Der Forscher der Ethereum Foundation, Justin Drake, hat erklärt, dass das Layer 1 des Netzwerks Poseidon nach einer achtjährigen Forschungsarbeit mit achtstelligem Budget verlassen wird und etablierte Hash-Funktionen wie SHA-2 oder BLAKE2s verwendet werden sollen.
Zusammenfassung
- Die L1-Roadmap von Ethereum wird traditionelle Hashes anstelle der auf SNARK ausgerichteten Poseidon-Funktion verwenden.
- Binärfeld-SNARKs können Berichten zufolge etwa 1 Million traditionelle Hash-Aufrufe pro Sekunde beweisen.
- Eine produktionsreife leanVM ist für 2027 geplant, gefolgt von Layer-Bereitstellungen im Jahr 2028.
- Hash-basierte Signaturen bilden einen zentralen Bestandteil des geplanten Schutzes von Ethereum gegen Quantencomputer.
Ethereum L1 wendet sich von Poseidon ab
Justin Drake sagte in einem X-Beitrag vom 13. August, dass die Ethereum Foundation Poseidon für ihre L1-Roadmap aufgibt und sich traditionellen Optionen wie SHA oder BLAKE zuwendet.
„Auf Wiedersehen, Poseidon!“, schrieb Drake und beschrieb die Entscheidung als Ergebnis eines „8-jährigen, achtstelligen Kaninchenbaus“ in der Post-Quanten-Kryptographie.
Poseidon entstand 2019 als Hash-Funktion, die für Zero-Knowledge-Beweissysteme entwickelt wurde. Ihre Struktur machte die Verarbeitung in Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge, allgemein bekannt als SNARKs, kostengünstiger als bei traditionellen Hash-Funktionen, die auf binären Operationen basieren.
Seit 2018 hat die Ethereum Foundation im Rahmen ihrer Arbeit an Zero-Knowledge-Technologie in spezialisierte Hashes investiert. Poseidon wurde später eine häufige Wahl in zk-Rollups und zkVMs, einschließlich Systemen, die Milliarden von Dollar an Krypto-Assets sichern.
Drakes Ankündigung betrifft die zukünftige L1-Architektur von Ethereum und nicht die sofortige Entfernung von Poseidon aus bestehenden Anwendungen. Rollups, virtuelle Maschinen und andere Projekte, die die Funktion bereits verwenden, sind nicht verpflichtet, sie aufgrund der Roadmap-Entscheidung zu ersetzen.
Fortschritte im Design von Beweissystemen haben nun den Kompromiss verändert, der ursprünglich Poseidon begünstigte. Laut Drake können etablierte Funktionen wie SHA-2 und BLAKE2s mit ihrer Leistung mithalten, wenn sie mit SNARKs kombiniert werden, die für binäre Berechnungen ausgelegt sind.
„Im Nachhinein war der Schlüssel nicht SNARK-freundliche Hashes, sondern hash-freundliche SNARKs.“
Binärfeld-SNARKs machen traditionelle Hashes praktikabel
Binärfelder ermöglichen es Beweissystemen, die von Standard-Hash-Funktionen verwendete Boolesche Logik natürlicher zu verarbeiten. Frühere SNARK-Designs stützten sich oft auf große Primzahlfelder, in denen bitbasierte Operationen wie XOR kostspielig darzustellen sein konnten.
Die Arbeit über der kleinsten Primzahl, zwei, ermöglicht es Binärfeld-Systemen, ihre Berechnungen an den Nullen und Einsen der konventionellen Computertechnik auszurichten. Drake sagte, dass die resultierenden Designs etwa 1 Million traditionelle Hash-Aufrufe pro Sekunde auf einem Laptop beweisen können, mit einem Overhead von ungefähr 100 Mal im Vergleich zur nativen CPU-Ausführung.
Forschungsprojekte wie Binius und Flock trugen laut dem Beitrag zu den Leistungssteigerungen bei. Binius wendet Binärfeld-Arithmetik auf Zero-Knowledge-Beweise an, während Flock sich auf das Beweisen großer Stapel Boolescher Berechnungen konzentriert, einschließlich Berechnungen mit SHA-256, Keccak und BLAKE3.
Drake wies auch auf SNARK.fast hin, ein offenes automatisiertes Forschungsprojekt, das künstliche Intelligenz nutzt, um Beweiscode zu verbessern. Sein stärkstes Ergebnis erreichte 1,8 Millionen BLAKE3-Kompressionen pro Sekunde, was eine Verbesserung von 255% gegenüber seinem Ausgangs-Benchmark darstellt.
Die Verwendung etablierter Hashes könnte die Abhängigkeit von Ethereum von spezialisierten kryptografischen Funktionen verringern, die Jahre separater Analyse erfordern. SHA und BLAKE wurden bereits außerhalb von Zero-Knowledge-Systemen umfassend untersucht, obwohl ihre Implementierung innerhalb von Ethereum weiterhin Forschung, Audits und Tests erfordern würde.
Die Entscheidung verändert auch die Beziehung zwischen Ethereums Hash-Funktionen und seiner Beweisinfrastruktur. Anstatt eine neue Hash-Funktion um die Grenzen eines SNARK zu entwerfen, können Forscher den SNARK um Hash-Funktionen herum bauen, die bereits eine lange Sicherheitsbilanz haben.
Ethereums Post-Quanten-Arbeit bevorzugt hash-basierte Signaturen
Drake verknüpfte die Entscheidung mit Ethereums Post-Quanten-Sicherheitsprogramm, das das Protokoll auf Computer vorbereitet, die in der Lage sind, elliptische-Kurven-Kryptographie zu brechen. Ethereum verlässt sich derzeit auf solche Systeme für Benutzerkonten und Teile seiner Konsens- und Dateninfrastruktur.
Wie crypto.news im August berichtete, hat Mitbegründer Vitalik Buterin Quantensicherheit in der aktualisierten Roadmap von Ethereum höher priorisiert. Der Plan umfasst auch native Privatsphäre, formale Verifikation, Post-Quanten-Skalierung und mögliche Ersetzungen für Teile der Ethereum Virtual Machine.
Drake sagte, dass jüngste Fortschritte in der KI-gestützten Kryptoanalyse Rückschläge für komplexere Post-Quanten-Systeme verursacht haben. Er nannte insbesondere HAWK, ein gitterbasiertes Signaturdesign, und SQIsign, das auf isogeniebasierter Kryptographie beruht.
Nach seiner Einschätzung stärken die Probleme das Argument für hash-basierte Signaturen auf Blockchains. Solche Designs verwenden relativ einfache und umfassend untersuchte Annahmen, obwohl einzelne Signaturen für die direkte Verwendung im aktuellen Maßstab von Ethereum zu groß sein können.
SNARK-Aggregation bietet eine Möglichkeit, das Größenproblem zu lösen. Ein Beweissystem kann viele hash-basierte Signaturen verifizieren und das Ergebnis in einen kleineren Beweis für das Netzwerk komprimieren, anstatt zu verlangen, dass jede Signatur separat platziert und überprüft wird.
Die gleiche Methode könnte Multisignatur-Vereinbarungen und k-of-n-Schwellenwertsignaturen unterstützen, bei denen eine Transaktion die Genehmigung einer bestimmten Anzahl von Teilnehmern benötigt. Drake sagte, die Flexibilität ergibt sich aus der Verwendung des SNARK, um die Autorisierungsregeln zu beweisen, ohne alle zugrunde liegenden Signaturdaten onchain zu platzieren.
Vorbereitungen auf Wallet-Ebene werden bereits getestet. Im Juni demonstrierte ein Ethereum-Forscher den Kontoschutz mit einem SPHINCS-basierten Signaturverifizierer, wobei eine optimierte Version etwa 127.000 Gas benötigte und eine Signatur von 3.704 Byte trug. Der Forscher schätzte die Verifikationskosten damals auf etwa 0,07 $ pro Konto.
US-Standards erhöhen den Druck für frühzeitige Vorbereitung
Für US-Investoren und Unternehmen, die Ethereum nutzen, adressiert die Roadmap ein Sicherheitsrisiko, das Bundesnormungsbehörden bereits als Migrationsproblem behandeln. Das National Institute of Standards and Technology hat im August 2024 seine ersten drei Post-Quanten-Kryptographiestandards finalisiert und Systemadministratoren ermutigt, mit deren Integration zu beginnen.
Die Standards des NIST bestimmen nicht die Protokollwahl von Ethereum, und die ausgewählten Algorithmen der Behörde machen das Netzwerk nicht allein quantensicher. Seine Migrationsarbeit zeigt jedoch, dass amerikanische Institutionen sich vorbereiten, bevor kryptographisch relevante Quantencomputer verfügbar werden.
Ein unabhängiger Beirat von Coinbase vertrat in einem im April veröffentlichten 50-seitigen Papier eine ähnliche Position. Zu seinen Mitgliedern gehörten Drake, der Stanford-Kryptograph Dan Boneh, EigenLayer-Gründer Sreeram Kannan, Coinbase-Kryptographie-Chef Yehuda Lindell und die Distributed-Systems-Forscherin Dahlia Malkhi.
Der Beirat kam zu dem Schluss, dass aktuelle Blockchains sicher vor Quantenangriffen bleiben, warnte jedoch davor, dass das Ersetzen verwundbarer Signaturen in Netzwerken, Wallets und Börsen Jahre dauern könnte. Laut dem Beratungspapier könnten einige quantenresistente Alternativen die Datenanforderungen der Blockchain um bis zu 38 Mal erhöhen.
Ethereums Verwendung von Beweisaggregation soll solche Kosten begrenzen und gleichzeitig verwundbare Kryptographie ersetzen. Drake sagte, hash-basierte SNARKs könnten eine beliebige Anzahl von Post-Quanten-Signaturen in einen kompakten Beweis komprimieren, der für die Aufnahme in einen Block geeignet ist.
LeanVM zielt auf Produktionsbereitstellung im Jahr 2027
Das Post-Quanten-Team der Ethereum Foundation arbeitet an Binärfeld-Infrastruktur als Teil von leanVM, einer minimalen Zero-Knowledge-Virtual-Machine, die kryptographische Beweise verifizieren und aggregieren soll.
Drake sagte, der aktuelle Zeitplan sehe eine produktionsreife leanVM im Jahr 2027 vor. Bereitstellungen, die Ethereums Konsens-, Daten- und Ausführungsebenen betreffen, sind für 2028 geplant, obwohl jede Protokolländerung weiterhin Implementierung, Tests und Zustimmung der unabhängigen Entwicklungsteams von Ethereum erfordern wird.
Der Zeitplan liegt innerhalb von Ethereums Strawmap, einem technischen Koordinationsdokument, das bis 2029 reicht, und nicht einem endgültigen Aktivierungskalender. Frühere Strawmap-Berichterstattung beschrieb sieben vorgeschlagene Forks, die schnellere Slots, kürzere Finalität, Post-Quanten-Kryptographie, Privatsphäre und höhere Netzwerkkapazität abdecken.
Ethereums Post-Quanten-Team arbeitet nun mit Binius, Flock und verwandten Binärfeld-Systemen zusammen, während es leanVM-Benchmarks entwickelt. Drake sagte, die geplante Arbeit für 2028 würde die resultierende Beweistechnologie separat auf die Konsensschicht, die Datenschicht und die Ausführungsschicht anwenden.
