Un phare aléatoire distribué pratique avec une complexité de communication amortie optimale

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Progrès révolutionnaire dans la recherche sur les balises aléatoires distribuées (Distributed Randomness Beacon) — Une solution pratique pour optimiser la complexité de communication à grande échelle

Dans de nombreux domaines technologiques actuels, les générateurs de nombres aléatoires fiables (Randomness Beacon) jouent un rôle clé dans la sécurité appliquée à la cryptographie, aux blockchains, au vote électronique et à de nombreuses autres applications. Les générateurs de nombres aléatoires doivent répondre à des critères de résistance aux biais, d’imprévisibilité et de vérifiabilité publique. Cependant, les solutions traditionnelles de balises aléatoires distribuées (Distributed Randomness Beacon ou DRB) reposent souvent sur des processus de communication complexes ou sur des tableaux d’affichage publics (Public Bulletin Boards ou PBB) pour garantir la sécurité, ce qui entraîne des limitations de performance lorsque le nombre de participants devient important. Ce problème incite les chercheurs à chercher des solutions nouvelles et plus efficaces.

Récemment, Zheyi Wu, Haolin Liu et Lei Wang de l’École d’information électronique et d’ingénierie électrique de l’Université Jiao Tong de Shanghai ont publié un article intitulé “PLTCRB: A Practical Distributed Randomness Beacon with Optimal Amortized Communication Complexity” dans la revue Science China Information Sciences. Ils ont proposé un nouveau protocole DRB, nommé PLTCRB (Pipeline Timed Commitment Randomness Beacon), qui surmonte les limitations de communication existantes et réalise une complexité de communication optimale pour la génération de balises aléatoires dans des environnements distribués.

Contexte : Répondre aux défis de résistance aux biais, d’imprévisibilité et de complexité de communication

La fonction principale d’une balise aléatoire est de générer périodiquement des nombres aléatoires publiquement vérifiables, qui sont imprévisibles, résistants aux biais, et ne dépendent d’aucune entité de confiance unique. Dans la technologie blockchain, les balises aléatoires sont essentielles pour la sélection des leaders, le sharding, et l’exécution des smart contracts. Cependant, dans les réseaux sans permission, où les parties participantes sont souvent méfiantes les unes envers les autres, concevoir un protocole efficace et robuste reste un défi majeur.

Les protocoles DRB traditionnels s’appuient sur des techniques cryptographiques telles que les signatures seuils (Threshold Signature, TS), le chiffrement seuil (Threshold Encryption, TE) ou le partage de secrets vérifiables publiquement (Publicly Verifiable Secret Sharing, PVSS). Cependant, ils nécessitent généralement une forte interactivité entre les communications, ce qui donne au minimum une complexité de communication de O(n²). De plus, certaines méthodes dépendent de tableaux d’affichage publics comme les registres blockchain, ce qui apporte une transparence mais aussi des coûts supplémentaires. Dans ce contexte, les auteurs proposent l’utilisation de la technologie des engagements temporels (Timed Commitment, TC) pour éliminer la dépendance aux tableaux d’affichage publics et réduire la complexité de communication.

Résumé de l’article : Équipe de recherche et approche technique

Cet article a été rédigé par une équipe de recherche de l’Université Jiao Tong de Shanghai et publié en février 2025 dans Science China Information Sciences. Il décrit et valide un nouveau protocole DRB basé sur un schéma à engagements temporels, appelé PLTCRB, spécialement conçu pour gérer un grand nombre de participants tout en maintenant des performances optimales en termes de communication.

Conception de la recherche et méthode d’implémentation

a) Conception de la recherche : Une combinaison innovante d’engagements temporels et d’un mécanisme de consensus multi-tours

PLTCRB repose principalement sur un schéma d’engagements temporels et un protocole de consensus multi-tours, intégrant des techniques cryptographiques distribuées et temporelles pour atteindre une complexité de communication amortie optimale. Le processus de recherche comprend les éléments suivants :

  1. Construction des engagements temporels (Publicly Verifiable Timed Commitment, PVTC)
    L’article redéfinit le schéma des engagements temporels en introduisant un cadre algorithmique PVTC comprenant les éléments suivants :

    • Setup : Générer une chaîne de références communes (CRS) pour initialiser les paramètres temporels et de sécurité.
    • Commit : Permettre à une partie prenante de s’engager sur une valeur secrète et de produire une chaîne d’engagement ainsi qu’une information auxiliaire pour vérification.
    • VerifyCommit : Vérifier la légitimité de l’engagement et la fiabilité de la partie engagée.
    • ForcedOpen : Débloquer de manière forcée un engagement si la partie engagée refuse de dévoiler la valeur secrète.
    • VerifyDecommit : Fournir un algorithme permettant à un tiers de vérifier efficacement la valeur dévoilée.

  2. Nouveau protocole DRB (PLTCRB)
    La conception du protocole PLTCRB comprend les étapes suivantes :

    • Publication des engagements temporels : Le responsable (Committer) génère un engagement temporel qu’il diffuse à tous les participants ; si cet engagement est validé, les participants fournissent des signatures partielles.
    • Consensus multi-tours : Étant donné que le déblocage forcé d’un engagement exige plusieurs tours, un leader de consensus unique est sélectionné pour chaque tour afin de mettre en œuvre un système efficace de requêtes-réponses entre les nœuds.
    • Stratégie de déblocage forcé et vérification : Une fonction pseudo-aléatoire vérifiable (Verifiable Random Function, VRF) est utilisée pour sélectionner aléatoirement une partie des nœuds pour accomplir le déblocage forcé des engagements.
    • Production des nombres aléatoires : Les sorties aléatoires sont accompagnées de preuves permettant à un tiers de vérifier leur origine et leur validité, garantissant ainsi transparence et fiabilité.

b) Expérimentation et résultats de performance

L’équipe de recherche a analysé les performances théoriques et pratiques de PLTCRB à travers différentes expérimentations, en explorant l’impact des paramètres temporels t et des longueurs des paramètres de sécurité sur le temps d’exécution, ainsi qu’en comparant ces résultats avec d’autres protocoles existants.

  • Résultats expérimentaux :

    • Le temps de déblocage forcé d’un engagement augmente linéairement avec le paramètre temporel t.
    • La complexité de communication et de calcul est de O(n), offrant un avantage significatif sur les autres solutions lorsque le nombre de participants est important.
    • Par rapport aux protocoles phares tels que Headstart, Hydrand ou Spurt, PLTCRB minimise les coûts en bande passante, en particulier avec une échelle croissante de participants.

  • Données à l’appui :
    Les tests montrent qu’avec un millier de participants ou plus, l’utilisation de la bande passante et le débit de sortie restent stables grâce à la complexité optimisée de PLTCRB.

Conclusion et valeur de la recherche

  1. Conclusions principales :
    Le protocole PLTCRB réalise une complexité de communication amortie optimale pour les balises aléatoires distribuées sans dépendre des tableaux d’affichage publics. Il atteint un équilibre innovant entre sécurité et performance tout en respectant les propriétés fondamentales d’un DRB : vivacité, résistance aux biais et imprévisibilité.

  2. Valeur académique :
    Le nouveau schéma PVTC ouvre une voie pionnière à l’application de technologies temporelles dans la conception de protocoles distribués sans tableau d’affichage public.

  3. Applications pratiques :
    PLTCRB a un potentiel significatif pour des applications nécessitant des générateurs aléatoires efficaces et fiables, comme les blockchains et le vote électronique. De plus, il garantit une évolutivité accrue dans les systèmes distribués à grande échelle.

Perspectives et orientations futures

En supprimant la dépendance aux tableaux d’affichage publics, PLTCRB surmonte les limitations économiques et centralisées liées à ces solutions. Ce protocole représente une solution optimisée pour les systèmes distribués impliquant un grand nombre de participants. À l’avenir, avec l’amélioration des infrastructures de communication et des ressources informatiques, PLTCRB et des méthodes similaires pourraient offrir encore plus d’avantages dans des déploiements pratiques étendus.

Cette recherche impressionne par sa rigueur théorique et ses validations expérimentales détaillées, établissant une nouvelle référence pour la conception de balises aléatoires dans les systèmes distribués.