain contra esses problemas futuros.

A exploração de muitos métodos criptográficos agora utilizados em blockchain, que vão desde criptografia de chave simétrica e assimétrica até funções hash, estabeleceu a estrutura para a compreensão do perigo quântico. O potencial da computação quântica para interromper os protocolos de criptografia padrão enfatiza a importância de mudar para algoritmos resistentes a quânticos. A investigação do PQC é um raio de esperança, fornecendo um caminho para proteger a tecnologia blockchain num mundo pós-quântico.

Aplicações do mundo real e estudos de caso, que abrangem desde iniciativas globais a avanços empresariais, demonstram um esforço coordenado para abraçar o PQC em todos os setores. Estes exemplos não só mostram a aplicação prática dos princípios académicos mas também enfatizam as dificuldades e curvas de aprendizagem envolvidas nesta transformação. A transição para a blockchain quântica está a ganhar força em setores que vão desde os cuidados de saúde aos serviços governamentais.