Post-quantensichere Verifiable Random Function (PQ-VRF) für Ethereum RANDAO – Konzept, Vorteile und Vergleich zu EIP-8321

12. August 2026 Kryptowährungen

Der Übergang von BLS-Signaturen zu hash-basierten leanSig-Schlüsseln im Rahmen der Ethereum-Roadmap stellt das bisherige RANDAO-System vor ein existenzielles Problem: Ohne BLS-Schlüssel ist EIP-7998 nicht mehr funktionsfähig. Der vorgestellte Ansatz einer post-quantensicheren Verifiable Random Function (PQ-VRF) nutzt PRF-Commitments und WHIR-Stark-Beweise, um den RANDAO-Mechanismus bereits ab Konsens-Meilenstein I zu schützen und die Lücke bei Meilenstein L zu schließen.

Hintergrund: RANDAO, BLS-Schlüssel und die Meilensteine I & L

Im aktuellen Ethereum-Design erzeugt jeder Block-Proposer einen BLS-VRF-Output und einen zugehörigen Nachweis (EIP-7998). Dieser Mechanismus verhindert den „last-revealer-Attack“ und ermöglicht Single Secret Leader Election (SSLE). Bei Meilenstein L werden jedoch sämtliche BLS-Schlüssel durch leanSig-Schlüssel ersetzt. Da BLS-Schlüssel auf der Kurve BLS12-381 basieren, können sie von einem zukünftigen quanten-resistenten Computer (CRQC) mittels Shor-Algorithmus gebrochen werden. Ohne Ersatzschlüssel würde das RANDAO-System vollständig zusammenbrechen.

Kernkonzept der PQ-VRF: PRF-Commitment und WHIR-Beweis

Der Vorschlag verwendet ein PRF-Commitment-VRF, das den VRF-Schlüssel deterministisch aus dem leanSig-Seed ableitet. Die Ableitung erfolgt über das Poseidon16-Hash-Konstrukt im KoalaBear-Feld (31-Bit-Primzahl p = 2^31 - 2^24 + 1 = 2130706433 ). Der daraus resultierende 8-Elemente-Vektor ( vrfsk ) liefert 124 Bit klassisches Sicherheitsniveau.

  • Der VRF-Schlüssel wird ohne separate Registrierungszeremonie aus dem bereits on-chain registrierten leanSig-Seed abgeleitet.
  • Die VRF-Ausgabe wird wie üblich über das gleiche Poseidon-Hash-Verfahren erzeugt.
  • Der Nachweis ist ein eigenständiger WHIR-Beweis (WHIR-Stark), der die korrekte Berechnung des PRF-Outputs attestiert.

Der WHIR-Beweis wird synchron im Beacon-Block-Body eingebettet und benötigt keine zusätzlichen Precompiles in der leanVM.

Technische Details und Leistungskennzahlen

Die Implementierung basiert auf drei Poseidon16-Kompressionen über dem KoalaBear-Feld. Die wichtigsten Messwerte (Stand 2026) sind:

Metric Wert Einheit Quelle
Beweiserzeugungszeit (Prover) 81,4 ms S1
Beweisverifikationszeit (Node) 19,2 ms S1
Beweisgröße (WHIR) 116 KB S1
BLS-VRF-Beweisgröße (EIP-7998) 96 Bytes S2
Hash-Chain-RANDAO Overhead (EIP-8321) 32 Bytes S3
KoalaBear-Feldgröße 2130706433 S5
Sicherheitsniveau (klassisch) 124 Bits S5

Die Prover-Kosten von 81,4 ms liegen in einem 12-Sekunden-Slot praktisch im Hintergrund. Die Verifikationszeit von 19,2 ms ist mit dem Aufwand für die BLS-Aggregat-Verifikation vergleichbar. Der Hauptnachteil liegt im Daten-Overhead: 116 KB pro Slot gegenüber 96 Bytes im BLS-System.

Übersicht der wichtigsten Operationen

  • PRF-Evaluation (nur): ca. 3,71 µs (2 × σ ).
  • Vollständige WHIR-Beweis-Erzeugung: 81,4 ms.
  • WHIR-Beweis-Verifikation: 19,2 ms.

Vergleich mit EIP-8321 (Hash-Chain RANDAO)

Parallel zur PQ-VRF wurde EIP-8321 von Benedikt Wagner vorgeschlagen. Dieser Ansatz verwendet eine minimalistische Hash-Kette mit nur 32 Bytes Overhead pro Slot. Die beiden Konzepte unterscheiden sich grundlegend im Anwendungsbereich:

  • Ressourcenschonung: EIP-8321 ist mit 32 Bytes extrem leichtgewichtig.
  • SSLE-Kompatibilität: Die Hash-Kette erfordert zusätzliche Set-Membership-Beweise, um die Proposer-Identität zu verbergen. Die PQ-VRF unterstützt SSLE nativ, da jeder VRF-Output per Input evaluierbar ist.
  • Bandbreiten-Impact: Die PQ-VRF erzeugt pro Slot einen 116 KB-Beweis, was die Netzwerkauslastung signifikant erhöht.

Die Wahl zwischen beiden Varianten hängt stark davon ab, wie stark die Ethereum-Community die native Unterstützung von SSLE priorisiert.

Sicherheitsanalyse und offene Fragen

Die Sicherheitsargumentation umfasst vier Kernkomponenten:

  1. Korrektheit: Unconditional, aus WHIR-Vollständigkeit.
  2. Computational Uniqueness (ROM): Reduziert auf Kollisionsresistenz von Poseidon1.
  3. Pseudorandomness (QROM): Basierend auf Zhandry’s QPRF-Theorem (FOCS 2012). Gibt etwa 124 Bit Sicherheit.
  4. Proof Soundness (ROM): Fiat-Shamir-Transformation für WHIR im ROM.

Offene Risiken:

  • Erhöhter Bandbreiten-Overhead von 116 KB pro Slot kann die Block-Budget-Grenzen belasten.
  • Eine theoretische Beweislücke für WHIR + Fiat-Shamir im Quantum Random Oracle Model (QROM) bleibt ungeklärt.

Beide Punkte werden als Hauptthemen für das begleitende Papier und die Community-Diskussion genannt.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Warum funktioniert EIP-7998 nach dem Übergang zu Meilenstein L nicht mehr?EIP-7998 basiert auf BLS12-381-Signaturen. Bei L werden BLS-Schlüssel vollständig durch hashbasierte leanSig-Schlüssel ersetzt, sodass keine BLS-Schlüssel mehr für randaoreveal zur Verfügung stehen.Warum wird das PQ-VRF-Schema bereits ab Meilenstein I und nicht erst ab L aktiviert?On-chain registrierte BLS-Schlüssel können von Quantencomputern mittels Shor-Algorithmus gebrochen werden. Durch die hybride XOR-Kombination von BLS und PQ-VRF ab I wird RANDAO bereits in der Übergangsphase quantensicher.Was unterscheidet diesen Vorschlag vom alternativen EIP-8321?EIP-8321 (Hash-Chain RANDAO) ist mit 32 Bytes extrem leichtgewichtig, offenbart aber die Proposer-Identität. Die WHIR-basierte PQ-VRF ermöglicht dagegen die direkte Evaluierung pro Input und unterstützt damit Single Secret Leader Election (SSLE).

Fazit

Die vorgestellte post-quantensichere VRF-Konstruktion bietet eine notwendige Migration vom BLS-basierten RANDAO zu einem System, das bereits ab Meilenstein I gegen Quantenangriffe resistent ist. Durch die deterministische Ableitung des VRF-Schlüssels aus dem leanSig-Seed entfällt eine zusätzliche Registrierungszeremonie, und die WHIR-Beweise lassen sich ohne neue Precompiles in die bestehende leanVM integrieren. Der Hauptnachteil liegt im erhöhten Daten-Overhead von 116 KB pro Slot und einer noch offenen QROM-Soundness-Analyse. Im Vergleich zu EIP-8321 bietet die PQ-VRF jedoch native SSLE-Unterstützung, was für Anwendungsfälle, die eine verdeckte Proposer-Auswahl erfordern, entscheidend sein kann. Die endgültige Entscheidung wird davon abhängen, wie stark die Ethereum-Community den Schutz vor quanten-basierten Angriffen gegenüber Ressourcen-Effizienz priorisiert.