Monad, постквантовая криптография и Cadence: разбор. Почему его технологический путь кардинально отличается от Ethereum?

Автор: r2Jamong (исследователь Four Pillars)

Перевод: TechFlow

TechFlow: По мере стремительного развития аппаратного обеспечения для квантовых вычислений и поэтапного утверждения стандартов постквантовой криптографии со стороны Национального института стандартов и технологий США (NIST), способность публичных блокчейнов защищаться от квантовых атак эволюционировала из академической гипотезы в острую необходимость обеспечения базового существования протокола. Однако распространенное представление о «простой замене текущих алгоритмов подписей на постквантовые» вступает в противоречие с требованиями высокопроизводительного консенсуса, где физические ограничения делают такой подход нежизнеспособным.

В данном детальном техническом анализе исследователь Four Pillars r2Jamong системно сопоставляет фундаментальные различия между недавно опубликованным протоколом консенсуса Quantum Cadence от Monad, обладающим устойчивостью к квантовым атакам, и траекцией разработки соответствующих решений в Ethereum. Благодаря наличию 860 тысяч активных узлов валидации Ethereum вынужден мириться с большими сетевыми издержками высокораспределенной сети и полагаться лишь на подписи leanXMSS в рамках длинных слотов продолжительностью 12 секунд, используя затратные доказательства SNARK для сжатия данных, чтобы бескомпромиссно отстаивать свою децентрализованную основу. Monad же, ставящей целью удержание экстремально короткого слота в 100 мс, категорически не подходит расчетная задержка агрегации SNARK, поэтому она радикально исключает громоздкие пакеты криптографических подписей из критической ветки консенсуса.

За счет перехода к легковесным двунаправленным аутентифицированным каналам, хэш-верификации голосов peer-to-peer и строгого ограничения массивных постквантовых подписей исключительно этапом постфактумного штрафования (Slashing), Monad в высоконгруционной сети из 200 узлов не только обеспечила почти мгновенную финальность транзакций за 231 миллисекунду, но и драматично снизила потребление исходящей сетевой полосы на 27%. Данный материал обнажает для индустрии ключевую истину: безопасность публичных блокчейнов в постквантовую эпоху никоим образом не сводится к универсальным готовым стандартам, а представляет собой комплексную инженерную задачу, которую каждая сеть должна решать самостоятельно, опираясь на компромиссы внутри собственной архитектуры.

27 октября команда разработчиков Monad, Category Labs, официально представила постквантовый консенсусный протокол Quantum Cadence. Quantum Cadence представляет собой версию с постквантовой защитой протокола Cadence, который был запущен Monad в июле текущего года как многопредложенийный (multi-proposer) механизм консенсуса.

Поскольку сам протокол Cadence еще не запущен в основную сеть (mainnet), Quantum Cadence следует рассматривать как упреждающий шаг высокопроизводительного L1 публичного блокчейна Monad, демонстрирующий его стратегические технологические резервы перед наступлением постквантовой эпохи.

Технический вектор Monad Quantum Cadence полностью противоположен подходам к постквантовому проектированию в Ethereum. Если Ethereum стремится переосмыслить свои уязвимые к квантам пакеты подписей, трансформировав их в новую форму с постквантовой защитой, то Monad ради достижения этой цели полностью отказывается от пакетов подписей.

Оба проекта представляют собой блокчейн-сети и функционируют в одинаковой среде исполнения — EVM. Тогда почему их технологические траектории в ответ на вызовы постквантовой эры столь радикально расходятся?

Расшифровка постквантовой архитектуры консенсуса Monad

Рис.: Сравнение архитектуры консенсуса Cadence с устойчивостью к квантовым атакам и традиционного обмена сертификатами в Monad

Механизмы консенсуса большинства современных высокопроизводительных блокчейнов критически зависят от сертификатов кворума (Quorum Certificates, QC). По сути, QC представляет собой агрегированный пакет подписей, подтверждающий, что как минимум две трети валидаторов проголосовали за один и тот же блок. Эти сертификаты передаются между узлами путем взаимной трансляции в сети.

Использование подписей BLS делает данный процесс крайне экономичным, поскольку сотни и тысячи индивидуальных подписей могут быть без потерь агрегированы в одну микроподпись размером всего 96 байт. Однако фатальная проблема заключается в том, что квантовые компьютеры способны легко взломать алгоритм подписей BLS.

Безопасные алгоритмы подписей, способные сопротивляться атакам квантовых компьютеров, как правило, обладают крайне большим объемом, а их природа затрудняет эффективную агрегацию.

Например, стандартизированный NIST алгоритм ML-DSA-44 генерирует отдельные подписи объемом до 2420 байт. На сегодняшний день ни одна постквантовая подпись не способна агрегироваться так же компактно и быстро, как BLS.

При отсутствии эффективных механизмов агрегации один сертификат консенсуса быстро разрастается до тяжелой структуры, содержащей сотни крупногабаритных подписей. Цель консенсуса Monad Cadence — обеспечить сверхкороткий интервал слотов в 100 мс и позволить нескольким proposers блоков параллельно отправлять блоки одновременно. Сеть не справится с нагрузкой, если каждый валидатор обязан будет транслировать подобный гигантский сертификат каждому слоте в глобальную сеть.

Поэтому Monad не стала пассивно ждать появления более компактных алгоритмов постквантовой агрегации, а решила окончательно исключить громоздкие пакеты подписей из основного потока консенсуса.

В новом механизме после получения голосов каждый валидатор самостоятельно проводит подсчет в локальной среде и проверяет достижение кворума. Безопасность (Safety) и живучесть (Liveness) сети базируются на аутентифицированных защищенных каналах связи и хэш-верификации, а не на вложенных цепочках доказательств подписей.

Массивные постквантовые подписи сохраняются, но сокращены до минимума: они используются исключительно для выявления и наказания (Slashing) злоумышленников и нарушителей правил постфактум. В штатном режиме каждый валидатор подписывает максимум два голоса за слот.

В технической статье, опубликованной 23 октября, исследовательская группа провела детальное моделирование при жестких допущениях: скорость сети 1 Гбит/с, 200 валидаторов, идеальные каналы без отказов и объем одной подписи в 5000 байт.

В предельном сценарии с параллельным созданием блоков 100 proposers пропускная способность исходящего трафика каждого валидатора по сравнению с исходным протоколом Cadence не выросла, а наоборот, удивительным образом сократилась на 27%, упав с 772 Мбит/с до 561 Мбит/с. Одновременно с этим время достижения финальной подтверждения транзакций составило 231 мс, что практически не отличается от показателя оригинала в 229 мс.

Главная дилемма Ethereum — децентрализация, Monad — максимальная скорость

Рис.: Обзор компромиссов производительности между агрегацией подписей SNARK в Ethereum и аутентифицированными хэш-каналами Monad

По состоянию на начало октября в сети Ethereum функционировало около 860 тысяч независимых активных валидаторов. Поскольку Ethereum позволяет любому присоединиться без барьеров, прямая сверка голосов участниками с такой масштабной и распределенной децентрализованной структурой абсолютно нереализуема.

Следовательно, Ethereum не имеет иного выхода, кроме как перестроить свои пакеты подписей. Проект планирует использовать основанный на хэшах алгоритм leanXMSS для полной замены уязвимого BLS, применяя доказательства с нулевым разглашением SNARK для сжатия этих многочисленных подписей, которые изначально нельзя объединить напрямую.

Генерация доказательств с нулевым разглашением требует значительного времени, однако относительно длинные слоты Ethereum (на данный момент 12 секунд) предоставляют достаточно буферной емкости для поглощения этих вычислительных издержек.

Технологические требования Monad диаметрально противоположны. Cadence ориентирована на предельный интервал слотов в 100 мс, что исключает возможность тратить драгоценное время на ожидание длительных процессов агрегации доказательств SNARK.

С другой стороны, значительно более компактная конфигурация Monad (200 узлов валидации) делает абсолютно реалистичным процесс прямого подсчета голосов каждым участником локально и проверки результатов всех остальных.

В контексте масштабной задачи противодействия квантовым угрозам Ethereum выбрала архитектуру, направленную на максимальную защиту своей экстремальной децентрализации, тогда как Monad сделала ставку на технологический путь, бескомпромиссно оберегающий рекордную пропускную способность и минимальную задержку ответа.

Алгоритмы постквантовых подписей не являются универсальным решением: глубокое перестроение на уровне архитектуры консенсуса

Хотя NIST уже стандартизировал передовые алгоритмы подписей, устойчивые к взлому квантовыми компьютерами, эти отраслевые универсальные стандарты невозможно напрямую и бесшовно применить к сетям, функционирующим в различных рабочих средах.

В области консенсуса блокчейнов простая замена алгоритмов подписей на постквантовые аналоги вовсе не решает все инженерные проблемы. Каждая сеть обязана заранее подготовиться к собственным уникальным производительным и топологическим ограничениям, вместо того чтобы пассивно ждать спасения со стороны внешних готовых решений.

Для Monad суть достижения устойчивости к квантам никогда не сводилась к простому выбору конкретного алгоритма подписей; ключ лежит в плоскости радикального перестроения базовой структуры механизма консенсуса, опирающегося на обмен сертификатами.

Иные сети блокчейна стоят перед аналогичным финальным выбором. Совместимые с EVM цепочки, возможно, смогут воспользоваться опытом Ethereum в сфере абстракции счетов и постквантовых подписей при миграции обычных учетных записей; однако на уровне базовой архитектуры консенсуса это остается сугубо внутренней задачей каждой отдельной публичной сети, и никто не способен решить ее за них.

На сегодняшний день еще не существуют достаточно мощные квантовые компьютеры, способные реально угрожать безопасности основных блокчейнов; отраслевые прогнозы относят их появление к началу — середине 2030-х годов. Тем не менее временное окно для технического перехода команд публичных сетей отнюдь не является комфортным или долговременным.

Даже внутренний процесс миграции Ethereum на постквантовые стандарты на Layer 1 запланирован не ранее чем до 2029 года; разработка принципиально нового механизма консенсуса — от теоретических изысканий до интеграции в основную сеть — традиционно занимает годы кропотливых исследований и суровых практических тестирований.

Именно поэтому команда Monad так спешила презентовать свою постквантовую версию протокола Cadence даже до его официального запуска в основную сеть.

Оборона в сфере постквантовой криптологии никогда не завершится автоматически лишь потому, что какая-либо организация утвердила единый стандарт. Это сложнейшая задача, которую каждая блокчейн-сеть обязана решить самостоятельно, проводя балансировку возможностей и ограничений внутри собственной уникальной архитектурной системы.