Trilha Acadêmica | Instituto de Tecnologia e Liderança Trabalho de Conclusão de Curso
- Autor: Arthur Tsukamoto
- Curso: Ciência da Computação
- Orientadora: Profa. Dra. Ana Cristina Santos
- Área: Criptografia Pós-Quântica, Blockchain, Sistemas Distribuídos
Este projeto foi desenvolvido no âmbito da Trilha Acadêmica do Inteli como parte do Trabalho de Conclusão de Curso.
O estudo investiga a viabilidade da integração do algoritmo pós-quântico Falcon-512 à blockchain Solana, analisando as limitações e restrições arquiteturais do runtime da rede e contribuindo com uma proposta híbrida (on-chain / off-chain). A proposta consiste na criação de um programa que utiliza um syscall nativo para verificação de assinaturas Falcon-512 por meio da biblioteca pqcrypto. O syscall foi implementado em um fork do solana-test-validator, modificado para permitir o uso da biblioteca pqcrypto e realizar a verificação on-chain.
Computadores quânticos criptograficamente relevantes ameaçam esquemas de assinatura digital baseados em fatoração de inteiros e logaritmos discretos, incluindo o Ed25519, esquema que sustenta a autenticação de transações na Solana. Esse cenário viabiliza estratégias adversariais do tipo Harvest Now, Decrypt Later, nas quais dados capturados hoje podem ser explorados quando a capacidade quântica estiver disponível.
A migração para criptografia pós-quântica na Solana, no entanto, esbarra em restrições arquiteturais relevantes: o limite de 1.232 bytes por transação penaliza esquemas com chaves e assinaturas grandes, e a Solana Virtual Machine (SVM), derivada do modelo eBPF/SBF, não suporta nativamente as operações de ponto flutuante exigidas pela verificação do Falcon-512.
Diante desse contexto, a pergunta de pesquisa é: é viável integrar algoritmos pós-quânticos de assinatura digital à Solana de forma nativa e eficiente, preservando segurança e desempenho?
Avaliar tecnicamente a viabilidade de uma transição pós-quântica híbrida na Solana, em vez de uma migração completa da rede, por meio de:
- Análise comparativa de algoritmos pós-quânticos quanto à compatibilidade com o limite de 1.232 bytes por transação da Solana.
- Implementação de uma arquitetura híbrida que combina Ed25519 (compatibilidade nativa) com Falcon-512 (camada adicional de autenticação pós-quântica).
- Vinculação da chave pública pós-quântica à identidade Ed25519 do usuário por meio de uma Program Derived Address (PDA).
- Extensão experimental do runtime do validador via um syscall nativo (
sol_falcon512_verify) para verificação de assinaturas Falcon-512. - Caracterização dos efeitos da abordagem sobre tempo de assinatura, tempo de confirmação, tamanho de transação e consumo de Compute Units.
O estudo foi conduzido em duas etapas complementares.
Implementação de uma arquitetura híbrida com geração off-chain do par de chaves Falcon-512, registro da chave pública em uma PDA derivada da identidade Ed25519 do usuário e submissão de transações com dupla autenticação. Essa etapa verificou experimentalmente a inviabilidade da verificação Falcon-512 diretamente na SVM, em decorrência da dependência do algoritmo da aritmética de ponto flutuante de dupla precisão (IEEE 754) para amostragem gaussiana sobre reticulados NTRU.
A verificação criptográfica foi deslocada para o runtime do validador por meio do syscall nativo sol_falcon512_verify, implementado em um fork do Agave (repositório principal da Solana). O syscall realiza o mapeamento de memória da SVM, valida estruturalmente os componentes criptográficos e delega a verificação à biblioteca pqcrypto_falcon.
Foram avaliadas 20.360 transações, distribuídas em lotes de N igual a 5, 25, 50, 100 e 10.000, comparando três cenários:
- Transferência nativa autenticada por Ed25519.
- Transferência autorizada por Falcon-512 verificada via syscall nativo.
- Cenário analítico de Ed25519 sob a mesma arquitetura do Falcon-512 (PDA combinado com syscall hipotético), derivado das constantes oficiais do
execution_budget.rs.
- Taxa de sucesso de 100% em todas as execuções, com métricas estáveis em todos os lotes.
- Tempo de assinatura: Falcon-512 (148,7 µs) foi aproximadamente 4,7× maior que o Ed25519 (31,9 µs), mas permaneceu na ordem de microssegundos.
- Tamanho de transação: 934 bytes para o fluxo Falcon-512, contra 215 bytes do Ed25519 nativo, permanecendo dentro do limite de 1.232 bytes da Solana.
- Tempo de confirmação: diferença inferior a 1% entre os cenários (529,0 ms contra 523,8 ms).
- Compute Units: 9.614 CU para o fluxo Falcon-512, dos quais apenas 900 CU (9,4%) correspondem à verificação criptográfica via syscall. O restante é overhead arquitetural (leitura de PDA, desserialização da chave pública de 897 bytes,
find_program_addressetc.). - Paridade técnica arquitetural: o Ed25519 hipotético sob a mesma arquitetura consumiria aproximadamente 8.834 CU, indicando paridade (1,09×) com o Falcon-512 medido (9.614 CU). O custo adicional do fluxo pós-quântico tem origem arquitetural, não criptográfica.
- Conclusão prática: a verificação Falcon-512 diretamente na SVM é inviável, enquanto a verificação no runtime via syscall nativo é operacionalmente viável.
Os artefatos finais consolidados do Trabalho de Conclusão de Curso estão disponíveis em Entrega_Final/:
Entrega_Final/TCC_Final_Arthur_Tsukamoto.pdf: monografia final do Trabalho de Conclusão de Curso (versão PDF).Entrega_Final/TCC_Final_Arthur_Tsukamoto.docx: monografia final (versão editável).Entrega_Final/Viabilidade_de_uma_Transição_Pós_Quântica_Híbrida_na_Blockchain_Solana_via_Syscall_Nativo.pdf: artigo aceito no Congresso Brasileiro de Ciências e Tecnologias Quânticas (CBCTQ 2026).Entrega_Final/Aprovacao_CBCTQ.pdf: carta de aprovação do artigo no CBCTQ 2026.Entrega_Final/TCC-Apresentacao-Final.pdf: apresentação final do Trabalho de Conclusão de Curso.Entrega_Final/Termo de Autorização - Arthur Tsukamoto.pdf: termo de autorização para publicação.
Relatórios técnicos públicos elaborados ao longo do processo:
Modulo_1/Arthur_Tsukamoto_public_report.pdf: relatório técnico público (PT_BR).Modulo_1/Arthur_Tsukamoto_public_report_en.pdf: relatório técnico público (EN).
- Rust: linguagem do runtime da Solana e do programa on-chain.
- Solana / Agave: fork do validador modificado com a inclusão do syscall nativo
sol_falcon512_verify. solana_test_validator: ambiente single-node utilizado nos experimentos.- SVM (Solana Virtual Machine): ambiente de execução baseado em eBPF/SBF.
- Program Derived Addresses (PDAs): armazenamento persistente da chave pública Falcon-512 (layout determinístico de 946 bytes).
pqcrypto_falcon: biblioteca Rust utilizada na verificação Falcon-512 a partir do syscall nativo.- Falcon-512: esquema de assinatura pós-quântica baseado em reticulados NTRU.
- Ed25519: esquema clássico utilizado nativamente pela Solana, mantido como camada de compatibilidade.
- Cargo / Toolchain Rust: build, dependências e execução de benchmarks.
O projeto foi desenvolvido de forma incremental ao longo de quatro módulos, partindo de uma fundamentação teórica até a validação experimental do mecanismo proposto.
Levantamento da arquitetura criptográfica da Solana (Ed25519, Proof of History, Tower BFT) e revisão dos algoritmos pós-quânticos padronizados pelo NIST em 2024 (ML-KEM/FIPS 203, ML-DSA/FIPS 204, Falcon e SLH-DSA/FIPS 205). Análise dos fundamentos matemáticos (reticulados estruturados, NTRU, framework Fiat-Shamir, esquemas baseados em hash) e dos trade-offs de tamanho entre os algoritmos. Conclusão de que o Falcon-512 é o candidato mais promissor para a Solana, por oferecer o menor overhead de tamanho (16,3×) frente ao Ed25519 entre os esquemas pós-quânticos avaliados.
Desenvolvimento iterativo em cinco sprints:
- Sprints 1 e 2: consolidação de um benchmark comparativo de algoritmos PQC (Falcon, Dilithium, SPHINCS+) com foco em tamanho de chaves, nível de segurança e tamanho de assinatura, embasando a escolha do algoritmo para Solana.
- Sprint 3: primeira implementação de uma arquitetura híbrida (gestão de chaves off-chain combinada com verificação on-chain), evidenciando experimentalmente a inviabilidade da verificação Falcon-512 diretamente na SVM devido às restrições do ambiente BPF.
- Sprint 4: proposta inicial de um syscall nativo no runtime da Solana como alternativa às limitações do BPF.
- Sprint 5: consolidação da proposta híbrida (Ed25519 com Falcon-512) em formato de artigo, com discussão das implicações de feature flag, governança e impacto em custos.
Implementação efetiva do syscall nativo sol_falcon512_verify em um fork do Agave e formalização da arquitetura híbrida com armazenamento da chave pública Falcon-512 em uma PDA derivada da identidade Ed25519 do usuário. Produção do artigo "Do Ed25519 ao Falcon-512: Viabilidade de uma Transição Pós-Quântica na Solana via Syscall Nativo", incluindo benchmark experimental de 20.360 transações no solana_test_validator, com medição de tempo de assinatura, tempo de confirmação, tamanho de transação e Compute Units.
Refinamento do artigo para submissão ao Congresso Brasileiro de Ciências e Tecnologias Quânticas (CBCTQ 2026) sob o título "Viabilidade de uma Transição Pós-Quântica Híbrida na Blockchain Solana via Syscall Nativo". A contribuição principal desta etapa foi a introdução do cenário analítico de Ed25519 sob arquitetura equivalente (PDA combinado com syscall hipotético), permitindo isolar o custo arquitetural do custo criptográfico. O resultado evidencia paridade técnica de 1,09× entre o Ed25519 hipotético (aproximadamente 8.834 CU) e o Falcon-512 medido (9.614 CU), demonstrando que o overhead observado tem origem arquitetural, não algorítmica. Esta etapa também consolidou o TCC e formalizou as limitações (ambiente single-node, governança via SIMD).
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Este repositório contém apenas os resultados consolidados no contexto da Trilha Acadêmica do Inteli. O processo completo de desenvolvimento, incluindo o fork do Agave com a implementação do syscall e os scripts de benchmark, está registrado em repositório interno (privado).
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